綠色低碳型石油鉆機應(yīng)用淺析

李建鵬 譚慧敏

（1.中國石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測中心 山東東營 2.東營市城市管理局 山東東營）

一、引言

石油鉆機是用來進(jìn)行油氣勘探與開發(fā)的具有多種功能的聯(lián)合機組，由動力驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、鉆機底座、輔助設(shè)備系統(tǒng)共8大系統(tǒng)組成。從動力驅(qū)動系統(tǒng)的角度可以把石油鉆機分為機械驅(qū)、網(wǎng)電驅(qū)、液壓驅(qū)、天然氣機驅(qū)動等類型。然而，在當(dāng)前國家大力推行清潔生產(chǎn)、綠色低碳的大環(huán)境下，如何通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)節(jié)能降耗已成為油田企業(yè)面臨的緊迫課題。基于此，介紹常規(guī)石油鉆機和綠色低碳型石油鉆機優(yōu)缺點，分析我國未來石油鉆機的發(fā)展趨勢。

二、機械驅(qū)動石油鉆機

機械驅(qū)動是石油鉆機中最常見的驅(qū)動形式。機械驅(qū)石油鉆機有蒸汽輪機驅(qū)石油鉆機、燃?xì)廨啓C驅(qū)石油鉆機和柴油機驅(qū)石油鉆機3種。

1.蒸汽機驅(qū)動石油鉆機

蒸汽機是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機械功的往復(fù)式動力機械。蒸汽機的出現(xiàn)曾引起了18世紀(jì)的工業(yè)革命。直到20世紀(jì)初，仍然是世界上最重要的原動機。早期在石油鉆機中采用的是蒸汽機直接驅(qū)動，優(yōu)點是工作柔性好，具有較好的調(diào)節(jié)與使用性能。缺點是效率低、使用不經(jīng)濟、設(shè)備結(jié)構(gòu)和重量過大，這種驅(qū)動形式的鉆機早已不用。

2.燃?xì)廨啓C驅(qū)動石油鉆機

燃?xì)廨啓C是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械。曾研制與應(yīng)用的燃?xì)廨啓C驅(qū)動石油鉆機，可是經(jīng)過鉆井實踐證明，雖然這種鉆機可以鉆井，但耗油量太大、不經(jīng)濟，因此也沒有推廣使用。

3.柴油機驅(qū)動石油鉆機

1897年，德國工程師狄塞爾發(fā)明了柴油機。1934年柴油機開始用于石油鉆機。柴油機驅(qū)動石油鉆機的形式有柴油機直接驅(qū)動石油鉆機、柴油機—液力裝置驅(qū)動石油鉆機兩大類型。

柴油機直接驅(qū)動石油鉆機就是利用柴油機產(chǎn)生動力，主要優(yōu)點是不受地區(qū)限制，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，便于搬遷移運，適于野外流動作業(yè)。但作為鉆機動力機也有不足之處，噪聲大、影響工人健康，驅(qū)動傳動效率低、燃料成本高，這與綠色低碳的主題顯然是相違背的。

柴油機—液力裝置驅(qū)動石油鉆機是柴油機輸出軸直接連液力變矩器（或耦合器），經(jīng)鏈條并車，然后經(jīng)鏈條、齒輪、萬向軸、膠帶等機械元件的多種形式組合，實現(xiàn)減速、換向、倒車。主要優(yōu)點：隨外界載荷變化能自動無級地變速、變矩；驅(qū)動絞車時，可明顯提高鉆機起升工效；傳動平穩(wěn)柔和，吸收沖擊振動，延長了機械設(shè)備壽命。不足之處是效率偏低，且效率隨渦輪軸轉(zhuǎn)速在很大范圍內(nèi)變化，純鉆進(jìn)驅(qū)動泵時功效明顯低于機械傳動，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要一套補償和散熱冷卻系統(tǒng)。

當(dāng)前，柴油機是國內(nèi)機械鉆機的主要動力，由于柴油價格較高，且工作噪聲極大，機械驅(qū)動石油鉆機耗能量也高，因此推廣綠色低碳型石油鉆機具有重大意義。

三、綠色低碳石油鉆機

1.電驅(qū)動石油鉆機

（1）AC-AC驅(qū)動石油鉆機。AC-AC（交流-交流）驅(qū)動石油鉆機是鉆機最早采用的電驅(qū)動型式。這種驅(qū)動形式和柴油機驅(qū)相比，短時過載能力強，傳動效率高，以實現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，維護(hù)保養(yǎng)簡單。但缺點是鉆機工作轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)且載荷特性為硬特性，不能更好的滿足鉆井需要。

