加拿大Tesco公司顶部驱动钻井系统

加拿大Tesco公司顶部驱动钻井系统

加拿大Tesco公司原来只生产150 HMI型、500HS型、500HC型等三种规格的液压驱动顶部驱动钻井装置，到2003年共生产300多台。由于电驱动顶部驱动钻井装置具有更好的钻井性能和适应性，从1996年开始生产AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，采用美国Kaman公司PA44型永磁同步电动机。产品销路很好,上市后一年多就售出9台。目前，Tesco公司生产的液压驱动和电驱动顶部驱动钻井装置已经基本上形成了150HMI型、500HC/HCI型、650HC/HCI型、500ECI型和650ECI型等5种规格系列（见表1－3）。

加拿大Tesco公司生产的500ECI型650ECI型AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，分别均采用美国Kaman公司两台PA44型永磁同步电动机。其电动机和AC变频调速系统是由美国M-1型坦克电力拖动系统移植而来,属于成熟、先进的军工技术。该电动机具有单位功率质量轻的优点，转子用钛合金制造，壳体用铝合金制造，总体质量较轻，从而减轻了顶部驱动钻井装置质量。此外，质量轻转动惯性较小，电动机转换时不需要制动器，由全速到静止只需5S，由静止到全速小于5S。电动机外型尺寸因此也减少了三分之一，对顶部驱动钻井装置总体布置也很有利。电动机转子采用铷铁硼磁性材料制造，形成恒定的转子磁场作用，其磁场强度与外界旋转磁场的转速无关，允许定子旋转磁场的转速较低；也就是电动机在低转速条件下，也具有很好的调节与使用性能。例如该电动机在0～lr/min时仍具有额定扭矩。该电动机没有换向器，在工作时不发生火花，提高了钻气井或天然气较多的油井的安全性。该电动机将输入电能转换为机械能的转换效率为95％。每个电动机各有一个独立的液体、空气冷却系统，将电机发生的热量带走，以确保电动机正常运转。减速齿轮箱的齿轮速比为14.66和18.33，用压力喷油方式进行润滑，并对润滑油的油温进行监控。

C变频控制系统的逆变器．将电动机的电感负载与电网隔开，与AC-SCR-DC电驱动形式相比，提高了电网的功率因素。此外，逆变器在整流之后，不采用SCR可控硅器件进行变频，采用最先进的IGBT电子器件进行控制，可在一个周期内对脉冲宽度调制信号进行多次开关控制。与用SCR可控硅器件进行变频相比，其工作转速和工作扭矩调节控制更加精确。供给电动机可变频率最高可达30KHz，最高转速可达2860r/min，电动机转速控制精度可达＜±10 r/min。

根据已投入运行的AC变频电驱动顶部驱动钻井装置统计结果，系统累计停机率＜0．4％，AC变频控制系统运行良好，可靠性较高，但价格与AC-SCR-DC电驱动顶部驱动钻井装置相比，要高5％。

Tesco电动顶驱采用的永磁、无碳刷、同步电机，具有以下特点：

1、体积小、重量轻，每台电机仅重395磅（179公斤），是交流感应电机重量的八分之一到十分之一左右。

2、抗震击性能好，曾经在加拿大肯廷钻井公司进行打井时经历了39天连续震击（跳钻），电机及整个顶驱的载荷通道均未受到任何影响。产生永磁电机的Kaman电磁公司还成功的为荷兰皇家海军进行了60倍于重力加速度的三轴（三维）满负荷冲击试验，结果证明对永磁电机没有损害，没有性能降级。这一点采用交流感应电机的其他厂家是无法相比的。

3、Tesco电机中的转子上无线圈，因此电机产生的热量比交流感应电机要少。

4、Tesco电机中的转子仅83磅重，故电机能以较低的启动电流启动，对电网动力要求较低。另外，电机从最高转速2860rpm在不到5秒钟之内就可以停住，因此电机无需惯性刹车。

永磁电机不需外接交流电产生它的磁场，转子周围有28块钕铁硼永久磁铁。因此，当定子磁场以1rpm这样慢的速度旋转时，转子也能以1rpm的转速同步跟进。而交流感应电机属于异步电机，其中的转子旋转的速度总略慢于磁场旋转的速度。其特性决定了此类电机适合恒速大扭矩输出，在低电机转速的情况下，它很难准确控制转速以及非常稳定的控制扭矩。

