1、2023年第6期新 疆 有 色 金 属变频直驱技术在钻井装备领域的应用现状及技术发展李宝春（中海油田服务股份有限公司一体化和新能源事业部，天津 300459）摘要：随着经济社会发展脚步的日益加快，使其对能源资源的需求量也越来越大，而这也在一定程度上助推了非常规能源的开发和利用。并且其作为现代工业的血液，是国家发展过程中必不能少的战略资源，因此应借助相关技术的科学应用，来对钻井装备领域进行进一步的研究和探讨，以在此基础上更好地提高能源开发的稳定性和安全性，进而借助工作效率和质量的提高，使其更好地助力于经济社会的发展，与此同时也在一定程度上解决我国能源短缺的现状，进而增强我国的综合国力。基于此，本
2、文以变频直驱技术在钻井装备领域的现状为切入点，来进一步分析变频直驱技术的特点，并在此基础上进一步探讨直驱技术的未来发展，希望能为我国在该领域提供一些有建设性的意见。关键词：变频直驱技术；钻井装备；应用0 前言在当前的时代背景下，随着国家越来越关注非常规能源的开发，使得变频直驱技术有了更进一步的发展，而与此同时也对钻井的专业技能和成本投入等方面提出了更为严格的要求，从而希望在提高钻井作业效率的同时，还能实现成本的有效控制，进而通过提高变频直驱设备的安全性和可靠性，使其更好地助力于钻井装备领域的繁荣发展1-2。并且人口基数过大以及快速发展的经济工业化，使我国对能源资源的消耗量非常大，因此，即便我国
3、拥有着广阔的国土疆域，一些非常规能源也依然呈现日渐短缺的现状。而且与西方的发达国家相比，不管是能源资源的开采技术，还是成本的投入，都有着较大的差距，再加上我国不同地区又有着明显的差异性，使得我国能源资源的开采难度一直居高不下，所以就需要借助变频直驱技术的优化，来确保企业和国家的整体利益，以在此基础上实现最大程度地自给自足3-4。1 变频直驱技术在钻井装备领域现状1.1 直驱顶驱技术现状20世纪80年代出现了顶驱装置，而该装置经历了几十年的不断创新优化，如今可广泛应用在海洋、陆地等多种钻井装备上。而对于直驱顶驱的改进开发主要体现在整体结构简化、传动效率高、安全性能强、维修简便、适用范围广等领域上
4、。而这主要是因为直驱顶驱主要是借助电动机直接驱动顶区主轴的转进，来得以实现。1.2 直驱绞车技术现状交流变频绞车问世于1990年，是当时国外兴起的一种先进的电驱动绞车。而在1990年代末，我国也掀起了该装置的热潮，并在立足于石油钻采装备的基础上，进一步优化了交流变频绞车。特别是交流变频绞车，能够以非常低的速度来进行恒转矩的输出，进而在此基础上实现自动送钻，而这不仅是钻井技术的一大突破，更提高了相关工作的安全系数，所以在当时交流变频绞车非常受钻井装备领域的喜爱。而随着技术的不断发展，为了更好地优化绞车结构，提高实际的传动效率，直驱绞车也开始被应用在各大领域。1.3 直驱泥浆泵技术现状电动机+皮带
5、或者电动机+链条传动，已经是钻机电动泵组的主要形式，而在实际的应用过程中，其也暴露了诸多问题。具体来说，这样的组合方式会使得泵组出现质量大的问题，而链条过长也会影响最终的传动效率，再加上维护的成本也比较高，设备管理也非常困难，所以在实际的应用中，需要相关人员克服诸多的问题与瓶颈。2 变频直驱技术特点2.1 优化钻井工艺2.1.1 提升起下钻效率当前直驱绞车能够根据钩速动态的调节来实现时间的加速和减速，不仅如此，其还能实现智能调整。因此应用变频直驱技术，不仅能够提高绞车控制的安全性和稳定性，还能进一步提升起下钻效率，而将其应用到钻井装备领域上，能够更好地简化工DOI:10.16206/ki.65