（2）DC-DC驅(qū)動石油鉆機。DC-DC（直流-直流）驅(qū)動石油鉆機是指多套柴油發(fā)電機組發(fā)出直流電，供給直流電機驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵。另外還有一臺柴油發(fā)電機組，供照明與鉆機輔助設(shè)備用電。DC-DC驅(qū)動石油鉆機的優(yōu)點是：直流電機具有軟工作特性，其超載荷適應(yīng)性強；直流電機啟動與制動軟平穩(wěn)，能夠最大限度地滿足鉆井工藝需要；轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速可以進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，適用于精確處理打撈作業(yè)。缺點是DC-DC驅(qū)動石油機采用單獨驅(qū)動方式，可靠性較差。

（3）AC-SCR-DC驅(qū)動石油鉆機。AC-SCR-DC（交流-可控硅-直流）驅(qū)動石油鉆機是指數(shù)臺柴油發(fā)電機組發(fā)出交流電并網(wǎng)輸?shù)酵荒妇€電纜上（或由工業(yè)電網(wǎng)供電），經(jīng)晶閘管整流裝置整流后驅(qū)動直流電機，帶動絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵。AC-SCR-DC驅(qū)動石油鉆機的優(yōu)點是：具有DC-DC驅(qū)動石油鉆機的全部優(yōu)點，但不需要專門配備供照明和輔助設(shè)備用電的小型柴油發(fā)電機組；動力使用與分配合理，靈活性好，功率利用率高，鉆機噪聲小、油污少，較之前面類型驅(qū)動的石油鉆機更符合綠色低碳的要求。缺點是一次性投資費用比機械驅(qū)動鉆機高，并且交流公共母線上的功率因數(shù)較低。

（4）AC-VFD-AC驅(qū)動石油鉆機。AC-VFD-AC（交流-變頻-交流）驅(qū)動石油鉆機是指將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到鉆機的電驅(qū)動控制系統(tǒng)上，使AC-SCR-DC驅(qū)動鉆機中的直流驅(qū)動裝置換成交流驅(qū)動裝置，直流電機變成交流電機。這類驅(qū)動的石油鉆機的優(yōu)點有調(diào)速控制系統(tǒng)性能高、啟動電流小、工作效率高、過載能力強、可實現(xiàn)回饋制動剎車、使用安全方便、噪聲低、維護(hù)簡單等。

（5）AC-GTO-AC驅(qū)動石油鉆機。AC-GTO-AC（交流-變頻調(diào)速-交流）驅(qū)動石油鉆機是新發(fā)展起來的一種先進(jìn)的電驅(qū)動石油鉆機，其核心技術(shù)就是采用了交流變頻調(diào)速技術(shù)。優(yōu)點：鉆機的絞車、轉(zhuǎn)盤可實現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍寬；可使電機短時增矩達(dá)原來的 1.5～2倍以上，大大提高了鉆機的提升能力和處理事故的能力；機械結(jié)構(gòu)大大簡化；具有轉(zhuǎn)盤扭矩限制功能，可防止鉆具或機件扭斷；對電機具有安全保護(hù)功能；負(fù)載功率因數(shù)高，具有軟啟動性能，可降低供電電源的容量；可實現(xiàn)對電網(wǎng)的能量反饋，減少制動裝置損耗，節(jié)約能源；容易實現(xiàn)鉆機的自動化、智能化和對外界變化的自適應(yīng)控制；安裝、拆卸、搬遷方便靈活。雖然成本較高，但不失為電驅(qū)動石油鉆機中最符合綠色低碳要求的石油鉆機。

盡管電驅(qū)動石油鉆機較機械驅(qū)動石油鉆機具備了一定的先進(jìn)性和優(yōu)越性，但同樣也要考慮油耗偏高的問題，可采取諸如盡量減少在網(wǎng)機組數(shù)量、有效利用輔助發(fā)電機組等措施，使電驅(qū)動石油鉆機更符合節(jié)能減排、綠色低碳的要求。

