網(wǎng)電儲能修井機(jī)開發(fā)與應(yīng)用

陳 瑛

（勝利石油管理局設(shè)備管理處，山東東營257001）①

網(wǎng)電儲能修井機(jī)開發(fā)與應(yīng)用

陳 瑛

（勝利石油管理局設(shè)備管理處，山東東營257001）①

為解決目前油田網(wǎng)電修井機(jī)存在的問題，提出了一種車載式網(wǎng)電儲能修井機(jī)。采用車載式底盤和電容儲能技術(shù)，相比較于目前撬式網(wǎng)電修井機(jī)，在降低運(yùn)輸費(fèi)用的同時能夠節(jié)能減耗。現(xiàn)場試驗和分析表明：車載網(wǎng)電儲能修井機(jī)能夠提高作業(yè)工作效率，在電網(wǎng)停電時有足夠的電能完成封井作業(yè)，消除安全隱患。

修井機(jī)；儲能；車載；網(wǎng)電

網(wǎng)電修井機(jī)具有能耗低、零排放、噪聲小、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為未來修井機(jī)發(fā)展的方向［1］。但其仍具有以下缺點(diǎn)：使用受井場變壓器容量限制，且運(yùn)輸費(fèi)用高，準(zhǔn)備工作時間長、效率低；電網(wǎng)停電時，無法進(jìn)行正常工作和封井作業(yè)，存在安全隱患；在剎車和下放作業(yè)時發(fā)出大量電能，造成浪費(fèi)。

為了解決上述問題，本文提出了一種車載式網(wǎng)電儲能修井機(jī)，能夠降低運(yùn)輸費(fèi)用，克服井場變壓器的容量限制，有效地回收剎車和下放作業(yè)時發(fā)出的大量電能，提高作業(yè)工作效率，并在電網(wǎng)停電時有足夠的電能完成封井作業(yè)，消除安全隱患。

1 技術(shù)分析

車載網(wǎng)電儲能修井機(jī)采用模塊化設(shè)計，整機(jī)分為電力儲能模塊、變頻調(diào)速模塊、配套機(jī)械液壓模塊、絞車及盤式剎車模塊、底盤及井架5大模塊。車載網(wǎng)電儲能修井機(jī)模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載網(wǎng)電電力儲能修井機(jī)模塊結(jié)構(gòu)

1.1 電力儲能及控制技術(shù)

電力儲能模塊中設(shè)有儲能電容，儲能電容的能量通過能量管理裝置驅(qū)動電動機(jī)；電機(jī)倒發(fā)電回饋的能量經(jīng)過直流母線存儲于儲能電容中，未能全部吸收的能量由電氣控制柜內(nèi)的能耗電阻吸收。

1.2 變頻調(diào)速及能耗制動技術(shù)

獨(dú)立絞車變頻傳動系統(tǒng)采用一對一控制交流電動機(jī)，拖動性能滿足絞車傳動要求，實現(xiàn)絞車傳動與剎車的連鎖控制功能。

綜合控制柜內(nèi)設(shè)有1路電源進(jìn)線電操斷路器，接入井場變壓器提供的380 V電源。同時安裝1臺160 kW變頻器帶制動單元，用于控制絞車電機(jī)。絞車變頻器具有過載保護(hù)功能。

絞車變頻傳動系統(tǒng)使用無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，將逆變器與電動機(jī)結(jié)合為一體，進(jìn)行精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制，并能使得轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)之間互不影響［2］。

交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩可表示為

式中：Lσ為漏磁系數(shù)；Ψs為定子磁鏈；Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈；θ為磁通角。

由式（1）可知，如果要改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，可以通過改變磁通角θ來實現(xiàn)。

直接轉(zhuǎn)矩控制原理如圖2所示。由圖2可知：磁鏈給定與轉(zhuǎn)矩給定通過計算分別輸出磁鏈信號與轉(zhuǎn)矩信號，同時配合電機(jī)定子磁鏈軌跡位置來為逆變器提供開關(guān)信號，逆變器輸出相應(yīng)的電壓矢量作用于電機(jī)，從而改變磁通角θ，以此達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

采用DTC技術(shù)，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，并非致力于取得電機(jī)在電壓電流上的正弦波，此外其控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實際情況，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的自動調(diào)節(jié)。另外采用無速度傳感器技術(shù)，省去了測速編碼器，保證了傳動系統(tǒng)的可靠性。

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

變頻柜的調(diào)節(jié)回路采用速度、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)的全數(shù)字調(diào)速方案。所有的調(diào)節(jié)與保護(hù)參數(shù)均為維護(hù)人員易于理解和掌握的數(shù)字量設(shè)置，不存在模擬控制復(fù)雜、困難的調(diào)試與維護(hù)過程，更無模擬控制所固有的參數(shù)飄移、故障率高等影響系統(tǒng)安全與可靠性的不穩(wěn)定因素。當(dāng)絞車變頻傳動系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)將安全自動斷電停機(jī)。

當(dāng)電機(jī)在外力作用下減速、反轉(zhuǎn)時（包括被拖動），電機(jī)即以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，能量反饋回直流回路，由電容吸收，當(dāng)直流電壓過高，制動單元的功率管導(dǎo)通，電流流過制動電阻消耗多于電能，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，母線電壓也降低；母線電壓降至常值，制動單元的功率管關(guān)斷，制動電阻無電流流過；采樣母線電壓值，制動單元重復(fù)ON／OFF過程，平衡母線電壓，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

