鐘雨（大慶油田設計院有限公司）

修井機是修井和井下作業(yè)施工中最基本、最主要的動力來源，按其運行結構分為履帶式和輪胎式兩種形式，也是油田開發(fā)生產(chǎn)中不可缺少的重要生產(chǎn)設備，同時也是油田重點用能設備。傳統(tǒng)的修井機大多采用柴油發(fā)動機作為動力裝置，每年需要消耗可觀的燃料且生產(chǎn)作業(yè)過程產(chǎn)生的噪音、排放廢氣，給油田清潔化生產(chǎn)帶來一定的影響。以國內某特大型油田企業(yè)為例，目前在用各類修井機400余臺，年消耗燃料（柴油）1.2萬余噸。近幾年來，隨著能耗剛性增長和能源雙控的壓力，針對優(yōu)化能源管理節(jié)能技術優(yōu)選、生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化調控等技術難題，大力降低油氣開發(fā)成本和油氣生產(chǎn)能耗，降低油田修井作業(yè)成本，提升油田開發(fā)質量，實現(xiàn)增產(chǎn)增效和節(jié)能減排，已成為各油田一項重要的研究課題[1-2]。

1 傳統(tǒng)修井機存在的問題

傳統(tǒng)修井機主要有履帶式和輪胎式兩種，無論是履帶式修井機，還是輪胎式修井機，均采用采用柴油發(fā)動機作為動力裝置，主要存在以個方面的問題：

1）能耗高。傳統(tǒng)修井機是油田生產(chǎn)主要能耗設備之一，每臺修井機每年需要消耗柴油30 t（約110噸標煤），不符合油田節(jié)能減排的需要[3]。

2）作業(yè)過程排放廢，且產(chǎn)生噪音大[4]。修井機采用柴油發(fā)動機，作業(yè)過程存在廢氣排放現(xiàn)象，同時作業(yè)廠界產(chǎn)生噪音大，有關環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)修井機作業(yè)現(xiàn)象廠界噪音測試數(shù)據(jù)多數(shù)在60～70 d B。

3）作業(yè)過程易造成環(huán)境污染。為預防廢液及油泥砂落地的防污染措施越來越不能滿足施工現(xiàn)場環(huán)境保護需求，沿用油管擺放區(qū)、抽油桿擺放區(qū)鋪設防滲膜，四周搭建玻璃鋼圍堰，防止廢液和油泥砂落地、外溢的的模式。隨著環(huán)保形式的日益嚴峻，結合目前修井作業(yè)的實際情況，存在多項弊端：一是防滲膜強度不夠，施工過程中出現(xiàn)破損，不可避免造成廢液落地污染，增加治理難度；二是使用后的廢棄含油塑料布為危險廢物，缺乏專業(yè)的處置隊伍，處置難度較大，且處置成本較高；三是鋪設防滲膜、搭建環(huán)保圍堰耗時多，工作量大，影響作業(yè)時效。

4）自動化程度低，員工作業(yè)勞動強度大。修井機自動化作業(yè)程度低，作業(yè)過程主要依靠人工作業(yè)操作，存在員工作業(yè)勞動強度大、工作效率低等問題。

5）能量浪費。修井機下油管和抽油桿過程是一個作功過程，所產(chǎn)生的能量沒有得到有效利用，存在能量浪費問題。

6）修井作業(yè)成本高。采用傳統(tǒng)修井機存在作業(yè)成本高、修井速度慢，嚴重影響油氣開發(fā)經(jīng)濟效益的提升[5]。

2 組成及工作原理

2.1 全電力全自動修井機的組成

全電力全自動修井機是一種機械液力傳動的新型修井機，修井機的動力裝置、絞車、井架、游車系統(tǒng)及傳動機構全部裝載于自走式底盤上，對于提高修井作業(yè)搬遷效率具有很大的優(yōu)勢[6]。車載修井機系具有作業(yè)負荷大、性能可靠、越野能力強、移運方便，作業(yè)和搬遷費用低等特點，并適合在高寒、沙漠、高原等特殊地區(qū)使用要求。修井機的動力來源于車載儲能裝置，車輛移動采用電力驅動，作業(yè)過程采用電力拖動裝置。修井機動力裝置集直流母線變頻控制技術、能量回饋利用技術、儲能技術于一體。全電力全自動修井機系統(tǒng)結構見圖1。

圖1 全電力全自動修井機系統(tǒng)結構Fig.1 System structure of fully electric and automatic workover rig

