电动钻机驱动控制概述

张天生

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃 天水 741020）

1 引言

石油钻机按照动力驱动源分为电动钻机和机械钻机两大类。目前，电动钻机为主流装备，机械钻机正在被电驱动钻机所替代。无论那种形式的钻机均有绞车、转盘/顶驱、泥浆泵等主要钻井机械。

电动钻机驱动控制装置可简单描述为钻井机械装置的驱动者，以电力为动力源，以绞车、转盘/顶驱、泥浆泵等的电动机为控制对象，通过微电子元件和电力电子器件构成控制系统，依据自动控制理论，控制这些电动机的转速，以满足钻井工况的最佳要求，降低能耗、提高效率。下面对电动钻机的主要驱动控制部分进行概述和讨论。

2 主要控制对象

2.1 小电网系统

电动钻机按电源的来源分为两种，一种是独立的自备电站供电方式，另一种是大电网供电方式。自备电站供电方式使用较多、应用广泛，这种方式多采用3－5台柴油发电机组并网发电，构成一个公共交流母线的小电网系统，总容量在3000－6000kVA之间，并留有足够的裕量，根据钻井工况选择机组的台数，以达到最佳的效率。目前柴油发电机组的主流控制技术是全数字控制，柴油机采用功率内环、速度外环的双闭环负反馈控制策略，发电机采用无功内环、电压外环的双闭环负反馈控制策略，机组自动同期并网，并网后负荷分配调节环节自动投入，使并网各机组的有功和无功功率按照设计要求调节平衡。一般控制策略为负荷分配调节的输出分别叠加于柴油机和发电机的双闭环控制系统的输入，调节各机组使其有功、无功达到均衡。

2.2 提升系统

通过绞车/送钻离合器切换，由绞车或者自动送钻驱动提升系统，其负载是位能性的，无论提升还是下放负载，转矩方向始终不变。

2.2.1 绞车

绞车机械机构由滚筒、离合器、变速齿轮箱、制动装置等组成。驱动部分由传动控制系统拖动绞车电动机构成，用于起下钻具、套管、起放井架、底座等。绞车工作的特点是载荷变化大，起放频繁，深井起钻时载荷最大，空吊卡起放时最轻。对驱动系统的要求为：为防止提升时钻杆晃动与井架碰撞等，最好低速起动，然后迅速加速；为防止井壁轻微卡钻，需具备1分钟左右过载1.5倍的能力；为提高效率，充分发挥机械能力，需要绞车运行在最佳速度下。因此，控制系统一般采取的策略是：额定速度以下恒转矩调速，额定速度以上恒功率调速，具有挖土机特性输出。

2.2.2 自动送钻

自动送钻用于降低司钻工的劳动强度、提高钻井速度、降低钻井成本。电驱动钻机一般配有独立的送钻系统，通过离合器与绞车电机共同拖动滚筒，实现复合送钻，同时具备了绞车电机的部分功能，可互为备用，目前多采用这种送钻方式。

驱动控制策略为：在常规的双闭环系统的基础上增加钻压调节外环，构成钻压、速度、扭矩三闭环的调节系统，钻压环采用PID算法。

2.3 旋转系统

指顶部驱动或者转盘驱动的旋转系统，其负载是带有粘滑摩擦的弹性负载。

2.3.1 转盘

转盘的作用是使钻具旋转，把扭矩经钻杆传送到钻头，切削地壳实现钻进作业。电机通过传动齿轮箱驱动转盘，对驱动系统的要求是：调速范围宽；具有设定扭矩限制、反转等功能；具有钻杆反弹速度缓释放控制即软扭矩控制、惯性制动控制等功能。

