交流变频电驱动石油钻机.docx

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交流变频电驱动石油钻机

交流变频电驱动石油钻机 

　　交流变频调速电驱动石油钻机（AC—GTO—AC石油钻机）是国外新发展起来的一种先进的电动石油钻机。

这种钻机在满足石油钻井工艺要求方面具有现用机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能。

这种钻机的核心技术就是采用了交流变频调速技术。

交流变频调速技术是一种涉及电动机理论、自动控制理论、电路拓朴理论、电力电子技术、微电子及计算机技术的综合性交叉技术。

专家认为交流变频电驱动钻机是现代高新技术与石油钻井机械的有机结合，具有强大的生命力，是当代石油钻机的发展趋势。

　　近年来，由于上述技术和可自关断全控技术、脉宽调制技术（PWM）、电机控制技术、矢量控制技术及直接力矩控制技术的飞速发展和应用，促进了交流变频调速技术的迅猛发展，交流变频调遣陛能，已完全达到石油钻井工艺对钻机驱动传动系统调速性能的要求。

　　为了使油田电网供电的固定工频（50I--Iz）输出后成为可变频率，通常采用整流技术，把工频经过整流变为直流，再通过逆变技术，把直流变成可调的交流。

原来采用不可自关断的半控器件，需要强迫换流来实现逆变，而强迫换流则需要辅助直流电源。

用于换流的电源器件、电感及电容，造成逆变电路体积庞大、投资增大、换流损耗大、逆变效率低、可靠性差和由于半控器件开关频率低很难采用脉宽调制技术等问题。

应用可关断全控技术以后，由于可关断器件不需要辅助换流电路、全控器件开关频率高、可靠性高、电压控制、驱动功率小、驱动电路容易实现等优越性能，克服了采用不可白关断半控器件造成逆变电路的一系列问题。

PWM技术的应用，使电机力矩脉动减小，谐波分量减小，满足了交流电机的供电要求。

另外，PWM技术在调节频率的同时，通过控制输出电压脉冲的宽度，调节输出交流电压的幅值，实现在逆变桥同时调节输出频率及电压。

矢量控制技术通过对三相电机的3／2变换把三相的量，解耦成类似直流电机的励磁分量及转矩分量，并对其量独立控制，再经过2／3变换成交流供电的三相量来控制电机，保证了力矩控制的线性关系，从而达到了直流电机的控制特性。

随着微电子技术及计算机技术的发展，法国AL—STON等公司已推出成熟的矢量控制型交流变频器，并成功地应用于石油钻机系统。

ALSTON公司生产的交流变频石油钻机代表了当今世界交流变频钻机的一流水平。

该钻机控制系统为分布式，其主控系统可以实时处理各种操作指令，监控各子系统的运行，及时处理故障，通过网络同各子系统进行数据交换，通过互联网完成同外界的信息交换。

该钻机有以下各子系统：

扭矩控制系统（顶驱或转盘控制系统）、刹车控制系统、平衡控制系统、游车控制系统、灌注控制系统、钻井泵及能量回馈控制系统等。

各子系统同主控系统共同实现高级控制策略。

各子系统采用闭环系统控制，每个子系统具有智能化和自适应功能。

各子系统通过各算法程序保证钻机在各种复杂工况下实现最佳工作，如扭矩控制系统的结构是：

交流电机、交流变频器、可编程控制器（ALSPAl800k光电编码器。

当系统闭环后，该控制能保证钻具平稳，减少钻具振动（软扭矩控制），并能保证钻具在零转速下实现满转矩输出，同时实时与主控制系统进行数据／指令／状态的传输，实现现场控制。

该钻机的分布式控制系统具有易操作。

高精度、高可靠性、人工智能化、自动化和可控制等性能。

当钻机的控制系统运行时，司钻能通过TV显示器（视频，图形化界面）了解各种参数的变化，．并实时自检各系统的工作状态。

当发生故障时，能及时报警，在报警的同时，能检测出发生故障的子系统及模块代码，并对故障同时进行智能分级处理。

出现严重故障时，能自动启动辅助系统，保证钻机工作正常运行，同时，根据故障代码使系统快速恢复。

　　由于AC—GTO—AC石油钻机的优越性能，国外钻井承包商纷纷发展AC—GTO—AC石油钻机，仅1997年下半年至1998年9月，英国北海油田的很多海上平台选用了交流变频石油钻机，而且把许多平台的直流驱动装置改造为交流驱动。

