钻井机工艺

石油钻井用的钻机是一套联合机组。钻机由井架、绞车、游车、大钩、转盘、钻井泵、动力机组、联动机组全套钻井设备及井控、固控设备、发电机组、液压和空气动力等辅助设备等组成。

钻井工艺对钻机有以下基本要求

（1）旋转钻头的能力:要求钻机能提供足够的扭矩和转速, 并维持一定的钻压。 （2）起下钻具的能力:要求具有一定的起重量和起升速度, 并有一定的超载能力。 （3）洗井的能力:要求能提供足够的水力能量, 以适应洗井和喷射钻井的需要。 （4）为适应钻机搬迁的特点,还要求钻机容易安装、拆卸和运输。

钻机的最大井深、最大起重量、额定钻柱重量、游动系统结构、快绳最大拉力及钢丝绳的直径、起升速度及挡数、绞车功率、转盘开口直径、转盘转速及挡数、转盘扭矩及功率、泵压、泵组功率和钻机总功率等钻机的基本参数，反映了全套钻机工作性能的主要数量指标，是设计和选择钻机类型的基本依据。

因为钻机从动力机到各个工作机或井底钻具之间有着不同的能量转换方式和传递路线，它的传动与控制系统比较复杂。钻机一般是在旷野、山地、沙漠、沼泽及水上、海上进行流动作业，其工作场所多变，要求钻机要具有高度的运移性，即拆装容易、部件的尺寸、重量都要在通用的汽车和吊车的工作范围之内，并适应在野外检修和更换易损件的要求。

一、钻机的提升系统

钻机的提升系统由绞车、井架、天车、游车、大钩及钢丝绳等组成。

1、井架

图1-2 井架

井架由井架的主体、人字架、天车台、二层台、工作梯、立管平台、钻台和井架底座等几个部分组成，主要用于安放和悬挂天车、游车、大钩、吊环、液气大钳、液压绷扣器、吊钳、吊卡等提升设备与工具。

目前，在国内外石油矿场上使用的井架种类繁多，但就结构型式来讲，一般可分为塔型井架和A型井架两种。

塔型井架是从井架底座往上分层一次性组装完成的，依其前扇结构是否封闭，又可分为闭式和开式两类。闭式塔型井架的主要特征是：井架的横截面为正方形，立面是梯形。为了工作方便，在井架的前扇下部装有大门，因而前扇下部不能封闭，但是整个井架主体仍是一个封闭的整体结构，所以它的总体稳定性好，承载能力大。其缺点是拆装井架必须高空作业，安全系数小，拆装时间长。此类井架多用于深井钻机和海洋钻机。开式塔型井架的主要特征是：主体是由3—5段构架组成，各段均为焊接结构，段与段之间采用螺栓、销子或公母锥座螺栓等连成一体。这种井架采用分段地面拆装、整体起放和分段运输的方法，拆装方便、迅速、安全。一般多用于中深井钻机。

A型井架是从地面分段，在地面组装完成后，再用绞车、动力液压缓冲等辅助设施一次性起升完成。A型井架的主要特征是：从总体结构形式看，整个井架是由两个构架式或管柱式的大腿靠天车台和井架上部的附加杆件与二层台连接成“A”字形的空间结构，大腿前面和后面装有撑杆，以便起升和支撑井架用。A形井架的两个大腿可分为3～5段，并用螺栓连接成一个整体，因而整个井架可在地面分段拆装、分段运输和整体起放，方便而安全。由于这种井架主要靠两条大腿承载，承受载荷时能均匀分布，而每条大腿又是封闭的整体结构，所以承载能力和稳定性都较好，但其总体稳定性较差。

2、天车和游车

天车 游车

图1-3 天车和游车

天车和游车组成提升系统的滑轮系。作为定滑轮的天车改变力的方向，作为动滑轮的游车起省力作用，减轻绞车的负荷，从而使提升系统获得很大的机械效能。 （1）天车

天车一般是多个滑轮装在同一根芯轴或两根轴心线一致的芯轴上。现在的天车大都是滑轮通过滚柱轴承装在一根芯轴上。芯轴一般是双支承的，轴的直径较大，芯轴的一端或两端有黄油嘴，芯轴里有润滑油道。润滑脂从黄油嘴注入，以润滑轴承。常用的天车有TC—135、TC—130、TC—350、GF—400、TC—450、TC4—315等。 （2）游车

