淺析電機優(yōu)化對鉆井工程的重要性

夏明星 蔡山順 任佳樂

中國石油川慶鉆探工程有限公司，中國·四川 成都 610000

1 引言

隨著鉆井工藝的不斷發(fā)展，井下工具的日新月異，鉆井設(shè)備的升級換代，電動鉆機在現(xiàn)場的使用日益增多。如何使鉆井設(shè)備更好地滿足井下工具的要求，適應(yīng)鉆井工藝的不斷發(fā)展，從而更合理地使用鉆井設(shè)備，減少鉆井設(shè)備維修率，提高設(shè)備的使用壽命，使三者之間形成一個相對的良性循環(huán)，到達(dá)鉆井提述增效的目的，成為一個擺在現(xiàn)實面前的問題。然而電機作為鉆井設(shè)備的重要組成部分，如何做好電機識別，建立精確的電機模型，加強電機的優(yōu)化，使電機做到安全、可靠、連續(xù)平穩(wěn)的運行，成為技術(shù)人員的工作重點。

2 全電動鉆機主要電機配置

以寶石廠所生產(chǎn)的50DBS全電動鉆機為例，需要識別優(yōu)化的三相變頻調(diào)速異步電動機主要集中在絞車、泥漿泵和轉(zhuǎn)盤，其中絞車和轉(zhuǎn)盤一共為3臺600kW電機，泥漿泵為3臺1200kW電機。

3 電機優(yōu)化的重要性

在設(shè)備吊裝安裝到位之后，通常要對電機做單機起動調(diào)試，檢驗設(shè)備安裝質(zhì)量，保證設(shè)備連續(xù)工作的安全可靠性。在其調(diào)試過程中有一個環(huán)節(jié)是非常重要的，那就是“優(yōu)化”。“優(yōu)化”就是自學(xué)習(xí)、自辨識、自識別的過程，根據(jù)已知基本數(shù)據(jù)測試出更詳細(xì)更準(zhǔn)確的所需數(shù)據(jù)。簡單點說就是用最合理的電壓、電流、頻率搭配來滿足負(fù)荷所需要的轉(zhuǎn)速，所謂合理就是能耗最低、性能最佳。電流調(diào)節(jié)器的優(yōu)化，速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化，位置調(diào)節(jié)器的優(yōu)化，電機模型等效電路識別、靜態(tài)識別、飽和特性識別、磁化特性識別等都是“優(yōu)化”[1]。

為什么在這里特別強調(diào)做優(yōu)化的重要性呢？因為這將直接影響我們調(diào)試的結(jié)果，如系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)、速度的控制精度以及轉(zhuǎn)矩的控制精度等。其中最明顯的表現(xiàn)就是電機振動、運行不平穩(wěn)、聲音不均勻、有明顯的電磁噪音等現(xiàn)象。

4 電機優(yōu)化步驟

變頻器通過往電機的繞組中按照銘牌參數(shù)注入一定的頻率、電流、電壓等信號，然后在線檢測電機當(dāng)時所反映出來的一些電氣信息，從而計算得出電機的模型參數(shù)，以達(dá)到對電機進行識別和辨識的目的。

電機的識別、測試和優(yōu)化主要由三個部分組成：

①電機的靜態(tài)識別和優(yōu)化。此過程中，電機不運轉(zhuǎn)，只通過輸入電機的銘牌參數(shù)，變頻器進行電機等效電路數(shù)學(xué)模型的建立，重點如圖1、圖2所示。

圖1 電機完整檢測并傳送

圖2 飽和特性曲線帶傳送

②電機的動態(tài)識別和優(yōu)化。此步驟中，變頻器和電機需啟動，電機通過電流、變頻器對電機等效電路中的各個參數(shù)進行準(zhǔn)確的計算和確定記憶。如果是矢量控制，還要做電機磁化曲線的辨識，繪制磁化曲線的相關(guān)參數(shù)。重點如圖3、圖4所示。

圖3 無編碼器旋轉(zhuǎn)檢測

圖4 控制優(yōu)化無編碼器

③調(diào)節(jié)器優(yōu)化，啟動變頻器，電機旋轉(zhuǎn)，確定和計算電機的轉(zhuǎn)動慣量、調(diào)節(jié)器增益、積分時間。

上述三個步驟，第一步不做，變頻器將根本不能工作；第二不做，電機運行不會正常，而且會報故障；第三步不做，電機可以工作，但轉(zhuǎn)速和電流在運行時將會出現(xiàn)波動等不穩(wěn)定的情況[2]。

總之，對電機進行識別、優(yōu)化，可以更精準(zhǔn)地實現(xiàn)變頻器對受控電機的控制，滿足實際生產(chǎn)使用需要。

5 電機優(yōu)化在現(xiàn)場的應(yīng)用情況

以長寧H3-5井為例，在完成對泥漿泵進行升級改造后，啟動泥漿泵時，出現(xiàn)皮帶抖動明顯，電機運行聲音不均勻等現(xiàn)象。經(jīng)過多次的檢查發(fā)現(xiàn)，問題在于未對泥漿泵電機進行相關(guān)的優(yōu)化。查出問題，對癥下藥，及時對泥漿泵電機進行相關(guān)的辨識和優(yōu)化，使其在長寧H3-5井以完鉆周期33.7天等18項紀(jì)錄中發(fā)揮了重要作用。

其中斯倫貝謝公司旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具PowerDrive Archer對排量、泵壓和泥漿性能要求非常嚴(yán)格，對泥漿泵排量調(diào)節(jié)精度要求較高，以便于更好對井下工具發(fā)出相關(guān)的參數(shù)指令，所以分別對3臺泥漿泵電機都進行了相應(yīng)的靜態(tài)、動態(tài)和優(yōu)化辨識，進一步優(yōu)化了泥漿泵電機性能，提高泥漿泵運行效率，以便更好地滿足井下工具的要求[3]。

6 后續(xù)

電機優(yōu)化前的注意事項：

①電機到負(fù)載之間的機械連接部分是否正常，有無存在卡死或者堵塞等情況，有效措施確保機械系統(tǒng)無危險；

②安裝方式是否規(guī)范合理，接線是否正確牢固；

③電機銘牌參數(shù)，開關(guān)頻率等變頻參數(shù)設(shè)置是否恰當(dāng)；

④電機是否處于冷態(tài)。

7 結(jié)語

在進行電機優(yōu)化前，為了得到更好的優(yōu)化結(jié)果，建立更加精確的電機模型，在條件允許的情況下，盡可能地排除其他干擾，使電機優(yōu)化能達(dá)到預(yù)期效果，能更好地服務(wù)于鉆井工程。