6、-1136/tg.2023.06.0451042023年第6期新 疆 有 色 金 属作流程，优化工作环节，以在此基础上提升整体的工作效率。2.1.2 提高钻井安全性从直驱绞车自身来看，其是液压站与盘刹系统和控制系统的结合体，进而通过绞车的一体化设计，来提高系统整体的安全性和科学性，与此同时借助液路管线长度和刹车气路的有效缩短，能够进一步缩短刹车的响应时间，而这对于系统安全性的提升也是十分有利的。除此之外，相关人员又在此基础上进行了现场的实际检测，而结果表明，与常规绞车相比，直驱绞车不管是在紧急制动的时间上，还是在驻车制动的时间上，都要比较短，特别是电控制动的时间要缩短近1s，具体情况如下表所示
7、。表1直驱绞车与常规绞车刹车响应时间绞车型式常规绞车直驱绞车驻车制动时间/s1.2031.102紧急制动时间/s1.111.00防碰制动（阀岛制动）时间/s2.0981.1082.1.3 提高复杂井作业能力在应用直驱绞车时，由于其可以实现自动送钻，再加上送钻的速度也是非常快的，所以将其应用到比较好的地质层之中，能很好地完成相关的钻探作业，进而在此基础上提高作业井深的质量水平。而在模式上通常会选取以下两种，一个是恒钻速，另一个则为恒钻压，而送钻模式也分为两种，分别为恒转矩和增加恒泵压的模式，从而在“一主三从”控制技术的强大辅助之下来实现复合送钻。而直驱泵因为没有皮带的传动，所以在进行相应的钻探环
8、节时，对泵冲所产生的波动是比较小的，再加上不管是钻压还是排量都具有很好的稳定性，所以其非常适合水平定向钻进以及螺杆钻进的钻探作业中。总而言之，直驱顶驱因为没有传动环节和齿轮减速箱，所以在应用其的过程中，可以更加快速地进行速度给定和顶驱转矩的实际检测。2.2 提升钻井装备技术水平2.2.1 提高产品轻量化技术水平与传统的绞车相比，直驱绞车取消了很多的系统，比如机油润滑系统以及自动送钻系统等，不仅如此，其还对绞车护罩，电动机以及底座都进行了轻量化的设计，再加上其又取消了皮带传动以及链条传动系统。由此可知，其的泵组长度尺寸得到了进一步的缩短，而质量也被极大减轻。2.2.2 提高设备集成化水平对于直驱
9、绞车来说，不管是控制系统还是盘刹系统以及相关的功能部件，都集中在绞车上，这就使得其的模块化程度一直居高不下。不仅如此，为了最大程度地避免偏重现象的发生，现阶段将主轴的中心位置设为直驱顶驱的重心，而这种做法不仅延长了接头的使用寿命，还在最大程度上地降低了偏心所造成的应力集中的影响，除此之外，目前的直驱绞车还拥有了新型的控制系统，所以在实际的使用中可以进一步提高钻井作业的工作效率。2.3 节约钻井成本首先，可以极大程度地降低作业成本。与传统绞车相比，直驱绞车的传动效率得到了明显的提升，不仅如此，直驱顶驱的传动效率也得到了一定的程度的提高，所以从各个方面的传动效率来看，非常有利于实现成本的控制。除此
10、之外对于直驱绞车来说，其可以在智能速度环算法的强大控制之下，来进一步缩短提升下放的时间，以在此基础上降低相应的作业成本。其次，搬迁成本的有效控制。不管是直驱泥浆泵单体设备还是直驱绞车，都具有模块化程度高，设备质量轻的特点，所以在进行搬家时，其以进一步优化拆装的工作步骤，进而减少吊车占用以及设备运输车次的时间，以实现搬迁成本的有效节约。再者，是维护成本的有效降低。在上述内容中，我们曾提到过直驱绞车取消了链条润滑和齿轮，而这就会在一定程度上减少了相应的维护费用。最后，是资金占用的减少。与常规的钻机所需要储备的电动机种类相比，直驱设备的标准化程度要更高，而直驱钻机所需要的电动机种类也只有8种，所以这