游车的形状为流线型，以防起下时挂碰二层台上的外伸物。同时，游车要保证一定的重量，以便它在空载运行时平稳而垂直地下落。现在，钻机各型游车都是一根芯轴，滑轮在轴上排成一列，其结构与天车相似。常用的游车有TC—135、YC—130、YC—350、MC—400、YC—450、YC—315等。 3、大钩

大钩是提升系统的重要设备，它的功用是在正常钻进时悬挂水龙头和钻具，在起下钻时悬挂吊环起下钻具，完成起吊重物、安放设备及起放井架等辅助工作。目前使用的大钩有两大类。一类是单独的大钩，其提环挂在游车的吊环上，可与游车分开拆装，如DG—130型大钩；另一类是将游车和大钩做成一个整体结构的游车大钩，如MC—400型游车大钩。为防止水龙头提环从大钩中脱出，在钩口处装有安全锁体、滑块、拔块、弹簧座及弹簧等构成

的安全锁紧装置。为悬挂吊环和提放钻具，钩身压装轴及挂吊环轴用耳环闭锁，用止动板防止两支撑轴移动。钩身与钩杆用轴销连接，钩身可绕轴销转一定角度。常用的大钩有DC—130、DG—350、MC—400、MC—200等。 4、绞车

图1-4 绞车

成提升系统的主要设备，是组成一部钻机的核心部件，是钻机的主要工作机械之一。其功用是：提供几种不同的起升速度和起重量，满足起下钻具和下套管的需要；悬挂钻具，在钻进过程中送钻和控制钻压；利用绞车的猫头机构上、卸钻具螺纹；作为转盘的变速机构和中间传动机构；当采用整体起升式井架时用来起放井架；当绞车带捞砂滚筒时，还担负着提取岩心筒、试油等项工作；帮助安装钻台设备，完成其他辅助工作。常用的JC—50D型绞车为内变速、墙板式、全密闭四轴绞车，JC—45型绞车是五轴绞车，JC—14．5型绞车是三轴绞车。绞车一般由绞车传动部分、提升部分、转盘驱动箱部分、控制部分、润滑部分和刹车机构等组成。

绞车的刹车机构由控制部分(刹把)、传动部分(刹车曲轴)、制动部分(刹带、刹车鼓)、辅助部分(平衡梁)和刹车气缸等组成，它的任务是控制下放速度或停止被下放载荷所带动的滚筒的旋转速度，以达到调节钻压、送进钻具、悬挂钻具的目的。为此，要求刹车装置能平稳送钻、灵活省力和安全可靠。

绞车的辅助刹车机构有水刹车和电磁刹车两种。电磁刹车又可分为感应式电磁刹车和磁粉式电磁刹车。影响水刹车制动力矩的主要因素有：水刹车尺寸愈大，则制动力矩愈大；叶片越多，则制动力矩越大；水刹车转子转速越高，则水的流量越大；水刹车内液面越高，则

制动力矩越大。所以，现场一般采用分级调水位的办法，来改变制动力矩的大小。 电磁刹车的尺寸和外型跟水刹车类似，它跟滚筒轴的连接方法也相同。当交流电通过整流器(变成直流电)和变阻器(改变和控制电流)通至电磁刹车线圈时，线圈变成电磁铁而产生磁场，旋转的转子通过磁场，在转子里面产生涡流电，从而在线圈和转子之间产生阻力(制动力)刹车。阻力的大小直接随电流的大小而变化。司钻通过调节变阻器来控制电流的大小，改变电磁刹车的制动力矩。

防碰天车装置是控制顶天车的一套应急刹车系统。常用的防碰天车装置有两种形式：一种为重锤式；另一种为过卷阀式。重锤式防碰天车工作原理：在天车以下的适当位置通过井架安装一根直径6.4mm钢丝绳作为限位绳，其下端用一只三通气开关与重锤相连，重锤与提环相连，提环与2.5～3mm开口相连，开口销与限位绳相连。当游车上行碰到限位绳时，重锤与提环上的开口销脱落使气开关工作，常开继气器切断高、低速离合器气源，同时高压气直接进入刹车汽缸紧急刹车，使游车不能继续上行。过卷阀式防碰天车工作原理：过卷阀固定在绞车前部滚筒上部的绞车横梁上，横梁上有滑动槽，过卷阀可在滑动槽内左、右移动。当滚筒在缠绳过程中缠至游车相应升高到某一限定的高度时，缠在滚筒上的钢丝绳就会碰上过卷阀的套筒，套筒带动球杆偏摆，使过卷阀的气路接通。一路气进入司钻控制台内的常开两用继气器，使常开两用继气器关闭，这样就切断了滚筒高、低速离合器的气源，离合器通过快速放气阀放气，使滚筒停止工作。另一路气经换向阀和快速放气阀，进入刹车汽缸，带动刹把下落，刹住滚筒，使游车停止上升，避免碰撞天车。 5、钻井用钢丝绳

