魏超 周思柱 李美求

(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)研究所)

0 引 言

鉆井承包商為了降低勘探開發(fā)成本，希望鉆機(jī)能具備更高的可靠性和更快的運(yùn)移性以縮短鉆井作業(yè)周期。國內(nèi)外對(duì)鉆井作業(yè)的能耗和污染物的排放相繼出臺(tái)了愈加嚴(yán)格的法規(guī)和要求[1-3]，鉆機(jī)電動(dòng)化改造[4]，鉆井裝備直驅(qū)已成為鉆井裝備發(fā)展的主流方向。

鉆井泵、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)及絞車是鉆機(jī)三大系統(tǒng)的核心設(shè)備，上述設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，易發(fā)生故障。常規(guī)鉆井泵、絞車、頂驅(qū)及轉(zhuǎn)盤運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲大、能耗高，傳動(dòng)箱及附屬設(shè)備占據(jù)大量鉆臺(tái)空間且運(yùn)移困難，電機(jī)直驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用使得上述問題得以解決。

電機(jī)直驅(qū)技術(shù)是將電機(jī)與負(fù)載直連，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的直接驅(qū)動(dòng)，能簡(jiǎn)化中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)效率。大功率電機(jī)的成功研制和電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了電機(jī)直驅(qū)鉆井裝備的革新，加速了電動(dòng)鉆機(jī)的輕量化和自動(dòng)化進(jìn)程[5-6]。近年來，為了滿足新能源勘探，陸地及海洋復(fù)雜地層油氣開發(fā)作業(yè)對(duì)鉆機(jī)運(yùn)移性、可靠性的需求，國內(nèi)外裝備制造商相繼推出了多種型號(hào)的電機(jī)直驅(qū)鉆井裝備。為了促進(jìn)國內(nèi)電機(jī)直驅(qū)鉆井裝備的發(fā)展，本文詳細(xì)論述了電動(dòng)鉆機(jī)直驅(qū)電機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀及直驅(qū)裝備的現(xiàn)狀，分析了直驅(qū)技術(shù)的不足和優(yōu)勢(shì)，指出了電機(jī)直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展方向，給出了其發(fā)展建議。

1 電動(dòng)鉆機(jī)直驅(qū)電機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

直驅(qū)電機(jī)是決定直驅(qū)絞車、直驅(qū)轉(zhuǎn)盤、直驅(qū)頂及直驅(qū)鉆井泵性能優(yōu)劣的核心。直驅(qū)鉆井裝備配備的動(dòng)力機(jī)可選擇交流變頻電機(jī)或永磁同步電機(jī)。直驅(qū)電機(jī)選型的關(guān)鍵在于電機(jī)的輸出特性與負(fù)載特性之間的匹配。

交流變頻電機(jī)利用變頻調(diào)速技術(shù)可在基頻以下時(shí)變壓變頻恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，高于基頻時(shí)恒壓弱磁恒功率調(diào)速，調(diào)速范圍寬，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，符合鉆井的負(fù)載特性，是電機(jī)直驅(qū)鉆井裝備動(dòng)力機(jī)的首選。

永磁同步電機(jī)輸出功率大，功率因數(shù)高，節(jié)能效果好，應(yīng)用到直驅(qū)鉆井裝備中優(yōu)勢(shì)明顯。利用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)，均能實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。矢量控制技術(shù)調(diào)速范圍寬，調(diào)速過程需要復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度弱于DTC。而DTC的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但調(diào)速范圍小。矢量控制在永磁電機(jī)直驅(qū)鉆井裝備中更加普遍[7]。

永磁電機(jī)的調(diào)速過程需要編碼器參與[8]，但編碼器在移運(yùn)過程中容易損壞，同時(shí)每次移動(dòng)后需要重新標(biāo)定，過程繁瑣，限制了配置永磁電機(jī)裝備的運(yùn)移性；另一方面，永磁電機(jī)的發(fā)熱非常嚴(yán)重，不及時(shí)散熱會(huì)導(dǎo)致其他關(guān)聯(lián)零部件的過早失效，同時(shí)電機(jī)的功率也因?yàn)榘l(fā)熱而損耗。

