石油钻井直流电动钻机绞车的故障和处理

罗军

【摘要】随着油气能源开采力度加大，油气勘探开发向深海等难动用储量延伸，大功率直流电机具有调速性能优良的优点，被广泛应用于钻井平台拖动机械设备，电机调速系统是强弱电控制结合的系统，系统弱电部分检测工作转速，电机温度等信号，强电部分根据控制信号调节电机转速。随着中国经济高速发展，我国已成为世界最大石油消费国。我国海域油气资源丰富，需要加大海洋石油勘探开发力度。随着石油钻探行业新工艺技术发展，电动钻机具有诸多优势得以广泛应用，电气传动系统是钻机核心控制部分，本文围绕西部钻探克拉玛依钻机公司某队采用直流调速器钻机电气传动系统研究，阐述故障处理工作，为相关工作开展提供借鉴。

【关键词】石油钻井;直流电机;故障处理

电机调速发展与电子技术发展相关，电机调速与电子技术相互促进，以弱电检测发出控制信息，现代电气控制技术是强弱电结合的技术。石油钻井由多种机器设备组成的联合工作机组，主要功能是打通地下油气层井筒，整套钻机必须具备起升设备，旋转设备，传动系统等。绞车是钻机工作机组之一，是钻井中的核心设备，用于起下钻具，钻井中控制专家等。绞车是石油钻井等石油钻采机械核心部件，其可靠性直接影响系统安全性能。随着油气能源开采力度加大，油气勘探向深地层等难动用储量延伸，致使钻机发展向大型化方向推进，引了发国内开发适合深井钻采设备热潮。对直流电机绞车故障问题分析，对保证石油钻井电机正常工作，提高石油开采生产效率具有重要意义。

1.石油钻井直流电动钻机绞车结构简介

石油钻机是由机电液气等设备组成的联合工作组，是油气田开发的专业设备，随着钻井作业要求发展不断进步。石油钻机主体机械设备驱动形式包括液压驱动等，通过传动系统完成并车，换向等功能。是由主体机械包括提升设备，旋转设备与循环设备。电气控制系统完成对主体机械驱动钻机为电动钻机，随着科技的发展，大型钻机进入全面电气传动时代。

为勘探开采石油需要进行钻井作业，破碎地面下岩石形成到油气层的通道。石油钻机是完成打通通道的关键设备，总装场地调式设备底座安放井口上方，转盘安装在钻台上，钻杆连接通过悬挂在游动装置上被树立，通过转盘带动钻杆柱旋转，控制轿车带动游动装置升降。控制连续旋转钻头对破碎岩层作用，使钻井从钻头水眼喷入井底，由于钻杆连接形成可使钻头延伸实现连续作业。随着石油钻机发展，单机电气控制功能日益强大，成为石油钻机联合工作的核心设备。

钻井轿车是提升系统设备，是钻机工作机，其功能包括起下钻具，钻进中控制钻研，整体起放井架等。绞车种类很多，有多种不同的分类方法：按轴数可分为单双轴与多轴绞车;按提升速度可分为二三四六八速绞车;电驱动绞车分为直流与交流电驱动绞车。大型交流电驱动绞车通常采用单轴结构。通过单双速齿轮箱带动滚筒轴，三速交流绞车仅在德国WIRTH公司生产。通常采用电机能耗制动作为主刹车，双轴绞车由滚动轴加矛头轴组成，矛头轴转速通过滚筒轴交换。三轴结构目前不带捞沙滚筒轴柴油机驱动常见结构形式，传动系统往往由动力输入轴及滚筒轴组成。可设计为四六八速结构。

各型绞车结构存在差异，但具有类似功能机构。绞车基本结构包括滚筒轴总成，制动系统，控制系统，润滑系统，支撑系统。绞井绞车是多功能起重工作机，能量通过绞车变速系统传递给绞车滚筒。通过钻井钢丝绳带动油车等油吊系统完成下行垂直运动，绞车通过刹车装置实现系统减速等。驱动石油钻井绞车动力机有柴油与电动机两类。电动机驱动经历了四个技术发展阶段。柴油机直接驱动方式因受调速范围小，可靠性差等性能影响基本淘汰。变频电动钻机购置成本较高，促使用户选购直流电驱动钻机。

