黃仲華（中石化石油機械有限公司市場發(fā)展處，湖北 武漢 430223）

當前石油勘探開發(fā)所使用的絕大多數(shù)鉆機，采用的基本是柴油機驅動或通過柴油機驅動發(fā)電機組然后再通過機械傳動或電傳動來驅動相關動力機組的動力驅動方式。由于近幾年石油價格長期處于高位，致使鉆機動力成本大量上升，直接影響鉆井服務商的經濟效益。同時，隨著油田開發(fā)的深入，油田公用和專用電網(wǎng)的覆蓋面越來越廣，而網(wǎng)絡電價比鉆井隊的自發(fā)電價格具有明顯優(yōu)勢，從而引出了鉆機進行應用公網(wǎng)電力為鉆機提供動力完成鉆井的網(wǎng)電改造問題。

1 鉆機網(wǎng)電改造方案介紹

當前普遍應用的鉆機網(wǎng)電改造方案主要有4種。

1.1 機械鉆機及復合（半電動）鉆機改造成低壓網(wǎng)電鉆機

改造分為機械改造和電氣改造兩部分。整套改造費用在650萬左右。

1）機械部分改造 只對鉆機的后臺動力機組及相關電氣部分進行改造。改造方案是：重新制造2套變頻電機動力機組（1100kW、660r／min），替代原配備的柴油機動力機組（柴油機＋液力偶合減速箱），為鉆機后臺提供動力（該網(wǎng)電改造裝置配2臺變頻電機，可同時適用于ZJ70LDB鉆機）。原鉆機配備的雙機聯(lián)動動力機組中的1套柴油機動力機組保留，作為在工業(yè)電網(wǎng)停電時的應急作業(yè)備用，柴油機與變頻電機可以并車運行。變頻電機動力機組與柴油機動力機組能夠進行互換，在工業(yè)電網(wǎng)供電不能滿足的條件下，可以恢復到改造前柴油機動力機組驅動鉆機的狀態(tài)。在工業(yè)電網(wǎng)不能正常供電的情況下，保留的1臺或2臺柴油機動力機組為絞車、泥漿泵提供動力進行應急作業(yè)，輔助發(fā)電機組給轉盤VFD／MCC系統(tǒng)供電（400V電源）。

2）電氣部分改造 ①增加1套高低壓變配電系統(tǒng)（安裝于高壓房），就近引入公共電網(wǎng)（10kV）。通過帶自動有載調壓裝置的1600kVA電力變壓器，將油區(qū)10kV高壓電轉換為600V交流電，為鉆機電氣控制系統(tǒng)提供三相600V、50Hz交流電源。變壓器原邊（10kV）設高壓進線真空斷路器、避雷器、接地檢測、計量儀表和微機控制單元等電氣設備；變壓器副邊（600V）分兩路，一路去本系統(tǒng)低壓房，另一路接1250kVA變壓器的原邊，1250kVA變壓器副邊去系統(tǒng)低壓房。每一回路均設有斷路器，起隔離、控制和保護作用。②增加1套VFD電氣控制系統(tǒng)。由2臺變頻器驅動控制變頻電機（1100kW／600V），變頻器容量為1200kW／600V。另增加1臺600V／400V、1250kVA電力變壓器，為原鉆機轉盤VFD／MCC系統(tǒng)、固控系統(tǒng)和井場照明設備提供三相400V、50Hz交流電源。該系統(tǒng)中，600V系統(tǒng)和400V系統(tǒng)均接有變頻裝置，變頻裝置運行時產生的諧波，由600A有源濾波裝置和450kVar基波補償裝置來濾除，保證電網(wǎng)系統(tǒng)平均功率因數(shù)在0.9以上。③增加1臺不銹鋼操作箱。增加1臺司鉆工操作的正壓防爆控制箱，可操作和顯示2臺1100kW變頻電機驅動系統(tǒng)電壓、電流、功率等相關參數(shù)。