仅1998年上半年，ALSTON在英国的CEGELEC BAUTAIL DIVISION子公司就承接了斯伦倍尔石油公司5套AC—GTO—AC石油钻机，同时还负责对北海平台AC-SCR-De钻机进行改造。

　　采用交流变频调速技术的AG—GTO—AC石油钻机与机械驱动石油钻机和AC—SCR—DC石油钻机相比，具有以下突出的特点：

（1）钻机的绞车、转盘可实现无级变速，调速范围宽；能以极低的速度恒扭矩输出，对井下钻具的事故处理、侧钻、修井、小钻井液排量作业、优选参数钻井作业十分有利。

（2）可使电动机的短时增矩倍数达1．15~2以上，大大提高了钻机的提升能力和处理事故的能力。

　　（3）由于具有恒功率宽调速特性，故可大大简化钻机的机械结构。

　　（4）具有转盘扭矩限制功能，可防止钻具或机件扭断。

　　（5）交流变频技术对电机具有安全保护功能。

　　（6）负载功率因素高，接近于1，具有软起动性能，可降低供电电源的容量。

　　（7）在带载情况下，可平稳启动、制动和调速；在下钻时，可实现对电网能量反馈，减少制动装置损耗，节约能源。

　　（8）交流电机体积小，单机容量大，价格便宜，没有碳刷换向器，不需制成防爆型，维护费用低，使用安全可靠，易于操作管理。

　　（9）容易实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制。

　　（10）安装、拆卸、搬迁方便灵活。

　  激光石油钻机   

　　据资料介绍，美国计划在21世纪使用激光钻井。

美国芝加哥天然气研究所（GRI）与美科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司、菲利普斯及美国空军和陆军合作，联合开展一项激光钻机的研究计划，该计划约于．2000年完成。

GRI的主要技术负责人理查德克说：

激光钻井将使21世纪的石油天然气钻井发生革命性变化。

激光钻井将像本世纪初的旋转钻井替代顿钻一样带来彻底的技术突破。

激光钻井技术的优点是：

可降低钻井成本，提高机械钻速，改善井控，减少钻机平均工作天数、钻头磨损和起下钻时间，激光钻井可精确地控制井眼，并能在井眼周围形成一层坚硬的玻璃化外皮，可最大限度地减少或取消同心套管。