2.3.2 顶驱

顶驱是取代转盘钻台面驱动的钻井装置，把钻井动力部分由下面的转盘处移到钻机上部的动力水龙头处，在井架上部直接驱动钻具旋转，沿井架内导轨上下移动，完成钻柱旋转钻进、接立柱、上卸扣、倒划眼和循环钻井液等钻井操作。驱动控制的要求为：控制精度要高，上扣、卸扣时需满足机械机构对扭矩的要求；液气回路的控制需依据顶驱特性并结合旋转钻进的工艺要求，使顶驱各部件按照钻井要求有序动作；钻柱反弹力的释放需要控制。

2.4 钻井液循环系统

通过泥浆泵驱动钻井液循环，负载为典型的泵类特性，负载转矩与转速的平方成正比关系。

驱动系统控制泥浆泵电机旋转，泥浆泵作为钻井液循环的动力源头，推动整个循环液高压循环，携带悬浮岩削、冷却钻头、钻具、冲洗井底、防止井喷、保护井臂、防止坍塌，配合旋转系统提供井下动力。驱动控制一般采用恒转矩调速，调速范围窄，通常使用两至三台泥浆泵，直接使用，泥浆输送管网中承受较大的压力脉动，通过检测泵的相位角，即采用“角同步控制”方式，实现软泵控制功能，使输送管网中压力脉动峰值相位均匀错开，这样两台三缸泵就相当于一台六缸泵，三台三缸泵就相当于一台九缸泵的压力脉动，使泵压脉动大幅度降低。从而提高了泵和输送管网等泥浆循环系统的使用寿命。这种通过控制实现软泵功能，是泵控制中有待于进一步研究和推广的新课题。

3 驱动类型

按照主传动部分驱动电机的类型是交流电机还是直流电机，把电动钻机分为交流钻机和直流钻机两大类。

3.1 交流钻机

交流钻机的优越性，在很大程度上与交流电机的优点有关。同容量时交流电机转子惯量小于直流电机，能实现更高的动态性能，总体效率较高。交流电机不存在电流换向，因此无火花，在容量上不存在限制。交流钻机具有悬停、四象限运行等新功能，尤其适合现代钻井工况的需求。交流钻机功率因数高，节能效果好。不足之处是交流电机虽然能够对速度精确控制，但对力矩无法做到精确控制。其做不到直流调速的特性，只能是逼近直流调速的特性。

目前交流电机主要采用矢量控制和直接转矩控制技术，装置大多数为SIEMENS或ABB的产品，相信在不远的将来我国国产的变频系统一定会在交流钻机中得到广泛应用。

3.2 直流钻机

直流钻机的优点是控制精度高，调速特性良好。直流电机转子惯量与其结构有关，一般较大，因此加速时间长，影响动态性能，总体效率低。其电机换向能力限制了容量和转速，极限容量和转速的乘积是106kW.r/min。其转矩脉动小，但电流换相有火花，这样对位于防爆区的绞车、转盘等电机有不利的一面。直流钻机功率因数较低，耗能较大。

交流和直流钻机互有优缺点，目前交直流钻机系统共存，但发展趋势是交流钻机取代直流钻机。

4 控制技术

4.1 模拟与全数字控制

早期的电动钻机多采用模拟控制系统。随着数字控制技术的快速发展，全数字控制技术应用于电动钻机，使电动钻机在性能、精度和灵活性等方面有了突出优点。模拟系统无法与全数字系统相比，模拟系统逐渐被淘汰了。

模拟系统是基于模拟控制器件的，控制量采集（采样）、信息交换、计算、控制、输出等功能的执行都是连续的，是连续控制的系统。

全数字系统是基于数字控制器件的，其核心是处理器，处理器要完成大量的任务，在一定时间内只能做一件事，任务分时串行执行，把连续的任务间断成每隔一定时间执行一次，称离散控制。每个周期开始时采集信号，进行周期性采样，只能在采样瞬间被测量和控制。合理的采样周期，将连续变量量化为不连续的数字量，处理器才能进行计算和控制。连续量的量化是数字控制和模拟控制的重要区别之一，量化时两相邻采点之间的信息被失去，影响了精度。

