论文部分内容阅读
【摘要】由于电气石油钻机在石油钻井作业上具有明显优势，所以石油钻机电气系统在石油开采应用中越来越广泛。为满足石油钻井工艺的作业需求，本文对石油钻机电气系统的组成和工作现状进行深入研究，对电气系统在作业中遇到的问题作具体分析，并给出相应的解决方案，从实际的角度出发，为石油钻机电气系统的发展趋势做简单介绍。
【关键词】石油钻机 电气系统 自动化
1 前言
随着经济的快速发展，整个世界的石油需求量也在迅速增长，因此石油开采工艺的要求也随之提高。目前是电子信息发展迅猛的时代，各个行业都在利用高新科技来提高生产工艺水平。在石油生产中，每个国家都在想方设法提高石油开采的效率来增加石油产量，电气系统的机械化管理功能无疑是给这一关键的技术带来革命性的突破。
2 石油钻机系统构成
石油钻机是钻井工作设备中不可缺少的机械设备，钻机必须能给钻井工具提供足够转速和转矩的工作性能下，还能保持一定的钻压，为能够满足更换钻头、下套管、钻具设备的送进以及井下事故的处理需求，钻机电气系统还应具备有高举重能力和提升迅速的速度，同时还能确保泵压和排量的正常作业，维护石油开采的正常工作。在此，主要介绍石油钻机电气系统的构成。
石油钻机是套性组合的重型机组设备，由传动机组、动力机组和多工作机组等组成。而它的工作系统包括钻井悬挂、泥浆循环、动力装置传动、旋转钻井、控制、底座和其他辅助设备。由于电力驱动钻机具有良好的性能，所以是大型钻机设备发展的方向。石油井的生产场地分为动力区、泥浆泵区、钻台区、固控区等，这些区域设备的工作都要依赖电气系统带动。
电系统的动力电源在大多石油开采场地都是由柴油发电机机组进行供应。发电机组的电源要经过控制柜进行输出电压和频率的调整，按照石油开采现场的实际工作情况来确定发电机组的工作数量，进而使用专门的控制系统进行几台供电机组的发电功率分配及同步并网的连接。钻机主要的电量来源由SCR系统连续供应调控后的直流电或者经变频器整流后，逆变出的可变电压、可变频率的电源提供。而钻机辅助设备，固控系统及照明设备和生活区的用电供给需要通过开关柜进行电压切换或者单独使用柴油机组实现供电[1]。
3 电气系统的电力驱动
3.1 交流电驱动
（1）交流电驱动工作原理。在大功率的变频设备没被应用到石油开采之前，主要用交流电动机来进行钻机的驱动工作。随着技术的进步，大功率的交流电动机被充分的应用到石油的钻机作业工作中，其类型可分为异步式交流电动机和同步式交流电动机。
（2）交流电动机的调速控制。交流电动机的调速方法有三种类型：变级调速类型、有级调速类型、变频调速类型。通过更改电子绕组的连接法，更改变电机子的极数实现变级调速。在绕线转子中串接入多级电阻器，就能实现交流电动机的有级调速。变频调速的目的主要是为转速能够连续调节，通过更改交流电的频率波动就能实现。
（3）交流电动机变频调速的特质。交流电动机的变频调速可以通过可控硅变频设备内部进行两次电流性质的更改来实现。可以先把交流电经晶闸管的整流电路转换为可调控的直流电，可调控的直流电在经逆变器设备转换成可调控频率的交流电[2]。
3.2 直流电力驱动
（1）直流电驱动的工作原理。电驱动钻井机运用通电导体在磁场中受电磁力的作用实现直流供电。用于石油开采的供电磁场是供比较大型的直流电动机使用的电磁场，能够为定子绕组进行直流电供电，使导体生成较为稳定的磁场，实现通电导体在电磁场中受电磁力的作用而进行连续供电。
（2）直流电动机的调速控制。直流电动机的调速一般采用以下三种方法：
①在励磁场中的电路系统串入电阻来降低他励及并励直流电动机的主磁调速。串励直流的电动机是要在励磁线圈的旁边并入电阻器。并入可调的电阻器可以产生无极调速的性能；并入有级电阻器可以产生有调级速的性能。
②实现较小型的直流电动机调速可在电路的中枢系统中串入电阻器。
③通过可调控的直流电源来改变电路中枢系统的输入电压，可调控直流电源的获取方法有两种，一是通过触发晶闸管的导通角把交流电转换成可调控的直流电；二是用直流发电机进行发电。但前者在石油钻机的应用更广泛。
（3）直流电整流后的影响。在直流系统进行直流电的整流后，系统的功率因素会变低，开采场地有无专门的设备做功率的补偿工作，容易使规格一样的直流系统钻机发电机组设备相对变频钻机设备的电源装机容量增大。针对这样的情况国内也有相关的单位对其进行技术的补救研发，现场无功补偿装置的研制主要是加入持续调控和迅速反应的无功率补偿技能。新设置的提出不仅对供电质量进行改良，还进一步提高供电系统的功率因数。但该技术因操作人员的认识缺乏，还无法进行普及应用[3]。