2.2 工作原理

2.2.1 直流母線技術

直流母線技術采用單獨的整流濾波裝置為電動機調速裝置提供具有一定電壓和功率的直流電源母線[7]。電動機調速用逆變器直接掛于直流母線上，當電動機工作在電動狀態(tài)時（起油管作業(yè)時），逆變器從母線上汲取電能；當電動機工作在倒發(fā)電狀態(tài)時（下油管作業(yè)時），能量即時饋入母線為儲能裝置補充電能，以達到節(jié)省電能、提高設備運行可靠性等目的。

2.2.2 儲能裝置技術

儲能裝置技術采用電化學能儲能技術，一根充電線從井場控制柜連接到電儲能裝置，打開裝置開關，就能夠源源不斷地提供動力。大功率電儲能裝置改變了能源消費結構，推動網(wǎng)電替代柴油發(fā)電，實現(xiàn)了設備“以電代油”，一方面降低了噪聲，另一方面實現(xiàn)了綠色環(huán)保[8-9]。

2.2.3 能量回饋利用技術

該技術采用“雙變頻”原理，是通過變頻器內置的直流電壓觀測和電流運算電路時事檢測變頻器直流環(huán)節(jié)電壓，電動機進入發(fā)電狀態(tài)時將會導致變頻器直流環(huán)節(jié)電壓升高，當直流環(huán)節(jié)電壓升高至一定值時，由交流電壓觀測和同步發(fā)生電路控制IGBT（逆變模塊）將這部分電能變換成和電網(wǎng)電源同步同相位的系統(tǒng)正弦波[10]。通過把電動機在機械勢能的作用下進入發(fā)電狀態(tài)時返回變頻器直流環(huán)節(jié)的電能通過濾波電抗器和噪聲濾波器輸送到變頻器的電源側，供本地設備利用，從一定程度上減少了設備從電網(wǎng)吸收的電量，從而達到進一步提高節(jié)能效果的目的。

3 全電力全自動修井機的特點

基本參數(shù)和總體設計符合GB/T 23505《石油天然氣工業(yè)鉆機和修井機》?；赟AFI軟件對井架、底座等關鍵部件進行強度分析。高度模塊化，實現(xiàn)快速移運。采用機械傳動，操作靈活，維護保養(yǎng)簡單。油田專用得越野底盤，通過性強，適應油田復雜路況，使用壽命長。車載系統(tǒng)完全符合新能源車輛設計技術規(guī)范要求。全電力的動力系統(tǒng)，使作業(yè)過程不產(chǎn)生廢氣廢水，符合清潔化生產(chǎn)技術要求。采用全自動生產(chǎn)作業(yè)技術，作業(yè)過程自動控制化程度高，大大減輕作業(yè)人員的勞動強度。它與傳統(tǒng)修井機相比，能耗是同規(guī)格傳統(tǒng)修井機的30%。由于作業(yè)生產(chǎn)過程采用全電力和變頻技術，作業(yè)過程平穩(wěn)運行，產(chǎn)生的噪音是傳統(tǒng)修井機的70%。

4 現(xiàn)場應用情況及效果

4.1 現(xiàn)場應用

全電力全自動修井機研制完成后，于2021年10月在某采油廠投入現(xiàn)場油井作業(yè)應用。為了防止油井修井作業(yè)過程產(chǎn)生廢液和油泥砂落地、外溢問題，該修井配套應用船型圍堰裝置，該裝置共分五組獨立的長方型鐵池子，內部焊接橋座，可以調節(jié)橋座高度，其中四組拼接作為油管擺放和廢液排放區(qū)，一組作為抽油桿擺放區(qū)，實現(xiàn)了油泥砂不落地，有效地杜絕了二次污染。該裝置可以全面替代目前作業(yè)現(xiàn)場普遍應用的“防滲布+環(huán)保圍堰+油管桿橋座”修井設施。

修井機的移動采用電力驅動，油田作業(yè)過程中起抽油桿和油管時利用儲能裝置的電能通過變頻控制系統(tǒng)驅動電動機作業(yè)，而下抽油桿和油管的過程則是一個產(chǎn)生能量的過程，所產(chǎn)生的電能回饋到儲能裝置，實現(xiàn)修井機系統(tǒng)整體節(jié)能。全電力全自動修井機與傳統(tǒng)修井機相比，裝備技術實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。同規(guī)格全電力全自動修井機與傳統(tǒng)修井機相關測試數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 同規(guī)格全電力全自動修井機與傳統(tǒng)修井機相關測試數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of relevant test data between full electric automatic workover rig and traditional workover rig of the same specification