目前，交流變頻電機(jī)和永磁同步電機(jī)的定轉(zhuǎn)子都能與直驅(qū)鉆井裝備的轉(zhuǎn)軸及殼體融合，移除了電機(jī)殼體和軸承等零部件，體積和質(zhì)量能夠進(jìn)一步減小。交流變頻電機(jī)和永磁電機(jī)均可實(shí)現(xiàn)鉆井裝備的直接驅(qū)動(dòng)，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)性層面，永磁電機(jī)受永磁體材料價(jià)格影響，配置永磁電機(jī)的成本要高于交流變頻電機(jī)；在功率及效率層面，交流變頻電機(jī)的功率和功率因數(shù)弱于永磁電機(jī)，存在“大馬拉小車”現(xiàn)象。

從電機(jī)生產(chǎn)設(shè)計(jì)角度，國內(nèi)用于鉆井設(shè)備的直驅(qū)電機(jī)多依靠定制，然而定制電機(jī)難以吸引電機(jī)制造商的興趣[9]。四川宏華石油設(shè)備有限公司依托下屬電氣制造公司，研制了適用于鉆井泵、絞車及頂驅(qū)的交流變頻直驅(qū)電機(jī)，電機(jī)功率可達(dá)4 500 kW。

2 電機(jī)直驅(qū)裝備現(xiàn)狀

2.1 直驅(qū)鉆井泵

常規(guī)鉆井泵普遍存在以下問題：①變速箱易發(fā)生故障且故障點(diǎn)多；②變速箱、柴油機(jī)及油料等輔助設(shè)備占地面積大、體積大，運(yùn)移麻煩；③污染物排放和噪聲不易滿足環(huán)保要求。

電動(dòng)直驅(qū)鉆井泵取消了膠帶傳動(dòng)裝置及齒輪箱等設(shè)備，交流變頻電機(jī)與泵的小齒輪軸直連，通過AC-VFD-AC轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電機(jī)電流的輸入頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。直驅(qū)電機(jī)發(fā)熱量大，通常需要在鉆井泵動(dòng)力端的外殼上加裝通風(fēng)機(jī)給電機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，避免電機(jī)損壞[10]。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]報(bào)道，NOV公司展示了一臺(tái)12-P-160型電動(dòng)直驅(qū)鉆井泵，如圖1所示。該型鉆井泵動(dòng)力端原齒輪箱處配置了2臺(tái)永磁電機(jī)，電機(jī)與小齒輪軸直連，最大功率可達(dá)1 176 kW(1 600 hp)，總體積和質(zhì)量減小了約20%，但直驅(qū)電機(jī)上卻未見散熱設(shè)備。

圖1 12-P-160型電機(jī)直驅(qū)鉆井泵Fig.1 12-P-160 direct-drive mud pump

國內(nèi)直驅(qū)鉆井泵產(chǎn)品較為成熟，多個(gè)廠家具備研制能力，且部分產(chǎn)品已形成系列化。河北永明地質(zhì)工程機(jī)械有限公司推出的3NB-350DBZ鉆井泵采用1臺(tái)永磁同步電機(jī)直驅(qū)，同時(shí)配備專用變頻控制系統(tǒng)保護(hù)電機(jī)。

西安寶美電氣工業(yè)公司研制了可配套F系列鉆井泵的新型直驅(qū)AC變頻電機(jī)和控制系統(tǒng)[12]，并規(guī)范了鉆井泵水馬力與直驅(qū)電機(jī)的規(guī)格和數(shù)量的匹配關(guān)系，對(duì)F系列直驅(qū)鉆井泵的標(biāo)準(zhǔn)化具有指導(dǎo)意義?？刂葡到y(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，能實(shí)時(shí)采集泵組運(yùn)行參數(shù)，與鉆機(jī)控制系統(tǒng)集成后可提高電動(dòng)鉆機(jī)的自動(dòng)化和智能化程度。