1.2 電動鉆機（直流電驅或交流變頻電驅）直接改造成網(wǎng)電鉆機

將柴油發(fā)電機組供電改為公用電網(wǎng)供電，即增加1套移動式變配電房，將油田公網(wǎng)用電通過變壓器變?yōu)?00V的電壓，直接接入到SCR（可控硅整流器）房，為解決諧振波干擾和提高功率因數(shù)，配套增加諧波抑制裝置和無功補償裝置。70型鉆機電動鉆機改造費用約300萬元。

1.3 機械鉆機改造成高壓網(wǎng)電鉆機

采用2臺（700～1000kW）高壓電動機代替190系列柴油機作為主動力驅動工作機運轉。預留1臺190系列柴油機作為停電時應急使用。采用限矩型液力偶合器（現(xiàn)逐步應用可變速液力偶合器）傳動，對電動機和傳動系統(tǒng)進行過載保護；并通過其調配功能使每臺電機負荷分配均勻，并起到緩沖、吸振及柔性傳動的作用。電動機采用與油田6kV電網(wǎng)相匹配的啟動電壓，通過高壓啟動柜控制啟動。系統(tǒng)為電機供電配6kV高壓配電室、高壓啟動柜及控制系統(tǒng)；另配6／0.4kV的動力變壓器為井場低壓電器設備供電。1套機械鉆機改造費用約450萬元。

1.4 井場用電改為網(wǎng)電的改造方案

增加1套移動式變配電房，將油田公網(wǎng)用電通過變壓器變?yōu)?20V的電壓，直接接入井場用電系統(tǒng)，代替井場小型發(fā)電機組，滿足常規(guī)用電需求。其優(yōu)勢是改造量小，投入少，簡便易行，適用于較淺井（3000m）的鉆井施工。

2 鉆機網(wǎng)電改造的效果與效益

筆者所在單位曾先后對電動鉆機和機械鉆機進行了改造，均取得了比較好的效果，目前在部分地區(qū)仍在大量應用中。

2.1 鉆機改造后的效果與優(yōu)劣勢

2.1.1 電動鉆機改造

1）優(yōu)點 采用高壓電網(wǎng)變壓取代柴油發(fā)電機組為電控系統(tǒng)提供電力，有效避免柴油發(fā)電機組的噪聲及油水污染。高壓電網(wǎng)取代大功率柴油發(fā)電機組，成本節(jié)約效果十分明顯?，F(xiàn)場對于電網(wǎng)改造設備這一部分基本上無需維護，相關維護維修保養(yǎng)費用很低。可以減少3名發(fā)電工的人員崗位，有效節(jié)約人力資源。目前對電容的補償及投切的相關技術基本成熟。

2）缺點 對于這種網(wǎng)電改造，由于電動鉆機所需電量很大，一般需對變電站進行擴容，增加高壓架空線路、井場變壓器、電纜等設施，每次新井供電的一次性投入較高。此外，供電系統(tǒng)存在的問題主要是因直流電動鉆機負荷的功率因數(shù)很低（0.4～0.7），遠低于國家電網(wǎng)對功率因數(shù)的要求，諧波含量較高，對電網(wǎng)的污染較大。而使用功率因素補償?shù)囊淮瓮度胭M用很高，目前相關技術也未十分成熟。電動鉆機本身是一個快速變化的大負荷，經常性地出現(xiàn)電壓波動幅較大的情況，對電控系統(tǒng)及電子設備的使用有一定影響，會降低電器元件的使用壽命。

2.1.2 機械鉆機改造

1）優(yōu)點 由于采用了高壓電直接驅動，電能損耗小，且無需配備大容量變壓器變壓。電動機體積小，重量輕，運轉平穩(wěn)，與柴油機相比，振動小、噪聲較低，有利于員工身心健康。電動機無跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，大大有利于環(huán)保。電動機工作可靠，操作控制方便，自保功能齊全，無需專人看護，日常的維護保養(yǎng)工作量少，顯著提高鉆機的先進性和工作可靠性，降低了人工成本及維修費用。由于采用了液態(tài)電阻啟動器的軟啟動方式，電動機啟動時最大啟動電流一般達到120～130A，在20s內可回到40～50A，電動機最大負荷工作電流可達80A左右，對電網(wǎng)的沖擊及影響不太大。

