頂驅(qū)鉆井反扭矩的分析及應對措施

黃朝偉(盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司， 遼寧 盤錦 124000)

頂驅(qū)鉆井反扭矩的分析及應對措施

黃朝偉(盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司， 遼寧 盤錦 124000)

在目前的鉆井工程中，頂驅(qū)設備已逐漸替代了轉(zhuǎn)盤驅(qū)動、水龍頭驅(qū)動打井方式。但是，由于井下地層復雜、多變，因此，鉆井鉆進的時候，有可能會對鉆桿產(chǎn)生反扭矩，進而作用到頂驅(qū)上，若是未對這些反扭矩進行有效的處理，則會給電控設施、頂驅(qū)設備本身造成嚴重的破壞，進而產(chǎn)生經(jīng)濟損失。本篇論文中，筆者主要對頂驅(qū)鉆井反扭矩進行了分析，并提出了幾點有效的應對措施，以供參考。

頂驅(qū)鉆井反扭矩；分析；應對措施

隨著市場經(jīng)濟的迅速發(fā)展，石油、天然氣等礦石資源在人們生產(chǎn)、生活中的應用范圍越來越廣，同時人們對各種礦石能源的需求量也在不斷增加，這就給能源開發(fā)提出了更高的要求。對石油、天然氣等礦石能源進行開發(fā)的過程中，不可避免地會利用鉆井技術，而頂驅(qū)設備在鉆井中有著十分重要的作用，為確保頂驅(qū)設備的正常運轉(zhuǎn)，必須加強對頂驅(qū)鉆井反扭矩問題的重視。

1 頂驅(qū)電機轉(zhuǎn)矩與控制方式

現(xiàn)階段來說，鉆井中所使用的頂驅(qū)電機，大部分采用的是三相異步電機，在通常情況下，三相異步電轉(zhuǎn)子主要通過感應來實現(xiàn)電磁場，因為三相異步電機的定子、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場是在不同的轉(zhuǎn)速、相同的方向這一條件下進行旋轉(zhuǎn)，因此，定子、轉(zhuǎn)子之間存在著一定的轉(zhuǎn)差率，同時這也是其被稱為三相異步電機的原因所在[1]。對于三相異步電機來說，其轉(zhuǎn)速也會隨著負載的不同而發(fā)生一定的變化，同時，該轉(zhuǎn)速也要比定子磁場的轉(zhuǎn)速略低。

頂驅(qū)控制系統(tǒng)，目前普遍采用的是矢量控制的方式，在PLC控制下，交流矢量變頻器利用變頻系統(tǒng)，便可以完成扭矩設定、頂驅(qū)調(diào)速、上卸扣等方面的具體操作。其整流部分通常情況下所采用的是可控硅、二極管組合整流或者是SCR可控硅整流，；變頻一般情況下通過控制IGBT通斷來實現(xiàn)。除此之外，逆變、整流間通常情況下還會設有帶制動電阻作用的斬波器，也就是制動單元，從而實現(xiàn)了頂驅(qū)電機的能耗制動。

2 頂驅(qū)鉆井反扭矩的分析

(1)鉆進遇阻時發(fā)生的反扭矩 鉆井過程中出現(xiàn)的遇阻指的是，與鉆進輸出扭矩相比，井下扭矩相對較大的情況下，就會出現(xiàn)設定鉆速大于頂驅(qū)輸出轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象。此時在反扭矩作用下，頂驅(qū)電機會出現(xiàn)一定的拖動回饋電壓，并會將其釋放至制動單元，從而產(chǎn)生反扭矩。

(2)鉆進停止時發(fā)生的反扭矩 鉆井過程中，頂驅(qū)平穩(wěn)鉆進的時候，井下反扭矩、頂驅(qū)輸出扭矩之間處于平衡狀態(tài)，但是，在頂驅(qū)減扭矩、減速輸出的時候，因為反扭矩值沒有發(fā)生改變，因此，在進行減速的過程中，出現(xiàn)了反扭矩比頂驅(qū)扭矩較大的現(xiàn)象，此時，電機繼續(xù)拖動運行，從而就會出現(xiàn)回饋電壓至直流母線的狀況，通過制動單元消耗。