2.ZJ50D钻井电气控制系统故障处理

2.1 钻井电气控制系统介绍

ZJ50D钻机电气传动系统由3台发电机组，SCR房，4台泥浆泵主流电机，交流变频自动送钻电机等构成。系统分为供电，配电与控制部分。供电回路由主发辅发电机组组成，主发电机组为600V1200kW1500柴油发电机组，辅助发电机组为400V440kW发电机组。配置目的是搬家作业时耗电需求不高，启动辅助发电机组可降低油耗。

配电部分分SCR与低压配电部分，SCR传动部分将发电机发出600VAC交流电整流成0～750VDC连续可调直流电，驱动绞车，转盘。低压配电部分回路由抽屉式开关柜，LC1接触器，鼠笼式电机等组成。控制部分采用西门子S7-300系列PLC，实现CPU与Profibus-DP网络其他分布式站点高速数据传输，司控房采用西门子工业触摸屏显示终端，WINCC操作软件实用，带有实时设备状态数据显示。PCL控制部分发生故障可采用BYPASS旁路控制应急操作，通过转换开关等控制绞车等设备。

2.2 钻机电控系统故障处理

直流电动钻机中，司钻控制房配置工况指配开关。根据不同工况可选择使用指配。通常使用指配1点概念股矿，SCR1柜驱动1#泥浆泵，SCR3柜空载，SCR5柜驱动转盘。4#柜单独驱动绞车AB电机，串联运行满足。工况置换至提下钻井作业，SCR1柜驱动1#泥浆泵，SCR3柜驱动绞车A，SCR5柜驱动转盘。绞车电机AB由3#2#SCR柜供电。

电气控制系统故障分为软硬件故障，软件故障是PLC程序，直流调速器参数设置故障，硬件故障是电线电缆出现故障，软件及参数在厂家配套时调试正常，使用中故障概率校小。电气控制系统中供电部分电路故障频次少，配电控制出现故障频次多。SCR传动部分由SCR装置整流驱动控制直流电动机，采用全数字控制后性能完善。低压配电中600VAC通过变压器400VAC供MCC抽屉式开关柜使用。低压配电部分故障通常采用排除法，抽取MCC抽屉，拆掉出线板相应线，合上抽屉测量出线板接线处电压。无电压说明SCR房内MCC抽屉出线板问题，有电压测量SCR房出线板到设备配电箱中间线缆。利用摇表测量电机，逐步排查找到故障点。

系统由S7300PLC控制，CPU主站在SCR房内，PLC通过DI/DO，与外围设备实现信号采集控制，系统通讯采用PROFIBUS-DP总线实现，PCL控制出现问题可暂用旁路控制。控制回路故障处理根据工控机检测故障记录分两种。有记录时查看故障记录确定故障发生位置。如非设备损坏检查设备回路问题。如非配電路问题检查SCR房内与设备启动，接线排等。查看PLC模块输入及中间继电器状态。如继电器正常手动打开试启动。无故障记录，工控机未报故障多因配电回路问题，需按配电回路检查排查故障。

参考文献：

1.国伟.直流电动钻机与交流变频电动钻机技术对比[J].石油和化工设备，2018，21（04）：99-101.

2.张天生.电动钻机绞车控制研究[J].电气传动，2012，42（08）：50-54.

3.苏成坤.直流与交流变频电动钻机技术经济分析[J].石油钻探技术，2004（05）：36-38.

4.王子刚.矿用提升绞车的故障分析与维护[J].机械管理开发，2019，34（09）：287-288.

5.聂振兴，孟凡龙.探究矿井提升绞车液压系统故障及判断方法[J].决策探索（中），2017（08）：31-32.