北京探礦工程研究所將永磁直驅(qū)控制系統(tǒng)應(yīng)用于F-1300型鉆井泵[13]，見圖2。永磁電機(jī)功率達(dá)到1 000 kW。相對(duì)于表1中的交流變頻電機(jī)規(guī)格，1臺(tái)大功率永磁電機(jī)即可滿足F-1300型鉆井泵負(fù)載，既節(jié)省空間，又能降低能耗，提高效率。

圖2 F-1300型永磁直驅(qū)鉆井泵Fig.2 F-1300 permanent magnet direct-drive mud pump

表1 直驅(qū)鉆井泵交流變頻電機(jī)規(guī)格Table 1 Specifications of AC variable-frequency motor for direct-drive mud pump

其他未介紹的國內(nèi)外直驅(qū)鉆井泵僅改變了動(dòng)力機(jī)類型，在總體結(jié)構(gòu)上并無明顯差別。

四川宏華石油設(shè)備有限公司研制了一種明顯有別國內(nèi)外產(chǎn)品的一體化5缸電機(jī)直驅(qū)鉆井泵[14]，如圖3所示，機(jī)電一體化程度高。該新型直驅(qū)鉆井泵電機(jī)與鉆井泵完全集成，規(guī)避了直驅(qū)電機(jī)主軸與鉆井泵小齒輪軸連接方式，將人字齒調(diào)整為2個(gè)斜齒輪并置于泵兩側(cè)，交流變頻電機(jī)轉(zhuǎn)軸與小齒輪軸一體化，動(dòng)力通過小齒輪與泵主軸上的齒輪傳遞，電機(jī)主體置于鉆井泵頂部。目前形成了HH直驅(qū)鉆井泵系列產(chǎn)品，最高功率達(dá)到2 205 kW(3 000 hp)。這種高集成度的設(shè)計(jì)使得泵組的體積和質(zhì)量均減小40 %以上。該一體化電機(jī)直驅(qū)技術(shù)在電動(dòng)壓裂泵的研制中也得到了應(yīng)用[15]。

圖3 一體化電機(jī)直驅(qū)5缸鉆井泵Fig.3 Integrated motor direct-drive 5-cylinder mud pump

2.2 電機(jī)直驅(qū)頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置是鉆井技術(shù)史上最具創(chuàng)新的技術(shù)突破之一。經(jīng)40 a的發(fā)展，其動(dòng)力經(jīng)歷了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)及現(xiàn)階段的液壓或電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

統(tǒng)計(jì)表明[16]，40%的常規(guī)頂驅(qū)失效與齒輪箱和其附屬部件有關(guān)。國外裝備制造商決定取消變速箱及其他輔助設(shè)備，采用電機(jī)直驅(qū)技術(shù)提高頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的工作效率。國內(nèi)外直驅(qū)頂驅(qū)的結(jié)構(gòu)大體上相同，其主要技術(shù)特征在于將大功率電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與動(dòng)力水龍頭的空心軸一體化，電機(jī)定子布置在動(dòng)力水龍頭箱體內(nèi)側(cè)。直驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用還可避免潤(rùn)滑和密封問題，能進(jìn)一步提高頂驅(qū)的可靠性。

美國LeToumeau公司從2004年開始研發(fā)直驅(qū)頂驅(qū)，在2008年便已形成2 500、3 500、5 000、7 500和10 000 kN額定鉤載的系列化產(chǎn)品，如圖4所示。該系列直驅(qū)頂驅(qū)為滿足更高的扭矩和轉(zhuǎn)速，交流變頻電機(jī)設(shè)計(jì)了高密度的繞組和更多銅鐵含量的翼形槽，通過浸漬工藝增強(qiáng)繞組線圈之間的絕緣性。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制散熱保證頂驅(qū)在連續(xù)作業(yè)和過載工況下的效率與穩(wěn)定性。

圖4 LeToumeau公司直驅(qū)頂驅(qū)Fig.4 LeToumeau direct-drive top drive

2009年，我國首臺(tái)適用于中小型鉆機(jī)且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DQ-30LHTY-Z直驅(qū)頂驅(qū)完成工業(yè)試驗(yàn)。四川宏華石油設(shè)備有限公司開發(fā)的AC電機(jī)直驅(qū)頂驅(qū)(見圖5)在2011年通過鑒定[17]，現(xiàn)已形成DQ250Z～DQ1000Z系列化產(chǎn)品，額定功率范圍330～1 580 kW，最大工作扭矩134 000 N·m，可滿足4 000～12 000 m深度的鉆井作業(yè)，動(dòng)力輸出和旋轉(zhuǎn)頭定位精度等均優(yōu)于NOV公司同規(guī)格頂驅(qū)[18]。