2）缺點 高壓電動機轉速無法調整，在使用過程中調整泵沖數(shù)及轉盤轉速等參數(shù)雖可利用可調速液力偶合器進行調速，但調速性較差，難以滿足鉆井工藝需要。高壓電動機轉速較高，聯(lián)動機等傳動機構的維護成本相對增加。鉆機每更換井場施工，都要對電網(wǎng)進行改造架接，對電網(wǎng)容量和電網(wǎng)主干線距井場的距離有較高的要求，其費用相對較高。對于3000m以內搬遷較頻繁的鉆井施工而言，經濟效益受到一定的制約。

2.2 鉆機的經濟效益對比

鉆機使用柴油機組發(fā)電，以目前柴油價格約7500元／t計算，綜合成本1.3～1.5元／kW·h，約網(wǎng)電平均價格0.65元的2倍。以中石化所屬某單位元壩×井為例，采用70型鉆機改造的網(wǎng)電鉆機驅動鉆進，平均每天耗電29000kW·h，按當?shù)厥袌鲭妰r0.73元／kW·h計算，30d能耗成本是63.5萬元。如果用柴油驅動鉆機鉆進，平均每天耗油5.8t（190系列柴油機平均油耗200g／kW·h），按市場價計算，30d能耗成本130.5萬元?？梢?0型鉆機使用網(wǎng)電比使用柴油驅動降低能耗成本67萬元／月。

此外，如計算減少鉆井隊人工成本及柴油機組維護保養(yǎng)、檢修、耗材費用等綜合管理成本，每個井隊月費用可節(jié)省約10萬元。因此使用公網(wǎng)電力進行鉆井施工，對降低鉆井成本和節(jié)能降耗具有非常好的效果。

3 推廣網(wǎng)電鉆機應用的建議

鑒于網(wǎng)電鉆機應用的巨大經濟效益，國內應大力推廣網(wǎng)電鉆機改造與應用。對今后的改造應用，綜合考慮網(wǎng)電鉆機改造的優(yōu)缺點，應注意以下幾個方面：

1）規(guī)范網(wǎng)電鉆機設計生產和改造標準，建立健全網(wǎng)電鉆機標準體系和應用規(guī)范，根據(jù)不同地區(qū)公用電網(wǎng)能力情況，應采取不同的改造方案。對目前尚不具備應用網(wǎng)電鉆機的區(qū)域，可以采取結合油田開發(fā)方案，對井場供電先期建設的方式滿足使用網(wǎng)電鉆機的實際需求。如電網(wǎng)容量不足可以采用第三種改造方案。

2）鉆機的網(wǎng)電改造，應充分考慮對現(xiàn)有電網(wǎng)的沖擊干擾，如諧波干擾、啟動干擾等，避免因使用網(wǎng)電鉆機對系統(tǒng)電網(wǎng)的破壞，造成其他電網(wǎng)用戶不必要的經濟損失。同時改善網(wǎng)電鉆機無功自動補償裝置，提高網(wǎng)電鉆機功率因數(shù)，實現(xiàn)能效最大化。

3）開展網(wǎng)電鉆機應用檢測，完善網(wǎng)電鉆機使用情況記錄，掌握網(wǎng)電鉆機的能耗規(guī)律與故障規(guī)律，為網(wǎng)電鉆機的改造和參數(shù)優(yōu)化提供技術支持。

4）對新制造投產的電動鉆機或復合驅動鉆機，從設計制造中，應在相關系統(tǒng)中預留進行網(wǎng)電改造所需的接口，使今后的現(xiàn)場網(wǎng)電應用減少投入，提高效益。

5）為了推動油田開發(fā)方（甲方）和鉆井承包商（乙方）積極使用網(wǎng)電鉆機，要制定規(guī)則讓油田開發(fā)方和鉆井承包商雙方均成為利益共享者。鼓勵油田開發(fā)方提前建設井場電網(wǎng)，推進網(wǎng)電鉆機應用。