高迅

（中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州 434024）

隨著國際油價的劇烈波動，國內(nèi)能源供應(yīng)日益緊張，踐行“節(jié)能降耗、綠色發(fā)展”理念成為時代發(fā)展的趨勢，而節(jié)能減排、降耗增效也成為石油企業(yè)低成本、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的途徑之一。在石油鉆井工程中，鉆井設(shè)備作業(yè)時的能源消耗占據(jù)了絕大部分。然而，節(jié)能新技術(shù)、新設(shè)備在鉆機上的運用不僅受到了外部經(jīng)濟環(huán)境、成本投資的影響，也受到了設(shè)備更新?lián)Q代周期的限制。因此，對現(xiàn)有鉆機進(jìn)行節(jié)能與儲能技術(shù)改造，對降低企業(yè)生產(chǎn)的能耗有著重要的作用，同時，這也逐漸受到了石油企業(yè)的高度關(guān)注[1]。

為此，筆者從網(wǎng)電鉆機改造、勢能回收、油氣雙燃料技術(shù)改造、“油改氣”技術(shù)改造等方面介紹了中石化四機石油機械有限公司在石油鉆機節(jié)能與儲能改造方面進(jìn)行的技術(shù)研究與探索實踐情況，以降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染。目前，這些節(jié)能新技術(shù)、新設(shè)備已成功被應(yīng)用于一些鉆井生產(chǎn)中，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，值得大力推廣。

1 鉆機網(wǎng)電改造

當(dāng)前，機械鉆機或復(fù)合驅(qū)動鉆機在許多油田仍然占有較大的比例，其采用傳統(tǒng)的柴油機并車驅(qū)動，柴油發(fā)電機組發(fā)電供電。由于柴油機（特別是服役年限長、大修過的柴油機）普遍存在可靠性差、油耗高、噪聲大、跑冒滴漏等現(xiàn)象，對鉆井經(jīng)濟效益、勞動強度和環(huán)境污染有重要影響。因此，鉆機“油改電”成為石油鉆井工程發(fā)展的必然趨勢。

1.1 電動鉆機網(wǎng)電改造

電動鉆機網(wǎng)電改造就是利用油區(qū)的高壓網(wǎng)電，讓高壓網(wǎng)電經(jīng)變壓器、無功功率補償裝置、濾波裝置等進(jìn)行處理，并將處理后輸出的交流電輸入原配的電控系統(tǒng)（VFD、SCR）驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等設(shè)備的電機工作，實現(xiàn)鉆井作業(yè)。電動鉆機網(wǎng)電改造時，除了留一臺柴油發(fā)電機組作為應(yīng)急備用外，其余的柴油發(fā)電機組全部由網(wǎng)電變壓器裝置替換，如圖1所示。為了適應(yīng)不同鉆井工況對絞車、泥漿泵和轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速要求，可利用電控系統(tǒng)（VFD、SCR）調(diào)控電機的轉(zhuǎn)速。由于沿用了原有鉆機的井架、底座、游吊系統(tǒng)、泥漿泵組和泥漿凈化系統(tǒng)等，鉆機結(jié)構(gòu)基本沒有大的變化，具有改造簡單、投資少、見效快的特點。

圖1 電動鉆機網(wǎng)電改造結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 機械鉆機網(wǎng)電改造

機械鉆機網(wǎng)電改造就是利用油區(qū)的高壓網(wǎng)電，讓高壓網(wǎng)電經(jīng)變壓器、無功功率補償裝置、濾波裝置等進(jìn)行處理，并將處理后輸出的交流電輸入原配的電控系統(tǒng)（VFD、SCR）驅(qū)動交流電機帶動并車箱驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等設(shè)備工作，實現(xiàn)鉆井作業(yè)。