钻机游动系统所用的钢丝绳称为大绳。它起着悬吊游车、大钩及传递绞车动力的作用。由于钢丝绳运动频繁、速度高、负荷大，并承受弯曲、扭转、挤压、冲击、振动等复杂应力的作用。

钢丝绳按绳中钢丝捻成股和股捻成绳的方向来分，通常分为右旋和左旋两种。按丝捻成股和股捻成绳的方法来分，通常分为顺捻(股中钢丝的捻向与股的捻向相同，一般只作拖拉或牵引绳)、逆捻(股中钢丝的捻向与股的捻向相反，适用于提升设备)和混捻(钢丝绳的各股中既有顺捻，也有逆捻)三种。

钢丝绳由于承受复杂应力的作用，而且这些应力与滑轮和滚筒直径、钢丝绳结构、钢丝绳润滑和操作条件密切相关。因此，使用时要满足其破断拉力和安全系数的要求(表1—1，表1—2)。

表1—1 钻井用钢丝绳安全系数表

表1—2 常用钢丝绳破断拉力表

钢丝绳有一整股断裂或在一节距上断丝数量达到报废标准时，应予以更换，见表1—3。

表1—3钢丝绳报废标准表

二、钻机的旋转系统

旋转系统包括转盘和水龙头两大部分，其主要作用是在通过钻具不断向井底传送钻井液的同时，保证钻具的旋转。 1、转盘

图1-5 转盘

转盘主要由水平轴、转台、主轴承、壳体、方瓦及方补心等组成，其主要作用是带动钻具旋转钻进和在起下钻过程中悬持钻具、卸开钻具螺纹以及在井下动力钻井时承受螺杆钻具的反向扭矩。转盘的动力经水平轴上法兰或链轮输入，通过锥齿轮转动转台，借助转台通孔中的方瓦和方补心带动方钻杆、钻柱和钻头转动；同时，方补心允许方钻杆轴向自由滑动，实现边旋转边送进。常用转盘的主要有ZP—520、ZP—271／2、MRL—271／2、ZP—445、ZP—371／2等型号。

使用转盘前，应按规定检查机油的油质、油量，并使其符合要求。转盘启动前，其锁紧装置上的操纵杆或手柄应不在锁紧位置。启动转盘前，应检查轴上的密封圈密封是否可靠、转盘链条护罩或万向轴护罩是否齐全、牢靠。启动转盘要平稳操作，启动后要检查转台是否跳动，声音是否正常。每班应至少检查一次转盘的固定情况。在钻进和起下钻过程中，应避免猛蹩、猛顿，严禁使用转盘崩扣。新转盘使用一个月应更换机油，以后每使用三个月换油一次。防跳轴承和锁紧装置上的销轴每月应至少注入一次润滑脂。 2、水龙头

在一部钻机中，水龙头既是旋转系统的设备，又是循环系统的一个部件。它悬挂于大钩之下，上接有水龙带，下接方钻杆。在钻进时，悬挂并承受井内钻柱的全部重量，并将钻柱与水龙带连接起来，构成钻井液循环通道。

水龙头主要由固定、旋转和密封部分组成。常用的水龙头有CH—400、SL—450、SL—130、SL—135等型号。现场使用的两用水龙头，是在一般水龙头的基础上，增加了旋扣装置。旋扣装置由气马达、伸缩机构及气路系统组成，接单根时，由气马达通过齿轮带动中心管旋转。

现在，石油钻井已部分使用顶部驱动钻井系统。顶部驱动钻井系统是集转盘、水龙头为一体，用电动钻机作旋转钻井动力，并能随提升系统而升降的钻井旋转系统，是对转盘钻井的一次重大改进。具有转盘钻无可比拟的优点，如可接立柱钻进、减少2／3的接单根时间、

