分析顶驱钻井电机的发电状态及其危害

于继成

摘要：在钻井作业过程中，顶驱钻井电机会常常进入发电状态，制动单元频繁导通，引起过热或烧坏，造成顶驱不能正常工作，影响钻井作业的正常进行。我们应加强和钻井队的沟通协调，及时调整钻井参数，使顶驱电气设备正常运行，保障钻井施工的顺利进行。

关键词：钻井;顶驱;电机;发电;危害

顶驱是机电液一体化集成度很高的钻井装置，作为一种高效、安全的钻井方式，大幅度缩短了起下钻时间，减少井下复杂，提高钻井效率。顶驱对于欠平衡井、水平井、丛式井、定向井、套管钻井、不间断循环泥浆钻井等特殊工艺井技术发展有重大意义，石油勘探开发采用顶驱是大势所趋。顶驱在钻遇砾石层、夹层、不匀质层等复杂地层时，钻井扭矩在较大范围内剧烈波动，顶驱钻井电机频繁进入发电状态，造成变频器制动单元频繁导通工作，引起过热甚至烧坏。当制动单元过热保护或烧坏时，顶驱逆变器保护，没有输出电压，钻井电机无法运转，影响正常钻井施工。因此研究顶驱钻井电机的发电状态，避免制动单元频繁导通工作，保障顶驱正常运行具有现实意义。我们以变频调速、矢量控制的北石DQ70BSC顶驱为例说明。

1顶驱钻井电机发电原因

1.1电动机发电状态

电力拖动系统处于稳定运行状态时，主要特点：①系统稳定在某一转速下做等速运行;②系统的各转矩间处于平衡状态;即：TM =TL+To ≈ TL（其中TM：电动机的转矩是由电流和磁场间相互作用而得的，故称为电磁转矩TM;TL：负载大多数情况下呈现为阻转矩，用TL表示;Tn：摩擦转矩、风阻转矩等，统称损耗转矩用Tn表示;如果电力拖动系统的转矩之间不平衡，则TM>TL+TO时n ↑，系统加速;当TM

1.2异步电动机的旋转原理

异步电动機电磁转矩TM由定子主磁通和转子电流相互作用产生;定子主磁通以一定转速旋转，旋转磁场的转速no=60f/p;转子绕组里的电流是绕组本身切割定子旋转磁场的磁力线感应产生的，旋转磁场转速no和转子转速nM同方向。当旋转磁场的转速no大于转子的转速nM时，为电动机状态;而当旋转磁场转速nn小丁转子转速nM时，转子绕组切割旋转磁场磁力线的方向和电动机状态时正好相反，变为发电状态。

1.3变频调速系统电动机发电原因

变频调速系统降速基本方法是通过逐渐降低给定频率实现。拖动系统惯性较大，变频器给定频率又下降得较快时，电动机转速nm下降将跟不上同步转速no下降，出现nM比no大得多的情况。这时转子绕组切割定子旋转磁场磁力线的速度加快，转子电动势和电流增大，形成再生过电流。同时泵升电压也增大。电动机再生电流通过和逆变管并联的续流二极管进行全波整流后，返回至直流电路，使直流电压上升。上升部分称为“泵升电压”。再生电流和泵升电压之间的关系：再生电流大，泵升电压也大，但反过来，泵升电压大，将对再生电流起抑制作用，使再生电流减小。因此降速过快，常出现“过电压”故障。

1.4顶驱钻井电机发电状态

以北石DQ70BSC顶驱为例，钻进过程中，顶驱恒功率输出，钻井扭矩变化率过大时，顶驱钻井电机输出转速也会同步变化，变频调速系统会频繁变换给定频率，使电动机的电磁转矩和负载转矩相等，定子旋转磁场同步转速nn发生变化。而顶驱带着钻具旋转惯性很大，电动机转速的变化跟不上旋转磁场的变化，虽然我们没看到电机反转，实际上电动机会频繁进入发电状态。制动单元频繁导通过热，就因为钻井扭矩变化过快，造成电动机频繁进入发电状态，回馈到直流母线，电压升高，造成制动单元导通。

2顶驱钻井电机发电的危害

2.1制动单元频繁导通

顶驱钻井电机频繁进入发电状态，会造成变频调速系统直流母线电压升高，制动单元频繁导通。顶驱直流母线工作电压8IOV，制动单元导通电压967V，制动电阻3.1 Ω，功率200kW，制动单元在峰值功率工作20秒需冷却70秒。制动单元频繁导通，容易造成制动单元过热保护或烧坏，导致顶驱不能运行，影响正常钻井施工作业。

2.2影响电气元件使用寿命

顶驱钻井电机频繁进入发电状态，使变频调速系统电气元件频繁承受高电压，元器件发热，减少使用寿命，造成元器件老化损坏。

2.3潜在的火灾风险

顶驱变频调速系统制动单元烧坏后，逆变器会自动停机保护，但整流器还会正常工作，这时直流母线8IOV电压会不受控制长时间作用在3.1Ω的制动电阻上，制动电阻就像一个电炉子很快烤着电控房，引起火灾。我公司顶驱在塔里木油田DN2-4井作业时，就因制动单元烧坏，没有及时发现，引起电控房起火事件。

3顶驱钻井电机发电的预防措施

主要措施有：①调整钻井参数：当顶驱钻井电机频繁进入发电状态，频繁引起制动单元超温保护，可与钻井队协商，适当降低钻压、钻井转速，减轻钻进过程中憋跳现象。②加密巡检，勤检查：当顶驱钻井电机频繁进入发电状态，频繁引起制动单元超温保护时，要加密岗位巡回检查或在顶驱电控房值守，发现问题及时处置。

综上所述，在钻进作业时，顶驱钻井电机常常进入发电状态，为了避免电气设备损坏，我们在加强巡检的同时，还需要和钻井队的交流沟通，及时调整钻井参数，以保障顶驱设备的正常运行。

参考文献：

[1]王进野.电机拖动与控制[M].天津：天津大学出版社出版，2008（2）.