永磁電機在鉆機升級改造中的應用

韓 霞

（天津市正方科技發展有限公司，天津 300270）

隨著電機驅動及電氣控制系統在石油鉆機配套設備上的廣泛應用，電驅動配套設備已經成為鉆機配套設備首選。鉆機配套中主要動力設備有絞車、泥漿泵、頂驅和轉盤，都屬于大功率驅動設備，主要采用直流調速或交流變頻電機作為動力源。由于異步電機級數有限，在傳動中均需要通過鏈傳動或齒輪傳動進行減速，以達到設備所需的運行轉速及動力扭矩。近幾年，稀土永磁電機在各行各業廣泛應用，永磁電機驅動設備及控制系統不斷完善成熟，也被陸續應用在石油鉆機配套設備驅動中，陸續開發了永磁電機直驅絞車、永磁電機直驅泥漿泵、永磁電機直驅頂部驅動、永磁電機直驅轉盤等配套產品。永磁電機驅動控制特點是控制速度范圍區間大，特別是低轉速大扭矩的精準控制，可能成為鉆機配套設備的優選驅動電機，得到廣泛應用。

本文通過永磁電機驅動設備在一套ZJ40D鉆機上的配套實例，介紹永磁電機配套設備及控制系統在石油鉆機中的應用。

1 永磁電機驅動設備在石油鉆機中的應用優勢

（1）高效、節能。永磁電機作為石油鉆機配套設備動力源時，會改變原有電機勵磁方式，無需通過電流產生勵磁磁場，可以有效降低繞組損耗。和傳統的直流交流電機相比，永磁電機的能效可提升至少5%，可在額定負載范圍內高效運行，大大提升鉆機配套設備的運行效率。

（2）可實現低轉速大扭矩輸出。傳統異步電機為4～8極，永磁電機可達40～100極，可以實現低轉速恒扭矩輸出。在配套設備設計中減少了機械傳動減速環節，可有效減少傳動部件數量，實現電機直接驅動，降低設備維護費用。這也是永磁電機驅動設備在石油鉆機應用的最大優勢。同時，永磁電機轉子相鄰兩個磁極的磁力線是完全閉合的，對外不顯磁性，因此對于井下定向工具儀器的地面磁干擾遠優于傳統異步電機。

（3）電機體積小，配置靈活性高。永磁電機采用的材料具有高磁感應能力，能夠提供穩定的磁負荷，為電機設計帶來很大便利，相同額定功率的永磁電機比異步電機設計尺寸小很多。鉆機配套設備隨著動力電機尺寸的減小，使得配置更加靈活，也為鉆機升級改造提供了富裕的設備安裝空間，工作位置適應性更強，安裝維修更便捷。

2 永磁電機驅動設備在鉆機升級改造中的應用

（1）改造前鉆機參數。原鉆機型號ZJ40D，鉆井深度4000m（114鉆桿），最大鉤載2250kN，絞車功率735kW，泥漿泵956kW×2臺。

（2）升級改造。配套永磁電機直驅絞車2×400kW，配套永磁電機直驅泥漿泵2×500kW，配置永磁電機直驅頂驅400kW、司鉆房及電機控制。

鉆機改造前后配套設備參數見表1。

表1 鉆機改造前后配套設備參數

永磁電機直驅絞車代替傳統絞車及其傳動系統，永磁電機直驅絞車（圖1）在設計中減少了鏈傳動減速或齒輪傳動減速環節，結構上更簡單，安裝尺寸小，可在鉆機后臺任意位置安裝?？蓪崿F鉆機絞車無齒輪（無鏈條）傳動和無摩擦剎車（設計的剎車盤為輔助安全剎車，主要依靠電機控制制動），降低鉆機能耗，簡化操作，實現鉆機升級換代。

圖1 永磁電機直驅絞車示意圖

原鉆機絞車為異步電機通過減速機構減速將動力傳給絞車滾筒軸，或通過鏈條箱將動力分別傳給絞車和轉盤，運行時采用盤剎控制滾筒轉速，結構比較復雜。異步電機在低負載率下的功率因數較低，大部分時間實際需要的運行功率只有設計的5%左右。異步電機驅動絞車提鉆、下鉆和送鉆時，由兩套電機和離合變速系統完成，提鉆、下鉆電機功率是送鉆電機功率的20～30倍。ZJ40D鉆機絞車功率為800kW左右，但送鉆功率只需要30kW，下鉆速度由盤剎或帶剎輪轂控制，造成嚴重的能耗損失。

ZJ40D鉆機配套絞車最大拉力為2250kN，改造升級后由兩臺400kW永磁電機直接驅動，提鉆、下鉆和送鉆用一套控制系統和傳動系統，可實現絞車高精度送鉆和自動送鉆、恒壓自動鉆，控制精度可達到0.1mm/s，最小送鉆速度0.06mm/s，正轉、反轉控制自如。簡化了結構設計，方便了操作，延長了部分設備的使用壽命（如泥漿定期正反轉，可以使動力端運行更好，齒輪副壽命更長），鉆機的運行成本更低。

