一种双制式石油钻机电驱动系统的制作方法

本发明涉及石油钻机电驱动技术领域，尤其涉及一种双制式石油钻机电驱动系统。

背景技术

目前，石油天然气开发主要采用电动钻机（以下简称钻机），而钻机电驱动系统主要分为直流电驱动系统和交流电驱动系统，两种电驱动系统各有缺陷：

1、直流驱动系统相较于交流电驱动系统，存在如下缺陷和不足：

（1）、直流电驱动系统无法实现辅助刹车功能，需要配置辅助刹车装置，例如电磁刹车。而交流电驱动系统具有能耗制动功能，可实现辅助刹车，更加安全可靠；由于不需要安装电磁刹车或气动刹车，使绞车结构进一步简化。

（2）、直流电驱动系统无法实现主电机自动送钻；交流电驱动系统可实现主电机自动送钻功能，操作体验更佳。

（3）、直流驱动绞车在直流电机转速调节范围较窄影响下，以三轴四挡模式配合钻井工艺所要求的起升速度，绞车结构更加复杂。而交流变频驱动绞车在较宽的交流变频电机调速维度下，通过单轴绞车（或双轴）进行任意范围内无极调速带动齿轮转动箱，结构简单。

（4）、直流电驱动系统的功率因数低，尤其在低速运行时功率因数极低，能耗较高；在钻井工况时，泥浆泵、转盘连续运行，功率因数一般为0.5-0.8；在起下钻工况时，绞车间歇运行，低速运行时间较多，此时功率因数一般为0.3-0.4。而交流电驱动系统功率因数更高，能耗低。

（5）、配套直流电驱动系统的钻机模仿原机械钻机的思路，绞车或转盘等系统均采用了大量的气动控制，只能采用操作台进行组合操作，另外无法实现悬停功能，系统自动化程度较低；尤其是对于模拟式直流电驱动系统而言，参数监控较少，系统自动化程度更低；较之机械钻机主要是提高了系统调速性能。而配套交流电驱动系统的钻机可采用一体化司钻椅进行控制，并集成智能钻井仪表系统，另外加之主电机自动送钻和悬停功能，多参数采集与监控，系统自动化程度高。

2、交流电驱动系统相较于直流驱动系统，存在如下不足：

交流电驱动系统较直流电驱动系统的成本高达3倍以上。随着国产晶闸管的不断成熟，直流电驱动系统成本得到大幅降低，而国际品牌变频器价格仍保持高位，导致两者成本差距越来越大；若交流电驱动系统配套国际知名品牌变频器，其成本相较直流电驱动系统甚至达5倍左右。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双制式石油钻机电驱动系统。本发明采用双制式的电驱动系统，结合直流电驱动系统和交流电驱动系统各自的优势，解决直流电驱动系统功率因数低、调速范围窄、自动化程度不高、且不能实现辅助刹车及自动送钻等问题，并综合考虑交流电驱动系统成本高昂的情况，使钻机技术经济性达到最优。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种双制式石油钻机电驱动系统包含三相交流母线、直流电驱动系统和交流电驱动系统；三线交流母线输出端分别连接直流电驱动系统和交流电驱动系统；所述三相交流母线输出的交流电源电压为525VAC-690VAC，频率为50Hz或60Hz。

所述直流电驱动系统包括多个直流调速单元，每个直流调速单元的输出与泥浆泵直流电机连接；所述直流调速单元为晶闸管，直流调速单元将525VAC-690VAC三相交流电整流为可调直流电源，分别驱动相应的直流电机。

所述交流电驱动系统包含多个整流单元、多个交流变频单元、多个能耗制动单元和直流母线，所述整流单元的输入与三相交流母线连接，整流单元的输出与直流母线连接，直流母线的输出分别与交流变频单元和能耗制动单元连接，所述能耗制动单元与制动电阻连接，所述交流变频单元与交流变频电机连接。

一种双制式石油钻机电驱动系统还包括多个交流接触器，所述交流接触器的输入与交流变频单元连接，交流接触器的输出与交流变频电机连接；所述交流变频电机包括用于驱动绞车、转盘和顶驱装置的交流变频电机。

本发明中，所述交流电驱动系统，根据整流单元的额定容量以及钻机负荷需求，整流单元一般配置1-3套，大多数情况下，可配置2套；另外，每一台交流变频电机可配置一套相应的交流变频单元，或通过交流接触器进行切换，减少交流变频单元的配置数量；能耗制动单元根据设备额定容量，可配置1-2套。