　　该项计划的实验室研究工作将在美国陆军的高能激光系统试验室和美国空军的定向能量实验室完成。

试验中将使用美国国防部星球大战计划开发的2台强大、有效的高能激光器。

　　一台是中红外高级化学（MIRACL）兆瓦级激光器。

该激光器发出的能量，能洞穿数英里外的战术和战略目标，并能烧穿软岩石矿物质固体材料。

菲利普斯公司用MIRACL激光器进行钻孔试验，激光束在1s钟内可穿透60mm厚的砂岩一页岩一砂岩夹层，其穿透速度至少是目前常规钻井的100倍。

     另一台是化学氧化碘激光器（COIL），该激光器是用于空对空防御并能跟踪摧毁导弹的高能激光器。

将该激光器用于深度超过4500m的钻井和完井，可以解决井控、侧钻和定向钻井等问题。

由于COIL精度高，范围大，具有很高的输出功率，并能在光纤中耦合，故适用于钻很深的油气井，且成本较低。

GRI称，还有两种激光器：

一种是高能放电同轴碘激光器，该激光器是用于研究各种环境下激光束对多种材料的影响；另一种是LDD激光器，该激光器是用于研究强激光与不同软岩石矿物之间的相互关系。

LDD已进行了4．5×104s以上的激光一材料试验，且LDD的运作费用相当低。

GRI专家认为，对激光钻井的研究，将促进井下激光钻井机械、钻常规井和小井眼井（连续油管）的激光钻头、激光射孔工具、侧钻及定向激光钻具的发展。

　  新型液压石油钻机

　　20世纪90年代初期，挪威Mari Time液压装置公司与英国石油公司联合研制成功一种新型液压石油钻机。

该钻机采用液缸作为提升机构，取消了传统的绞车、井架和游车等常规设备。

整台钻机由双液缸、游动轭、提升钢丝绳、平衡器总成、液缸导向架、顶部驱动装置和液压系统等部件组成。

　　双作用的液缸由钻台上可分开的凸缘支承着，凸缘移走后，台上的孔洞可让液缸下降通过或进行检修。

活塞杆涂有防腐抗磨、经久耐用的陶瓷层。

　　游动轭是由轭主体、4个直径为2．8m的滑轮和2个导向座组成。

导向滚筒在液缸导架的导轨上移动，活塞杆固定在导向座最顶部。

游动轭主体装有滑轮，用销子钉在导向座高处，滑轮上的轴则定位在轭主体底处，以保证整个总成平衡，即使在加速或减速时，甚至冲程速度不均时，也能保证活塞杆引导稳定，这就允许液缸力在不均匀的情况下仍能使轭主体在新位置上保持平衡。

4个大直径滑轮在轴的双滚柱轴承上滑动，滑轮槽可装2根钢绳，还有一个槽可装供顶驱装置用的软管或电缆。

这不仅解决了软管悬挂在井架上的问题，而且在立管和鹅颈管取消后仍可改善钻井液的水力条件。

　　8根提升钢丝绳，长度固定，平行排列，一端接顶驱装置（为取消游车），另一端接钻台上的平衡器总成。

该总成用以补偿液缸动作的不平衡。

吸收各绳不均匀的弹性，保证各载荷均匀。

钢绳的破断安全系数为4.0~4.5。

　　液缸导向器取代了塔式（或轻便）井架。

此架只起导向作用，不供提升，外形为正方中空截面，用搭接焊焊成，导轨也在导向架上，故不需留安全空隙，也不存在过去游车游动到天车或钻台上的问题。

　　顶部驱动装置与常规的一样，只有两个例外，一是提环用链连接，一是进钻井液的鹅管，其面向上，以便软管从上面滑轮进入。

     液压系统有4台泵，可通过电动机或柴油机驱动提供提升能力，但仅为恒定速度的1／4，节省动力。

刹车由液缸底部的节流阀控制。

蓄能器是主循环系统的重要组成，它有足够能力处理容积变化，并具有充分的升压力和立根提升时的最大速度。

　　该钻机的优点是：

（1）重量大大减轻（可减重200--4000t以上）。

（2）允许钻台台面升高，但并不影响总重量和重心，还可将钻杆立根盒移到钻台下面。

立根盒位置降低以后可取消钻杆排放设备，钻杆排放从水平到竖直只用简单设备即可。

如采用机械化钻杆排放设备只需一人操作，不用井架工。

　　（3）钻台载荷能力大，能支承两个长液缸和转盘。

　　（4）钻杆提升和排放都在钻台上的槽里，此槽还具有鼠洞功能。

　　（5）敞开取放钻杆，并可将立根盒安排在钻台两边。

　　软管石油钻机

　　早在20世纪50~70年代国外已开始研制软管钻机和应用软管钻井技术钻井，但真正进行工业应用还是在90年代初期。

1991年，美国Oryx能源公司应用2in连续软管和井下马达在美国得克萨斯钻了一口1062m的水平井；1992年，美国道威尔公司用13/4in连续软管和31/16 in泥浆马达在法国巴黎盆地钻了一口总长1274．7m的井。

由于软管钻井技术表现出的优越性和相关配套技术装备的发展与进步，90年代以来一直保持着强劲的迅速发展的势头。

　　据美国CTES（美国连续软管工程公司）统计，1991年用连续软管钻井技术钻了4口井，1992年钻了14口井，1993年钻了30口井，1994年钻了150口井，1995年钻了356口井，1996年钻了410口井，1997年钻了600口井，而且1997年壳牌英国勘探与生产公司在北海应用软管钻井技术在垂深3860m处成功地进行了侧钻，创造了利用软管钻井技术侧钻垂深最大的纪录。

