張志毅，李繼斌，萬廣偉，朱曉梅

(1.中國石化河南石油工程有限公司鉆井工程公司，河南南陽 473132；2.中國石化河南石油勘探局機(jī)動處)

1 網(wǎng)電鉆機(jī)改造的背景

隨著電力技術(shù)的快速發(fā)展和鉆機(jī)電控技術(shù)的不斷提高，直接利用電網(wǎng)電能作為動力驅(qū)動鉆機(jī)已成為鉆機(jī)發(fā)展的趨勢。河南油田優(yōu)選部分鉆機(jī)作為網(wǎng)電鉆機(jī)先導(dǎo)應(yīng)用，取得了節(jié)能減排、降本增效的良好效果。

河南油田電網(wǎng)有35 kV、10 kV和6 kV三種等級。35 kV配電線路15條，分布在安棚、王集、井樓和古城油田；10 kV配電線路15條，分布在雙河、江河和張店油田；6 kV配電線路39條，分布在下二門油田。

河南油田現(xiàn)用鉆機(jī)48部，主要有電動鉆機(jī)、機(jī)電復(fù)合鉆機(jī)和機(jī)械鉆機(jī)3種類型，均由大功率柴油機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)組作為鉆機(jī)動力；單臺電動鉆機(jī)一般配有4臺1 300 kW和1臺400 kW柴油發(fā)電機(jī)組，單臺機(jī)械(機(jī)電復(fù)合)鉆機(jī)一般配有3臺810 kW柴油機(jī)和2臺400 kW柴油發(fā)電機(jī)組。單臺柴油機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)組理論油耗為201～209 g/(kW·h)，按柴油單價為7500元/噸計算，折合電價1.51～1.57元/(kW·h)。鉆機(jī)網(wǎng)電改造是用電網(wǎng)的電力去替代電動鉆機(jī)的柴油發(fā)電機(jī)組和機(jī)械(機(jī)電復(fù)合)鉆機(jī)的大功率柴油機(jī)組作為鉆機(jī)動力。電網(wǎng)電力的現(xiàn)市場價一般為0.500～0.874元/(kW·h)。由此可以看出，利用電網(wǎng)電力作為鉆機(jī)動力，經(jīng)濟(jì)效益會明顯提高。

2 網(wǎng)電鉆機(jī)技術(shù)改造方案

2.1 電動鉆機(jī)技術(shù)改造方案

電動鉆機(jī)改造的技術(shù)原理：電網(wǎng)高壓電進(jìn)入鉆機(jī)裝置的高壓房，經(jīng)變壓器變?yōu)?00 V/50 Hz交流電，替代鉆機(jī)原配套柴油發(fā)電機(jī)組為鉆機(jī)提供主動力，驅(qū)動絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等設(shè)備；由低壓控制系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償和諧波抑制，同時提供400 V/50 Hz交流電，進(jìn)入電機(jī)控制中心單元，為井場輔助設(shè)備及生活設(shè)施供電。

2.2 機(jī)械(機(jī)電復(fù)合)鉆機(jī)技術(shù)改造方案

機(jī)械(機(jī)電復(fù)合)鉆機(jī)改造的技術(shù)原理：電網(wǎng)高壓電進(jìn)入鉆機(jī)裝置的高壓房，經(jīng)高、低壓控制驅(qū)動2臺電動機(jī)，替代鉆機(jī)原配備的2臺柴油機(jī)為鉆機(jī)提供動力。電動機(jī)可選用交流電動機(jī)、交流變頻電動機(jī)和直流電動機(jī)。

交流電動機(jī)方案為選用2臺1 000 kW交流異步電機(jī)+調(diào)速偶合器,代替2臺柴油機(jī)正車偶合器機(jī)組，電機(jī)通過調(diào)速偶合器調(diào)速后驅(qū)動整體并車箱。

交流變頻電動機(jī)方案為選用2臺1 100 kW交流變頻電機(jī)替代2臺柴油機(jī)，依據(jù)選型電機(jī)的參數(shù)決定采用直驅(qū)式或加減速箱驅(qū)動。

直流電動機(jī)方案為選用2臺1 100 kW直流調(diào)速電機(jī)替代2臺柴油機(jī)，依據(jù)選型電機(jī)的參數(shù)決定采用直驅(qū)式或加減速箱驅(qū)動。

