中石化中原石油工程有限公司塔里木分公司 新疆巴州库尔勒市 841000
摘要：随着科学技术的发展，我国的直流电动钻机有了很大进展。以其先进的技术水平与安全稳定的工作特性，逐渐开始替代国内原先使用的机械式钻机系统，成为钻井成产的主要力量。但直流电动钻机与交流变频钻机采用不同的驱动模式，其使用效果与作用也有明显差异，现行市场中选用的基础是先要对两种钻机做出比对分析，根据实际需求选定。
关键词：电动钻机；直流驱动；交流变频；适用性评价
引言
电动钻机具有传动柔和、调速性能好、操作方便灵活、模块体积小、安装移运方便、可靠性高、噪音小、污染小、节能等特点，在石油钻井领域应用广泛。电动钻机分为直流驱动和交流变频驱动电动钻机两种，交流变频电动钻机是近几年才发展起来的，除具有直流电动钻机的所有优点外，还具有技术先进、使用经济等特点。因此，交流变频钻机得到了国内外各油田企业的广泛认可和欢迎。根据有关资料，美国新制造的电动钻机中80%以上是交流变频电动钻机。从近年来的发展趋势看，交流变频钻机将逐步取代直流电动钻机。但由于交流变频电动钻机一次性投资要高于直流电动钻机，因此在制定计划时难以确定是选用直流电动钻机还是交流变频电动钻机，笔者从技术、经济两方面对直流与交流变频电动钻机进行了对比分析，为优选钻机提供一定的依据。
1直流电机与交流变频电机的主要区别
直流钻机与交流变频电动钻机的不同主要体现在电动传感控制系统、绞车系统、参数仪表及自动送钻装置等方面，而井架、底座、游系及高低压管汇等辅助配置则基本相同。直流钻机通过AC方式将并网发电机组所发出的电力输送至SCR可控硅进行整流，之后通过DC完成直流电机驱动，SCR可控硅系统控制电机的形式有“一对一”和“一对二”两种，驱动钻井泵、绞车和转盘的电机是GE752和YZ08。绞车在直流电机转速影响下，以三轴四挡模式配合钻井工艺所要求的起升速度，绞车主辅刹车分别采用液压盘式以及电磁涡流式刹车类型，并结合完全独立的钻井仪表系统，利用盘式刹车控制力矩的方式自动送钻。交流变频电机主要利用VFD电动传感控制系统将发电机组提供的电力实时转化为SPMW动态的调制解调变频电流，并运用矢量控制和扭矩调节技术进行无碳刷交流变频电动钻机系统的驱动。在较宽的交流变频电机调速维度下，通过单轴绞车进行任意范围内无极调速带动齿轮转动箱，主辅刹车分别为液压盘式和能耗制动式刹车模式，取代了电磁涡流式模式，大大简化并优化了电动钻机绞车结构，体积变小，质量提升，省去了单独配备钻井参数仪表系统的工作，主辅电机自动送钻过程中完全利用矢量控制调速，电控与钻井参数仪表完全一体化设计。交流变频电机的无碳刷电机，构造坚固实用、体积较小，运行维护简便，能耗更低；交流异步电动钻机由于无换向器和碳刷，杜绝了电火花隐患，适用于爆炸性气体环境的油气田；交流电动机发展前景广阔，高转速、大容量、高压宽频交流电机利用VFD变频系统能够实现0~2800r/min范围内的随意调节以及单轴绞车模式下任意范围内的无极调速，结构大大简化，质量提高。
2变频钻机和直流钻机价格对比
直流电动钻机与交流变频电动钻机最直接的区别在于，直流钻机使用直流电机驱动，发电机组通过整流单元输出直流电供给电动机驱动。而交流变频钻机使用交流电机，发电机组经过整流后再经过逆变输出交流电供给交流电动机驱动钻进。交流变频钻机和直流钻机除绞车、电控系统、自动送钻及钻井仪表不同外，其它配置基本一致。
