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[摘 要]钻机驱动系统发展趋势将被电力驱动方式所取代，电力驱动的基础是电力电子器件的成熟发展。以电力电子器件为功率单元的电气传动控制系统目前已进入计算机时代，并将石油钻机电驱动系统推上了一个新的台阶。电驱动钻机，已经在国外得到更广泛的应用，电驱动能更好地满足钻井工艺需要。钻井的发展迫切需要重量轻、体积小的电驱动钻机。电驱动方式无论用于海洋或陆地的钻机或修井机都是当前石油钻机动力的发展方向。
[关键词]钻机驱动系统；电驱动能；钻井工艺；无级调速
中图分类号：U985.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）18-0273-01
石油钻机经历了从机械直接驱动到电力驱动的时期，电力驱动比机械驱动具有调速特性好、经济性能高、可靠性强、故障率低、操作更方便灵活等一系列的优越性。石油电驱动钻机电驱系统经历了AC-AC电驱动、DC-DC电驱动、AC-SCR-DC电驱和AC变频电驱动4个技术发展阶段。AC-SCR-DC和AC电驱动系统在石油钻机上应用，能使绞车、转盘、钻井泵进行无级调速，最大限度地满足了钻井工艺要求，大大提升了工作效益。
一、顶驱的4种驱动型式
世界石油钻机电驱动型经历了AC-AC电驱动、DC-DC电驱动、AC-SCR-DC电驱和AC变频电驱动4个技术发展阶段，世界顶驱电驱动型经历了AC-SCR-DC电驱动和AC变频电驱动2个技术发展阶段。
（一）AC-AC电驱动系统
柴油机与交流发电机机组发出交流电驱动交流电动机，交流电动机驱动钻机进行钻井。这种电驱动系统称为AC一AC电驱动系统。该系统可改为用工业电网供电。交流电动机的转速一般是不可调节的，因而采用AC-AC电驱动型式早期的电驱动石油钻井装备采用AC-AC电驱动型，利用电网AC电源或用交流发电机电源直接供给AC电动机。由于这种型式工作转速不可调节，载荷特性是硬特性，不能满足钻井工艺的需要，进而不再发展。
（二）DC-DC电驱动系统
柴油机与直流发电机机组发出直流电驱动直流电动机，直流电动机驱动钻机进行钻井。这种电驱动系统称为DC-DC电驱动系统。调节发电机的励磁电流可改变该系统中发电机的输出电压，因而直流电动机的转速可从最小无级平滑地调节到最大。该系统采用单独驱动的方法。DC-DC电驱动型式上个世纪20年代，出现了第一台DC-DC电驱动石油钻机，由柴油机DC发电机组发出DC电，供给DC电动机。这种型式工作转速可调，载荷特性为软特性，可以更好地满足钻井工艺的需要。但是由于采用一对一调节方式，使用上很不经济。
（三）AC-SCR-DC电驱动系统
柴油机与交流发电机机组发出交流电，经可控硅整流后驱动直流电动机，直流电动机驱动钻机进行钻井。这种电驱动系统称为SCR（或AC/SCR或AC-SCR-DC）电驱动系统。在该系统中，几台柴油机分别带一台交流发电机并联运行。电子调速器将几台柴油机的转速均调节到1200转/分，使一每台发电机都发出60伏三相交流电。交流电集中到同一母线电线，经可控硅整流后输出0～750伏的直流电，供直流电动机用电。这可使直流电动机的转速从最小无级平滑地调节到最大石该系统可改为用工业网供电。
AC-SCR-DC电驱动型式上个世纪60年代，用于半潜式钻井船的第一台AC-SCR-DC电驱动石油钻机问世。与DC-DC电驱动不同的是采用了可控硅整流电源，不采用一对一的调节方式，提高了使用灵活性和经济性，同时还具有DC-DC电驱动的优良钻井性能。1982年以来，研究开发的顶驱，广泛地采用了AC-SCR-DC电驱动型式。
（四）AC变频电驱动系统
AC变频驱动型式上个世纪80年代中后期，出现了第一台AC变频驱动顶驱，采用了变频调速技术，具有精确调节工作转速和扭矩特性等优点，使石油钻机和顶驱可获得更好的钻井性能和调节使用性能，具有更好的适应性、经济性、可靠性和先进性。
二、液压和电驱动顶驱系统分析
Varco公司新系列顶驱主要基本参数目前，Varco公司生产7种规格新系列顶驱。API提升载荷2500KN～7500KN，连续工作扭矩为1021KN·m～8694KN·m，间歇工作扭矩为1847KN·m～12972KN·m，全功率转速为120r/min～500r/min。