2.3 改造前后的性能對比

電動鉆機(jī)網(wǎng)電改造是用網(wǎng)電裝置代替2臺柴油發(fā)電機(jī)組供電，機(jī)械(機(jī)電復(fù)合)鉆機(jī)網(wǎng)電改造是用網(wǎng)電裝置的2臺電動機(jī)代替2臺柴油機(jī)組作為鉆機(jī)動力，兩種方案中鉆機(jī)其余結(jié)構(gòu)和主要設(shè)備沒有變化(圖1～4)；在電網(wǎng)突然失電的情況下，仍可啟用原保留的2臺柴油發(fā)電機(jī)組供電或原1～2臺柴油機(jī)為鉆機(jī)提供動力。

圖1 電動鉆機(jī)改造前動力系統(tǒng)簡圖

圖2 電動鉆機(jī)改造后動力系統(tǒng)簡圖

圖3 機(jī)械(機(jī)電復(fù)合)鉆機(jī)改造前傳動系統(tǒng)簡圖

圖4 機(jī)械(機(jī)電復(fù)合)鉆機(jī)改造后傳動系統(tǒng)簡圖

3 應(yīng)用效果

(1)河南油田第一臺電動鉆機(jī)網(wǎng)電改造為ZJ70D鉆機(jī)，改造后承擔(dān)了安深3-1HF非常規(guī)井施工作業(yè)任務(wù)。該井設(shè)計井深4 345 m，2012年8月14日開鉆，2013年2月12日完鉆，無故障累計運(yùn)行3 770.64 h。河南油田第一臺機(jī)械鉆機(jī)網(wǎng)電改造為ZJ50L鉆機(jī)，改造后已承擔(dān)了云1-HF等3口井施工作業(yè)任務(wù)，無故障連續(xù)累計運(yùn)行3 096.2 h。

(2)改造后的鉆機(jī)，可大幅度降低鉆井燃油成本，節(jié)約柴油機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組的大、中、小修費(fèi)用，柴油機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組修理配件消耗費(fèi)、燃油運(yùn)輸費(fèi)大大降低，具有投資少、見效快、操作簡便等特點(diǎn)，降低現(xiàn)場工作環(huán)境噪音和鉆井機(jī)房人員的勞動強(qiáng)度。選用變頻電機(jī)的網(wǎng)電改造方案，還可以實(shí)現(xiàn)大幅度調(diào)整泥漿泵排量、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和起下鉆的速度，使鉆機(jī)性能、可靠性、鉆井速度得到大幅度提高，縮短鉆井周期。同時由于電網(wǎng)的電力質(zhì)量優(yōu)于鉆機(jī)原配套柴油發(fā)電機(jī)組提供的電力質(zhì)量，因此使用電網(wǎng)電力也改善了鉆機(jī)的工作性能。

4 今后改進(jìn)的建議

(1)電動鉆機(jī)網(wǎng)電改造。河南油田電動鉆機(jī)網(wǎng)電先導(dǎo)改造方案中無功補(bǔ)償裝置采用的是電容補(bǔ)償方案，電容的分配存在過補(bǔ)或欠補(bǔ)的現(xiàn)象；應(yīng)采用動態(tài)無功補(bǔ)償(SVG)方案。該方案優(yōu)點(diǎn)是啟動沖擊小、動態(tài)響應(yīng)速度快、效率高[2]，具有任意組合的連續(xù)補(bǔ)償范圍、優(yōu)異的諧波輸出特性以及超強(qiáng)補(bǔ)償能力。

(2)機(jī)械(機(jī)電復(fù)合)鉆機(jī)網(wǎng)電改造。河南油田機(jī)械鉆機(jī)網(wǎng)電先導(dǎo)改造采用交流異步電動機(jī)+調(diào)速偶合器方案，存在泵沖、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速均不可調(diào)，調(diào)速偶合器效率低，輸出轉(zhuǎn)速波動大，噪音大，現(xiàn)場環(huán)境改善不顯著的問題；應(yīng)采用交流變頻電動機(jī)方案，該方案優(yōu)點(diǎn)是泵沖可調(diào)，主電機(jī)可變速范圍大，同一套網(wǎng)電裝置能滿足鏈條傳動鉆機(jī)和皮帶傳動鉆機(jī)對輸入轉(zhuǎn)速要求；主電機(jī)特性與鉆機(jī)特性匹配性好；噪音小、現(xiàn)場環(huán)境改善顯著。

(3)ZJ30車載鉆機(jī)網(wǎng)電改造。把單機(jī)泵組改造為電動泵組，用1臺800 kW電動機(jī)并入車載鉆機(jī)主機(jī)傳動箱輸入軸端驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤，保留原車載鉆機(jī)主機(jī)上的CAT柴油機(jī)組作為行駛和失電應(yīng)急動力。