苑承波，吳開磊，陳 楠，張 超

（渤海裝備中成裝備制造公司，天津 300280）

0 引言

隨著油田生產(chǎn)區(qū)域城市化進(jìn)程的不斷加快，社會(huì)和居民以及企業(yè)自身對(duì)設(shè)備“節(jié)能、環(huán)保、低碳、降噪”的要求越來(lái)越高，用網(wǎng)電修井作業(yè)設(shè)備取代柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備已是大勢(shì)所趨。但是，各修井公司因網(wǎng)電修井作業(yè)受設(shè)備投入、修井周期、能源動(dòng)力價(jià)格和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用等因素的影響，不能夠合理判斷是否運(yùn)用網(wǎng)電修井設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。為進(jìn)一步明確網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)運(yùn)用的決策依據(jù)，通過經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式，對(duì)網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)和柴油修井機(jī)的能耗、維護(hù)保養(yǎng)、成本等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。

1 網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)電源補(bǔ)償系統(tǒng)工作原理

網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)在常規(guī)電動(dòng)修井機(jī)的基礎(chǔ)上引入超級(jí)電容技術(shù)，利用修井作業(yè)間歇性動(dòng)力需求的特點(diǎn)和超級(jí)電容快充快放的特性，在修井一個(gè)循環(huán)的2/3時(shí)間內(nèi)，為修井機(jī)的超級(jí)電容充電，1/3的時(shí)間內(nèi)快速放電，與井場(chǎng)變壓器一起為修井機(jī)電機(jī)供電，達(dá)到修井機(jī)的功率要求，就能夠在現(xiàn)有的電網(wǎng)資源條件下，滿足電動(dòng)修井機(jī)作業(yè)，再通過不斷循環(huán)，完成整個(gè)修井作業(yè)過程。

2 網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性影響因素

修井設(shè)備利用網(wǎng)電的目的是節(jié)能減排、環(huán)保降噪。判斷修井設(shè)備是否采用網(wǎng)電，需綜合考慮網(wǎng)電修井設(shè)備投入、網(wǎng)電工程建設(shè)投入、修井周期、燃油動(dòng)力價(jià)格和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用等因素。

2.1 網(wǎng)電修井設(shè)備投入

網(wǎng)電修井設(shè)備投入，使用方如果一次性購(gòu)置設(shè)備，可按固定資產(chǎn)折舊方式使用設(shè)備，如果以租賃方式使用，在折舊的基礎(chǔ)上增加附加費(fèi)用。

2.2 網(wǎng)電工程建設(shè)投入

網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)，直接將電纜與井場(chǎng)抽油機(jī)配電柜連接，無(wú)需其他工程建設(shè)投入。

2.3 修井周期

網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)，直接接入井場(chǎng)抽油機(jī)配電柜400 V交流電源，避免了接高壓電存在的安全隱患、采油廠不再需要協(xié)調(diào)高壓電工，作業(yè)大隊(duì)電工即可完成此項(xiàng)工作，能縮短至少1 d的作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間。

2.4 能源動(dòng)力價(jià)格

電能，各地區(qū)電價(jià)不一樣，有的是油田內(nèi)部供電，有的是地方給井場(chǎng)供電。油田內(nèi)部供電是按變壓器容量收取，地方給井場(chǎng)供電是按電表收取。

柴油，最近隨著國(guó)際原油價(jià)格的持續(xù)上漲，國(guó)內(nèi)成品柴油價(jià)格不斷上漲，隨之而來(lái)的就是修井的成本越來(lái)越高。

2.5 設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用

網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)的電機(jī)和變頻器等主要部件壽命長(zhǎng)、易損件少、不需要消耗油品，減少了生產(chǎn)消耗。沒有柴油機(jī)所需的三濾等配件，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低。

3 油電消耗等效關(guān)系

修井機(jī)經(jīng)動(dòng)力系統(tǒng)，利用絞車、井架、游車大鉤和其他工具起下管柱，現(xiàn)以管柱起下所消耗的能量為依據(jù)，由管柱起下所消耗的能量，通過反推的方式，建立柴油修井機(jī)與網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)之間的能耗折算關(guān)系。設(shè)提升同等重量的管柱需要能量為G。

