CN105756559A - 一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置及其动力提供方法 - Google Patents

一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置及其动力提供方法 Download PDF

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张立伟
金辉
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Abstract

本发明提供了一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置及其动力提供方法，其包括电力驱动机构、滚筒和井架单元；所述电力驱动机构包括电源、控制系统、飞轮储能单元和电机，所述电机为滚筒提供转动动力，井架单元中包括大钩，所述大钩通过滚筒转动而发生位移，所述控制系统中包括整流单元和逆变单元，电源与电机之间依次通过整流单元和逆变单元而连接，而电源通过整流单元与飞轮储能单元中的储能飞轮电连接。本发明通过相互之间的配合使得本装置在修井时既能减少功耗又提高了工作效率。

Description

一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置及其动力提供方法
技术领域
本发明属于石油井修领域，尤其是涉及一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置及其动力提供方法。
背景技术
现有的修井机分为两部分，一种采用的是燃油机械传动修井机，一种是电容储能式电驱动修井机。
电容储能式电驱动修井机依靠电源(即用外界电网/底盘发电机)和电容储能元件驱动后端电动机带动滚筒转动。取代原有单纯底盘取力的机械传动进而带动滚筒转动，针对燃油机械传动修井机来说功率输出有很大提高。
但电容式储能式电驱动修井机仍有很多不足：1、其充放电次数有限(即使用寿命有限)；2、放电效率低；3、可靠性相对较低；4、尺寸重量及有效存储能量低。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置，以解决提供工作效率的同时，增加使用寿命的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置，包括电力驱动机构、滚筒和井架单元；
所述电力驱动机构包括电源、控制系统、飞轮储能单元和电机；
所述电机为滚筒提供转动动力，所述井架单元中包括大钩，所述大钩通过滚筒转动而发生位移，所述滚筒和井架单元均安装在修井机上；
所述控制系统中包括整流单元和逆变单元；
所述电源与电机之间依次通过整流单元和逆变单元而连接；
而所述电源通过所述整流单元与飞轮储能单元中的储能飞轮电连接。
进一步的，所述飞轮储能单元中包括双向逆变器，所述储能飞轮通过双向逆变器分别与整流单元和逆变单元电连接。
进一步的，所述井架单元还包括液压缸、竖直设置在修井机底盘上的直立塔架和折叠在修井机底盘上的井架，所述大钩安装在井架上，所述液压缸一端铰接于修井机底盘，另一端铰接于井架的下部；
所述修井机底盘上设有修井机安装底板，所述修井机安装底板与水平面平行，且所述修井机安装底板上设有井架支撑架，所述井架抵接于井架支撑架上，所述修井机安装底板上还设有吊耳，所述液压缸与吊耳固定连接。
进一步的，所述电源为井场电网三相电源和安装在修井机上的发电机。
进一步的，所述发动机与一取力器连接，所述取力器通过传动轴驱动发电机。
进一步的，所述控制系统还包括检测电机实际输入功率的检测模块。
进一步的，所述电机内包括用于刹车的刹车装置。
相对于现有技术，本发明所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置具有以下优势：
(1)本发明所述的电源、控制系统、飞轮储能单元和电机可以通过相互之间的配合使得本装置在修井时既能减少功耗又提高了工作效率；
另外，在安全系数方面：因为使用的是飞轮储能的方式，故而因其自身是真空密封模式，所以可避免出现故障损坏的情况；
在使用寿命方面：储能飞轮可连续运行20年；
在使用效率方面：储能飞轮采用成熟的逆变器放电的模式运行，故而整体效率在98％以上，那么在小功率电源供电情况下此种整体工作效率就显得尤为重要；
在可靠性方面：储能飞轮在使用温度、防护等级、防碰撞、穿刺、防爆、海拔高度要求和对环境的污染等方面都有明显优势。
(2)本发明所述的储能飞轮和电源均能为电机提供运行动力，因此保障了系统的稳定性和适应性，而电源包括发电机和井场电网三相电源这两种，那么就可根据现场情况适当选择使用其中一种动力源，保证了装置的实时运行。
本发明的另一目的在于提出一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置的动力提供方法，以解决根据情况为修井装置精确提供动力需要的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置的动力提供方法，其具体步骤包括：
第一步，控制系统判断是否需要电源输出电力，当需要电源输出电力则进行第二步；
第二步，控制系统控制电源通过整流单元和逆变单元为电机提供动力；同时电源通过整流单元和双向逆变器驱动储能飞轮储能；
第三步，控制系统还通过检测模块检测电流经过逆变单元后提供给电机的输入功率；