圖5 宏華DQ1000Z直驅(qū)頂驅(qū)Fig.5 Honghua DQ1000Z direct-drive top drive

國外在2013年公開了永磁同步電機(jī)直驅(qū)頂驅(qū)(見圖6)專利[19]，其技術(shù)特征為將定子置于動(dòng)力水龍頭殼體內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子與空心軸連接且轉(zhuǎn)子的外壁面上布置沿環(huán)向等間隔的永磁鐵，定子上的繞組與轉(zhuǎn)子上的永磁鐵相對(duì)布置。2014北京探礦工程研究所也開發(fā)了永磁電機(jī)直驅(qū)頂驅(qū)，并與河北建勘鉆探設(shè)備有限公司聯(lián)合研制了ZJ40DB系列永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)[20]，其中ZJ40D鉆機(jī)于2018年通過驗(yàn)收[21]，同系列永磁直驅(qū)鉆機(jī)現(xiàn)已應(yīng)用于雄安新區(qū)地?zé)?、廣東惠熱1井及浙江頁巖氣井的鉆探，節(jié)能效果可達(dá)20%～30%。

圖6 永磁電機(jī)直驅(qū)頂驅(qū)Fig.6 Permanent magnet motor direct-drive top drive

綜合看來，國內(nèi)外交流變頻電機(jī)直驅(qū)頂驅(qū)在結(jié)構(gòu)形式上大同小異，都能提供系列化產(chǎn)品，滿足不同的鉆井需求。永磁電機(jī)直驅(qū)頂驅(qū)在國內(nèi)已推出系列化產(chǎn)品，國外同類產(chǎn)品則尚未見到供應(yīng)。

2.3 直驅(qū)絞車

電機(jī)直驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用有利于復(fù)雜地形絞車的運(yùn)輸，提高鉆機(jī)的運(yùn)移性，解放海洋及陸地鉆機(jī)鉆臺(tái)空間。國內(nèi)電動(dòng)直驅(qū)絞車的研制相對(duì)于上述直驅(qū)裝備的研制要早。在2005年中石化JC30DB直驅(qū)絞車研制成功[22]。該型絞車采用單軸滾筒設(shè)計(jì)，2個(gè)交流變頻電機(jī)與滾筒軸直連，移除了機(jī)械換擋機(jī)構(gòu)，利用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，能耗制動(dòng)剎車，調(diào)速范圍0～390 r/min，最大拉力1 700 kN。但該型號(hào)絞車推出時(shí)間較早，自動(dòng)送鉆系統(tǒng)并沒有集成，仍需要再配置1臺(tái)小功率電機(jī)以驅(qū)動(dòng)獨(dú)立送鉆系統(tǒng)。

后續(xù)絞車電機(jī)直驅(qū)技術(shù)的進(jìn)步主要集中于自動(dòng)送鉆系統(tǒng)等功能的集成和機(jī)電液一體化設(shè)計(jì)。

2011年，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制了國內(nèi)首臺(tái)永磁電機(jī)直驅(qū)的JC-15D直驅(qū)絞車。該型絞車采用了1臺(tái)350 kW永磁電機(jī)直驅(qū)與滾筒軸連接，相對(duì)于JC30DB直驅(qū)絞車集成了自動(dòng)送鉆功能[23]，最大拉力900 kN，調(diào)速范圍0～300 r/min。