(3)卡鉆時發(fā)生的反扭矩 鉆井過程中，卡鉆的時候，實際輸出轉(zhuǎn)速為0，但是設定頂驅(qū)轉(zhuǎn)速相對來說較大。編碼器處于滿負荷的狀態(tài)，頂驅(qū)輸出扭矩已經(jīng)達到了限定扭矩的最大值，這樣的情況下，若是立即將設定頂驅(qū)轉(zhuǎn)速調(diào)整為0，那么在井下反扭矩的作用之下，頂驅(qū)電機就會高速反轉(zhuǎn)，這是一種非常危險的現(xiàn)象，稍有不慎便會發(fā)生事故。究其原因在于，第一，過高的反扭矩，嚴重的情況下會導致井下鉆具接扣出現(xiàn)倒開的現(xiàn)象[2]；第二，高速反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，產(chǎn)生的回饋電壓也相對較高，從而極易發(fā)生瞬間高壓的現(xiàn)象，有可能將制動單元反向二極管擊穿，同時瞬間的熱能也無法得到及時的釋放，甚至會造成制動單元高溫保護，導致逆變系統(tǒng)停止運行，造成嚴重的后果。

3 頂驅(qū)鉆井反扭矩的應對措施

若是沒有對頂驅(qū)鉆井反扭矩進行及時、有效的處理，則意外釋放的反扭矩不僅會給頂驅(qū)設備本體造成極大的破壞，也會給電控設施產(chǎn)生嚴重的威脅，從而引發(fā)不必要的經(jīng)濟損失。為了避免這些損失的出現(xiàn)，應采取有效的對策，對反扭矩進行處理。通過上文可以看出，釋放反扭矩的因素非常多，同時，反扭矩還會造成十分嚴重的危害，基于這樣的原因，對頂驅(qū)設備進行實際操作的過程中，應對反扭矩的釋放給予充分重視、正確對待。反扭矩的正確釋放程序如下：第一，鉆井過程中，正常鉆進停鉆的情況下，只需要將頂驅(qū)轉(zhuǎn)速慢慢降低，切忌快速或者直接將頂驅(qū)轉(zhuǎn)速降為0[3]。第二，鉆井過程中，出現(xiàn)卡鉆情況時，應先將頂驅(qū)轉(zhuǎn)速慢慢下調(diào)，并將其設定為按鈕或手輪，從而使頂驅(qū)保持低轉(zhuǎn)速運行，需要注意的是，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速應切實滿足輸出扭矩可以確保頂驅(qū)的正向、低速運轉(zhuǎn)；之后再將鉆井扭矩慢慢下調(diào)，并將其設定為按鈕或手輪，使頂驅(qū)緩慢地進行減速或者是慢慢反轉(zhuǎn)，直至扭矩逐漸下降為0；仔細觀察扭矩表，當發(fā)現(xiàn)其快要下降為0的時候，對頂驅(qū)轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，將手輪設定為0，最終使頂驅(qū)轉(zhuǎn)動停止，轉(zhuǎn)速下降為0，至此，反扭矩釋放結束。

4 結語

綜上所述，頂驅(qū)實際使用過程中，在不同工況下，即電機從運行到停止的全過程中，均會出現(xiàn)反扭矩，若是對這些反扭矩處理不當或處理不到位，使反扭矩較大，則會給頂驅(qū)本體造成嚴重的破壞，與此同時，其釋放的反饋電流，也會給頂驅(qū)電控設備產(chǎn)生一定的危害?；谶@樣的原因，必須加強對頂驅(qū)鉆井反扭矩的關注與重視，并要掌握正確的、有效的反扭矩釋放對策，以避免不必要的經(jīng)濟損失，降低鉆井成本。

[1]趙志頂.頂驅(qū)鉆井反扭矩的分析及應對措施[J].石化技術,2016,(04):155+168.

[2]艾軍,張金成,臧艷彬,許明標.涪陵頁巖氣田鉆井關鍵技術[J].石油鉆探技術,2014,(05):9-15.

[3]石林,汪海閣,紀國棟.中石油鉆井工程技術現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢[J].天然氣工業(yè),2013，(10):1-10.

黃朝偉(1984- )，男，遼寧盤錦人 助理工程師 本科主要從事頂驅(qū)現(xiàn)場服務和維修工作 。