现在全世界应用软管钻井技术钻井的国家有美国、加拿大、法国、英国、荷兰等国家，其中，美国、加拿大是应用软管钻井技术钻井最多、最活跃的国家。

　　之所以软管钻井技术发展得如此迅速，主要是因为这项技术具有较突出的优越性和90年代以来软管钻井设备与工具的技术进步。

     1．连续软管钻井技术的优越性

（1）连续软管钻井技术与常规钻机钻井相比可节约费用25％--40％。

（2）在正常钻进中不用停泵接钻杆，在起下钻过程中可连续循环钻井液，故大大节省了钻井时间，加快了钻井速度，缩短了钻井周期，避免了因接钻杆可能引起的卡钻、井喷等事故，提高了钻井作业的安全性。

　　（3）连续软管内可内置电缆，改善信号的随钻传输，可以实现随钻测量和闭环钻井。

　　（4）对老井重钻、加深钻或侧钻作业中，因软管直径小可在不取出油管等设备的情况下边采边钻，节约作业费用。

　　（5）在欠平衡钻井作业中，可确保井下始终处于欠平衡状态，保证作业安全，减少钻井液漏失，防止地层伤害。

　　（6）井场占地面积小，特别适合于海洋平台、地面条件受限制的边远地区勘探和边际油田开发。

　　（7）由于软管尺寸小，特别适合钻小井眼井。

　　（8）井场地面设备占地少，钻井废弃物少，噪音小，有利于环境保护。

　　（9）钻井设备安装、拆卸、搬运相对简便快速。

　　2．近年来连续软管钻井设备的新发展

　　美国XL、TSL等公司近年来开发了一种电动连续软管钻井系统——电动井下钻具组合。

这种钻具组合用电潜泵马达取代了常规的螺杆钻具，为了降低输出轴的转速和更好地适应钻井环境，电潜泵马达与行星齿轮传动箱相连。

该马达由地面上一台与变速驱动装置相连的计算机控制。

开发出的控制软件可以采集、记录来自马达的实时钻井数据，并为司钻等技术人员提供实用的钻井信息，提高对钻井过程的反馈和控制能力。

该钻具组合由连续软管连接器、润滑油补偿系统、电动马达、传动箱、旋转密封装置和驱动轴下端的轴承组组成。

钻具组合的动力是由计算机控制的地面变速驱动装置提供的。

司钻通过计算机显示屏监测钻头转速和根据马达电流与钻头转速计算扭矩，各种参数可根据钻井环境的要求迅速转化和改变。

这种电动连续软管钻井系统已顺利通过试验并显示出以下特点：

（1）延长了平均故障时间，可靠性得到了进一步提高。

（2）能在高温条件下钻井。

　　（3）能满足欠平衡钻井和硬地层等钻井工艺要求。

　　（4）由于用电潜泵马达取代了螺杆泵，无需较高的水能驱动马达，故避免了失速和延长了软管寿命。

　　（5）在保持钻压的情况下可以提高钻具组合的可控性和柔和性。

　　（6）可采集到钻头扭矩、钻头转动状况等多种钻井数据。

　　（7）高性能的遥测工具可以快速反馈数据，从而更好地进行地质导向等作业。

　　该电动连续软管钻井系统的最终目标是研制成功一种集井下测量和地质导向的全自动钻井系统。

　　套管石油钻机

　　套管钻井是一种全新的钻井工艺技术，被誉为是21世纪的前沿钻井技术之一。

与套管钻井工艺相配套的套管钻机取消了常规的钻杆，用套管代替钻杆进行钻井。

1995年以来Tesco公司研制了一种用于套管钻井的新型钻井装备——套管钻机。

钻机安装在拖车上，采用电一液驱动的顶驱装置，通过套管传递扭矩，并带动安装在套管底部钻具组上的钻头旋转钻进。

钻头固定在一个专用钻具组的前部，钻具组锁定在套管的底部，并用钢丝绳与钻台上起下钻头的专用绞车相连，当需要换钻头时，将锁定装置打开，利用绞车将钻具起出，更换新钻头后再用绞车将钻具送入井底，锁定在套管底部，操作非常方便迅速。

套管钻井中的钻头直径小于套管内径，若需钻出大于套管外径的井眼，则需在钻头上部的钻具上装一可以收缩的扩孔钻头，钻进时，扩孔钻头张开，这样就可以钻出大于套管外径的井眼。