3.3 常用钻机电力驱动和传动
国内最为常用的直流电驱动钻机型号是AC—SCR—DC。柴油机带动的电源经电网进行动力并车后实现集中供电。集中的电源还要经可控硅整流设备完成交流变直流的转换后，才能进入驱动直流电动机实现直流电力驱动工作。AC—SCR—DC电动机的动力传送方法有独立驱动和分组驱动两种类型。
C—SCR—DC电驱动钻机的工作特点。将传动系统简单化，总传动效率被提高；采用电子进行调速，确保柴油机能稳定运转，使用寿命延长，耗油量降低；具有较强可塑性，启动能力增强，调速程度较广，能够进行无极调速；但机械的成本较高，使用寿命短，维修不便。
4 存在的安全隐患
（1）石油开采场地大多是比较潮湿的环境，现场施工的设备移动频繁，临时的不用的设备也很多，这样就为石油的施工作业带来一定的用电安全隐患。开采现场的机械设备都是临时铺设，为方便连接和撤离时的拆装，且钻井机的台面和泵区、控制区等会有很多的泥浆沉积，从而造成施工地面极易积水，施工的设备又多是金属，因此用电安全的问题变得很严峻。所以要经常检查设备的安全性，避免出现漏电的情况发生。
（2）石油开采的地段天然气体也较为集中，在开采的过程中，由于技术缺陷，可燃易爆的气体经常会泄露，如果防爆区内没有对所有用电设备进行保护设置，极有可能会引发严重的安全危害。雨天的防雷设施也很重要，因此还要加装防雷设备，进行全面安全防范。
5 结语
面临能源危机问题，各国都在利用创新科技对石油开采工艺进行技术的改良，以便能够在有限的资源基础上获得更多的经济效益。石油钻井工艺是一个复杂的系统工程，施工过程中存在很多的可变量，繁多的计算数据导致数学建模加难，仅仅依靠经验来处理问题是不够的。为此，要充分把科技引入石油的开采作业中，进一步实现电气系统带来的自动化管理，用科学合理的运算方式带动机械进行施工作业，模拟化和智能化是石油钻机电气系统未来的发展方向。
参考文献[1] 胡涛，朱桥飞，李晓亮.全电动石油钻机作业安
全用电分析[J].石化电气，2012，31（19）：24-29[2] 崔绍鲲.石油钻机电气系统研究[J].中国石
油和化工标准与质量，2012，8（4）：74
作者简介
黄松（1984-）男，汉，四川南充人，助理工程师，主要从事石油电气工作。
【关键词】石油钻机 电气系统 自动化
1 前言
随着经济的快速发展，整个世界的石油需求量也在迅速增长，因此石油开采工艺的要求也随之提高。目前是电子信息发展迅猛的时代，各个行业都在利用高新科技来提高生产工艺水平。在石油生产中，每个国家都在想方设法提高石油开采的效率来增加石油产量，电气系统的机械化管理功能无疑是给这一关键的技术带来革命性的突破。
2 石油钻机系统构成
石油钻机是钻井工作设备中不可缺少的机械设备，钻机必须能给钻井工具提供足够转速和转矩的工作性能下，还能保持一定的钻压，为能够满足更换钻头、下套管、钻具设备的送进以及井下事故的处理需求，钻机电气系统还应具备有高举重能力和提升迅速的速度，同时还能确保泵压和排量的正常作业，维护石油开采的正常工作。在此，主要介绍石油钻机电气系统的构成。
石油钻机是套性组合的重型机组设备，由传动机组、动力机组和多工作机组等组成。而它的工作系统包括钻井悬挂、泥浆循环、动力装置传动、旋转钻井、控制、底座和其他辅助设备。由于电力驱动钻机具有良好的性能，所以是大型钻机设备发展的方向。石油井的生产场地分为动力区、泥浆泵区、钻台区、固控区等，这些区域设备的工作都要依赖电气系统带动。
电系统的动力电源在大多石油开采场地都是由柴油发电机机组进行供应。发电机组的电源要经过控制柜进行输出电压和频率的调整，按照石油开采现场的实际工作情况来确定发电机组的工作数量，进而使用专门的控制系统进行几台供电机组的发电功率分配及同步并网的连接。钻机主要的电量来源由SCR系统连续供应调控后的直流电或者经变频器整流后，逆变出的可变电压、可变频率的电源提供。而钻机辅助设备，固控系统及照明设备和生活区的用电供给需要通过开关柜进行电压切换或者单独使用柴油机组实现供电[1]。
3 电气系统的电力驱动
3.1 交流电驱动
（1）交流电驱动工作原理。在大功率的变频设备没被应用到石油开采之前，主要用交流电动机来进行钻机的驱动工作。随着技术的进步，大功率的交流电动机被充分的应用到石油的钻机作业工作中，其类型可分为异步式交流电动机和同步式交流电动机。
