直流钻机泥浆泵运行参数与可控硅电流的关系

刘辉

中石化华东石油工程有限公司，江苏南京， 210019

摘要

中石化华东石油工程公司在玻利维亚项目承钻的LQCX-1井施工过程中，由于地层极硬，甲方更改设计使用高速涡轮钻具，泵压高，排量大。导致泥浆泵SCR柜的电流一直在高电流1500A（可控硅电流限定值为1600A，额定值为1800A）状态下长时间运转。众所周知，可控硅在大电流且长时间运转的情况下若散热不好，极易导致可控硅击穿，损坏。泥浆泵泵压，排量与可控硅电压电流之间的关系是什么样的？我们又该如何避免可控硅长时间在大电流的情况下运转呢？

关键词：特性曲线 泵压 泵冲 排量 可控硅 电压 电流

一.钻井泥浆泵排量，泵压与SCR柜电压，电流的关系

在这里简单的介绍下泵压，排量这两个参数的定义。

（1）泵压是指泥浆泵工作时出口端的钻井液压力。泵压具体是地面管汇压力损耗，循环系统中压力损耗，喷嘴压耗三者压力之和。地面管汇压力损耗与地面管汇的长度，内径有关。循环系统中压力损耗是随着井深、井身结构、钻具结构、钻具内径以及钻井液粘度、密度的变化而变化。喷嘴压耗与钻头喷嘴的大小有关。影响泵压的因数很多也极为复杂。
（2）泥浆泵的排量是指泥浆泵在单位时间内排出的泥浆的体积。排量主要与缸套的直径和泵冲有关。

（3）在了解了排量和泵压的定义后，不难发现。泥浆泵的排量就是对应电动机的转速，而泥浆泵的泵压对应的则是电动机的扭矩。结合电动机的特性曲线，就能很清楚的理清泥浆泵排量泵压与SCR柜电压电流的关系。在我们直流系统中，一个SCR柜拖动的是两台电动机，两台电动机是并联关系。SCR柜的电压与两个电动机的电压是一致的。而SCR柜的电流则是两个电动机电流之和。

图一 YZ08直流电机机械特性曲线

二.根据钻井参数大致推算SCR柜电流

根据上文的叙述可知泥浆泵的排量，泵压与SCR柜的电压电流是有关系的。关系具体是什么样的呢？在这里介绍两个公式，根据钻井设计提供的钻井参数泥浆泵排量及泵压粗略推算算出SCR柜电流。

（1）一般来说钻井设计中会提供泥浆泵的排量。至于泵压也可以根据钻井工具手册里面的公式粗略推算出来（也可以使用软件，输入相应参数即可以大致推算泵压）。根据这两个参数可以如下公式算出钻井泵的功率。

HP=Q*P/2331

其中：HP是泥浆泵实际功率 单位（KW）

Q为泥浆泵排量 单位（GPM）

P为泥浆泵泵压 单位（PSI）

（2）然后根据所给的排量计算出所需要的泵冲N。

N=4Q/5πLXD²

其中：L 为缸套长度（mm）

X 容积效率

D为缸套直径(mm)

（3）得到泵冲N后根据线性关系推算出SCR柜电压，然后在利用电动机功率计算公式计算出SCR柜的电流。

HP=U*I*cosΦ

其中：HP为SCR柜功率 单位（KW）

U为SCR柜电压 单位(V)

I 为SCR柜电流 单位（A）

从上述电流推算公式能得出三点结论：

（1）在泥浆泵实际功率一定的情况下，SCR柜的电流是跟缸套直径成反比的。SCR柜 电压跟缸套直径成正比。

（2）泵压跟SCR柜的电流成正比。但是前提必须是缸套直径必须是一定的。

（3）泵压决定SCR柜电流。泵冲决定SCR柜电压。

三.可控硅在在高电流情况下运转的几点建议

中石化华东石油工程公司在玻利维亚项目LQCX-1井的施工过程中，在施工至2900M时，地层非常硬。使用牙轮钻头和PDC钻头效果极差，后来甲方更改设计使用高速涡轮钻头（一种专门打硬地层的钻头）。高速涡轮钻头靠泥浆泵排量驱动，使用时排量大，泵压高。中石化华东石油工程公司对此准备不足，没有合适型号的缸套。导致SCR柜电流一直处于一个极高的状态，一度达到1500A。在这近一个月的使用时间内，本人总结了一些可控硅在高负载情况下使用的一些经验。

（1）更换缸径小一号的缸套。从上文的叙述以及电动机机械特性曲线中可知，更换小一点的缸套，在排量相同的情况下，SCR柜电压会升高，电流会相应降低。若电压也过高，则可以使用双泥浆泵，分担SCR柜负载。井队也要尽量根据甲方的设计备全各种型号的缸套，尤其是在未知区块。中石化华东石油工程公司就是在缸套的备料上出了问题（主要是由于甲方更改设计，使用高速涡轮钻具），造成了被动的局面。后来，中石化华东石油工程公司在更换小一号缸套后，SCR柜电流有明显的降低。

（2）做好SCR房温度控制。可控硅在高电流的运行的情况下，一定要做好散热工作，不然可控硅极易烧坏。做好SCR房空调的维护，保养。定期用气吹扫机组外机散热器，定期检查内机组机风扇皮带。经常检查SCR柜内的风扇，保证运行良好。同时也要经常测量可控硅的温度。有异常情况，及时处理。中石化华东石油工程公司出现过几次可控硅温度过高导致SCR柜跳闸的情况。主要是由于可控硅温度过高，串联在SCR柜主空开欠压线圈上面的两个温度开关断开，进而导致主空开跳闸。跳闸后，只要等到可控硅温度低于80度，温度开关会闭合，主空开能重新合闸。

（3）定期清理泥浆泵电机风机的滤网，保证风道畅通，确保直流电机的散热。

（4）每班保证倒换两次司钻控制台指配开关。尽量保证不长时间使用一个柜子，造成可控硅疲劳损坏。

（5）做好对司钻操作的监管，尤其是司钻在给定泥浆泵速度的时候，一定要慢。因为可控硅在高负荷运转的情况下，猛的加速以及减速都极容易导致可控硅的击穿或者烧毁。

4 结论

钻井泥浆泵作为井队功率消耗最大的设备，其参数对电控系统的影响非常大。而在南美的钻井市场，大部分的甲方都比较倾向于高排量，高泵压钻井，对电控部分的影响就更大了。井队电气师不能拘泥于自己的本职工作，也要多关注钻井参数的变化，及时的做出应对，保证设备在最优的状态下运行。

参考文献

【1】 杜晓瑞 王桂文 钻井工具手册 北京：石油工业出版社

【2】 常州牵引电机厂 YZ08直流牵引电机说明书

作者简介：姓名：刘辉，出生年月：1986年9月，民族：汉族，籍贯：江苏省南京市，学历：本科，职称：中级，研究方向：石油钻采设备的使用与维护保养。