機械鉆機網(wǎng)電改造時，除了留一兩臺柴油機作為應(yīng)急備用外，其余的柴油發(fā)電機全部由與柴油機功率相匹配的交流電機代替。增加（10（6）kV/600（400）V）的干式變壓器、高低壓開關(guān)及保護(hù)柜、動態(tài)消諧與功率補償裝置、軟啟動裝置等處理高壓網(wǎng)電，處理后輸出的交流電驅(qū)動交流電動機，電動機與并車箱通過聯(lián)軸器、調(diào)速液力偶合器、離合器連接，帶動并車箱運轉(zhuǎn)，如圖2所示。

與電動鉆機一樣，機械鉆機結(jié)構(gòu)基本沒有大的變化，具有改造簡單、投資少、見效快的特點。

圖2 機械鉆機網(wǎng)電改造結(jié)構(gòu)原理圖

1.3 鉆機網(wǎng)電改造的應(yīng)用效果

從四機廠對江漢石油工程公司對焦石70222井隊ZJ70D鉆機、焦石50013井隊ZJ50LDB鉆機實施網(wǎng)電改造的效果來看，這樣做相比柴油發(fā)電機組每月節(jié)約能耗費用26.2萬元，節(jié)能減排、降噪效果明顯。

2 鉆機勢能回收與儲能改造

針對鉆機作業(yè)時大量的勢能通過制動系統(tǒng)以熱能的形式消耗掉，沒有效利用的問題，引入飛輪儲能調(diào)峰運行系統(tǒng)，吸收鉆機起鉆、下鉆具工況時的勢能及絞車非工作條件下動力機組輕載時的富余功率，采用儲能裝置先儲存起來，在起鉆、解卡等需要消耗大功率的工況時釋放，從而使柴油機組長時間處于一種相對平穩(wěn)的運行狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能減排的目的[2]。新型鉆機勢能回收與儲能改造方案是：充分利用鉆桿和游車大鉤的勢能，將電磁剎車替換成既能夠剎車制動，又能夠回收能量發(fā)電的制動電機，如圖3所示。

圖3 鉆機下鉆過程勢能回收原理圖

剎車制動時，制動電機發(fā)出的電能驅(qū)動飛輪儲能電機實現(xiàn)升速儲能，完成勢能的回收、儲存。當(dāng)提升空游車或起鉆時，飛輪儲能電機降速發(fā)電，驅(qū)動調(diào)峰電機帶動絞車提升，實現(xiàn)儲存能量的利用。下鉆時，鉆桿與游車大鉤下放產(chǎn)生的勢能通過制動電機回收并轉(zhuǎn)換成電能，驅(qū)動飛輪儲能電機升速儲能。利用上一次回收的能量進(jìn)行下一次的提升空游車，從而實現(xiàn)部分柴油機停運。由于必須運行的柴油機數(shù)量減少，就會產(chǎn)生節(jié)約燃油的情況。隨著鉆桿數(shù)量的不斷增加，下鉆勢能會越來越大，當(dāng)下一次的提升空游車不能完全耗盡上一次下鉆回收的能量時，制動電機就會將多余的能量轉(zhuǎn)化成電能，供給鉆機的電力系統(tǒng)，從而減少整個井場的柴油機運行數(shù)量。在起鉆過程中，由于在鉆桿分段提出、拆卸過程中需反復(fù)下降空游車等操作，柴油機待機運行的部分功率就可充分利用。因此，引入大容量飛輪儲能機組，先將待機功率輸入飛輪儲能機組儲存，待提升鉆桿時，再將飛輪儲能機組儲存功率投放，從而實現(xiàn)單臺柴油機完成全過程的起鉆作業(yè)，如圖4所示。

圖4 鉆機起鉆過程勢能回收原理圖

從中原石油工程公司在衛(wèi)453井的實踐效果來看，鉆機可月節(jié)約柴油40 t左右，節(jié)能效果在30%以上，減少二氧化碳等排污40%，經(jīng)濟效益明顯。

