電源補償修井機的研制與應用

趙長海，曹瀚軒，李如峰，李 霞，袁李峰

（1.冀東油田井下作業公司，遼寧盤錦 124010；2.中國石油遼河油田勘探開發研究院，遼寧盤錦 124010；3.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

在石油開采過程中，維持電網的穩定運行是開采工作順利進行的保障。因此，電源補償修井機在很多石油企業的開采作業中得到應用，隨著科技的進步，修井機的結構與功能也在不斷改進。

1 結構原理

1.1 結構組成及設計原則

修井機的主要組成部分是電源和補償系統，電源補償設備安裝在絞車上，車下設計的是自走底盤。圖1是某公司設計的電動修井機主要結構組成。修井機的設計原則：車身結構簡單，便于操作；整體機身重量小、燃油消耗量低，且造價低；安裝補償系統，防止修井機工作過程中突然停電；將操作室和修井機隔離開來，方便工作人員操作，同時設計遙控系統，技術員即使不在操作室也能控制修井機。

圖1 修井機結構

1.2 工作原理

阻磁電機能量來源是采油現場的電源，若出現斷電情況，車上的補償系統會為電機提供電能。與電機相連的聯軸器將動力傳遞給柱塞變量泵。動力傳遞同時液壓系統在液壓缸的作用下驅動絞車動作，與鋼絲繩連接的大鉤會在液壓系統的作用下實現上下運動，完成相應的作業過程[1]。普通柱塞泵與異步電機相連，作用是幫助液壓零部件實現動力傳動。電氣系統的作用是調節電機轉速，并輔助PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制器完成相應的控制動作。在修井機的設計中，著重考慮的參數包括鉤載、提速、井架高度、電壓及滾筒直徑等，其中鉤載又分為額定值和最大值。

1.3 結構件特征

修井機的底盤需要有較強的承載力，且能適應較差的野外環境，可以驅動車輪在井場快速移動。絞車利用的是液壓回路，系統通過液壓缸的開閉實現動力傳動，利用方向盤掌握轉速，實現高速度的靈活轉換，減少操作員工作量。電氣系統安裝有蓄電池，在維持壓力恒定的情況下，可作為應急電源使用。電源補償系統使用UPS（Uninterrupted Power Supply，不間斷電源）電池，可對井場電量起到良好的補償作用。阻磁電機由液壓泵控制啟動，電流較小且電路簡易，有較好的節能作用。

2 系統設計與注意事項

2.1 傳動系統設計

2.1.1 方案對比和選擇

傳統修井機大多使用機械驅動方式，通過液力變矩器、鏈條等力的傳遞，大鉤實現相應的運動。機械式傳動修井機組裝繁瑣，結構件體積大，整車重量大，移動過程的油耗量較大。復雜結構件在安裝精度上要求較高，企業在組裝時需要投入較高成本，且難以控制速度變化。有載情況下，修井機運行過程可能會出現劇烈的振動。電動修井機的出現使得傳統機械的弊端得到很大改善。新型修井機將機械傳動改變為液壓驅動，為石油開采過程帶來很大便利，新型修井機的優點：無級變速，只要各零部件正常，絞車速度隨時可變，車輛轉向順暢；電機可以帶載啟動，且修井機運行穩定性不受影響；新型修井及持續工作時間延長，減少機械休息時間，提升工作效率；石油開采過程符合經濟性原則，減少成本投入的同時保證生產過程的穩定性。通過兩類傳動方案的對比，電動修井機成為現代石油企業使用的主要采油設備，機械式修井機逐漸被淘汰。

2.1.2 絞車調速設計

帶動絞車運動的機械零部件是閉式液壓泵，該泵的優點：油液在泵中能夠自主循環，在沒有其他系統的參與下能獨立完成循環工作；泵口和元件直接連在一起，從其他系統返回的油液可以直接進入封閉式泵腔。吸油過程性能良好；閉式泵體積較小，結構間隙小，自身重量小，運行中油耗大大降低。為保證速度和方向調節的靈活性，設計過程中使用的是雙向變量泵，該泵的存在代替換向閥的作用，施工中能減少油液的損失。雙向泵需結合阻磁電機，才能保持正常運轉，再加上PLC調節，泵工作狀態實時反饋到控制終端，實現技術人員對絞車運動的實時監控。

2.1.3 選擇設備型號

泵和絞車的設計選型直接影響后期石油開采的順利程度，需要計算的參數包括扭矩、轉速和排量，計算的這些參數都是額定值。絞車、馬達和泵都需要計算這3個參數，計算完成后，選擇稍大于額定值的設備。