4.2 效果分析

油井作業(yè)現(xiàn)場應用全電力全自動修井機后，與傳統(tǒng)修井作業(yè)相比，修井作業(yè)工作效率提升了一倍，修井作業(yè)質量得到明顯提升，油井修井綜合能耗減少70%，提升油水井修井作業(yè)自動化程度，降低油井修井作業(yè)生產(chǎn)成本，作業(yè)人員勞動強度明顯降低，油井作業(yè)時間減少了一半，作業(yè)過程噪音明顯降低，作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境質量得到提高，實現(xiàn)了油井修井作業(yè)過程產(chǎn)生廢液和油泥砂不落地、不外溢，實現(xiàn)了油井修井作業(yè)清潔化生產(chǎn)，避免了油水井因修井作業(yè)造成二次污染問題，滿足了油田綠色低碳高效高質量發(fā)展的要求。

5 綜合評價分析

1）綜合節(jié)能效益分析。修井機動力裝置采用直流母線變頻控制技術、能量回饋利用技術、儲能技術等節(jié)能先進技術，綜合能耗得到下降。據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)修井機月消耗柴油2.5 t，折合標煤為3.64 t，而同樣的工作量，采用全電力全自動修井機則需消耗電能8 897 k Wh，折合標煤為1.09 t，則每月減少能耗為2.55 t，其節(jié)能率為70%，則每臺修井機每年節(jié)約標準煤為30.60 t。若每噸標煤按價格1 000元計算，則每臺修井機每年產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益可達到3萬余元，節(jié)能降耗效果明顯。

2）環(huán)保效益分析。通過采取應用船型圍堰裝置替代油井管桿擺放區(qū)鋪設防滲膜防污工藝的效果明顯，可以有效減少油井作業(yè)過程產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，減少防滲膜的應用，從源頭上減少污染的產(chǎn)生，杜絕二次污染，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。同時，通過使用作業(yè)現(xiàn)場新型環(huán)保圍堰，實現(xiàn)了污油污水不落地，避免了因落地油污染形成的油泥砂和廢塑料布，有效實現(xiàn)了油泥砂減量化。

據(jù)統(tǒng)計，每口井防滲膜費用約700元，以每年實施作業(yè)井數(shù)約10 000口計算，全年可節(jié)省防滲膜費用700萬元。同時，還可節(jié)省含油塑料布處置費用，按照目前含油塑料每噸處置價格2 000元計算，以每口井產(chǎn)生含油塑料布約1 t，全年實施作業(yè)井數(shù)10 000口，即可節(jié)省防滲膜治理費用2 000萬元。則通過應用新型船型圍堰裝置全年可節(jié)約成本2 700余萬元。

3）降低作業(yè)噪聲，改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境質量。通過采用網(wǎng)電替代柴油發(fā)電以及變頻節(jié)能控制技術，油水井作業(yè)現(xiàn)場廠界噪聲與傳統(tǒng)修井機相比降低了20 d B，現(xiàn)場作業(yè)噪音有效降低，改善了修井作業(yè)工作環(huán)境質量。

4）提升了修井工作效率。采用全電力全自動修井機，修井工作效率與傳統(tǒng)修井機相比提高了1.5倍，縮短了修井作業(yè)時間，提升了修井工作質量和作業(yè)成功率。

5）提升了修井機的自動化程度，降低了現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動強度。采用自動化修井機，降低了現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動強度。

6 結束語

全電力全自動修井機是智能化、數(shù)字化油田建設的需要，也是降低油氣開發(fā)成本和油氣生產(chǎn)能耗，降低油田修井作業(yè)成本，提升油田開發(fā)質量，改進傳統(tǒng)作業(yè)方式，實現(xiàn)增產(chǎn)增效和節(jié)能減排，建設綠色低碳高效企業(yè)實現(xiàn)高質量發(fā)展的需要。全電力全自動修井機集先進的直流母線變頻控制技術、能量回饋利用技術、儲能技術等先進節(jié)能控制技術于一體，它的研制成功與應用，為油田油氣開發(fā)生產(chǎn)提供了節(jié)能減排又一重要利器。實踐證明，該修井機具有技術先進、實用性和現(xiàn)場適應性強、能耗低、節(jié)能效果好、自動化水平高、高度模塊化、操作靈活、維護保養(yǎng)簡單、綠色環(huán)保、作業(yè)過程不產(chǎn)生廢氣廢水符合清潔化生產(chǎn)技術要求等優(yōu)點，完成能滿足油田生產(chǎn)現(xiàn)場修井作業(yè)要求，具有良好的推廣應用前景。