3 鉆機油氣雙燃料技術(shù)改造

針對鉆機作業(yè)時產(chǎn)生大量井口氣的工況或CNG、LNG、丙烷氣等獲取方便的作業(yè)區(qū)塊，為了有效利用上述氣體減少燃油消耗，特引入動態(tài)燃?xì)饣旌?500發(fā)動機（DGB）改造方案。在不改變發(fā)動機主要結(jié)構(gòu)、部件和外形尺寸，不影響并車性能及原機可靠性和工廠保修的前提下，改造發(fā)動機的燃?xì)膺M(jìn)氣系統(tǒng)，通過外裝燃?xì)饧訜崞?、燃?xì)怅P(guān)斷閥和調(diào)壓閥等，直接控制燃?xì)?，并閉環(huán)自動控制，自動調(diào)節(jié)適應(yīng)燃?xì)赓|(zhì)量的變化，不需要客戶輸入燃?xì)赓|(zhì)量和進(jìn)行氣體分析；配備燃?xì)庀到y(tǒng)故障監(jiān)視綜合傳感器模塊（ISM），可監(jiān)控燃燒并與發(fā)動機控制模塊ECM通訊，控制調(diào)整和保護(hù)發(fā)動機在最佳狀態(tài)下運行，也可以自動關(guān)閉燃?xì)庀到y(tǒng)轉(zhuǎn)換到全柴油狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)移工地和燃?xì)夤?yīng)改變，不需要對發(fā)動機進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)整。

采用動態(tài)燃?xì)饣旌习l(fā)動機替代常規(guī)柴油機，可使用CNG、LNG、井口氣、丙烷氣。當(dāng)負(fù)載率在40%～85%時，最高替代率可達(dá)70%；燃料成本可降低20%～30%，經(jīng)濟環(huán)保。從江蘇油田的ZJ70D鉆機改造實踐效果來看，對于7 000 m電動鉆機井隊，每個井隊配套3臺燃油發(fā)電機，平均每天消耗柴油1.5～2.2 t，每臺發(fā)電機一年維修、保養(yǎng)費用5萬余元，如果全部采用燃?xì)獍l(fā)電機發(fā)電，以每個井隊一年平均施工2口井計算，一年節(jié)約綜合燃料成本至少在100萬元以上，顆粒物排放減少95%，CO排放減少30%，CO2排放減少17%，效果顯著。

4 電動鉆機“油改氣”技術(shù)

利用天然氣發(fā)電機組替代燃油發(fā)電機組，增加升壓變壓器，將燃?xì)鈾C組額定電壓AC400 V升至井隊額定電壓AC600 V；機組經(jīng)升壓變壓器升壓后，與井隊原有柴油發(fā)電機組經(jīng)手動切換開關(guān)接至SCR房進(jìn)線柜，燃?xì)鈾C組與原有柴油發(fā)電機組可切換，以保障井隊供電安全。同時，針對天然氣發(fā)電機組運行時偏軟的負(fù)荷特性，以及功率因數(shù)太低的問題，在井場增設(shè)無功功率補償裝置，提高功率因數(shù)，降低無功功率，并優(yōu)化管理天然氣發(fā)電機組的使用，確保單套機組的有功功率不低于200 kW，使其既能充分發(fā)揮設(shè)備性能，又能滿足負(fù)荷突變時的功率儲備要求，減少天然氣發(fā)電機組運轉(zhuǎn)組數(shù)，減少天然氣消耗，降低生產(chǎn)費用。

從中原70135ZY井隊在新疆進(jìn)行的ZJ70D鉆機實踐效果來看，鉆機油改氣后天然氣消耗成本最高能降至燃油消耗的35%左右，運營成本明顯降低。

由于需要增加升壓變壓器等相關(guān)裝置，井隊一次設(shè)備投入成本高，因此，單井的綜合運營成本下降效果受到影響，但是，在區(qū)塊集中或叢式井鉆井作業(yè)時效果突出，效益最大。

5 發(fā)展前景展望

隨著鉆機技術(shù)水平的不斷發(fā)展，工業(yè)電網(wǎng)的完善，以及綠色能源的推廣引用，以節(jié)能與儲能技術(shù)為基礎(chǔ)，研制“節(jié)能、環(huán)保、高效”的新型石油鉆機，是必然的發(fā)展趨勢，也是國產(chǎn)鉆機提升技術(shù)水平，提高國際競爭力的必經(jīng)之路。