[发明专利]一种多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置及其驱动方法

说明书

本发明涉及石油钻井及地质钻探的技术领域，特别是涉及一种多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置及其驱动方法，其传动机构不易失效、能源利用率高、体积重量相对紧凑，采用多频电机驱动顶部驱动装置回转，从而进行钻井工作，电机采用多绕组结构，通过切换绕组的连接方式，改变绕组并联支路数，进而改变电机频率，输出多组不同的转速和扭矩，既实现高效率高功率因数能源利用率高，又降低了功率使成本得到大幅度降低；包括顶驱主轴和多频驱动电机，多频驱动电机的电机主轴套装于顶驱主轴的外侧；顶驱主轴位于多频驱动电机的下端固连有吊环悬挂器，顶驱主轴下端通过保护接头与钻具连接，顶驱主轴上端安装有进水装置，多频驱动电机采用多绕组结构。

技术领域

本发明涉及石油钻井及地质钻探的技术领域，特别是涉及一种多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置及其驱动方法。

背景技术

顶驱钻井装置是石油与地质钻井的前沿技术装备，它是一种可以在井架上部直接驱动钻柱回转，并沿着井架上的顶驱专用导轨向下送钻，完成钻柱回转、循环钻井液、接单根、接立根、上扣、卸扣、划眼等钻井作业的装备。其中顶驱传动装置大多为异步电机加变速机构进行驱动，近几年出现极少部分节能电动直驱顶驱；但在顶驱系统中使用的电机均为单频(单速)电机，钻机系统基于事故处理能力要按正常工况所需扭矩的2-3倍过载能力选取驱动电机，电机的功率不能过小。

已有的单频(单速)电机驱动的顶驱装置的使用虽然满足了低速大扭矩处理事故时的使用要求，但是在动电机选型时仍按正常钻进时的最大回转速度选定。由于没有机械变速系统，无法满足钻机大范围减速增扭工况；如果同时满足钻机最大扭矩和最大转速的需求，选定的电机功率将非常大，其变频控制系统将非常昂贵，其节能的效果被减弱。

已有的非直驱形式的顶驱传动装置，其齿轮箱中采用齿轮减速的方式实现顶驱的传动，其存在以下缺点：①齿轮箱需要密封，密封易失效，导致润滑油漏失，造成齿轮箱失效；②齿轮箱工作过程中磨损的铁屑易导致润滑油失效，影响散热，造成齿轮箱失效；③现有顶驱都由单速交机驱动，需要较大的功率，且调速范围过大，难以较大范围控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种传动机构不易失效、能源利用率高、体积重量相对紧凑的多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置及其驱动方法，由多频电机主轴直接驱动顶驱装置主轴回转，通过调节多频电机转速和扭矩从而控制顶驱装置转速与扭矩。

为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置，包括顶驱主轴和多频驱动电机，所述顶驱主轴为空心主轴，多频驱动电机的电机主轴套装于顶驱主轴的外侧，所述电机主轴的内侧面和所述顶驱主轴的外侧面相匹配；所述顶驱主轴位于多频驱动电机的下端固连有吊环悬挂器，所述顶驱主轴下端通过保护接头与钻具连接，所述顶驱主轴上端安装有进水装置，所述多频驱动电机采用多绕组结构。

一种可能的技术方案中，所述电机主轴的内侧面为内六方或者内多方式，所述顶驱主轴的外侧面为外六方或者外多方式。

一种可能的技术方案中，所述多频驱动电机设有电机绕组切换柜和变频器，用于切换绕组的连接方式。

一种可能的技术方案中，所述多频驱动电机设有多频电机出线盒，所述多频电机出线盒绕组有a₁,a₂,…a_m，m为电机每相下线圈组的个数。

一种钻井装置的顶部直接驱动方法，根据任一项上述的多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置实现的，正常工况下使用绕组串联，使用1倍扭矩和1倍转速状态，额定功率为f，额定扭矩为T的电气参数，变频器采用上述电气参数进行控制；处理解卡事故时，切换电机绕组至并联，使用n倍扭矩和1/n倍转速状态，额定功率为f/n，额定扭矩为n*T的电气参数，变频器采用上述电气参数进行控制，n为电机并联支路数的倍数，n的取值范围依据电机反电势及绕组形式决定。