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（1.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020；2.渤海钻探第五钻井工程分公司，河北河间062465）

变频钻机能耗制动系统研究

朱奇先1，张贵华2，张振中1，李亚博1

（1.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020；2.渤海钻探第五钻井工程分公司，河北河间062465）

结合钻井工艺下钻要求，简单介绍了变频钻机能耗制动系统的主要环节、单元构成，制动单元和电阻的配置原则。以常见的ZJ50/70DB钻机、几个特定钻井参数、特定斩波单元为例，按照一般工况、绞车输入功率、最大钩载3种情况，计算了下钻过程中的回馈能量、功率等制动系统选型参数；提出了变频钻机能耗制动系统配置算法。

变频钻机；能耗制动；回馈能量（功率）；选型算法

变频钻机带有能耗制动功能，已是钻机装备行业普遍的共识。但究竟该配置多大的制动能力，由于价格、布局等因素的影响，各用户及电控系统供应商做法不一，差别较大。如果能力配置较小，虽然价格较低，制造容易，但使用时对某一类钻井好用，换一类井或一口井可能就不好用；如果满足了对任何类井都好用而加大能力，则必然导致价格昂贵、制造困难、制动能力有可能经常闲置。因此依据什么计算、配置比较合理，既不造成投资浪费，又能满足绝大多数钻井工艺要求就非常必要，本文从3个不同的角度给出典型的配置算法，供电控系统设计者和用户参考、研究。

1 能耗制动

下钻为油气勘探钻井作业中重要的一环，是指将每柱约27 m的钻杆，从二层台一次次下放到钻台面、直到将所有钻杆柱下到井底预想位置的过程。在下钻过程中，钻杆柱在重力作用下不断落入井中，将其已储存起来的高势能释放出来，驱动游动系统、绞车滚筒、拖动电机等，在变频器的控制作用下，交流电机作为能量转换枢纽一直处于制动发电状态，将钻柱的重力势能转换为电能回馈给变频器；由于变频器没有足够的储能能力，回馈能量将使其中直流电压升高，升高到保护阀值后将停止工作。为了使变频器能够正常工作，需要将这些能量随每一个下钻过程逐次转移出去。变频钻机的能耗制动就是指电控系统同步转移、消耗这个能量的环节和过程。

与能耗制动有关的系统单元示意图如图1所示。

图1与能耗制动系统有关的单元Fig.1The units that related to dynamic braking system

图1 中，DC810 V指变频系统的直流母线，VFD1，VFD2为绞车拖动电机DWA，DWB的控制变频器，BK为制动单元，R为制动电阻。

2 配置原则

由图1可知，虽然VFD1，VFD2，直流母线及相关的电机等与制动系统关系密切，但其选型参数相对于制动系统来说已经确定，因此配置能耗制动系统最主要的环节就是选择制动单元及制动电阻。制动单元既可以用三相逆变器，也可以用单相斩波器，配置原则为只要单元的能量通流（导通阀值时在规定的时间流过规定的电流）能力足够即可；与此对应，制动电阻也有三相和单相之分，为保证能量消耗与下钻周期同步，配置的原则为既要保证能量的消耗速度（但不使单元电流过载），又要保证表面温度不能过高而引起明火。

3 选型算法

由上节叙述可知，在导通阀值时，无论确定单元的通流能力还是电阻的阻值及功率，都需要确切知道直流母线上需要消耗的实际能量或者功率，而这些又和实际的工作过程密切相关，工作过程又和地质情况、钻井工艺参数、司钻操作水平等息息相关，因此无法进行精确的计算。没有根据的配置不仅使工作人员无所适从，而且过小时还不能满足安全钻井的要求，且会严重影响到使用时的钻探效率。下面以普通钻井工艺参数为例，对ZJ50/70DB钻机的回馈能量和制动系统单元参数选择的依据，按实际运行参数（Ⅰ）、绞车输入轴额定功率（Ⅱ）、最大钩载（0.4 m/s钩速）（Ⅲ）3个方面进行计算，计算的数据见表1。计算条件为：忽略游动系统自重，钻柱钢材的相对密度γs=7.85，井筒中钻井液的相对密度γy=1.2，井斜0～5°、井深5 000～7 000 m时钻杆柱与井壁的摩察系数Kf=1.4～1.5；提升时钢丝绳拉力：Q=QLKf(1-γy/γd)=(1.2～1.3)QL；下放时钢丝绳拉力：Q=QL(1-γy/γd)/Kf=(0.56～0.61)QL，每米钻柱在空气中的平均重量q=36 kg/m；整流、逆变控制装置按S120系列、制动单元按单相直流斩波器装置考虑。其余符号代表的意义见表1。