最具特色的直驅(qū)產(chǎn)品屬于四川宏華石油設(shè)備有限公司2017年研制的JC-50DBZ絞車，其最大拉力3 400 kN，質(zhì)量減小了12%～26%，傳動(dòng)效率提高了6%。圖7為一體化直驅(qū)絞車圖。一體化直驅(qū)絞車采用2臺(tái)交流變頻電機(jī)提供動(dòng)力，并未將獨(dú)立電機(jī)直連，而是將電機(jī)的定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與絞車殼體及滾筒一體化設(shè)計(jì)。電機(jī)的轉(zhuǎn)子套裝于滾筒軸上，定子則安裝于絞車的墻板上，徹底地取消了電機(jī)與滾筒軸之間的聯(lián)軸器。電機(jī)與滾筒軸有一個(gè)軸承共用，減少了軸承數(shù)量，整體結(jié)構(gòu)緊湊，提高了整體的可靠性?，F(xiàn)已形成系列化產(chǎn)品，可滿足9 000 m鉆井需求，最大拉力6 750 kN。

圖7 一體化直驅(qū)絞車Fig.7 Integrated direct-drive winch

蘭石石油裝備工程股份有限公司在2020年研制了JC70DB直驅(qū)絞車產(chǎn)品[24]，從設(shè)計(jì)角度來看，與前述JC15DB和JC30DB直驅(qū)產(chǎn)品沒有差異。從滿足鉆井需求角度，實(shí)現(xiàn)了超越5 000 m井深直驅(qū)絞車作業(yè)。滾筒的兩側(cè)配備了2臺(tái)1 000 kW的交流變頻電機(jī)，但質(zhì)量相較于同型號(hào)的一體化直驅(qū)絞車多了1 500 kg。采用永磁電機(jī)提供動(dòng)力的絞車在地質(zhì)勘探鉆機(jī)上更為普遍。北京探礦工程研究所研制的ZJ30～70DBZ系列永磁直驅(qū)頂驅(qū)鉆機(jī)上配備了永磁直驅(qū)絞車，滿足7 000 m井深的勘探開發(fā)作業(yè)要求，最大拉力可達(dá)4 500 kN，與交流變頻電機(jī)直驅(qū)絞車的性能相當(dāng)。2臺(tái)永磁直驅(qū)電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾筒軸連接(見圖8)，電機(jī)與絞車本體相互獨(dú)立，輔助剎車的剎車盤與滾筒實(shí)現(xiàn)了一體化。

圖8 永磁直驅(qū)電機(jī)直連圖Fig.8 Direct connection diagram of permanent magnet direct-drive motor

2.4 直驅(qū)轉(zhuǎn)盤

鉆機(jī)平臺(tái)上的常規(guī)轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)鏈冗長(zhǎng)，中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)故障會(huì)直接導(dǎo)致鉆井作業(yè)中斷，并且轉(zhuǎn)盤體積過大給整體式鉆臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來諸多不便。國內(nèi)裝備制造商有意向研制電機(jī)直驅(qū)轉(zhuǎn)盤，但大部分仍處于設(shè)計(jì)論證階段。2009年，我國首臺(tái)直驅(qū)ZP275DB轉(zhuǎn)盤(見圖9)在勝利油田完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[25]。該直驅(qū)轉(zhuǎn)盤在常規(guī)電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的外側(cè)配置了1臺(tái)450 kW的大扭矩交流變頻電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過萬向節(jié)與轉(zhuǎn)盤的小錐齒輪軸連接。這種設(shè)計(jì)并沒有將電機(jī)與轉(zhuǎn)盤真正意義上的直連，仍然保留了轉(zhuǎn)盤內(nèi)1級(jí)齒輪傳動(dòng)，所以存在繼續(xù)改進(jìn)的可能。

1—ZP275轉(zhuǎn)盤；2—萬向節(jié)；3—慣性剎車；4—交流異步電機(jī)。圖9 直驅(qū)ZP275DB轉(zhuǎn)盤Fig.9 Direct-drive ZP275DB rotary table

2014年，江漢石油機(jī)械公司公開了1項(xiàng)電機(jī)直驅(qū)轉(zhuǎn)盤方案[26]。該方案中永磁電機(jī)與轉(zhuǎn)盤一體化設(shè)計(jì)，將空心轉(zhuǎn)軸作為電機(jī)轉(zhuǎn)軸，滾筒軸表面貼有磁鋼，帶繞組鐵芯的定子置于滾筒殼體上。相對(duì)于直驅(qū)鉆井泵、直驅(qū)頂驅(qū)和直驅(qū)絞車，該方案并未體現(xiàn)出必要的散熱、潤(rùn)滑和制動(dòng)系統(tǒng)，詳細(xì)的設(shè)計(jì)及樣機(jī)試驗(yàn)仍有一段距離。