本发明中，所述直流电驱动系统，每一台泥浆泵配置一套相对应的晶闸管直流调速单元。

本发明的有益效果：

1.本发明的双制式电驱动系统，相较于传统的直流电驱动系统：

（1）绞车作为位能性负载，对调速控制性能要求较高。在传统的直流电驱动系统中，绞车操作需要人为判断，结合辅助刹车装置进行组合操作，安全性较低；绞车起下钻工况时的间歇运行机制，无功负荷率较高；直流绞车电机调速范围窄，需要机械传动装置增加复杂的变速系统。因此，相较于直流电驱动系统，绞车采用交流电驱动系统，更具技术先进行，控制性能更优，更加安全可靠。

（2）顶驱/转盘作为刚性旋转负载，受井下不同地质影响，尤其是定向井、斜井等复杂钻井工况下，井下反扭矩给钻井作业带来巨大风险，因而，相较于直流电驱动系统，顶驱/转盘配置交流电驱动系统，其零转速输出大扭矩的优异特性，更能保障钻井作业安全。

（3）绞车与转盘、顶驱安装在钻台面上，属于防爆区域，相较于直流电机，交流电机没有碳刷换向器，维护费用低；另外，直流电机需要采用正压通风防爆，电机防爆较难实现，而交流电机的防爆则容易实现。

（4）绞车、顶驱、转盘的操作较为复杂，采用交流变频传动，实现能耗制动功能；另外，绞车采用交流电驱动系统，主电机能实现悬停功能，具备自动送钻功能，易于井队人员使用，且自动化程度高。

2.本发明的双制式电驱动系统，相较于传统的交流电驱动系统：

（1）泥浆泵作为泵类负载，功率需求大，若采用交流电驱动系统，成本高昂，故泥浆泵配置直流电驱动系统，采用直流调速控制，具有较高的经济性。

（2）泥浆泵的操作较为简单，相较于采用交流电驱动系统的泥浆泵，操作体验相当，差异性较小。

（3）顶驱控制系统集成于钻机电驱动系统，取消了单独的顶驱变频房，大幅度降低了电控系统总成本。另外，若采用顶驱及转盘变频器通过接触器切换的方案，减少交流变频单元的配置，其系统成本进一步降低。

附图说明

图1是本发明的设备原理框图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本实施例中，如图1所示，一种双制式石油钻机电驱动系统包含三相交流母线、直流电驱动系统和交流电驱动系统；三线交流母线输出端分别连接直流电驱动系统和交流电驱动系统；三相交流母线输出的交流电源电压为525VAC-690VAC，频率为50Hz或60Hz。

所述直流电驱动系统包括多个直流调速单元，每个直流调速单元的输出与泥浆泵直流电机连接；所述直流调速单元为晶闸管，晶闸管直流调速单元将525VAC-690VAC三相交流电整流为可调直流电源，分别驱动相应的直流电机。

所述交流电驱动系统包含多个整流单元、多个交流变频单元、多个能耗制动单元和直流母线，所述整流单元的输入与三相交流母线连接，整流单元的输出与直流母线连接，直流母线的输出分别与交流变频单元和能耗制动单元连接，所述能耗制动单元与制动电阻连接，所述交流变频单元与交流变频电机连接。

一种双制式石油钻机电驱动系统还包括多个交流接触器，所述交流接触器的输入与交流变频单元连接，交流接触器的输出与交流变频电机连接；所述交流变频电机包括用于驱动绞车、转盘和顶驱装置的交流变频电机。

本发明中，所述交流电驱动系统，整流单元把525VAC-690VAC三相交流电整流成为恒定的直流电，为逆变装置提供直流电源，连接至共用直流母线；逆变单元将来自共用直流母线的直流电转换为可调速变频电源，精确控制交流变频电机速度；能耗制动单元与制动电阻一起组成能耗制动装置，用于消耗直流母线上的所有交流变频单元产生的回馈能量，完成能耗制动功能。为进一步的实现技术经济性优化，顶驱可与转盘共用一套交流变频单元，通过交流接触器进行切换；也可将转盘与绞车B电机共用交流变频单元，采用交流接触器进行切换；为确保系统可靠性，可同时配置上述两种切换功能。

本发明中，所述交流电驱动系统，根据整流单元的额定容量以及钻机负荷需求，整流单元一般配置1-3套，大多数情况下，可配置2套；另外，每一台交流变频电机可配置一套相应的交流变频单元，或通过交流接触器进行切换，减少交流变频单元的配置数量；能耗制动单元根据设备额定容量，可配置1-2套。

本发明中，所述直流电驱动系统，每一台泥浆泵配置一套相对应的晶闸管直流调速单元。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。