2.2 電氣系統設計

上位機、阻磁電機、PLC等都是電氣設計中需要著重考慮的系統，這幾類系統是電氣系統最重要的部分，缺少任何一個系統，修井機都無法正常運轉。PLC是整個系統的核心，為防止電氣系統爆炸，組裝過程中通常會安置相應的防爆裝置。

2.2.1 阻磁電機

電機是控制速度快慢的系統，該系統由電機、電路以及檢測裝置組成。修井機各項工作參數通過控制終端轉化成電機可識別和接收的電信號，電機接收到信號后會對信息做出反應，然后將整機速度控制在最佳范圍內。電機調速系統是雙閉環形式，且能調節轉速，三相繞組上的電壓、電流可通過對脈沖寬度的控制實現速度的調節。

閉環控制系統具有較強的穩定性，在速度調節過程中整機能穩定工作，機身不會出現劇烈振動。該系統的傳感器通過紅外線實現對轉子的精確定位，定位數據實時傳輸到控制終端，可精準控制電機的相關動作。

2.2.2 集成控制系統

集成控制系統控制的內容主要包括速度、啟停狀態等。集成系統可以對修井機整個工作過程實時監控，通過上位機將監控數據反饋給中央控制器，控制器對數據快速分析整理，并繪制表格和曲線圖。通過數據分析，技術人員就能對絞車運動、蓄電池組等系統有針對性的控制。

2.2.3 液壓系統設計

液壓缸、大鉗以及絞車啟停裝置是液壓系統的重要組成部分，液壓缸工作過程：操作人員按下相應按鈕，電路高速運轉將電信號傳遞給PLC系統，集成系統命令電磁閥動作，實現缸體的上升和下降。絞車工作過程也是由PLC系統控制，與液壓缸操作相似，操作員首先需要按下按鈕，PLC接收信號后發出指令。由于絞車中的泵是雙向的，集成系統發出的指令信號也必須是雙向電流，雙向電流能有效控制柱塞泵的輸出壓力，絞車能在正轉和反轉之間靈活切換，遇到緊急情況可以立即制動。

2.3 電源補償設計

2.3.1 原理介紹

電源補償在交整流系統和電源相互配合下完成，缺少任何一個系統，修井機工作時可能出現電量不足現象。電池組是儲存電能的主要設備，具有通交流隔直流的特點，當交整流系統將直流電充入電池組時，電池將電能儲存起來，直至電能飽和。當修井機電能較低或發生突然性停電，修井機中阻磁電機的電壓低于蓄電池，此時電池組在壓差作用下自動放電，達到為阻磁電機提供充足電能的目的。電池組儲能方式是浮充充電，當蓄電池電量過低，井場電源會自動分出一部分電能向蓄電池輸送。

2.3.2 種類選擇

電池組的選擇要以經濟性為原則。長期實踐證明鉛酸蓄電池性能優良，電池容量大于普通電池，且原材料價格低適合大批量生產。目前我國大多數石油企業使用的是鉛酸蓄電池。

2.3.3 確定電池個數

電池個數需要根據石油開采的實際情況確定。

3 調試和試驗

設計完成后，工作人員要嚴格按照設計要求采購符合標準的材料，并嚴格遵守材料入場制度。在工廠中完成修井機的組裝工作，并做好前期調試。各項檢測數據正常后，將修井機運進現場進行相關試驗。

（1）噪聲排放試驗。將噪聲檢測裝置連接到修井機后啟動修井機進行相應的采油施工，檢測裝置同時連接在計算機上。修井機產生的噪聲以振動波的形式呈現在計算機中，通過對不同波段的分析就能精確計算最高噪聲，并判斷噪聲是否在標準范圍內。若噪聲太大，需要返廠檢修。

（2）油耗試驗。保持修井機在正常工作狀態，從啟動時開始計時，1 h后切斷修井機電源。將該試驗重復多次，以6～8次為宜，然后對數據進行加權平均。同時對機械式修井機每小時油耗量進行測試。

4 應用前景

與傳統修井機相比，電動修井機工作過程的安全性、節能性能得到極大提升，徹底改善機械式修井機的缺陷。電動修井機的缺點在于電網停電時修井機就會停止工作，停電時間越長，對石油開采工作越不利。通過試驗對比可知，電動修井機油耗量是機械式修井機的2/3。隨著石油開采量的增加，電動修井機在石油企業逐漸普及，改善了傳統石油開采中的事故多發現象。電源補償修井機是科學技術進步的產物，能使燃油短缺問題得到緩解，相信在科技的支撐下，未來的石油修井機性能將更加優越。