刘肖

摘 要：电气控制系统是电动钻机的动力源和自动控制中心。属于石油钻井装备中最关键的设备。它不仅为钻机提供全套高品质动力能源，而且是整台钻机运转的精神中枢。

关键词：电动钻机；绞车控制；转盘控制；电气控制

一、石油钻机的概述

现代石油钻机是一套庞大的联合机组，包括内容广，涉及的种类多，它随着钻井方法、钻井技术的发展而不断的发生变化和完善。本章首先介绍石油钻机的要求及钻机的组成和原理，然后介绍石油钻机的发展现状和发展趋势。

（一）钻井工艺对钻机的要求

钻井工艺对机械设备的基本要求有以下几个方面：

1、要有足够起升功率：即有足够的起重能力，保证起得动，起得快。

2、要有旋转钻进的能力：要求能为钻具提供一定的钻速和扭矩，并保持一定的钻压。

3、要有清除岩屑的能力：要求能提供具有一定压力和流量的钻井液，有效的冲洗井底，并将岩屑携带出井外。

此外，钻机要适应不同地区的钻井需要，如沙漠、沼泽、海洋等。同时因钻机的流动性大，要求设备容易安装、拆卸和运输。钻机的操作和维修工作必须简单易行，易损件便于更换。

（二）钻机的组成

1、起升系统。起升系统在钻井过程中的主要作用是起下钻具、下套管、悬持钻具和钻头送进等。这套设备由钻井绞车、辅助刹车、游动系统和井架组成。

2、旋转系统。旋转系统在钻井中的主要作用是带动井中钻具旋转，并带动钻头破碎岩石。旋转系统包括的主要设备有转盘和水龙头。

3、循环系统。循环系统在钻井中的主要作用是循环钻井液，使其及时清洗井底，携带走被钻头破碎的岩屑，保护井壁并冷却钻头。其主要设备包括钻井泵（在钻井现场习惯称为泥浆泵）、地面高压管汇、钻井液净化及调配设备等。

上述3大系统设备是直接服务于钻井生产的，是钻机的3大工作机组。

4、动力驱动系统。为了供应3大工作机组及其它辅助机组（如空气压缩机）的动力，钻机必须配备动力驱动设备及其辅助装置。这种动力驱动设备可是内燃机及其供油设备，也可以是交流电动机、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。

5、传动系统。传动系统的作用是连接发动机和工作机组，实现从驱动设备到工作机组的能量传递、分配及运动方式的转换。传动系统应包括减速、并车、转向、倒转及变速机构等。

现代钻机传动系统除机械传动外，还有液力传动（液力耦合器、液力变矩器）、液压传动、电传动等形式。

6、控制系统和监测显示仪表。控制系统是钻机自动化程度高低的一个重要标志，它的主要作用是指挥各系统的协调工作。常用的控制系统有机械控制、气控制、液控制和电、气、液联合控制。

监测显示仪表的主要作用是记录和显示地面设备和井下设备的工况，为控制系统提供控制依据，常用的仪表有指重表、转盘扭矩等。

7、钻机底座。底座是钻机组成部分之一。它包括钻台底座和机房底座，用以安装钻井设备，方便钻井设备的移运。钻机底座用以安装井架、转盘，放置立根盒及必要的井口工具，多数还要安装钻井绞车，下方应能容纳必要的井口装备。

8、辅助设备。为保证钻井工作的顺利运行，钻井设备一般都配有供气设备（压缩机、储气罐）、辅助发电设备、井控设备、钻鼠洞设备与辅助起重设备，在寒冷地带钻井时必须配备有保温设备。

二、石油钻机的发展现状和展望

（一）石油钻机的发展现状

电驱动应用于钻机最早开始于20世纪50年代中期，随后逐步完善和成熟。与机械驱动相比，电驱动具有调速特性好、经济性能高、可靠性强、故障率低、操作更安全、方便、灵活、易于实现自动控制等一系列的优越性。特别是全数字控制系统的出现，使得电驱动控制系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更便捷，故障诊断及维修更方便。电驱动还可以通过可编程控制器获得很多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操作和联锁功能等。

我国电动钻机的电气控制系统的研究始于20世纪70年代中期，本世纪80年代末，在借鉴国外先进水平的前提下，生产出了我国第一台直流驱動的ZJ45D陆地自动钻机。并经过十余年的技术储备，我国开始了对全数字钻机电气控制系统的研究。近几年将交流变频调速技术应用于石油钻井设备上，生产出了全数字交流驱动电动钻机。

1、可控硅直流电驱动（AC—SCR—DC）钻机的控制构成

可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier简称SCR）。

2、交流变频电驱动（AC—VFD—AC）钻机的控制构成

变频器（Variable Frequency Driver，简称VFD） ，按变频器分有无公共直流母线有以下两类：

（1）变频器无直流母线的交流变频电驱动形式

（2）变频器无直流母线的交流变频电驱动形式

目前，国内电动钻机电气控制系统在控制技术上有模拟控制和数字控制两种形式。驱动方式上有直流驱动和交流驱动。电控装置齐全，可满足用户的不同需求。在功能上增加了起、下钻过程的位置闭环控制功能（即防止上碰下砸功能），外加盘式刹车的使用，由此既保证了设备的安全运行，又减轻了司钻的操作紧张程度；同时还增加了自动送钻功能，达到了恒速恒压钻井，以适应不同岩层结构，提高钻井质量。

（二）石油钻机的发展趋势

21世纪科学技术日新月异，在提高钻井效率、降低钻井成本的技术要求不断推动下，电动钻机正朝着自动化、智能化、高效应性、高经济效益、高可靠性、大型化等方面发展。

为了进一步开发更深地层的油气资源，国外已经研制出了特深井钻机，钻井深度可达15240m。由钻机发展的趋势来看，电气控制系统也将朝着智能化、网络化、开放化和大功率方面发展。但具有里程碑意义的将是激光石油钻机，美国芝加哥天然气研究所（GRI）与麻省理工学院（MIT）等正在合作研制激光钻井技术，这将可能突破现代钻机电气控制系统的发展范畴。但目前电动钻机还是一个大的发展方向和趋势。

近20多年来，电驱动钻机获得迅速发展。在海洋钻井平台上，近100%的钻机更新为可控硅直流电驱动；在陆上，从深井超深井钻机开始，绝大部分更新为直流电驱动，并已向中深和轻型钻机、修井机发展。近10年来，由于电力电子技术的发展，功率变换器的高频化和集成化，促使交流变频电驱动钻机日益显示其更胜一筹的性能，交流电驱动钻机必将取代直流电驱动钻机。