通過永磁電機控制系統可精準控制絞車運轉，伺服驅動器可以通過控制電機轉子位移和正負力矩閉環平衡達到制動或鎖定的效果。該功能可以智能化地控制絞車運行和懸停，在電子司鉆控制或人工控制鉆進、起下鉆作業中最大限度避免了溜鉆、頓鉆、剎不住車和頂天車等惡性事故的發生。不額外增加其他裝置就可實現電子司鉆的主電機送鉆懸停功能，而且在正常生產時不依賴盤式剎車或電磁渦輪剎車。

永磁電機轉速輸出區間大、恒扭矩、恒功率的性能，使得電機直驅絞車成為可能，電機直驅絞車減少了原絞車設計結構的減速箱部分，大大降小設備自重。電機直接驅動絞車沒有減速箱和離合器，也就不需要壓縮空氣，適合在高原鉆進，相關技術可用在高原鉆機上。絞車沒有減速箱也就不需要潤滑油，也沒有潤滑油泄漏造成環保問題的風險。

鉆機配套中泥漿泵功率配比占總裝機容量70%以上，改造后采用永磁電機直驅泥漿泵將節省過程能耗。用直驅方式省去了中間機械減速及皮帶輪等傳動機構，可實現軟啟動，調節電機轉速來調節泥漿泵流量。AI電子軟泵不需要設置，鉆機配套的兩臺永磁電機直驅泥漿泵，控制上將啟動時間錯開，使兩臺泵液力端輸出壓力峰值和谷值重合，輸出泵壓更平穩，不需離合器和變速箱傳動，實現了無齒輪傳動；不需盤剎和帶剎，實現了無摩擦剎車。利用永磁電機的發電功能和控制系統的共直流母線技術控制鉆具的下放速度，將鉆具下放的勢能轉化為電能，并可將所發電能回饋電網。

改造后配套永磁直驅頂驅，與全液壓頂驅和直流交流電機頂驅相比，自重小、體積小，能耗低。頂驅結構簡單，操作方便，設備成本低，鉆機配套安裝空間小。

改造后永磁電機控制伺服驅動器預留有安裝雙向信息傳輸模塊的空間，也可以為遠程傳輸、記錄設備提供接口。使得遠程傳輸、遠程診斷和遠程控制成為現實。智能系統可以遠程回傳現場的基礎數據，對公司技術人員現場預判提供數據支撐。智能控制系統可通過遠程OTA（移動通信終端）對控制軟件升級或開通功能，還可以對設備狀態重新定義。

司鉆房改造后，司鉆房內集中控制鉆進參數，如永磁電機驅動裝備、泥漿泵循環系統和液壓泵站等設備工作參數。司鉆操作界面清晰明了，操作簡單易掌握。原鉆機需要3～4個手柄實現提下鉆、送鉆和駐車，分別控制提下鉆電機、送鉆電機、盤剎和離合轉換，且有先后順序。用2套控制系統完成，操作人員的培訓需時較長。永磁直驅鉆機只需1個手柄控制提、下鉆、懸停駐車、送鉆，用1套控制系統，如圖2所示。

圖2 司鉆房

3 改造后電驅動鉆機技術提升

永磁電機運行效率和功率因數幾乎不受電機驅動實際負載影響，但異步電機運行效率和功率因數與實際負載直接相關。以往鉆機配套裝備都是按照最大工作負荷來選擇電機功率，而實際工作中，平均運行負載一般低于30%，給鉆機帶來非常大的能耗損失，配套永磁電機直驅設備后將徹底解決這一問題。

永磁電機直驅絞車、永磁電機直驅泥漿泵和永磁電機直驅頂部驅動在改造后的ZJ40D鉆機配套負載運行，根據多口油井鉆進過程中電機負載工況的變化，積累了大量永磁電機直驅設備現場使用性能數據。結合不同工況電機負載運行應用數據分析，掌握了直驅設備配置永磁電機熱設計、磁材料選型、抗振動耐沖擊結構設計方法，克服傳統永磁電機在高溫及振動惡劣環境下易失磁的難題，掌握了永磁電機輸出轉速高精度控制方法，控制精度可達0.03r/min。

隨著永磁電機直驅設備在鉆機配套中的廣泛應用，結合不同工況，不同型號參數鉆機配套需求，開發了永磁電機直驅鉆井絞車、直驅頂部驅動、直驅泥漿泵、直驅轉盤等系列化產品，陸續將永磁電機驅動設備應用于ZJ30D～ZJ70D系列鉆機的升級改造中。

4 結束語

結合ZJ40D鉆機升級改造應用成功案例，近年永磁電機直驅裝備在鉆機配套設備中廣泛應用，永磁電機直驅設備配套改造后的石油鉆機同原鉆機相比鉆臺面操作空間增大，鉆井現場布置更優化，永磁電機直驅設備運行控制更便捷，更可靠，減少過程傳動總能耗。鉆機總體結構簡單、操作方便，運輸成本低，安裝施工時短，占地面積小。永磁電機直驅設備配套鉆機可應用于海洋鉆探船進行深海鉆探，尤其是可充分發揮永磁電機直驅設備自重小、設備占地小、能耗低的優勢。

永磁電機直驅絞車、永磁電機直驅泥漿泵近幾年廣泛應用于石油鉆機及其他工程鉆機，設計參數、可靠性、實用性得到應用驗證，為新技術、新裝備的推廣，提供了現場應用數據支撐。永磁電機驅動設備綠色環保、安全可靠、節能高效，實現了獨特設計理念。