直流钻机中绞车单价要低于交流钻机，在单独在配置辅助刹车系统，价格根据选型设备型号要高于交流变频钻机约10-60万元；整套钻机配置下来交流电动机比直流电动机价格多出约50万元；电控系统由于交流变频钻机采用技术水平要明显高于直流钻机，选用元器件及编程系统成本较高，相对直流钻机高出300-500万元。自动送钻系统，由于交流电动钻机的矢量控制集成功能，总体价格低于交流电动钻机约20-30万元。变频钻机司钻控制房（含一体化仪表）价格与直流钻机司控房+钻井仪表相当。仅从一次性投入成本上分析，交流变频电动钻机明显高于直流电动钻机。
3电动钻机泥浆泵的介绍
在电动钻机中泥浆泵通常选用与绞车同规格型号的电动机驱动，容量足够大，由于调整范围大，在低排量时功率显著减少，泥浆泵通常使用卧式三缸往复活塞泵，该泵具有恒转矩特性，可以通过更换缸套来调整泵的压力和排量，也可以通过调整转速改变泵的排量，在钻进过程中，泥浆泵的排量和压力要根据钻进的井深和井下情况进行调整，例如：在表层钻进时，要求泥浆泵有较大的排量，此时泵的转速较高，即泵的冲数也较高，而深层钻进时需要高的泵压和较小的排量，这些条件都对泥浆泵的驱动电机提出较高的调速要求。
4采购成本方面
（1）绞车。根据市场调查资料，ZJ70DB型交流变频电动钻机比ZJ70D型直流钻机绞车价格平均高出135~165万元。（2）电动传感控制系统。目前国产的SCR电动传感控制系统配合转盘独立式驱动和两台F1600钻井泵的市价为600~650万元，但功能配置完全相同的VFD交流变频电动传感控制系统的采购成本在1000~1050万元之间，比SCR电动传感控制系统要高。（3）仪表系统。搭配马丁、戴克、Petron仪表系统的ZJ70D型直流钻机仪表市价为26万美元，而ZJ70DB型交流变频钻机仪表系统能够通过传感器方式直接采集泵压信号，并将其余电控钻井参数的转换过程直接显示在电控操作面，节约传感器数量的同时可靠性大大提升，采购与维护费用大大降低。（4）自动送钻系统。国内普遍应用的ZJ70D型直流钻机主要运用加拿大施德福和美国Petron生产的控制盘刹自动送钻，市价约20万美元。ZJ70DB型交流变频电动钻机则主要通过主辅电机自动送钻，能有效实现低频控制，无需增加硬件投入，市价约45万元，此外当主电机或VFD发生故障，ZJ70DB型交流变频电机能自动充当应急装置使用。
5电动钻机泥浆泵的介绍
在电动钻机中泥浆泵通常选用与绞车同规格型号的电动机驱动，容量足够大，由于调整范围大，在低排量时功率显著减少，泥浆泵通常使用卧式三缸往复活塞泵，该泵具有恒转矩特性，可以通过更换缸套来调整泵的压头和排量，也可以通过调整转速改变泵的排量，在钻进过程中，泥浆泵的排量和压力要根据钻进的井深和井下情况进行调整，例如：在表层钻进时，要求泥浆泵有较大的排量，此时泵的转速较高，即泵的冲数也较高，而深层钻进时需要高的泵压和较小的排量，这些条件都对泥浆泵的驱动电机提出较高的调速要求。
结语
综上所述，交流变频电动钻机比直流电动电机启动平稳、运行可靠、过载能力强、恒功率调速范围广阔、VFD可避免电刷火花隐患，交流变频技术必然代替直流SCR传动，且交流变频电动钻机采购成本与运行维护成本随着技术的不断深化，优势将更加明显。综上所述，建议首选交流变频电动钻机方案。
参考文献：
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