第四步，当电机的输入功率小于电源提供的功率时则继续第二步的供电模式，否则进入第五步；
第五步，储能飞轮停止储能并通过双向逆变器为逆变单元提供电能，该电能通过逆变单元与电源一起为电机提供运行动力，与此同时持续执行第二步的检测。
进一步的，所述第一步中控制系统判断电机不需要提供电源电力时，所述控制系统阻止电源为电机提供电力，当电机发生与电源提供电力时转向相反的转动时，该电机通过逆变单元和双向逆变器为储能飞轮提供储能能量。
进一步的，所述控制系统中的检测模块还检测储能飞轮的角速度，并通过公式：W＝0.5Jω2计算出储能飞轮的储存能量，其中J:转动惯量，ω：储能飞轮的角速度。
相对于现有技术，本发明所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置的动力提供方法具有以下优势：
(1)本发明所述的动力提供方法不仅可以利用储能飞轮特有的功能以及与电机之间通过控制系统的配合实现了为电机供电的目的，还因为储能飞轮合理的收集能源和释放能源的工作模式，最大限度的利用了能源且为电机提供大功率运行的电力支持。
(2)本发明通过检测储能飞轮的角速度可简便迅速的计算出储能飞轮的储存能量也是进一步的提高整个动力提供效率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置的各个硬件的位置示意图；
图2为本发明实施例所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置的修井机安装底板结构示意图；
图3为本发明实施例所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置的整体框架图；
图4为本发明实施例所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置的电连接关系示意图。
附图标记说明：
1-整流单元；2-逆变单元；3-电机；4-储能飞轮；5-双向逆变器；6-滚筒；7-大钩；8-液压缸；9-直立塔架；10-支腿；11-井架；12-修井机安装底板；121-支架加强杆；122-井架支撑架；123-吊耳。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-4所示，一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置，其包括电源、控制系统、飞轮储能单元和包括刹车装置的电机3；
所述控制系统中包括整流单元1和逆变单元2，所述电源与电机3之间依次通过整流单元1和逆变单元2而连接，所述整流单元1与逆变单元2可为变频器中的功能单元，那么电源直接通过变频器与电机3连接；
而所述电源通过所述整流单元1与飞轮储能单元中的储能飞轮4电连接，同时因为储能飞轮4中具有双向逆变器，故而整流单元1中的电流通过双向逆变器5的变换才流入到储能飞轮4内部，同时储能飞轮4通过双向逆变器还与逆变单元2电连接；
本装置还包括滚筒6和井架单元，而滚筒和井架单元均放置安装在用于修井机上，所述电机3为滚筒6提供转动动力，所述井架单元中包括大钩7、液压缸8、竖直设置在修井机底盘上的直立塔架9以及折叠在修井机底盘上的井架11，所述大钩7通过滚筒6转动而发生位移，所述大钩7安装在井架11上，所述液压缸8一端铰接于修井机底盘，另一端铰接于井架11的下部，在使用修井机底盘上的发动机驱动时，通过取力器取力，简化掉了原有的传动轴，变速箱、扭矩转换器等一系列的机械传动单元，大大降低了设备购置费用，减少了设备安装调试时间和故障率。
在修井机上还需要包括支腿10，该支腿10包括连接有液压锁的支腿油缸，此硬件设备提高了整机的稳定性和安全性。
如图2所示，所述修井机底盘上设有修井机安装底板12，所述修井机安装底板12与水平面平行，且所述修井机安装底板12上设有井架支撑架122，所述井架支撑架122通过支架加强杆121伫立在修井机安装底板12上，因此井架支撑架122可以承受井架11的强大压力，所述井架11抵接于井架支撑架122上，所述修井机安装底板12上还设有吊耳123，所述液压缸8与吊耳123固定连接。
所述电源为井场电网三相电源和安装在修井机上的发电机，所述发动机与一取力器连接，所述取力器通过传动轴驱动发电机，当具有井场电网三相电源的时候即将其作为电源，而如果没有外界电源的时候就可以使用修井机上自带的发电机作为电源使用。
所述控制系统还包括检测电机3实际输入功率的检测模块。
上述修井装置的动力提供方法，其具体步骤包括：
第一步，控制系统判断是否需要电源输出电力，当需要电源输出电力则进行第二步，否则进入到第六步；
第二步，控制系统控制电源通过整流单元1和逆变单元2为电机3提供动力；同时电源通过整流单元1和双向逆变器5驱动储能飞轮4储能；
第三步，控制系统还通过检测模块检测电流经过逆变单元2后提供给电机3的输入功率；
第四步，当电机3的输入功率小于电源提供的功率时则继续第二步的供电模式，否则进入第五步；
第五步，储能飞轮4停止储能并通过双向逆变器5为逆变单元2提供电能，该电能通过逆变单元2与电源一起为电机3提供运行动力，与此同时持续执行第二步的检测；
第六步，所述第一步中控制系统判断电机3不需要提供电源电力时，所述控制系统阻止电源为电机3提供电力，当电机3发生与电源提供电力时转向相反的转动时，该电机3通过逆变单元2和双向逆变器5为储能飞轮4提供储能能量。