能倒划眼和下钻划眼、起钻时可旋转钻杆和继续循环钻井液、钻柱可顺利取出缩径井段、可以不接方钻杆即可钻过桥塞点和缩径点、上、卸扣扭矩得到控制、采用钻井电机接卸钻杆和钻进、操作人员只需打背钳、钻台上只有平稳旋转的钻杆、起下钻时在井架内任何高度的位置随时都可以将主驱动轴同钻柱上扣和关井等。

三、钻机的循环系统

主要由泥浆泵、地面高压循环管汇、水龙带、水龙头、钻柱、泥浆净化及调配设备等组成。它的主要作用是清洗井底、携带岩屑、在喷射钻井及井下动力钻具钻井顶部驱动钻井中，还起到传递动力作用。 1、泥浆泵

泥浆泵的作用是为钻井液的循环提供必要的能量，以一定的压力和流量，将钻井液输进钻具，完成整个循环过程。常用的钻井泵有NB—600、2PN—1258、3NB—900、3NB—1000、SJ3NB—1300、3NB—1300、3NB—1600型等，前两个是双缸双作用泵，后三个是三缸单作用泵。

目前使用最广泛的泥浆泵的空气包是球形隔膜式预压空气包。空气包的作用是减小因钻井泵瞬时排量变化而产生的压力波动，使泵压平稳，保护设备不致因剧烈震动而造成损坏。空气包胶囊内要求充氮气或惰性气体，在没有氮气或惰性气体的情况下可用空气代替，严禁充入氧气或可燃气体。充气压力为最高工作压力的20％～30％。

泥浆泵常用的安全阀有销钉式、杠杆销钉式和弹簧式安全阀三种。销钉式安全阀是利用不同直径的销钉来过高泵压的装置，当泵压达到销钉所的压力时，销钉被剪断，钻井液从阀的泄压口排出，泵压回零，从而起到安全保护作用。杠杆销钉式安全阀使用的销钉是同一直径，靠移动销钉在不同销孔中的位置来改变力臂距离，从而调节安全阀的压力，达到泵压的目的。弹簧式安全阀是利用弹簧的作用设计的一种安全阀。当泵压超过弹簧的压力时，弹簧被压缩，泄压口被打开，钻井液从泄压口排出，泵压下降。当泵压降至低于弹簧压力时，阀门在弹簧力的作用下自动关闭。调节弹簧压力的大小，就可达到不同泵压的目的。安全阀在安装时，所有螺丝必须安装齐全，紧固牢靠。泄水管应固定牢，并使用管径不小于60mm的无缝钢管，出口弯度应大于150°，严禁指向工人经常工作和走动的地方。安全阀销钉规格必须符合标准，不得以其他材料代替。弹簧式安全阀应按照限压标准调试合格。安全阀及泄水管不得堵塞。严禁以任何借口不装安全阀。开泵前应检查安全阀是否符合

使用要求。开泵时，泵房人员必须远离安全阀及泄水管。冬季开泵前应对安全阀及泄水管进行预热。每口井开钻前，必须将安全阀拆下保养，以防锈死。对安全阀应定期校验。

开泵前，除了要检查安全阀和压力表以外，应检查各连接螺丝是否上紧，润滑油是否加够；高低压管汇各种闸门是否开关正确；皮带轮(链轮、万向轴)护罩的固定是否齐全、牢靠；冷却水(油)道是否畅通；空气包所充气体及压力是否符合要求。开泵时，必须与有关操作人员联系，确认无误操作人员要密切注意泵压表的压力变化，循环未正常前不许离开气开关。非工作人员应离开泵房。工作人员应离开危险区域。在运转过程中，要经常检查泵压表的变化，检查泵各部位有无响声，经常检查十字头滑板油孔及拉杆盘根冷却润滑流道是否畅通，观察拉杆盘根有无刺漏现象，并检查活塞和进、排水阀有无刺、漏现象。开泵后因出现故障若要修泵时，须摘开带泵离合器，挂标示牌或有专人监护气开关，以免误操作。在运转中，各轴承部位温度最高不得超过80℃。修泵时，应关闭高压闸门，防止钻井液倒流堵塞钻头水眼。