3.1 柴油修井機(jī)耗能

柴油修井機(jī)是通過柴油機(jī)做功，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后再通過變速箱、角傳動(dòng)箱、絞車、滑輪組等傳動(dòng)鏈提升管柱。由設(shè)備的主要參數(shù)可知，傳動(dòng)鏈傳動(dòng)總效率約為=0.75。根據(jù)能量守恒可列出等式（1）。

式中G——提升管柱耗能，kW·h

Q——柴油消耗量，t

k——燃油消耗率修正系數(shù)，取值1.0～1.2

q——柴油機(jī)燃油消耗率，g/（kW·h）

因柴油機(jī)性能數(shù)據(jù)是按燃油消耗量標(biāo)定，則柴油機(jī)燃油消耗率見式（2）。

式中B——每小時(shí)的燃油消耗量，kg/h

Pe——有效功率，kW

將柴油機(jī)燃油消耗率代入可得式（3）。

3.2 網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)耗能

網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)是通過網(wǎng)電+儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后再通過變速箱、角傳動(dòng)箱、絞車、滑輪組等傳動(dòng)鏈提升管柱。使用網(wǎng)電時(shí)，變壓器運(yùn)行效率為0.99，電機(jī)效率為0.9～0.95。根據(jù)能量守恒可列出式（4）。

式中W——電力消耗量，kW·h

3.3 柴油修井機(jī)與網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)能耗等效關(guān)系

結(jié)合式（3）和（4），在柴油修井機(jī)與網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)作業(yè)時(shí)，上提同一重量管柱的情況下，柴油機(jī)和電機(jī)輸出的能量是一樣的，得出油電消耗等效關(guān)系見式（5）和式（6）。

整理得到：

以60 t修井機(jī)為例，柴油機(jī)為東方康明斯ISL9.5-385E51A，在額定轉(zhuǎn)速下，有效功率為282 kW，標(biāo)定燃油消耗量57 kg/h，代入式（6）得 Q=2.02 t。即實(shí)際用電 1萬(wàn) kW·h時(shí)，相當(dāng)于消耗柴油2.02 t。

4 柴油修井機(jī)與網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)經(jīng)濟(jì)性測(cè)試對(duì)比分析

4.1 柴油修井機(jī)與網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)能耗測(cè)試

（1）燃油消耗測(cè)試（摘自華北油田二廠岔河集岔80-59井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)）。岔80-59井，檢泵作業(yè)。此井共起下油管386根，起下抽油桿402根，管柱共計(jì)788根，累計(jì)油耗為320 L，平均每根管柱耗油量為0.41 L。按0#柴油價(jià)格6.5元人民幣/L，單根管柱消耗的燃油費(fèi)用為2.66元人民幣/根。

（2）網(wǎng)電消耗測(cè)試（摘自華北油田二廠岔河集岔80-59井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)）。此井同樣為檢泵作業(yè)，共起下油管386根，起下抽油桿402根，管柱共計(jì)788根，累計(jì)耗電量為336 kW·h，平均每根耗電量為0.426 kW·h。目前華北油田執(zhí)行峰谷電價(jià)，峰時(shí)0.8元人民幣/（kW·h），谷時(shí)0.4元人民幣/（kW·h）。按照峰谷期間作業(yè)時(shí)間相同進(jìn)行計(jì)算，平均電價(jià)為0.6元人民幣/（kW·h），可以推算出，利用網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)，單根管柱消耗的電量費(fèi)用0.256元人民幣/根。

4.2 燃油消耗及網(wǎng)電消耗測(cè)試分析對(duì)比

（1）通過以上計(jì)算可以得出，利用網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)較柴油修井機(jī)，提升同等負(fù)荷的情況下，單根管柱可節(jié)省費(fèi)用2.4元人民幣。

（2）單純對(duì)比燃油消耗及電量消耗，以燃油消耗作為基數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，單根管柱的能源節(jié)約率90%。

（3）由以上對(duì)比數(shù)據(jù)可以推導(dǎo)出，柴油修井機(jī)提升單根管柱消耗燃油的成本是網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)提升單根管柱消耗電量成本的10.39倍。

（4）柴油修井機(jī)提升1根管柱消耗燃油費(fèi)用為2.66元人民幣，將此費(fèi)用應(yīng)用于網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)，至少可以提升10.39根管柱。

