摘要：为满足现代钻井工艺的要求，提出了石油钻机电气传动系统的组成及现状，详细介绍了石油钻机电气系统，并介绍了现代钻机电气传动系统发展趋势。 

关键词：钻机 电气 传动系统 自动化 

 

1.概述 

随着全世界石油需求量的逐步增加，石油钻探工艺也随之发展，因此石油钻井工程项目也相继增长。而钻机作为实现钻井工作的综合性设备是钻井过程中不可缺少的一部分。为了满足钻井需求，钻机必须具备有效的机械设备，以提供给钻具足够的转矩和转速，并且还要维持一定的钻压；为了满足钻具送进、更换钻头、下套管和处理井下事故的需要，机械设备应有一定的起重能力及提升速度；于此同时，还要要求机械设备能够提供足够的泵压和排量来保证泥浆的正常循环。因此，对钻机电气系统设计的要求也不断提高。本文详细介绍了石油钻机电气系统，并介绍了现代钻机电气传动发展趋势。 

 

2．石油井场电器设备 2.1按区域划分 

石油井场一般分为固控区、动力区、机泵房、钻台区、油水罐区、生活区等六个区域： 1）固控区的电器设备包括：泥浆搅拌器、离心机、除砂（泥）器、灌注泵、加重泵、真空除气器、振动筛、电机控制柜、电源转接箱等。 

2）动力区的电器设备包括：发电房、电控房等。 

3）钻台区的电器设备包括：司钻控制房、钻台动力箱、液压站、盘刹动力箱等。 4）机泵房的电器设备包括：机房动力箱、压风机、电磁刹车、变频调速电机等。 5）油水罐区的电器设备包括：油水罐控制箱、打油（水）泵等。 6）生活区包括：一般的生活用电。 2.2 按系统划分 

石油井场按照系统划分分完视频系统、电话系统、硫化氢检查系统、MCC系统、液位检查系统、SCR系统或者VFD系统。 
 

3．电动钻机 3.1直流电驱动钻机 

3.1.1直流电驱动工作原理： 

利用 “通电导体在磁场中受到电磁力的作用” 这一原理工作。 

磁场：大中型直流电动机采用电磁场——给主磁极绕组(定子绕组)通以直流电，从而产生稳定的磁场。 

通电导体：电枢绕组经过换向器导入直流电流。 

电磁力矩：通电导体分布在圆形转子周围，相对于转动轴心有一半径，通电导体受到的电磁力，产生相对于转轴的力矩。 

力矩方向恒定：由于换向器的存在，使得电枢绕组旋转到某位置时，导体内的电流方向恒定，从而电磁力方向恒定，电磁力矩方向也就恒定了。 

3.1.2直流电动机的调速控制 直流电动机调速方法有三种。 1）电枢电路中串电阻 

该方法一般用于中小功率场合，若串入有级电阻，则可以实现有级调速；若串入可变电阻，则可以实现无级调速。 

2）改变电枢电路的输入电压 

该方法需要可调直流电源。而获得可调直流电源的方法有两种：一是靠直流发电机；    二是利用晶闸管将交流电转化为可调直流电：通过触发电路控制晶闸管的导通角，从而改变直流电压。目前大都石油钻机均采用后者。 

3）降低主磁通调速 

对于并励和他励直流电动机，通常在励磁电路中串入电阻；而对于串励直流电动机，通常在励磁线圈旁并电阻。若要得到无级调速特性，则采用可调电阻；若要得到有级调速特性，则采用有级电阻。 

3.2交流电驱动 

3.2.1交流电动机的类型、结构及工作原理 

在大功率变频技术未出现以前，交流电动机主要用来驱动辅助设备。现今，随着数字变频钻机的逐步发展，使得钻机发展到了一个新的时代，大功率交流电动机作为主动力机用于驱动三大工作机。 