钻机的钻进过程也就是下套管的过程，套管下到井里不再提起，完钻后即可进行固井。

1998年6月Tesco公司用新型的套管钻机成功地进行了钻井试验，并获得了两项美国专利。

　　套管钻机钻井具有以下优点：

（1）简化了钻机结构，减小了钻机尺寸，降低了钻机成本，钻机更轻便，且容易操作和搬迁。

（2）套管钻井节省了大量的钻井管材，节约了大量与钻杆、钻铤有关的采购、运输、检验、维护和更换的费用。

　　（3）采用钢丝绳起钻比传统的钻杆起钻快5～10倍，减少了起下钻时间。

　　（4）由于套管自始至终留在井内，大大减少了地层膨胀、井壁坍塌、键槽、台阶和意外事故的发生，而且不再有抽吸作用和压力波动，从而使井控状况得到大大改善。

　　（5）套管钻机在起下钻更换钻头或侧井时，可继续循环钻井液，防止钻屑沉积，减少卡钻和井涌发生。

　　（6）套管钻机钻井，可以使钻井液水力参数、环空上返速度和清洗井筒的状况得到大大改善。

　　（7）钻机钻井可大大降低钻井成本，据估计，一口井深3000m的井，与常规钻机钻井相比；，所需费用可节省30％以上，其经济效益十分明显。

　　套管钻井技术是一项正在迅速发展的技术，有着广阔的应用前景。

套管钻机是一种新型的钻井设备，随着套管钻井工艺技术的完善和推广，套管钻机也必将会得到进一步的发展。

　　小井眼石油钻机

　　国外研究小井眼石油钻井技术的历史比较早，但这一钻井技术真正引起世界石油界的普遍关注和对小井眼钻机的技术开发还是近十来年的事。

20世纪80年代以来，由于国际油气价格持续低迷，整个世界石油工业很不景气，加上世界各国环境保护意识的增强，各国对环境保护的呼声和要求越来越高，许多国家制定了保护环境的法律法规，严格限制包括石油工业在内的污染、排放和噪音，从而大大增加了对石油钻井工程中的环保压力和环保费用。

各大石油公司和钻井公司为了生存，为了获取更大的经济效益，千方百计寻找降低勘探开发成本、提高经济效益与自身竞争力的方法和途径。

进入90年代以后许多石油公司投入很大的力量开展小井眼钻井技术的研究和实际应用，进而促进了小井眼石油钻机在世界上的迅速发展。

　　小井眼钻井技术与常规钻井技术相比具有以下显著特点：

（1）关于小井眼的定义，目前各国尚无统一定论，美国小井眼的定义是：

对直井来讲，全井90％以上井眼的直径小于7in或70％的井眼直径小于5in的井称为小井眼井。

对于水平井来说，水平段井眼直径小于6in的井称为小井眼井。

（2）采用小井眼钻机钻井，由于井眼小，可减少钻井液、钻头、钻杆、套管、水泥、水、柴油等材料的消耗和钻井作业人员的经费支出；可减少钻屑和场地；可提高钻井和起下钻速度。

例如，在边远地区钻勘探井，如果井眼尺寸减少50％，则钻井液、钻屑和井场面积将减少75％，总费用可降低40％～60％；钻开发井则可降低25％～40％的成本。

　　（3）采用小井眼钻机钻井，可大大减少常规钻机的体积和重量，可大大节约钢材，减少拆装、修路、运输等费用。

井场占地面积比普通钻机小75％，比常规钻井节省30％的费用和大量的时间。

　　（4）利用小井眼钻机在条件十分恶劣的边远地区进行勘探，可大大减少在高风险、高成本作业情况下的资金投入；在老油气田利用常规钻机只能开采出大约40％的原始地质储量，而用小井眼钻机打加密井可采储量将提高50％；在旧开发井内用小井眼钻机继续向深部钻探，可发现老油层下面的新油藏；用小井眼钻机进行老井再钻比用常规钻机可大大降低投资成本。