关于泥浆泵的工艺将在第二节中详细介绍。 2、钻井液净化设备

钻井液净化设备的主要作用是使从井内返出的钻井液能得到充分的净化。钻井液净化设备主要包括振动筛、旋流除砂器、离心分离机、除气器、循环罐和搅拌器等。

四、钻机的动力与传动系统

动力设备和传动系统是钻机的两大组成部分。动力设备提供各工作机需要的动力，而传动系统则将动力机和各工作机联系起来，将动力传递并分配给各工作机。 1、动力设备

目前，钻机的驱动类型主要有柴油机直接驱动、柴油机—液力驱动、柴油机—(交)直流电驱动和工业电网电驱动四类。我国石油矿场多采用柴油机作动力，即使是电驱动钻机，它的发电机仍是由柴油机驱动。一些最大的陆地和海洋用深井钻机一般还是由柴油机来直接的或间接的驱动发电机，然后由电动机带动钻机的各个设备或部件。 柴油机的启动、运转和停车安全要求主要有：

(1)柴油机的启动：打开气源阀门，将油门手柄大约调到怠速范围内；按下自动停车扳杆手柄，使自动停车装置拨叉与齿条上的档块脱开，使油泵齿条处于供油位置；按下启动按钮，预供油泵开始泵油，当油压达到规定的压力时使气马达运转，驱动柴油机启动。每次启

动时间不得超过15s。如三次不能启动，则应查明原因；启动后，应立即松开启动按钮，并用停车手柄控制齿条，以免转速瞬时上升；待柴油机转速调到怠速正常后，松开自动停车手柄，关闭气源阀门，并观察仪表所指示的参数；用电马达启动时，首先用手动预供油泵泵油，按下启动按钮，使马达带动柴油机点火启动(每次启动时间不得超过5s，如三次不能启动，应查明原因)。

(2)柴油机的运转：柴油机启动后应先空载运行，并检查机油压力及水泵供水是否正常；柴油机外观状况不得有漏油、漏水、漏气现象，所有零件固定牢固；排气管及呼吸器排烟正常，无异常声响；柴油机带上负荷后，即投入了正常运转。这时应注意仪表板上各仪表的数值；柴油机连续长时间使用时，负载不得超出规定的持续功率；当连续运行不超过12h时，负载不得超过规定的标准功率；新机初期运行50h后，应更换全部机油并清洗油底壳和机油滤清器。

(3)柴油机的停车：停车的具体步骤是卸去负荷，逐渐降低转速，怠速运转约5min，使各部分慢慢冷却到40℃以下，再将停车手柄扳到停车位置。正常情况下严禁带负荷停车。冬季停车后，若长时间不用，应适时放掉冷却水；若环境温度低于机油凝固点时，也应放出机油。在特殊情况下紧急停车后，应立即打开气缸盖放气螺塞，用人力盘车2～3圈。 2、传动系统

由动力机到工作机的传动系统，有的很简单，如单独驱动；有的则比较复杂，有各种并车、变速、倒车机构。不可调速的动力机不能满足绞车或转盘的要求，传动系统就是要解决变速变矩的问题。

钻机传动系统的基本功用是将动力机发出的动力分别传送给各工作机，即绞车、转盘、钻井泵等，主要解决增矩减速、变矩变速、并车、正倒车以及传动脱离或挂合问题。 钻机传动系统的总体布置有统一驱动(如大庆130型、ZJ45型钻机)、分组驱动(如车装钻机)和单独驱动(电驱动钻机)三种形式。

传动系统各传动部分护罩必须完好，固定牢靠。机房四周栏杆要安装齐全，固定牢靠，梯子稳固且有光滑的扶手。 3、柴油发电机组

柴油发电机组是由柴油机拖动的一种同步发电机组。 4、电传动系统(以ZJ50D钻机电传动系统为例)

石油钻机电传动系统由多台柴油发电机组并网发出50Hz、600V的交流电，经SCR传动柜整流为0V～750V直流电去驱动绞车、转盘和钻井泵；经MCC控制柜变交流600V为380V

／220V去驱动钻井辅机及提供井场照明。

五、钻机的气控系统

钻机的控制系统按控制方式分为机械控制、气动控制、液压控制、电控制及综合控制等几种(目前最常用的是气动控制)，气控系统主要由供气机构、发令机构、传令机构、执行机构四个部分组成。主要功能是控制柴油机的启动、停车、调速和联动机并车与停车；控制绞车换档及绞车、转盘、钻井泵的启动与停止；控制绞车、转盘的转速和转动方向；控制滚筒刹车、猫头的运转与停止；控制气动卡瓦、液气大钳、气动旋扣器、顶部驱动装置等起下钻操作机械；控制气动绞车、防碰天车装置、自动送钻装置及井口防喷器装置；控制空气压缩机、发电机、除砂泵、离心泵、搅拌机等装置；控制井架底座的升降、井架的起、放、缓冲作用。