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司在2016年也公開了一種直驅(qū)轉(zhuǎn)盤方案(見圖10)[27]，從結(jié)構(gòu)上看，該設(shè)計(jì)比江漢石油機(jī)械公司的直驅(qū)轉(zhuǎn)盤方案更具體。轉(zhuǎn)盤主軸設(shè)計(jì)成雙層U形結(jié)構(gòu)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子安裝于轉(zhuǎn)軸外側(cè)的表面，定子安裝于轉(zhuǎn)盤殼體內(nèi)壁。在雙層U形轉(zhuǎn)軸的夾層處則安裝有軸承。這種設(shè)計(jì)同樣沒有體現(xiàn)出必備的潤(rùn)滑、散熱和制動(dòng)系統(tǒng)。但就結(jié)構(gòu)上來看，將電機(jī)與軸承放置于不同的腔室，能夠減弱電機(jī)繞組發(fā)熱引發(fā)的高溫對(duì)軸承潤(rùn)滑效果的負(fù)面影響。

1—定子；2—空心轉(zhuǎn)軸；3—軸承；4—轉(zhuǎn)子。圖10 直驅(qū)轉(zhuǎn)盤Fig.10 Direct-drive rotary table

大連創(chuàng)為電機(jī)公司2020年公開的直驅(qū)轉(zhuǎn)盤方案則表現(xiàn)出了更加完整的直驅(qū)轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)[28]。圖11為帶制動(dòng)系統(tǒng)的直驅(qū)轉(zhuǎn)盤圖。從圖11可以看出，相對(duì)于前述3種直驅(qū)轉(zhuǎn)盤，該方案利用轉(zhuǎn)盤面上的2組卡鉗與轉(zhuǎn)盤固連的剎車片實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，剎車片與軸承擋圈之間迷宮密封，避免雜物和鉆井液進(jìn)入電機(jī)腔室。

1—液壓卡鉗；2—定子；3—轉(zhuǎn)子；4—轉(zhuǎn)軸；5—轉(zhuǎn)盤；6—蓋板。圖11 帶制動(dòng)系統(tǒng)的直驅(qū)轉(zhuǎn)盤Fig.11 Direct-drive rotary table with brake system

圖12為湖北環(huán)一電磁裝備工程技術(shù)有限公司提出的永磁同步電機(jī)直驅(qū)轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)。該方案在空心轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)盤外殼之間的U形空腔中安裝軸承以支撐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。其最大的創(chuàng)新之處在于，在轉(zhuǎn)筒的臺(tái)階面上相互垂直地布置了2套轉(zhuǎn)子，相當(dāng)于配置了2臺(tái)永磁電機(jī)，提高了轉(zhuǎn)盤的功率和扭矩。另一方面，2臺(tái)電機(jī)還可提高直驅(qū)轉(zhuǎn)盤的可靠性。由于配置了2臺(tái)永磁電機(jī)，發(fā)熱量大，空氣對(duì)流冷卻能力不足，轉(zhuǎn)盤殼體采用導(dǎo)熱金屬材質(zhì)，其上設(shè)置有循環(huán)油道，利用潤(rùn)滑油循環(huán)冷卻給轉(zhuǎn)盤內(nèi)腔輔助散熱。

1—定子；2—轉(zhuǎn)筒；3—方補(bǔ)心；4—轉(zhuǎn)軸；5—卡瓦；6—轉(zhuǎn)子(磁鋼)。圖12 永磁同步電機(jī)直驅(qū)轉(zhuǎn)盤Fig.12 Permanent magnet synchronous motor direct-drive rotary table