11、非常有利于减少资金的占用。2.4 方便设备管理方便设备管理主要体现在以下三个方面上。第一，设备管理水平的有效提升。现阶段，在该领域可以借助相应的信息化管理系统来完成数据信息的采集、分析等工作，从而通过对故障的及时诊断和科学分析，来最大程度地降低故障的发生率，进而通过实时的动态监控，来确保实际的设备管理水平。第二，提高工作效率，降低维护工作量。不管是直驱绞车还是直驱顶驱的传动链，以及直驱泵无皮带传动，都具有维护工作简单、保养点少的特点，所以这也会在一定程度上降低维护的工作量，进而在此基础上优化设备的相关管理。第三，备件管理非常简单，并且1052023年第6期新 疆 有 色 金 属易损的部件数量非
12、常少。与常规设备相比，直驱设备的易损件的数量要少很多，以百分比来推算的话，要达到30%以上，并且当产品实现标准化后，易损件之间也实现了共享，所以备件管理的工作也变得十分简单。3 直驱技术的未来发展建议第一，因为直驱顶驱的电动机的噪声是比较大的，所以相关人员可以借助对直驱电动机冷却风道的进一步优化调整，来实现吸风口和出风口的结构升级，以在此基础上实现对直驱电动机噪声的有效降低。第二，因为直驱设备的结构并不复杂，再加上其在形成的过程中还具有标准化和系列化的特点，所以相关人员可在立足于标准化的基础上，来进行批量化的生产，从而借此来实现直驱装备制造成本的有效控制。第三，因为直驱钻井装备，拥有着众多的应
13、用优势和特点，所以将其应用在海洋平台的钻机上是非常合适的。并且从宏观的角度上来看，国外直驱钻井装备这一领域的发展速度已放缓，甚至已出现了停滞不前的状况，所以对于我国来说，应抓住这一有利时机，来开阔海洋和国际市场，进而通过直驱钻井装备的优化创新，来提高我国在此领域的竞争力，从而使我国能更好地走向国际舞台。总而言之，对于非常规能源来说，变频直驱技术的应用范围是非常广泛的，而通过对其的科学应用，既可以确保实际的施工效果，还能对各个施工环节实现有效控制，而借助对该技术的优化创新，还可以更好地提高油田的开采效率，实现其经济利益的最大化。4 结语综上所述，从变频直驱技术本身来看，其不仅拥有着先进的设计理念
14、，各项设备的功能也是非常完善的，再加上变频直驱技术具有较高的稳定性和安全性，所以该技术的应用前景是非常广阔的。而作为新型的钻井装备技术，其不仅优化了设备结构，还极大地提高了钻井的实际效率，进而通过成本的有效降低以及各个环节的升级优化，来积极践行我国绿色环保的生态理念以及提升相应的技术水平。不仅如此，借助对直驱钻井装备的深入研究，也使其成为了该领域更新换代的一个标志，进而在实际的应用和推广之下，为钻井设备的信息化、现代化指明了方向，与此同时也奠定了基础。参考文献：1李荫棠.顶部驱动钻井装置在陆地石油钻机上的应用J.石油机械，1998，26（10）:51-53.2侯强，董阳阳.TD500/1000型顶驱在海洋钻井中的应用J.石油矿场机械，2010，39（3）:71-73.3宋路江，菜正敏，张贵德，等.顶驱内防喷器在井控中的应用及维护J.石油矿场机械，2010，39（3）:89-91.4陈如恒.破除旧观念创造新钻机（三）J.石油矿场机械，2008，37（5）:1-9.5张东海，陈俊，蒋谊，等.直驱式顶驱的研制和应用J.石油矿场机械，2012，41（1）:72-75.收稿：2022-11-01106