　　（5）小井眼钻机的装机功率和钻井泵功率比常规钻机的小，所以燃油消耗和排放的废气少，对空气的污染和噪声级别小。

由于井眼尺寸小，所用的钻井液、产生的钻屑和废物少（比常规井减少约70％）。

　　由于小井眼钻井技术在降低油气勘探和开发成本、提高经济效益、减轻环境污染等方面比常规钻井具有十分突出的优越性，另外，原来一直困挠小井眼钻井技术发展的录井、钻速、采油、钻压等技术障碍已被解决，故瑞典勘探石油集团、比利时、澳大利亚、英国的BP公司、法国的TEP公司、加拿大CS资源公司、美国AMOCO公司等许多国家的石油公司积极研制小井眼石油钻机。

　　1．Foraslim小井眼钻机

　　该钻机1994年4月开始在法国巴黎盆地和威沙里城堡的阿伯拉特姆钻了两批井，井眼直径为85．73mm（33/8in），钻速与常规钻机钻速一样，这种钻机由于井场面积小、井眼小、钻屑少不需废泥浆池，不仅可大幅度降低钻井费用，而且完全能满足环保要求。

整台钻机造价500万美元。

　　该钻机主要性能指标：

　　钻井深度                      3500m    

　　最小井径                      85．73 （33/8）m m（in）

　　装机功率                      4x330 （4） x 450kW（hp）

　　发电机                        4 x 410 k·VA

　　井架额定载荷                  100 t

　　钻井泵功率                    4 x 200hp    

　　电绞车额定功率                441kW

　　钻台高度                      5.5（18） m （ft）

　　取心绞车额定功率              158.2 kW    

　　井场面积                      850 m2

　　该钻机的主要特点：

（1）钻机的动力系统由4台330kW柴油机驱动4台410kV·A发电机。

直流电动机采取PLC控制，灵敏度高，准确可靠，适用于环境恶劣的山区。

（2）钻机的顶驱装置为电动式，具有两个机械挡，转速可在0～270r／min和270～600r／min范围内调节，以保证新型小井眼钻头能够有效钻进。

　　（3）小井眼钻机最重要的操作是如何准确控制钻压，而该钻机可采用以下几种方式来准确控制钻压：

　　①用液压绞车的泵系统和节流阀控制；

　　②顶驱装置与一台液缸相连，通过维持缸内恒压来控制；

　　③用直流电机驱动绞车处理应变仪传来的载荷信号，再通过控制盘调节钻压。

　　（4）该钻机正常钻进和连续取心时，钻井液循环系统的额定压力为35．15MPa，泵排量为50--2000L／min。

4台钻井泵，2台用于钻井，2台用于固井。

钻井液电磁流量计能测出lOL／min的流量。

钻井液缸液面指示器最小分辨率是5mm，钻小井眼井时可精确测出缸内液面高度。

　　（5）该钻机的固控系统装有一台平动振动筛和2台离心机，从而保证了正常取心、钻井液压力和环境不被污染。

　　（6）钻井时钻井泵的排量、钻柱和电动机的转速均采用PLC（可编程控制器）控制。

PLC系统能将各种参数控制在极限值以内，当停止操作时PLC能将参数恢复到原有状态。

　　（7）该钻机的机械化程度较高，配有工作可靠、效率很高的排管器和机械大钳，可以方便地将钻杆送到钻台或顶驱装置上。

正常钻进时钻台上只需1人操作。

　　（8）该钻机装有常开式涡流刹车，带刹车在紧急情况下使用，司钻对绞车可遥控操纵。

　　（9）该钻机安装时，钻台与卡车底盘齐平，整个安装过程都在底盘高度进行。

井架安装不像常规钻机水平安装，而是用一液压升降机整体起升。

操作十分方便安全。

　　（10）该钻机搬家时，只需把设备分成约2．5t的模块，便可用直升飞机运往山区打井；也可把钻机分成不到10t，外形不到6m的模块用10t卡车运输，且对路面宽度和承载能力要求不高。

　　（11）该钻机仅有一个40m3的泥浆罐和两台污水处理离心机，专门收集钻机周围的污水和对钻井液处理后的清水回收再用。

钻机发动机装有音罩，刹车时100m以外的噪音小于54dB，故完全满足环保要求。

　　2．全液压小井眼钻机

　　该钻机由意大利Soilmec公司生产，已形成