（5）按照修井作業(yè)習(xí)慣，年出勤率為300 d計(jì)算，平均每天提放320根管柱進(jìn)行測(cè)算，每年共可提放96 000根管柱。利用網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)，單純對(duì)比燃油及耗電費(fèi)用，單臺(tái)年度可節(jié)省費(fèi)用230 400元人民幣。

4.3 燃油修井機(jī)及網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)維護(hù)保養(yǎng)分析對(duì)比

（1）柴油修井機(jī)柴油機(jī)年維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用（表1）。根據(jù)各采油廠設(shè)備部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，60 t修井機(jī)的柴油機(jī)每年需日常維護(hù)、維修配件，每作業(yè)（500～800）h就要更換柴油機(jī)潤(rùn)滑油及機(jī)油濾清器、空氣濾清器、柴油濾清器1次，表1是國(guó)內(nèi)油田設(shè)備管理單位統(tǒng)計(jì)的60 t修井機(jī)用柴油機(jī)年維護(hù)費(fèi)用。

表1 柴油修井機(jī)柴油機(jī)年維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用

（2）網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)電控系統(tǒng)維護(hù)、保養(yǎng)費(fèi)用。變頻電機(jī)需維護(hù)、保養(yǎng)的項(xiàng)點(diǎn)比較少，電控系統(tǒng)免維護(hù)，參照網(wǎng)電鉆機(jī)、網(wǎng)電修井機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)，電控系統(tǒng)年維護(hù)保養(yǎng)材料費(fèi)用臆3000元人民幣。

4.4 柴油修井機(jī)與網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)年消耗費(fèi)用對(duì)比

按照年出勤率為300 d，每天提放320根管柱進(jìn)行測(cè)算，每年共可提放96 000根管柱。

（1）柴油修井機(jī)年消耗費(fèi)用264 930元人民幣。

（2）網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)年消耗費(fèi)用27 576元人民幣。

（3）網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)年能源消耗節(jié)約率89.6%。

（4）網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)較柴油修井機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，傳遞效率高，故障率低，維修成本低。采用液壓盤剎作為滾筒剎車，剎車片更換周期長(zhǎng)，材料成本低。

4.5 柴油修井機(jī)與網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)的使用成本對(duì)比（表2）

表2 柴油修井機(jī)與網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)的使用成本對(duì)比萬(wàn)元人民幣

從表2可見，網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)比柴油修井機(jī)年度使用費(fèi)用可節(jié)省23.7萬(wàn)元人民幣。參照柴油驅(qū)動(dòng)修井機(jī)，設(shè)備的有效使用年限為15 a。

（1）與柴油修井機(jī)機(jī)投資成本持平年限計(jì)算。持平年限=3.88 a。

（2）單臺(tái)網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)15 a可減少成本計(jì)算。動(dòng)力超級(jí)電容模組廠家承諾使用壽命為逸10 a，按照8 a進(jìn)行計(jì)算，15 a內(nèi)更換一組動(dòng)力超級(jí)電容模組，單套動(dòng)力超級(jí)電容模組價(jià)格為25萬(wàn)元人民幣。單臺(tái)網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)15 a內(nèi)可以為用戶減少成本238.5萬(wàn)元人民幣。

目前的超級(jí)電容模組已在城市電動(dòng)公交車、新能源汽車、地鐵、風(fēng)力發(fā)電等各領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用，各方面性能及穩(wěn)定性已得到認(rèn)證，同時(shí)介于網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的工況（快充快放），動(dòng)力超級(jí)電容模組本體電量一直可以維持自身總?cè)萘康?0%以上，更加延長(zhǎng)了動(dòng)力超級(jí)電容模組的使用壽命。

5 結(jié)論

經(jīng)中石油技術(shù)檢測(cè)中心現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)加裝超級(jí)電容補(bǔ)償系統(tǒng)，與柴油修井機(jī)相比綜合節(jié)能率>74.7%。網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)通過“以電代油”的方式，有效解決了傳統(tǒng)石油修井機(jī)能耗高、污染排放嚴(yán)重的問題，修井作業(yè)成本和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用降低，修井作業(yè)的利潤(rùn)空間增加，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提高。