3 電機(jī)直驅(qū)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足

從直驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用目的和效果看來，利用直驅(qū)技術(shù)改造現(xiàn)有的轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)、絞車和鉆井泵，可取消中間傳動(dòng)裝置，簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)效率和可靠性。直驅(qū)技術(shù)在提高鉆井裝備可靠性方面的優(yōu)勢(shì)使它受到眾多制造商的青睞。另一方面，機(jī)電融合技術(shù)和低速大扭矩電機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用，在同等功率要求下可顯著減小體積和質(zhì)量，方便拆裝和運(yùn)輸。上述優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)了鉆機(jī)的運(yùn)移能力，加快了鉆機(jī)的模塊化、自動(dòng)化和智能化進(jìn)程。但是，電機(jī)直驅(qū)技術(shù)所有的優(yōu)勢(shì)多來自裝備制造商報(bào)道，也有其不足之處，具體表現(xiàn)在以下方面。

(1) 絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵及頂驅(qū)電機(jī)直驅(qū)時(shí)，均采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制散熱緩解電機(jī)繞組的發(fā)熱問題。發(fā)熱實(shí)際上是能量的損失，會(huì)降低功率利用率。當(dāng)前的直驅(qū)設(shè)備所配備的風(fēng)機(jī)需要電力驅(qū)動(dòng)，這便需要額外的功率用于維持風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，整體功耗增加。若散熱不及時(shí)，設(shè)備內(nèi)部過高的溫度會(huì)降低軸承等部件的潤(rùn)滑油黏度，致使油膜破碎，振動(dòng)加劇。

(2) 對(duì)于深井和超深井作業(yè)，需要直驅(qū)電機(jī)提供更高的功率，更高的功率意味著電機(jī)的體積更大，繞組線圈更多，發(fā)熱問題更嚴(yán)重，電機(jī)的成本更高。

(3) 直驅(qū)鉆井設(shè)備的電機(jī)與本體的一體化能最大程度地減小設(shè)備的體積和質(zhì)量，但鉆井泵、絞車、頂驅(qū)和轉(zhuǎn)盤的一體化直驅(qū)電機(jī)形式多樣，相互之間不能通用，一體化電機(jī)難以形成批量訂單，不易找到電機(jī)制造廠商合作且定制價(jià)格高。

4 發(fā)展趨勢(shì)及建議

我國已具備系列化且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電機(jī)直驅(qū)鉆井裝備。為適應(yīng)深海、陸地深層復(fù)雜地質(zhì)條件能源勘探開發(fā)需求，以及“節(jié)能、減排、降本、增效”綠色發(fā)展的新要求，大功率、綠色節(jié)能、快速運(yùn)移、自動(dòng)化及智能化是電動(dòng)直驅(qū)鉆機(jī)的必然發(fā)展方向。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要電機(jī)直驅(qū)鉆井裝備具備體積小、功率大以及易拆裝等特性。

電動(dòng)鉆機(jī)電機(jī)直驅(qū)裝備的發(fā)展與大功率電機(jī)及電機(jī)控制技術(shù)密不可分。鑒于此，筆者總結(jié)了以下4點(diǎn)建議。

(1)研制大功率、大扭矩的交流變頻電機(jī)及永磁同步電機(jī)，以適應(yīng)深海、深地油氣勘探開發(fā)。應(yīng)用高強(qiáng)度換熱材料，減小電機(jī)尺寸和質(zhì)量，增強(qiáng)電機(jī)散熱能力。

(2)絞車、鉆井泵、頂驅(qū)和轉(zhuǎn)盤的直驅(qū)電機(jī)一體化、模塊化設(shè)計(jì)，配置運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊，集成電機(jī)控制系統(tǒng)與鉆機(jī)控制系統(tǒng)，提高鉆機(jī)自動(dòng)化和智能化水平。

(3)研制低成本大馬力液壓直驅(qū)裝備。利用液壓站統(tǒng)一供油，液壓站與鉆井平臺(tái)獨(dú)立布置，拓寬鉆臺(tái)空間。

(4)發(fā)展石油鉆機(jī)專用電機(jī)配套產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)鉆機(jī)設(shè)備制造商與特種電機(jī)制造商協(xié)作，開發(fā)系列化鉆井裝備用直驅(qū)電機(jī)。