合理量化就是合理选择变量当量。利用数字量位数资源，使系统中的变量都有相同的精度。在数字控制器中，当量都按百分数（%）规定。为充分利用数字量位数资源，规定去掉一个符号位的数为200%（留100%调节余量）。

以16位数为例，100%对应214＝16384，全部数的范围是（＋ /－）200%对应（＋ /－）215＝（＋/－）32768。

4.2 可编程控制和总线通讯

电动钻机的可靠性和维护性要求很高，为此控制系统大多数采用两套完全独立的PLC和现场总线通讯方式构成，两套能互相切换工作，在任何一套系统工作时另一套不加电便于维护，使影响钻井作业停机的故障几率大大降低，提高了系统的可靠性并便于现场维护。

如图1所示，以ZJ70DBS通讯网络为例，来说明常规配置的冷冗余通讯网络的构成及特点。

图1 ZJ70DBS通讯网络

①VFD2控制室的PLC1（PLC2）作为PROFIBUS＿DP主站，进行网络组态。自动送钻（ADR）、绞车A（DWA）、转盘（RT）、绞车 B（DWB）变频器作为 DP从站设置参数。

②VFD1控制室的ET200站点、3号泵（MP3）、2号泵（MP2）、1号泵（MP1）变频器作为 DP从站设置参数。

③司钻控制室的ET200站点、触摸屏作为DP从站操作和控制整个电动钻机的运转。

主站与从站交换数据的速率、传送数据的长度由主站设定，每个变频器从站按照冷冗余配置两块CBP2通讯板，按照控制指令切换通讯板及变频器参数组。

这种技术使钻井工艺与操作控制有机结合，有效实现了数据采集和计算处理，并经触摸屏实现了一体化仪表功能。其软件设计灵活，绞车控制手柄、手轮等传统的硬件操作和触摸屏的界面操作互备，保护联锁功能齐全，使钻井安全得到保证。队长办公室进行监视、数据保存、归档等。

5 无功补偿和谐波抑制

由于钻机电网大多数为小电网系统，变流装置负载容量达到电网在线容量的70%－80%，每个变流负载对电网相当于一个谐波电流源，产生各次谐波，谐波电流的次数有 5、7、11、13、17、19、23、25，以 5、7 次谐波最为显著，小电网容量不是无穷大，谐波阻抗不为零，谐波电流在电网建立相应的谐波电压，引起电网电压波形的严重畸变。

电动钻机上多采用无源滤波，按照钻机工作特性选择电抗器、电容器等器件参数，滤除一定的谐波，改善小电网品质。有源滤波是另造一种谐波电流源，因造价高、体积大，在钻机上使用较少。

直流钻机的功率因数低，用无功补偿提高功率因数。依据钻机负载变化情况，确定无功补偿方案。对缓慢变化和冲击性负载引起的无功功率进行补偿，抑制电网电压波动。

6 采用的功率器件

功率器件是指用于钻机传动系统功率变换的电力电子器件，主要有脉冲控制型的晶闸管（Thyristor）和双向晶闸管等半控型器件、电平控制型的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等全控型器件。不可控器件有整流二极管、快速整流二极管等。其主要技术指标有阻断电压、通态电流、压降、开关时间等。

7 控制技术发展趋势

钻机控制技术正向着高效、节能、智能化方向发展，主要表现在以下方面：

（1）以柴油机为动力的机械钻机正在被电代油所替代。

（2）数字控制技术逐步取代模拟控制技术。

（3）电力电子器件向大电流、高电压、全控型、集成智能化方向快速发展，为开发10000米以上大功率钻机提供了硬件保障，大容量钻机的开发研制势在必行。

（4）随着电力电子器件、数字控制技术、变频调速技术的发展，交流钻机取代直流钻机成为必然。

（5）钻机控制系统进入一个开放的网络化、管理一体化的新阶段，数字通讯和网络技术在钻机领域全面应用。

（6）谐波治理及功率补偿将逐步成为常规要求。

（7）可编程序控制器（PLC）在钻机控制中将会得到全面而深入的应用。

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