钻机的气源设备由空气压缩机、压缩空气处理装置(冷却器、油水分离器、干燥器、除尘器)和贮气罐三部分组成。控制阀有压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀三大类。

六、钻机的辅助设备及设施

钻井施工现场的辅助设备和设施有辅助其中设备、电气设备、消防设备、供水设备、防冻保温设备和焊割设备等。

1、气动绞车，气动绞车是一种用活塞式气马达为动力的单卷筒绞车。 2、猫头

两个猫头轴上的死猫头，刚性地安装在绞车猫头轴的两端，与绞车猫头轴一起旋转，用于起下钻的上卸扣和起吊重物。内、外摩擦猫头的滚筒用滚子轴承支承在猫头轴上，通过安装在滚筒一端法兰内的摩擦离合器控制滚筒的动作，它能地转动。外摩擦猫头通常在起下钻时用来拧紧要下入井内的钻具接头丝扣；内摩擦猫头通常用在起钻时卸松钻具接头丝扣。 3、自动送钻装置

自动送钻装置具有适应性广，钻压波动可控制在10kN以内，送钻均匀，无冲击，工作安全可靠等优点。在钻遇地层溶洞时可避免钻具快速下放，气路系统出现故障时能自动刹车；全气动控制，体积小、重量轻、移运性好；钻进时也可安装，维修时不影响正常钻进，操作简单等优点。 4、气动卡瓦

气动卡瓦是代替手动卡瓦、用于起下钻时夹持井内钻具的机械装置，具有使钻具在任一位置时夹持牢靠，自动定心，操作简便、安全等特点。起下钻时，司钻在提升钻具的同时，应踩下脚踏控制阀，压缩空气与气缸气管路连通，气缸便推动钳体上升，卡瓦钳口即与钻具脱开。松开脚踏控制阀复位时，压缩空气与气缸回气管路连通，钳体靠自重和气压下落，与此同时将吊起的钻具缓慢放下，夹紧钻具。在钻具上提、下放过程中，不得松开脚踏控制阀，钻具座在卡瓦上的操作应平稳、缓慢，不得过猛以免造成冲击，甚至卡瓦碎裂而落井。 5、手拉葫芦

手拉葫芦是一种使用简易、携带方便的手动起重机械，具有使用安全，维护简便，机械效率高，手链拉力小，自重较轻，尺寸小，经久耐用等优点。 6、液压千斤顶

液压千斤顶起重高度在80～180mm，起重重量为14．7～490kN。应使千斤顶保持足够的干净的工作油，以达到额定的起升高度。液压千斤顶只能直立使用，不能侧置或倒立使用。应避免在急剧震动的环境中使用，避免与酸碱及腐蚀性气体接触。使用前，必须认真估计所起物体的重量，切忌超载使用。要认真确定起重物体的重心，选择千斤顶的着力点，并放置平稳。在支撑面太软时，应垫上坚硬木板，以防起重时产生歪斜甚至倾倒。如果数台千斤顶并用，则其起升速度应保持同步，每台千斤顶的负荷也应均衡，防止产生倾倒的危险。降低所起重物的高度时，放油阀的旋转不能太快，只能按逆时针方向微微旋松，让重物缓慢下降，严防下放速度过快而产生危险。千斤顶限位装置必须完好，当活塞杆升至一定高度后，不再继续上升。

七、风光500KW/380V大功率变频器在石油钻机上的应用

1、引言

油田钻机是油井生产的最主要的设备之一，它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率。由于其钻井工艺的特殊性，对钻机电控设备要求特别苛刻，特别在变频器选用上非常谨慎，长期以来一直是国外产品的天下。由于国外变频器存在价格昂贵，调试周期长，维修周期长的特点，油田上因变频器故障得不到及时维修,造成质量事故的现象时有发生。在这种形式下，我公司针对钻机的特殊工况，自主研发了可替代进口机的钻机国产专用变频器。该变频器体积小，重量轻，便于安装、调试、维护,效率高，性能稳定。 变频驱动钻机较传统钻机有以下优点：节能，操作简单，无级调速，控制精度高，工作效率

高。变频技术在油田钻机上的开发应用，不仅提高了钻机的水平，改善了钻机的操作性能，更重要的是加强了钻机的作业能力，提高了钻井效率和质量。 2、原油田钻机系统存在的问题