所述控制系统中的检测模块还检测储能飞轮4的角速度，并通过公式：W＝0.5Jω2计算出储能飞轮4的储存能量，其中J:转动惯量，ω：储能飞轮4的角速度。因为储能飞轮4的储存能量检测方便，故而可以对储能飞轮4实行实时监控并用于警报，尤其是储能飞轮4或者电源、电机3等设备出现故障，从而造成储能飞轮4不能实现储能的时候，我们就可以根据检测的储存能量及时掌握此种情况。
本修井装置的工作原理：
将井下的套管一柱柱的提出来，进行疏通后再一柱柱的放入井中，这就需要滚筒6转动拉升大钩7向上运行10米或20米，提出一柱套管，然后停下卸掉套管，滚筒6再反向转动下放大钩7至井口来提升下一根套管。
在这个过程中只有大钩7上升过程中需要满功率大负荷，在停止过程中是靠刹车装置来抱死滚筒6，不需要再向其提供功率。而在下放过程中重力做功，使用刹车来控制，故而整个过程中只有上提过程中需要提供功率，其他时间均不需要提供功率。
控制系统检测到需要电源供电的时候，电源经过整流单元1转为直流分别去往逆变单元2为电机3供电和经双向逆变器5带动储能飞轮4进行储能，在电源功率大于电机3所需要的输入功率的时间中储能飞轮4持续进行储能，而在上提需要满功率输出时，将电源提供的功率和储能飞轮4存储的功率一起提供给电机3，此时的储能飞轮4通过双向逆变器5向电机3输出能量，使得电机3满负荷工作，从而提高提升重物的效率。
另外，电机3在被下放重物反拖时会反向充电给储能飞轮4进行储能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置，其特征在于：包括电力驱动机构、滚筒(6)和井架单元；
所述电力驱动机构包括电源、控制系统、飞轮储能单元和电机(3)；
所述电机(3)为滚筒(6)提供转动动力，所述井架单元中包括大钩(7)，所述大钩(7)通过滚筒(6)转动而发生位移，所述滚筒(6)和井架单元均安装在修井机上；
所述控制系统中包括整流单元(1)和逆变单元(2)；
所述电源与电机(3)之间依次通过整流单元(1)和逆变单元(2)而连接；
而所述电源通过所述整流单元(1)与飞轮储能单元中的储能飞轮(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置，其特征在于：所述飞轮储能单元中包括双向逆变器(5)，所述储能飞轮(4)通过双向逆变器(5)分别与整流单元(1)和逆变单元(2)电连接。
3.根据权利要求1所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置，其特征在于：所述井架单元还包括液压缸(8)、竖直设置在修井机底盘上的直立塔架(9)和折叠在修井机底盘上的井架(11)，所述大钩(7)安装在井架(11)上，所述液压缸(8)一端铰接于修井机底盘，另一端铰接于井架(11)的下部；
所述修井机底盘上设有修井机安装底板(12)，所述修井机安装底板(12)与水平面平行，且所述修井机安装底板(12)上设有井架支撑架(122)，所述井架(11)抵接于井架支撑架(122)上，所述修井机安装底板(12)上还设有吊耳(123)，所述液压缸(8)与吊耳(123)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置，其特征在于：所述电源为井场电网三相电源和安装在修井机上的发电机。
5.根据权利要求4所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置，其特征在于：所述发动机与一取力器连接，所述取力器通过传动轴驱动发电机。
6.根据权利要求1所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置，其特征在于：所述控制系统还包括检测电机(3)实际输入功率的检测模块。
7.根据权利要求1所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置，其特征在于：所述电机(3)内包括用于刹车的刹车装置。
8.权利要求1所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置的动力提供方法，其特征在于：
具体步骤包括：
第一步，控制系统判断是否需要电源输出电力，当需要电源输出电力则进行第二步；
第二步，控制系统控制电源通过整流单元(1)和逆变单元(2)为电机(3)提供动力；同时电源通过整流单元(1)和双向逆变器(5)驱动储能飞轮(4)储能；
第三步，控制系统还通过检测模块检测电流经过逆变单元(2)后提供给电机(3)的输入功率；
第四步，当电机(3)的输入功率小于电源提供的功率时则继续第二步的供电模式，否则进入第五步；
第五步，储能飞轮(4)停止储能并通过双向逆变器(5)为逆变单元(2)提供电能，该电能通过逆变单元(2)与电源一起为电机(3)提供运行动力，与此同时持续执行第二步的检测。
9.根据权利要求8所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置的动力提供方法，其特征在于：所述第一步中控制系统判断电机(3)不需要提供电源电力时，所述控制系统阻止电源为电机(3)提供电力，当电机(3)发生与电源提供电力时转向相反的转动时，该电机(3)通过逆变单元(2)和双向逆变器(5)为储能飞轮(4)提供储能能量。
10.根据权利要求8所述的一种飞轮储能式电驱动修井/钻井装置的动力提供方法，其特征在于：所述控制系统中的检测模块还检测储能飞轮(4)的角速度，并通过公式：W＝0.5Jω2计算出储能飞轮(4)的储存能量，其中J:转动惯量，ω：储能飞轮(4)的角速度。
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