2.液壓蓄能石油鉆機

以顧心懌院士為首的科研人員在液壓蓄能修井機研制經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)了液壓蓄能鉆機。液壓蓄能鉆機充分發(fā)揮了液壓傳動的優(yōu)勢，合理地蓄能、用能，達(dá)到節(jié)能和降低整機的配置功率目的。液壓蓄能鉆機沒有井架、絞車、天車、聯(lián)動機組和摩擦制動系統(tǒng)，整機制造成本大大降低。目前，液壓蓄能鉆機在設(shè)計原則、思路、原理、系統(tǒng)總體設(shè)計方案、關(guān)鍵技術(shù)等方面都已經(jīng)取得了顯著成績，隨著研究的逐步深入，相信未來液壓蓄能石油鉆機將會大放異彩。

3.天然氣機驅(qū)石油鉆機

天然氣機驅(qū)石油鉆機是將天然氣機引入機械鉆機作為動力設(shè)備的新型石油鉆機。通過在井隊試驗證明：采用天然氣機驅(qū)動機械鉆機，可以節(jié)省燃料費用27%，降低鉆井成本，減少尾氣污染物排放，一氧化碳排放可以降低17%，碳?xì)浠衔锝档?%，氮氧化合物降低21%，天然氣機產(chǎn)生的煙度比柴油機產(chǎn)生的煙度更是極大降低。毋庸置疑，這符合綠色低碳石油鉆機的發(fā)展需求。

4.其他類型驅(qū)石油鉆機

混合驅(qū)石油鉆機：混合驅(qū)動鉆機是指鉆機有兩種驅(qū)動形式，例如機電、液電等混合驅(qū)動型式。

激光石油鉆機：優(yōu)點是可降低鉆井成本，提高機械鉆速，改善井控，減少鉆機平均工作天數(shù)、鉆頭磨損和起鉆下鉆時間，激光鉆井可精確地控制井眼，并能在井眼周圍形成一層堅硬的玻璃化外皮，可最大限度地減少或取消同心套管。

連續(xù)柔管石油鉆機：早在20世紀(jì)50～70年代，國外已開始研制連續(xù)柔管鉆機和應(yīng)用連續(xù)柔管鉆井技術(shù)鉆井，現(xiàn)在全世界應(yīng)用連續(xù)柔管鉆井技術(shù)鉆井的國家有美國、加拿大、法國、英國、荷蘭等國家，而在我國連續(xù)柔管鉆井技術(shù)才剛剛起步。

套管石油鉆機：套管鉆井是一種全新的鉆井工藝技術(shù)，被譽為是21世紀(jì)的前沿鉆井技術(shù)之一。最大的優(yōu)點是取消了常規(guī)的鉆桿，用套管代替鉆桿進(jìn)行鉆井。隨著套管鉆井工藝技術(shù)的完善和推廣，套管鉆機也必將會得到進(jìn)一步的發(fā)展。

超高壓射流石油鉆機：20世紀(jì)80年代開始，美國、中國等國家研制高壓水射流鉆徑向水平井系統(tǒng)和水射流深穿透射孔系統(tǒng)，用于老井改造和增產(chǎn)，提高采收率。除此之外，水射流技術(shù)在切割井口、切割平臺、滅火、管道清洗等多方面都有應(yīng)用。

四、結(jié)束語

總體上說，目前我國在用石油鉆機所擁有的技術(shù)落后、安全系數(shù)低。具體表現(xiàn)：在總體方案方面研究不夠、變化不多，先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟性不夠；在鉆機設(shè)計方面還沒有形成自己成熟、系統(tǒng)、具有自主創(chuàng)新開發(fā)能力的設(shè)計思想、設(shè)計理論和設(shè)計技術(shù)；在品種系列方面，雖各種驅(qū)動方式、各種鉆深能力鉆機都已成系列，但均為常規(guī)鉆機。要想改變這種局面，在技術(shù)層面，技術(shù)產(chǎn)業(yè)化要成熟、科研技術(shù)集成化和高新創(chuàng)新技術(shù)要自主；在設(shè)備方面，應(yīng)遵循深井鉆機自動化、中深井鉆機模塊化、淺井鉆機車裝化原則；在其他方面，面向國際市場建立石油鉆機協(xié)調(diào)機制，建立科研—生產(chǎn)—應(yīng)用相結(jié)合的鉆井裝備研發(fā)體系，充分利用國內(nèi)市場資源，以市場換技術(shù)，促進(jìn)裝備水平和制造水平盡快提高。籌措資金用于創(chuàng)新項目及技術(shù)改造，重視基礎(chǔ)部件及與主機相配套輔機的開發(fā)，提高鉆機成套生產(chǎn)能力，培養(yǎng)高素質(zhì)石油鉆機專門人才。