大庆市石理局井下钻井公司原有一套可打3000m深度的钻井设备。该设备控制系统主要包括三大部分：动力系统（由2×500KW柴油发电机组构成，2台机组并网于3相，380V/50Hz交流母线）；泥浆循环系统；钻井传动系统（包括1套500KW电机转盘和绞车驱动系统、4台45KW液压泵等）。现场设备图如下图1示。针对原控制系统存在工作效率低，操作复杂等诸多问题，我们配合大庆市石理局井下钻井公司对该油田钻机进行了变频改造。具体来说该控制系统存在以下问题：

（1） 司钻工只有通过不断更换五个档位，才能调节转盘转速和钻进压力，进而改变钻进速

度，工作效率低。 （2） 每次换档时,电动机要反复启停几次,起动过程中会产生过大的启动电流，对电网和其他设备造成冲击,常因电动机启动电流大而引起发电机组电压下降，其他设备无法正常工作。 （3） 低速提升时,只有更换低档位才能达到低速控制要求,而电动机在钻井过程中处于工频运行状态，浪费了大量的电能。

图1-6 现场设备图

3、技术改造方案

钻井传动系统是油田钻机系统中必备的组成部分，一旦传动系统不能运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失（如卡钻），还有可能威胁到现场生产人员的人身安全（如井喷），所以对传动系统要求具有极高的可靠性。我公司是国内最早研制变频器的公司之一，具有低压大功率变频器多年成功运行的生产经验，且性价比高。根据“经济、高效、可靠”的原则，大庆市石理局井下钻井公司选择了我公司生产的风光牌JD-BP32-500Z(500KW/380V)钻机专用变频器，该钻机专用变频器配备了工业控制计算机作为上一级监控系统，液晶触摸操作，可对各种运行数据进行监控，具备完善的保护功能和定位监控系统，自动化程度高。 3.1钻机专用变频器系统组成框图

图1-7 钻机专用变频器系统组成框图

K—万能断路器；C —交流接触器；M—绞车电机；

3.2钻机专用变频器系统介绍 该系统包括四部分∶ 1)进线开关柜

开关柜的主要功能是负责设备供电、变频器外围设备的过电流保护以及变频器控制电源的滤波。主要由万能断路器、交流接触器和控制电源的滤波组成。 2) 变频柜

变频器由两个交-直-交逆变单元组成，采用单元并联技术，增大了变频器容量；采用公共直流母排方案;采用独特的吸收电路(如图1-8所示)，减小了di/dt, 保护了功率模块，增大了安全系数。

因钻机工况的特殊性，当钻机遇到岩石等硬质层时，电流会在瞬间升高很大，产生对模块的直接冲击，长此工作之后，会造成模块应力的下降，为提高模块的使用寿命，采用了传感器取样和IGBT结压降保护相结合的双重保护，从而减少了特殊情况下对模块的极限冲击，即使输出相间直接短路,模块也能在10us内及时封锁输出,保护了变频器,提高了整机的安全性和可靠性。

图1-8 吸收电路图

U+—正母线； U-—负母线； IGBT —功率模块； R —电阻； D—快恢复二极管； C—电容

3)制动单元

该部分主要负责系统快速停机时，耗掉系统的惯性能量，内含刹车电阻和刹车控制系统，采用芯片自处理技术控制刹车界限,安全可靠。因为钻具提升下放中，电动机有发电状态，造成变频器母线电压升高，对主电路器件安全造成威胁，所以需要外加能耗制动单元，将母线电压保持在安全范围以内。当母线电压高于设定值时，刹车控制芯片输出占空比随母线电压成线性变化的PWM信号，这就使刹车比较平稳，传动系统没有冲击，延长了设备寿命。刹

车电路如图1-9示。

图1-9刹车电路图

U+—正母线；U-—负母线；IGBT—功率模块；R—刹车电阻

4)远程系统

该部分主要实现变频系统的远控操作和监控以及提供对外部进行数据交换的接口。 3.3系统主要控制功能 a：电机启动/停止 b：电机正转/反转 c：变频系统复位 d：频率调节 e: 多段速控制 f：电机电流和转速显示 g：变频器运行指示 h：变频器故障指示

以上8点功能在工控机触摸屏上均能实现，同时能提供对外部设备进行数据交换的接口，留有16路数字输入接口，10路数字输出接口，同时留有一路RS232通讯接口。 3.4变频系统主要技术指标