根据对比数据可以得出以下结论：
1、静止状态。AC变频感应电动机驱动顶驱具有最大的扭矩系数为K均=1.53。比液压驱动顶驱大0.53，比AC-SCR-DC电驱动顶驱大0.25，比AC变频永磁电动机驱动顶驱大0.18。
2、恒扭矩调节使用范围。AC变频感应电动机驱动顶驱具有最小的恒扭矩调节使用范围，其百分比值a均=46.5%。比液压驱动顶驱小9.8%，比AC-SCR-DC电驱动顶驱小18.8%，比AC变频永磁电动机驱动顶驱小53.5%。
3、恒功率调节使用范围。AC变频感应电动机驱动顶驱具有最大的恒功率调节使用范围，其百分比值b均=53.5%。比液压驱动顶驱大9.8%，比AC-SCR-DC电驱动顶驱大18.8%，比AC变频永磁电动机驱动顶驱大53.5%。
4、总调节使用范围功率利用率。AC变频感应电动机驱动顶驱具有最高的总调节使用范围的功率利用率为P均=76.7%。其功率利用率比液壓驱动顶驱高4.9%，比AC-SCRDC电驱动顶驱高9.5%，比AC变频永磁电动机驱动顶驱高26.7%。
三、结论
根据上述分析，对于4种驱动形式顶驱可以得出以下综合结论：
AC变频感应电动机驱动顶驱具有最高的功率利用率、钻井成本低、动力消耗少、钻井性能和经济性最好。也就是本文推荐的最经济顶驱驱动型式。其次是液压驱动顶驱，功率利用率P均=71.8%，也是一种较好的顶驱驱动形式。再次是AC-SCR-DC电驱动顶驱，功率利用率P均=67.2%，是目前世界上使用数量最多的顶驱驱动形式。功率利用率最差的是AC变频永磁电动机驱动顶驱，功率利用率只有50%。AC变频感应电动机驱动顶驱是发展方向，可尽早加速研究开发AC变频感应电动机顶驱，以降低钻井成本和动力消耗，进一步提高钻井水平和经济效益。
参考文献
[1] 丁青山，董平，李治锋，等.电驱动钻机技术发展现状及分析[J].石油矿场机械，2012，41（2）：84-89.
[2] 刘廷鹏.电驱动石油钻机电气传动控制系统设计研究[J].中国科技纵横，2015（20）：155-155.
[3] 张东海，陈俊，蒋谊，高杭.直驱式顶驱的研制和应用[J].石油矿场机械.2012（01）.
[4] 徐贵田，滦海波，陈伟.交流顶驱条件下录井参数的测量问题探讨[J].化学工程与装备.2012（02）.
[5] 初德军.电动顶驱电控系统分析[J].中国石油和化工标准与质量.2012（05）.
[关键词]钻机驱动系统；电驱动能；钻井工艺；无级调速
中图分类号：U985.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）18-0273-01
石油钻机经历了从机械直接驱动到电力驱动的时期，电力驱动比机械驱动具有调速特性好、经济性能高、可靠性强、故障率低、操作更方便灵活等一系列的优越性。石油电驱动钻机电驱系统经历了AC-AC电驱动、DC-DC电驱动、AC-SCR-DC电驱和AC变频电驱动4个技术发展阶段。AC-SCR-DC和AC电驱动系统在石油钻机上应用，能使绞车、转盘、钻井泵进行无级调速，最大限度地满足了钻井工艺要求，大大提升了工作效益。
一、顶驱的4种驱动型式
世界石油钻机电驱动型经历了AC-AC电驱动、DC-DC电驱动、AC-SCR-DC电驱和AC变频电驱动4个技术发展阶段，世界顶驱电驱动型经历了AC-SCR-DC电驱动和AC变频电驱动2个技术发展阶段。
（一）AC-AC电驱动系统
柴油机与交流发电机机组发出交流电驱动交流电动机，交流电动机驱动钻机进行钻井。这种电驱动系统称为AC一AC电驱动系统。该系统可改为用工业电网供电。交流电动机的转速一般是不可调节的，因而采用AC-AC电驱动型式早期的电驱动石油钻井装备采用AC-AC电驱动型，利用电网AC电源或用交流发电机电源直接供给AC电动机。由于这种型式工作转速不可调节，载荷特性是硬特性，不能满足钻井工艺的需要，进而不再发展。
（二）DC-DC电驱动系统
柴油机与直流发电机机组发出直流电驱动直流电动机，直流电动机驱动钻机进行钻井。这种电驱动系统称为DC-DC电驱动系统。调节发电机的励磁电流可改变该系统中发电机的输出电压，因而直流电动机的转速可从最小无级平滑地调节到最大。该系统采用单独驱动的方法。DC-DC电驱动型式上个世纪20年代，出现了第一台DC-DC电驱动石油钻机，由柴油机DC发电机组发出DC电，供给DC电动机。这种型式工作转速可调，载荷特性为软特性，可以更好地满足钻井工艺的需要。但是由于采用一对一调节方式，使用上很不经济。
