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电机自动送钻系统的结构原理 1 自动送钻系统的发展及原理
1. 1 变频电机自动送钻系统的发展
中国的石油钻机技术由仿制前苏联的机械皮带传动钻机到自行研制的大庆I型,II型钻机经历了几十年的时间。在这个时期，工人的劳动强度特别大，工作危险性高。20世纪80年代开始出现电动钻机，特别是变频技术、PLC技术、微电脑技术、工业自动化等先进技术的发展，大大提高了石油钻机的自动化水平。在这种环境下，通过许多钻机技术人员、电控技术人员、钻机操作人员的共同努力，自动送钻机技术得到了长足的进步，为钻机实现自动化、智能化打下了坚实的基础。纵观世界各国的自动送钻系统，按控制系统主传动方式可以分为机械式、气动式、液动式、电动式和计算机式，其中计算机式由于具有软件编程的灵活性，控制算法可优化选择，能不断提高控制品质特点，成为自动送钻技术发展的新热点。按控制钻进参数可分为恒钻压控制、恒钻速控制、恒扭矩控制、钻压与钻速乘积值控制，其中以恒钻压控制应用最为广泛。
1. 2 原理
1.2.1 主电机自动送钻系统
主电机自动送钻系统组成如图1131。在钻井过程中，钻压变化信号通过死绳作用于压力变送器转换成电压信号，经过A/D采样后，膜式传感器输出液压变化信号，液压变化信号再通过选择单元进行判断，正常范围内压力信号的采样值与钻压给定值进行比较运算，输出控制量通过D/A转换，将数字信号转换成模拟信号，再用该信号控制变频调速单元，输出可变的频率电压信号来控制绞车主电动机的转速。主电动机转速的变化通过减速机构和纹车筒等传动装置最终控制大钩下放快慢，完成恒钻压闭环控制。如果由A/D采样后的钻压信号经选择单元后为异常钻压信号，则由选择单元自动给定一个下放速度，直接输人到速度控制单元进行恒转速控制，直到钻压重新恢复正常。该系统增设了测速码器构成的局部反馈回路，将反映绞车主电动机转速的脉冲信号反馈到速度控制单元的输人端因为钻压控制单元(或速度给定单元)信号与速度反馈信号极性相反，故此回路为负反馈回路。速度反馈回路有助于增加系统稳定性，改善系统非线性，提高变频电动机转速的控制精度。此外，该系统具有上位工控机监控功能。同时通过对钻具转速、扭矩、大钩钩载、钻井泵泵压和游车位置的监控，实现报警及紧急刹车制动功能。
1.2.2 小电机自动送钻系统
在实际工况中，虽然主电机在进行自动送钻过程中，结构简单，操作方便。但是主电机在速度很低的时候，尤其是长时间在低于额定功率、额定转速下运行是很不稳定的，尤其是该系统主电动机运行的频率较低，较容易受其他谐波信号的干扰，使系统控制性能变差，控制精度下降，而且对电机影响比较大。所以在目前国内大多采用小电机自动送钻系统，其工作原理与图1相似，是在绞车的后部或者是前部加装一个小电机。由于在自动送钻过程中需要低转速、大转矩，所以需给小电机加装1台大减速比的减速箱。
2 自动送钻系统的硬件构成川
自动送钻系统的硬件部分主要由信号检测变送单元、控制单元、变频器及执行机构单元和上位机监控单元等构成，如图1,
2.1 信号检测变送单元
该单元由指重钻压、钻具扭矩、钻井泵泵压、钻具转速和游车位置传感变送器组成。其中指重钻压、钻具扭矩、钻井泵泵压变送器输出信号为4-20mA，而钻具转速和游车位置变送器输出，号为0 或5V的电平信号。
2.2 控制单元
该单元的控制器是整个系统的核心，负责钻机的各种运行数据和状态的采集和显示，并把采集的数据进行处理来控制钻机的运行。
