探究变频器技术在石油钻机中的应用

张宇鳞

（中国石油集团长城钻探工程有限公司北京市100101）

摘要：本文首先对变频器技术进行简单介绍，了解变频技术的基本情况，重点分析石油钻机的组成结构及具体用途，在此基础上深入研究变频器在石油钻机中的具体应用。希望通过本文的研究能够更加全面的掌握变频器技术及石油钻机的使用，也为后期更好的发挥变频器技术在使用钻机中的作用提供参考。

关键词：变频器技术；石油钻机；钻探工程

1、前言

经济社会的不断发展对石油能源供应提出了更高的要求，近年来随着经济技术的不断投入，我国的石油钻机研发制造以及产品开发能力得到了较大的提高，尤其是变频器技术在石油钻机中的广泛使用，有效提高了石油机械的开发设计能力，促进石油机械综合功能的提高，进而使得我国石油工业取得较大的发展。可以说在新的发展阶段，变频器技术在石油钻机中的使用将直接决定未来石油行业的发展。因此在现阶段加强对于变频器技术在石油钻机中应用的研究具有重要的现实意义，能够全面掌握变频器技术以及石油钻机结构，从而制定更加科学合理的方案，利用变频器技术实现更高的钻机功能，有效提高石油钻探能力，促进石油行业良好发展。

2、变频器技术概述

变频器技术的核心设备就是变频器，这是一种控制交流变频电机的控制设备，能够利用变频器内的电力半导体器件的通断实现对于工频电源的转换，进而形成一种不同的频率，而主要的技术就是对电源频率的改变。目前在国内各领域使用的变频器主要可以分为电压型和电流型两种，主要的区别是应用于电压源和电流源。而两者直流回路中的滤波也有一定的区别，前者是将电容作为滤波，后者则是将电感作为滤波。

3、石油钻机组成及用途

在石油开采的过程中，确定钻眼位置以后，一般都是利用石油钻机带动相应钻具对从地表到油气层的土壤、岩石等障碍物进行破碎工作，同时不断向地下钻进。在石油钻机工作一段时间，达到预定的位置，钻出标准深度的石油井眼后，再将采油机或者采气机下放到油气层进行开采。可以说石油钻机的钻井工作是一切石油开采现场作业的基础。一般石油钻机的组成可以分为八个部分，其中最主要的就是传动机、动力机、工作机和其他的辅助钻井设备。而这些不同的零部件根据功能又可以分为起升、旋转、传动、控制、动力驱动、钻井液循环、监测显示、钻机底座以及钻机辅助设备等八个不同的系统。通过八大系统的相互配合，石油钻机能够实现基本的下钻能力、旋进能力以及循环洗井能力。

石油钻机的主要工作就是利用相关钻探设备在地下钻取获得一个柱状圆孔，也称为钻井。一般情况下柱状圆孔的直径小、深度大，具体大小与钻井的用途有关，比如油气、地下水的钻井直径都比较大。根据钻井情况不同，石油钻机也能实现多种不同的功能。一方面能够根据钻取的地下物质进行实物分析，获取地下一手资料，比如说液态样本、岩屑、矿心等。同时能够作为地球测井渠道，获得关于地球的各种不同的物理场的相关数据。另一方面能够作为一种观测地下水文动态的人工通道，及时掌握某一区域内的水层水文情况。除了探测之外，石油钻机还能实现开采功能，或者探采结合，对地下油气、地热资源等进行开采。目前石油钻机钻井基本可以分为地质勘测钻井、水井、石油钻井、矿田钻井以及建筑钻井等几种不同的类型。

4、变频器在钻机中的应用

变频器体积小、精度和效率比较高、调速范围也比较广，在石油钻机中应用变频器技术能够有效保障各操作系统的高效运转，而且能够实现对于石油钻机的变频调速驱动，达到环保节能的效果。目前变频器在钻机中的应用主要体现为稳定性、先进性、扩展性、可靠性和同一性等特点。

4.1在控制系统中的应用

由于石油开采一般都是在人迹罕至、环境复杂的地方进行，而且石油钻机的工作强度比较大，往往需要长时间持续运转，石油钻机的整体工作环境十分恶劣，在运行过程中经常会受到各种外界因素的影响，系统运行可靠性比较低。因此可以将变频器技术与PLC技术综合使用，借助PLC高速节能抗干扰强的优点，有效保证控制系统运行的安全可靠性。而且在石油钻机运行过程中，经常需要完成各种高负载的提升运输工作，对系统工作强度性能以及安全可靠性的性能要求都比较严格，使用传统的继电器存在一定的安全隐患，而利用PLC替代传统的继电器，再结合变频器对于石油钻机各项电流指标的控制能够满足石油钻机长时间高强度工作的现实需求，实现较高的劳动强度。因此目前在石油钻机控制系统中普遍采用变频器技术与PLC结合的方式实现对于石油钻机的控制。

4.2在起升系统中的应用

在使用钻机进行起升作业时，最重要的是实现对于钻机的自动化控制，而变频器的变频调速功能能够很好的满足这一需求。而且利用变频器技术对起升系统进行控制能够实现高效的节能效果，一般情况下能够实现30%左右的节能。由于起升功能的实现危险性比较大，因此在起升系统中应用变频器技术时要注意以下几个方面：在提升过程中首先要将系统的传动间隙消除，同时将提升钢绳拉近，这样才能在低速状态实现较大的扭矩；在中低速起升时要采用转速反馈的方式进行控制；起升制动要注意多种制动方式的结合，一般需要用到再生制动、直流制动和电磁机械制动三种方式。最重要的是要使用原配电动机与起升系统和变频器结合。

4.3在钻进旋转系统和泥浆泵中的应用

在钻进旋转系统中使用变频器能够根据钻压大小调控钻杆的下放速度。而且由于在钻进旋转过程中会随地层结构的不同，承受不同的负载变化，系统中电机会始终处于发电状态，这样应用变频器之后能够将反馈的能量消耗掉，从而保证系统的稳定运行。在泥浆泵中使用变频技术主要能够降低系统中高压管汇的振动，从而有效保证循环系统内的稳定压力，也能避免钻井井壁受到损害。而且不会因为直接启动或者停止电机导致电机损坏。

5、结语

变频器技术在石油钻机的各个系统中都有广泛的使用，而且发挥着重要的作用。在石油钻机中应用变频器技术能够有效提高钻机的机械性能，实现更好的钻井效果。未来变频器技术在石油钻机中的应用将使用更多的新技术，进一步增容增效，适用范围会更加广泛，生产制造要求也会更加严格。

参考文献：

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