表1 三种情况下计算的回馈能量和制动系统参数Tab.1Energy feedback and braking system parameters under three working conditions

续表1

4 配法比较

由计算条件和计算结果看，方法Ⅰ针对的是井深小于5 000 m或7 000 m、钻井液比重不小于1.2等几个特定参数的工况，由于最大钻柱重量只有1次，其余所有的都比它小，因此这种配法具有非常高的实用价值，缺点是低于实用条件时能力不够，而且没有进一步提高最低钩速、钻井时效的潜力。方法Ⅱ不考虑任何实用情况，只以绞车动力输入端在提升和下放时功率达到额定值为依据，虽然在任何情况下都能发挥绞车设计能力的优点，但大多数正常工况下制动能力闲置，造成一定的浪费。方法Ⅲ的结果介于前二者之间，可以满足最大钩载、一次最大钻杆柱的特殊工况，也有在大多数正常工况下提高钩速、钻井时效的潜力，比较合理。但在按照计算表中规定的斩波单元选型时，与方法Ⅱ数量一样，只是说明选型配置方法，当有更多规格的三相逆变器或斩波器可供选用时，方法Ⅱ在数量和价格上具有优势。

5 实际应用

渤海钻探塔里木四勘的70157钻井队，在2004年底设计制造的一套7 000 m变频电驱动钻机。对应图1，与能耗制动系统相关的单元配置为：DWA、 DWB 800 kW，VFD1、VFD2 870 kW，考虑到成本和用户要求，BK的功率配置为800 kW，这是按方法Ⅰ计算，只满足最低钻井参数的工况并有20%的裕量。在2005～2010年的使用中，由于油田对时效要求一般，因此司钻操作的下钻速度较小，BK单元运行正常；2010年后，油田要求各钻井队大提速，当下钻速度提高加上钻井参数发生大的变化后，BK单元因能力限制，下钻时经常因来不及制动使母线电压过高导致变频器保护而停机，或因强制制动使BK单元处于过载、过温而停止工作，这都将严重影响到时效的提高和安全钻井。2011年对能耗制动系统进行了改造，按照方法Ⅲ并根据用户提供的钻井参数计算，在成本增加不多的前提下，将BK单元功率配置为1 200 kW，制动系统运行到现在再也没有出现过能力不足的故障。

［1］陈如恒、沈家骏.钻井机械的设计计算［M］.北京：石油工业出版社，1995.

［2］顾绳谷.电机及拖动基础［M］.北京：机械工业出版社，1980.

［3］天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册［M］.第2版.北京：机械工业出版社，2005.

Research on Dynamic Braking System of Variable Frequency Drilling Rig

ZHU Qi⁃xian1，ZHANG Gui⁃hua2，ZHANG Zhen⁃zhong1，LI Ya⁃bo1
（1.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui741020，Gansu，China；2.The 5th Drilling Company of BHDC，Hejian062465，Hebei，China）

According to requirements of feed drilling technology，focused on main parts and constitutions of dynamic braking system of variable frequency drilling rig and also distributing principles of brake unit and resistance. Took ZJ50/70DB rigs，certain drilling parameters and chopper unit as an example，it calculated energy feedback and power during feed drilling from three aspects that normal working condition，DW input power，max.hookload，which finally work out distributing calculation of dynamic braking system of variable frequency drilling rig.

variable frequency drilling rig；dynamic braking；energy feedback（power）；selection algorithm

TE922

A

2014-07-16

朱奇先（1963-），男，学士，正高级工程师，Email：zhuqixiananling@sina.com

修改稿日期：2015-01-05