1.)额定功率 500KW 2.)额定输入电压 380VAC 3相 3.)允许电压波动 ±20% 4.)额定输入频率 50Hz 5.)允许频率波动 ±5%

6.)额定输出电压 380VAC 3相 7.)额定输出频率 33.5Hz 8.)额定输出电流 940A

9.)过载能力 1.5倍电流1分钟 10.)短路保护 2.0倍电流立即保护

11.)工作方式 连续

12.)最高输出频率 50Hz

13.)操作键盘 中文液晶触摸屏 14.)界面语言 简体中文 3.5系统特殊性能

石油钻机专用变频器与一般变频器相比较，性能主要有以下不同点：

（1）变频器能够从“零”开始调速，方便变速箱换档，从而避免挂换档时反复启停电机的情况，即当变频器频率低于2Hz时，此时电机无扭矩，处于自由状态。

（2）当钻井堵钻时，变频器能及时断开电机，保护动力设备，避免转矩过大扭断钻具，因此变频器设置了负载功能。

（3）在低速提升时，变频器能最大限度的发挥电动机的动力性能，提供220%转矩输出。 3.6其它注意事项 （1）载波频率的选择

提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，散热负担加重，所以选择时必须权衡利弊，本设备中载波频率选择为2kHz。 （2）低频补偿功能

在深层钻进中，因为负载较重，起钻时需要较大的力矩，低频往往提不动。设置低频补偿后，启动电压可设定，很好的解决了这一问题。 （3）控制信号的传输

在变频器功率特别大的情况下，强烈的电磁干扰很容易造成控制信号错乱。为了从根本上解决这个问题，我们用光纤来传输控制信号，并让非光纤部分尽量短，主电路引线电感尽量低，很好的解决了干扰问题。 4变频器现场情况

（1）变频器结构紧凑，安装简单。

我山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP32-500Z变频器所有部分装在配电柜

内，不需要另外的电抗器、滤波器等设备装置。体积小，结构紧凑，安装简单，现场配线少，调试周期短，投入生产快。 （2）电机运行平稳，温升正常。

变频器拖动电机为大连天元电机有限公司生产的石油钻机专用电动机YP2-355L-6BJ,电机运行平稳，启动时无冲击电流，无机械冲击，噪音较小。 （3）变频器运行稳定，性能可靠。

JD-BP32-500Z自投产运行以来，转速调节平滑，电压和电流稳定，变频器功率因数达0.95以上，效率高于98%，不逊于进口产品。 （4）操作界面简单，易于掌握。

变频器采用WINDOWS界面，运行过程中，各种参数在界面上直接显示，也可以通过触摸屏进行操作,容易掌握。故障发生时，变频器进行保护，同时提供故障信息，便于设备维护。 （5）应用举例：在取心井上的应用

取心井，顾名思义是把岩心从井下取出，目的为研究地质构造和原油分布层次。由我公司生产的风光牌JD-BP32-500Z变频器于2004年6月在大庆市井下钻井大队30102队一口取心井安装调试。此井设计井深2130m，12m到1605m下限为取心段，共取心8筒，收获率均达99%以上。在正常打井时用二档，转盘转速280rpm，变频输出电流在200—800A之间。提升时频率为7Hz左右，最大提升电流不超过1000A。整个钻井过程中电流变化如下表：

钻井过程中，减少了换档次数，减少了大的启动电流对电机的冲击，同时也减轻了司钻工的劳动强度，提高了整个井队的工作效率。且低频取心提升时，电机转速只有120rpm。 5系统改造效果

系统变频运行，电机实现了软启动、软停车。钻机起停平稳，延长了电机的使用寿命，避免了电机烧毁等经济损失，减少了设备维修费用。系统具有过流、过压、欠压、短路、缺相、温升、失速等多种保护。本变频器良好的驱动性能，保护了钻井设备并提高钻井的质量，

用户给予了很高的评价。经过近一年的生产运行表明，该变频器性能好，可靠性高，操作方便，用户达到了改造的预期效果。 6结束语

在钻机的更新改造中，就其控制系统方案而言，采用交流变频驱动，代表着钻机驱动技术的发展方向。而变频器具有的诸多优点可大大提高油田钻机的装备水平。我山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP32-500Z大功率变频器在油田钻机上的成功应用，为国产变频器又开辟出一个全新的市场，在油田钻井变频领域填补了国内空白。如今数十台钻机变频器已经投入运行，钻机变频器经受住了恶劣条件的考验，运行效果良好，有着广阔的市场前景和发展潜力。