当永磁电机处于零转速时，它可向钻柱施加全扭矩，而且能够连续施加全扭矩持续无限长的时间。这一特点对于特殊作业非常有帮助：在倒扣作业的时候，不仅需向被卡钻柱施加很大的反扭矩，而且需要持续足够长的时间。而交流感应电机在零转速下持续施加全扭矩时，它所施加的扭矩小于最大扭矩，它所施加的扭矩只能持续有限时间，不足以完成倒扣作业，因此必须借助抓握器（背钳）来代替它的电机锁定反扭矩，但这样一来就无法测定反扭矩的数值，且不便释放扭矩。而Tesco的电机由控制系统慢慢的释放反扭矩。

5、Tesco电机为全密闭式，无论电闪雷鸣，刮风下雨均不会受影响。而普通电机的控制电缆易受雨水影响。

6、Tesco的顶驱驱动控制系统采用冗余的MD500系统，即每台电机都有一套独立的驱动控制系统，这就比原来的一对二系统多了一套控制系统，更确保了顶驱系统不中断作业的能力。

7、Tesco的电机采用乙二醇/水（50/50）的混合液进行冷却，其效率比空气冷却高得多，密封性很好，从未出现任何渗漏现象。所以Tesco的电机可以在-60°C到55°C的恶劣环境下工作，最高工作温度为180°C，而其他厂家电机的工作温度仅为160°C。

8、Tesco顶驱拥有两项世界专利：扭矩导轨系统和水平位移机构。扭矩导轨没有采用滚动性部件，而是用高分子量聚氨脂作扭矩衬套。这种方式的好处是无需保养，无需上润滑脂。水平位移机构只有Tesco顶驱才具备，而其他厂家的水平位移机构需要移动整个导轨，而且移动后的导轨与钻台面不垂直，故从小鼠洞连接不容易对扣，而且容易损坏钻具丝扣。

9、Tesco将辅助液压系统放置在地面，而其他厂家将整个辅助液压系统甚至包括油箱以及所有的管线均放置在顶驱壳体内部，这种布局有两缺点：

顶驱工作时顶驱内部工作条件恶劣，在跳钻、震击时表现的更加突出，这种环境会对液压系统的管线、接头和阀件造成威胁，更是生产的故障隐患。

这种布局的顶驱，只有在停机的情况下才能对液压系统进行检查和维修。

相比之下，Tesco的液压系统的布局更加合理安全，并可以在不中止顶驱运转的情况下进行维护维修。

有的顶驱将液压动力源及油箱均装在顶驱主体内，由于顶驱本体较小，因此势必会以牺牲液压动力源的效率为代价，且极容易产生过热现象，其液压系统的工作压力仅为1,500 psi, 而Tesco的液压系统的工作压力达2,000 psi, 且从未产生过热现象。

10、Tesco的顶驱中心管可在钻井现场就可拆卸下来，对于技术较熟练的机械工人来说，仅需2 – 3个小时的时间即可完成这项工作。这对于需对顶驱进行无损探伤试验而言无疑是一大优点。有的顶驱需先将顶驱齿轮箱拆卸后才能将中心管取出，甚至需要花费至少一整天的时间。

11、Tesco的冷却系统中添加了即可以降低电控机房内的室内温度，又可以排除冷凝水结露的散热泵系统，使顶驱系统在异常潮湿的地区亦能正常运转。这种散热泵系统与传统的空调器相比具有密封性强的特点。只需将它安装在电控机房内即可，由于它的热交换板始终保持低于冷却电子模块及电路板的冷极板的温度，故冷极板上不会结露。它所产生的热通过冷却系统中的冷却液带走，因此，散热泵系统是冷却系统的延伸，即它的安装无需在机房的墙壁上打孔。而安装空调器则需在机房墙壁上打孔，因此，在气候恶劣的环境下，尘土，尘埃，潮气，水及其他气态物质极易进入电控机房内，造成短路或电子模块被击穿。这种高强度的密封性不仅对顶驱系统的运行很重要，而且对顶驱系统的存放和运输亦很重要。     

12、Tesco的Power/Electronics Module（动力/电子模块）中还安装了UPS（不间断电源）以应付在停电或断电的情况下依然能确保对顶驱系统的控制。

Tesco的顶驱系统中还安装了内置式Power Quality Module（动力质量模块）以确保当来自电动钻机的三相交流电出现瞬时超高电压时起到保护的作用。它还能给顶驱系统提供很高的容限，即当输入电压在550 – 700伏的范围内时容许它通过而不会因电压的波动而跳闸。既确保了顶驱系统不受被击穿的损害，又不致因一般电压的波动而频繁的跳闸。

13、在顶驱齿轮箱中增加了特殊花键（Dry Spline），使顶驱在更换或拆卸中心管时，齿轮箱中的齿轮油不会外泻，既节省了齿轮油，又满足了环保要求。

14、增加了GE Fanuc PLC可编程逻辑控制器及Versamax励磁控制器并通过通讯电缆将两者相连并向司钻控制台输入指令。