2.3 变频器及执行机构单元
由 微 机 输出4-20m A的电流信号进人变频器，控制输出电压为。0-600 V,频率为。0-200 Hz的信号对钻机绞车主电动机(小电机)进行调速控制，输出一定的转速来控制钻井速度。同时，数字编码器将反映主电动机的脉冲信号反馈到速度控制单元的输人端，随后脉冲信号直接进入计算机参与被控对象的控制。
2.4上位机监控单元
上位机是整个自动送钻系统的重要组成部分，上位机监控单元硬件基本配置为:CPU为奔腾三处理器，内存256 M，硬盘40 G以上;上位机操作系统采用Windows98或Windows2000以及各种监控辅助软件等。这种操作系统主要功能为显示钻机工作所需要的各种运行参数及工作状态，对钻机运行数据进行运行参数记录、参数设置、资料查询和打印等操作。
3 自动送钻系统在变频钻机中的应用
3.1 交流变频电动钻机
交流变频电动钻机是国外20世纪90年代新发展起来的一种先进的电动钻机。90年代后期，我国的科技人员和有关单位将交流变频调速技术应用于石油钻采设备，尤其是电驱动钻机，成为当今最受青睐的钻机。交流变频电动钻机与机械钻机和直流钻机相比，它采用了交流变频调速技术能够适应钻井工艺的要求，简化了钻机的机械结构，减轻了维护保养工作，提高了安全性、可靠性和移运性。交流变频绞车体积小、质量轻、故障少、维护方便;调速范围宽，可实现无级调速;能够以极低的速度恒扭矩输出，实现数控恒钻压自动送钻，对提高钻井时效、优化钻井工艺、处理井下事故等十分有利。新型司钻控制系统控制精确、操作简单，使司钻摆脱了繁重的体力劳动，并注重了操作技巧和钻井参数的优选。
3.2交流变频电动钻机中的自动送钻系统
在交流变频电动钻机发展中最重要的是对绞车的改进和发展。交流变频电动钻机的绞车通常都会配置1套数控恒钻压自动送钻装置(有少数纹车也采用主电机自动送钻)。该装置由1台小功率的交流变频电机通过大传动比减速后驱动滚筒轴。送钻时由数字化变频拖动系统设定恒力矩反拖滚筒，自动调速和保护，达到恒压稳速送钻的目的，送钻钻压误差<40-500 N。
4 存在的问题及措施
a）利用软件实现自动送钻，需与转盘扭矩的自适应控制相结合，以便在自动送钻情况下，井下突然出现憋卡等复杂工况时，自动改变转盘变频器的电压、电流、频率等电参数，释放钻杆扭矩，自动适应井下扭矩变化。
b) 为实现纹车自动送钻和转盘自适应控制功能，需要在2台纹车电机和转盘电机自由端分别安装编码器。根据目前的情况，存在2个问题，首先，国产变频电机自由端是封闭的，没有伸出安装轴;其次，我国设计的绞车配置的2台永济电机，背对式安装，电机自由端间隔很小，安装2只编码器有困难，尤其在转盘电机中。同功率的ABB变频电机，体积要小于永济电机，标准配置带有编码器，适合于这种应用场合。
c) 在应用过程中，小电机自动送钻装置从性价比上更能适应目前变频钻机的要求。但是，自动送钻装置一般安装在纹车的后部或者前部，其结构属于绞车的一部分。所以造成纹车结构比较复杂，体积比较大等诸多不利因素。这方面问题与自动送钻装置生产厂家有关系，需与他们协商，共同将自动送钻装置的体积减小，更加简单可靠。
5 结论
论述了交流变频电机自动送钻系统在变频钻机中的出现、各种存在形式、原理、结构以及发展。应根据结构简单、安全可靠、安装方便、控制准确的原则推广应用。小电机自动送钻在解决结构复杂、体积大等缺点的前提下，应是变频钻机采用自动送钻系统首先选择的方案。
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