交流电动机的类型主要分为同步交流电动机以及异步交流电动机。 3.2.2交流电动机的变频调速特性 

    交流电动机是通过可控硅变频器，可以改变交流电的频率。其基本原理为：在可控硅变频器的内部，经历两次电流性质的改变：首先用晶闸管整流电路将交流电转变为可调电压的直流电，再用逆变器将可调直流电转变为可调频率的交流电。 

3.2.3交流电动机的调速控制 

交流电动机的调速方法分为三种：变频调速、有级调速、变极调速。变频调速通过改变交流电的频率，实现转速的连续调节。而对于饶线转子电机，在转子电路中串多级电阻，实现有级调速。变极调速则是通常采用改变定子绕组的接法来改变电机的极数。极数增多，转速越低。 

 

4．典型钻机电力驱动与传动 4.1直流电驱动钻机 

目前最广泛使用的直流电驱动的钻机是AC—SCR—DC电动钻机。 4.1.1动力分配   

由柴油机带动交流发电机发交流电，通过电网实现动力并车，集中供电。再经可控硅整流装置将交流电变为直流电，驱动直流电动机，从而带动工作机工作。      

4.1.2动力传递 

由于采用了电力并车，省去了机械并车装置，使得传动系统大为简化。在AC—SCR—DC电动钻机中，驱动工作机的动力传递方式主要有两大类：分组驱动以及单独驱动。 

4.1.3 AC—SCR—DC 电驱动钻机的特点： 

1）直流电动机，具有人为的柔特性，调速范围宽，可实现无级调速，绞车、钻盘只需设少量的机械档； 

2）简化了传动系统，传动效率大大提高，总传动效率可提高10%以上； 

3）采用电子调速，可使柴油机稳定在最佳运转工况，寿命延长（大修周期延长80%），燃油消耗降低（降低18～20%）； 

4）用直流电动机驱动，启动能力强； 5）一次性投资成本高于机械钻机； 

6）直流电动机价格高、寿命相对较短、维护较困难。

 

 5．变频交流电驱动钻机 

随着变频技术的成熟以及大功率变频器的广泛应用，变频交流电驱动钻机逐步得到推广应用。 

5.1动力分配 

  三台G12V190PZLG-3 柴油机机（810kW/1300r/min ）械并车带动主发电机（1000kw /400V）发交流电，两台辅助柴油机分别带400kW和100kw的辅助发电机组发交流电。可以通过电力并网实现能量的集中使用、统一分配。通过晶闸管整流将交流电转换成可调直流电，再经逆变器将交流电转换成可变频率的交流电，驱动交流电机带动工作机工作。 

5.2动力传递   

 在变频电驱动钻机的动力传动方式与直流电驱动钻机一样，驱动工作机的动力传递方式主要有两大类：分组驱动以及单独驱动。分组驱动为绞车和转盘共用一组直流电机；每台泵单独用一组直流电机。单独驱动为绞车、转盘、泵各自分别用一组直流电机。 

6. 钻机电气传动系统发展趋势 

20世纪90年代以来，随着世界经济的持续发展和油气勘探难度的不断增加。国外在石油钻机型式及其控制技术方面发展很快，并着重在节约原材料、节省钻井成本、降低开发费用、提高钻井速度、提高单井产量和油田采收率、加速油田开发、缩短产油周期、延长油井寿命等方面加大相关技术开发力度，同时，由于油气钻井是一个融多学科的复杂系统工程，钻井过程中变量和数据异常多，过程结构和数学模型也很复杂，要满足上述对新型钻机的要求，单凭人工经验和操作熟练程度判断和处理是很不现实的。因此，广泛应用电气传动和自动化领域最新科技成果，建立能模拟人工智能，能依据积累的经验(包括钻井专家、现场技术人员和富有经验的操作者等)和知识(钻井的基本要求、规范、标准和仿真模型等)进行在线运算，完成钻井全过程的智能化、模块化控制系统，是未来石油钻机电气传动系统的发展方向。