一种多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置及其驱动方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

A kind of top drive drilling device directly driven by multi frequency motor and its driving method

【技术实现步骤摘要】
一种多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置及其驱动方法
本专利技术涉及石油钻井及地质钻探的
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术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，本专利技术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,…am，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。与现有技术相比本专利技术的有益效果为：采用多频电机驱动顶部驱动装置回转，从而进行钻井工作，该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，提高了钻井顶驱的工作效率；本专利技术结构简单，结构上采用直驱方式使得钻机系统维护方便，不配置减速箱与润滑装置，性能上在满足钻机使用要求同时保证事故处理能力安全系数高的基础上，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。适宜在勘探钻进设备进行推广，包含地质钻机、石油钻机、水井钻机的顶驱装置，经济效果显著。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是电机主轴和顶驱主轴配合剖面结构示意图；图3是多频电机出线盒部分的放大结构示意图。附图标记：1-进水装置；2-顶驱主轴；3-多频驱动电机；4-电机主轴；5-吊环悬挂器；6-锁母；7-保护接头；8-多频电机出线盒。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。如图1所示，本专利技术的多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置，包括顶驱主轴2和多频驱动电机3，顶驱主轴2为空心主轴，多频驱动电机3的电机主轴4套装于顶驱主轴2的外侧，电机主轴4的内侧面和顶驱主轴2的外侧面相匹配；顶驱主轴2位于多频驱动电机3的下端固连有吊环悬挂器5，本实施例中，吊环悬挂器5通过其下端的锁母6锁紧，使多频驱动电机3与顶驱主轴2成为一个整体，顶驱主轴2下端通过保护接头7与钻具连接，顶驱主轴2上端安装有进水装置1，多频驱动电机3采用多绕组结构；多频驱动电机3驱动顶驱主轴2回转，从而通过保护接头7带动钻具进行钻井，钻井过程中，钻井液通过进水装置1与顶驱主轴2形成的通道，经过保护接头7，进去钻具，进行循环。顶驱装置在驱动电机选型时，电机功率不能过小。顶驱装置是按最大工作负载设计最大功率(额定功率)，而钻机由浅到深钻井的过程中，实际应用的负载只有最大负载的20％-30％，实际输出功率与额定功率的比值就是负载率，若采用异步电机在低负载率时功率因数和电机效率急剧下降，只有20％左右，能源浪费严重；若采用单速电机，尽管电机的能源利用率高，但是功率体积不能降低；若电机功率仅按照正常工况选取，虽然能够提供2倍过载扭矩，但钻井现场解卡事故处理时间从几分钟到连续几天不等，长时间过载会造成电机发热严重，解卡能力不足。本申请采用多频电机作为顶部驱动钻井装置的驱动电机，多频电机是一种新型的驱动电机，该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；正常工况时，提供额定转速与扭矩；处理解卡事故时，切换绕组连接方式，提供正常工况多倍的额定扭矩，满足了钻机系统的低速大扭矩要求。使用多频电机仅切换绕组连接方式，电机功率仅按正常工况进行考虑，不仅降低了电机选型时的功率，还可为钻机提供连续解卡的能力。本实施例中，如图2所示，电机主轴4的内侧面为内六方或者内多方式，顶驱主轴2的外侧面为外六方或者外多方式；多频驱动电机3的电机主轴4直接驱动顶驱主轴2回转，没有中间环节。多频驱动电机3的绕组切换可采用电机绕组切换柜也可以在电机接线盒端手动连接，以开关大小、现场布置及切换反应速度要求灵活使用。本实施例中，多频驱动电机3设有电机绕组切换柜和变频器，用于切换绕组的连接方式；多频驱动电机3设有多频电机出线盒8，如图3所示，多频电机出线盒8绕组有a1,a2,…am，m为电机每相下线圈组的个数；输入电通过多频电机绕组出线盒8连接多频驱动电机3，根据电机并联支路数，a1,a2,…am绕组形成不同的串并联组合，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。本实施例的钻井装置的顶部直接驱动方法，正常工况下使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置，其特征在于，包括顶驱主轴(2)和多频驱动电机(3)，所述顶驱主轴(2)为空心主轴，多频驱动电机(3)的电机主轴(4)套装于顶驱主轴(2)的外侧，所述电机主轴(4)的内侧面和所述顶驱主轴(2)的外侧面相匹配；所述顶驱主轴(2)位于多频驱动电机(3)的下端固连有吊环悬挂器(5)，所述顶驱主轴(2)下端通过保护接头(7)与钻具连接，所述顶驱主轴(2)上端安装有进水装置(1)，所述多频驱动电机(3)采用多绕组结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置，其特征在于，包括顶驱主轴(2)和多频驱动电机(3)，所述顶驱主轴(2)为空心主轴，多频驱动电机(3)的电机主轴(4)套装于顶驱主轴(2)的外侧，所述电机主轴(4)的内侧面和所述顶驱主轴(2)的外侧面相匹配；所述顶驱主轴(2)位于多频驱动电机(3)的下端固连有吊环悬挂器(5)，所述顶驱主轴(2)下端通过保护接头(7)与钻具连接，所述顶驱主轴(2)上端安装有进水装置(1)，所述多频驱动电机(3)采用多绕组结构。


2.如权利要求1所述的多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置，其特征在于，所述电机主轴(4)的内侧面为内六方或者内多方式，所述顶驱主轴(2)的外侧面为外六方或者外多方式。


3.如权利要求1所述的多频电机直接驱动顶部驱动钻井装置，其特征在于，所述多频驱动电机(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，郭坤，刘家荣，王玉超，刘文武，杨鹏，贺云超，翁炜，黄玉文，
申请(专利权)人：北京探矿工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11