（三）AC-SCR-DC电驱动系统
柴油机与交流发电机机组发出交流电，经可控硅整流后驱动直流电动机，直流电动机驱动钻机进行钻井。这种电驱动系统称为SCR（或AC/SCR或AC-SCR-DC）电驱动系统。在该系统中，几台柴油机分别带一台交流发电机并联运行。电子调速器将几台柴油机的转速均调节到1200转/分，使一每台发电机都发出60伏三相交流电。交流电集中到同一母线电线，经可控硅整流后输出0～750伏的直流电，供直流电动机用电。这可使直流电动机的转速从最小无级平滑地调节到最大石该系统可改为用工业网供电。
AC-SCR-DC电驱动型式上个世纪60年代，用于半潜式钻井船的第一台AC-SCR-DC电驱动石油钻机问世。与DC-DC电驱动不同的是采用了可控硅整流电源，不采用一对一的调节方式，提高了使用灵活性和经济性，同时还具有DC-DC电驱动的优良钻井性能。1982年以来，研究开发的顶驱，广泛地采用了AC-SCR-DC电驱动型式。
（四）AC变频电驱动系统
AC变频驱动型式上个世纪80年代中后期，出现了第一台AC变频驱动顶驱，采用了变频调速技术，具有精确调节工作转速和扭矩特性等优点，使石油钻机和顶驱可获得更好的钻井性能和调节使用性能，具有更好的适应性、经济性、可靠性和先进性。
二、液压和电驱动顶驱系统分析
Varco公司新系列顶驱主要基本参数目前，Varco公司生产7种规格新系列顶驱。API提升载荷2500KN～7500KN，连续工作扭矩为1021KN·m～8694KN·m，间歇工作扭矩为1847KN·m～12972KN·m，全功率转速为120r/min～500r/min。
根据对比数据可以得出以下结论：
1、静止状态。AC变频感应电动机驱动顶驱具有最大的扭矩系数为K均=1.53。比液压驱动顶驱大0.53，比AC-SCR-DC电驱动顶驱大0.25，比AC变频永磁电动机驱动顶驱大0.18。
2、恒扭矩调节使用范围。AC变频感应电动机驱动顶驱具有最小的恒扭矩调节使用范围，其百分比值a均=46.5%。比液压驱动顶驱小9.8%，比AC-SCR-DC电驱动顶驱小18.8%，比AC变频永磁电动机驱动顶驱小53.5%。
3、恒功率调节使用范围。AC变频感应电动机驱动顶驱具有最大的恒功率调节使用范围，其百分比值b均=53.5%。比液压驱动顶驱大9.8%，比AC-SCR-DC电驱动顶驱大18.8%，比AC变频永磁电动机驱动顶驱大53.5%。
4、总调节使用范围功率利用率。AC变频感应电动机驱动顶驱具有最高的总调节使用范围的功率利用率为P均=76.7%。其功率利用率比液壓驱动顶驱高4.9%，比AC-SCRDC电驱动顶驱高9.5%，比AC变频永磁电动机驱动顶驱高26.7%。
三、结论
根据上述分析，对于4种驱动形式顶驱可以得出以下综合结论：
AC变频感应电动机驱动顶驱具有最高的功率利用率、钻井成本低、动力消耗少、钻井性能和经济性最好。也就是本文推荐的最经济顶驱驱动型式。其次是液压驱动顶驱，功率利用率P均=71.8%，也是一种较好的顶驱驱动形式。再次是AC-SCR-DC电驱动顶驱，功率利用率P均=67.2%，是目前世界上使用数量最多的顶驱驱动形式。功率利用率最差的是AC变频永磁电动机驱动顶驱，功率利用率只有50%。AC变频感应电动机驱动顶驱是发展方向，可尽早加速研究开发AC变频感应电动机顶驱，以降低钻井成本和动力消耗，进一步提高钻井水平和经济效益。
参考文献
[1] 丁青山，董平，李治锋，等.电驱动钻机技术发展现状及分析[J].石油矿场机械，2012，41（2）：84-89.
[2] 刘廷鹏.电驱动石油钻机电气传动控制系统设计研究[J].中国科技纵横，2015（20）：155-155.
[3] 张东海，陈俊，蒋谊，高杭.直驱式顶驱的研制和应用[J].石油矿场机械.2012（01）.
[4] 徐贵田，滦海波，陈伟.交流顶驱条件下录井参数的测量问题探讨[J].化学工程与装备.2012（02）.
[5] 初德军.电动顶驱电控系统分析[J].中国石油和化工标准与质量.2012（05）.