（2）交流电动机的调速控制。交流电动机的调速方法有三种类型：变级调速类型、有级调速类型、变频调速类型。通过更改电子绕组的连接法，更改变电机子的极数实现变级调速。在绕线转子中串接入多级电阻器，就能实现交流电动机的有级调速。变频调速的目的主要是为转速能够连续调节，通过更改交流电的频率波动就能实现。
（3）交流电动机变频调速的特质。交流电动机的变频调速可以通过可控硅变频设备内部进行两次电流性质的更改来实现。可以先把交流电经晶闸管的整流电路转换为可调控的直流电，可调控的直流电在经逆变器设备转换成可调控频率的交流电[2]。
3.2 直流电力驱动
（1）直流电驱动的工作原理。电驱动钻井机运用通电导体在磁场中受电磁力的作用实现直流供电。用于石油开采的供电磁场是供比较大型的直流电动机使用的电磁场，能够为定子绕组进行直流电供电，使导体生成较为稳定的磁场，实现通电导体在电磁场中受电磁力的作用而进行连续供电。
（2）直流电动机的调速控制。直流电动机的调速一般采用以下三种方法：
①在励磁场中的电路系统串入电阻来降低他励及并励直流电动机的主磁调速。串励直流的电动机是要在励磁线圈的旁边并入电阻器。并入可调的电阻器可以产生无极调速的性能；并入有级电阻器可以产生有调级速的性能。
②实现较小型的直流电动机调速可在电路的中枢系统中串入电阻器。
③通过可调控的直流电源来改变电路中枢系统的输入电压，可调控直流电源的获取方法有两种，一是通过触发晶闸管的导通角把交流电转换成可调控的直流电；二是用直流发电机进行发电。但前者在石油钻机的应用更广泛。
（3）直流电整流后的影响。在直流系统进行直流电的整流后，系统的功率因素会变低，开采场地有无专门的设备做功率的补偿工作，容易使规格一样的直流系统钻机发电机组设备相对变频钻机设备的电源装机容量增大。针对这样的情况国内也有相关的单位对其进行技术的补救研发，现场无功补偿装置的研制主要是加入持续调控和迅速反应的无功率补偿技能。新设置的提出不仅对供电质量进行改良，还进一步提高供电系统的功率因数。但该技术因操作人员的认识缺乏，还无法进行普及应用[3]。
3.3 常用钻机电力驱动和传动
国内最为常用的直流电驱动钻机型号是AC—SCR—DC。柴油机带动的电源经电网进行动力并车后实现集中供电。集中的电源还要经可控硅整流设备完成交流变直流的转换后，才能进入驱动直流电动机实现直流电力驱动工作。AC—SCR—DC电动机的动力传送方法有独立驱动和分组驱动两种类型。
C—SCR—DC电驱动钻机的工作特点。将传动系统简单化，总传动效率被提高；采用电子进行调速，确保柴油机能稳定运转，使用寿命延长，耗油量降低；具有较强可塑性，启动能力增强，调速程度较广，能够进行无极调速；但机械的成本较高，使用寿命短，维修不便。
4 存在的安全隐患
（1）石油开采场地大多是比较潮湿的环境，现场施工的设备移动频繁，临时的不用的设备也很多，这样就为石油的施工作业带来一定的用电安全隐患。开采现场的机械设备都是临时铺设，为方便连接和撤离时的拆装，且钻井机的台面和泵区、控制区等会有很多的泥浆沉积，从而造成施工地面极易积水，施工的设备又多是金属，因此用电安全的问题变得很严峻。所以要经常检查设备的安全性，避免出现漏电的情况发生。
（2）石油开采的地段天然气体也较为集中，在开采的过程中，由于技术缺陷，可燃易爆的气体经常会泄露，如果防爆区内没有对所有用电设备进行保护设置，极有可能会引发严重的安全危害。雨天的防雷设施也很重要，因此还要加装防雷设备，进行全面安全防范。
5 结语
面临能源危机问题，各国都在利用创新科技对石油开采工艺进行技术的改良，以便能够在有限的资源基础上获得更多的经济效益。石油钻井工艺是一个复杂的系统工程，施工过程中存在很多的可变量，繁多的计算数据导致数学建模加难，仅仅依靠经验来处理问题是不够的。为此，要充分把科技引入石油的开采作业中，进一步实现电气系统带来的自动化管理，用科学合理的运算方式带动机械进行施工作业，模拟化和智能化是石油钻机电气系统未来的发展方向。
参考文献[1] 胡涛，朱桥飞，李晓亮.全电动石油钻机作业安
全用电分析[J].石化电气，2012，31（19）：24-29[2] 崔绍鲲.石油钻机电气系统研究[J].中国石
油和化工标准与质量，2012，8（4）：74
作者简介
黄松（1984-）男，汉，四川南充人，助理工程师，主要从事石油电气工作。