能耗制動的優(yōu)點(diǎn)是制動轉(zhuǎn)矩平滑，能隨時改變制動轉(zhuǎn)矩，可以使生產(chǎn)設(shè)備可靠停止，最適合用于經(jīng)常啟動、頻繁逆轉(zhuǎn)并要求迅速停車的生產(chǎn)設(shè)備。

制動電阻與制動單元一對一地組成1個能耗制動回路，在游車下放過程中可實現(xiàn)絞車電機(jī)的速度平穩(wěn)控制，可實現(xiàn)能耗制動和懸停。無溫度過高、冒煙等現(xiàn)象。

1.3 配套機(jī)械液壓模塊技術(shù)

傳動系統(tǒng)只有1套液壓控制的兩擋動力換擋變速箱，由液壓離合器控制換擋。傳動系統(tǒng)簡單可靠，且傳動效率高，可進(jìn)一步提高節(jié)能效果。車載網(wǎng)電電力儲能修井機(jī)采用液壓系統(tǒng)對盤式剎車、動力換擋變速箱、井口動力鉗和液壓支腿等實現(xiàn)集中控制和驅(qū)動。

液壓系統(tǒng)主要用于修井機(jī)行駛中的轉(zhuǎn)向助力；安裝調(diào)試中的車架升降調(diào)平、井架的起降伸縮；修井作業(yè)中的井口液壓機(jī)具應(yīng)用控制等。系統(tǒng)控制集中設(shè)在載車司鉆操作臺附近，重要執(zhí)行部件的操作控制設(shè)定多重安全保護(hù)功能。

1.4 絞車及盤式剎車模塊

液控盤式剎車作為絞車主剎車，盤式剎車的制動力矩容量大，可通過改變液壓系統(tǒng)壓力來改變剎車力矩，具有較大的力矩調(diào)整范圍、易于實現(xiàn)過程監(jiān)控和自動化、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。選用補(bǔ)償余量更大、傳遞轉(zhuǎn)矩更大的BJS球籠式聯(lián)軸器，額定轉(zhuǎn)矩最大可達(dá)530 k N·m，主要適應(yīng)于角度不超過5°，許用長度伸縮量±4 mm～±12 mm，中型、重型載荷工況的設(shè)備傳動。

網(wǎng)電修井機(jī)在設(shè)計初期，絞車主電機(jī)采用頂置式冷卻風(fēng)機(jī)，體積大，噪聲大，容易進(jìn)入顆粒雜質(zhì)，目前全部采用軸流式冷卻風(fēng)機(jī)，在降低噪聲的同時減小了體積。主電機(jī)加裝PT100溫度傳感器，當(dāng)溫度上升到40℃時開啟冷卻風(fēng)機(jī)，進(jìn)一步降低運(yùn)轉(zhuǎn)時的噪聲。為滿足作業(yè)現(xiàn)場對接卡、斷電后封井、收回設(shè)備的要求，絞車變速箱加裝了液壓馬達(dá)。

1.5 車載網(wǎng)電電力儲能修井機(jī)底盤和井架技術(shù)

底盤主要包括發(fā)動機(jī)、離合器、變速器、車架、駕駛室、車橋及懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、輪胎、傳動系統(tǒng)等。發(fā)動機(jī)配備油門、熄火控制機(jī)構(gòu)，可靠方便。配備冷啟動裝置（進(jìn)氣預(yù)熱，－25～0℃），帶水箱、風(fēng)扇、進(jìn)出水口連接管、消聲器（消音器出口為旋轉(zhuǎn)式，加防火帽）、空濾器、空壓機(jī)、熱交換器、轉(zhuǎn)向油泵、啟動電機(jī)、發(fā)電機(jī)（功率為2 k W、28 V、70 A）；排放歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。采用平頭單座全金屬結(jié)構(gòu)駕駛室，視野開闊。

井架及游動系統(tǒng)為桅型、兩節(jié)式，采用液缸起升、液缸伸縮；前傾角可通過調(diào)節(jié)絲杠調(diào)節(jié)［3-4］；天車為整體盒式結(jié)構(gòu)，滑輪采用鑄鋼件，并經(jīng)動平衡測試；繩槽圓弧按API 8C要求與相應(yīng)鋼絲繩設(shè)計；繩輪座上設(shè)有防止大繩跳槽的擋繩器；天車軸經(jīng)熱處理和探傷檢查；天車平臺上設(shè)有護(hù)欄。

2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

如圖3所示，車載網(wǎng)電儲能修井機(jī)包括底盤車體、傳動機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、絞車和井架單元，底盤車體包括底盤車、底盤車發(fā)動機(jī)、底盤車發(fā)動機(jī)變速箱、底盤車駕駛室和操作控制室；傳動機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)安裝于底盤車上；傳動機(jī)構(gòu)包括井架單元、萬向軸和變速箱；電氣控制系統(tǒng)包括電氣控制柜、儲能電容，制動電阻、能量管理裝置和電動機(jī)；液壓系統(tǒng)包括液壓控制箱、液壓系統(tǒng)輔助電動機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、油箱；絞車安裝于變速箱的一側(cè)，井架單元固定于底盤車上。

底盤車發(fā)動機(jī)與底盤車發(fā)動機(jī)變速箱連接，底盤車發(fā)動機(jī)變速箱輸出端與取力器連接，取力器另一端與萬向軸連接，萬向軸通過傳動機(jī)構(gòu)與液壓泵連接，液壓泵同時與液壓系統(tǒng)輔助電機(jī)連接，變速箱輸入軸采用電動機(jī)拖動或液壓馬達(dá)拖動，變速箱輸出軸與絞車連接。

利用液壓系統(tǒng)輔助電機(jī)帶動液壓泵工作，或者利用盤車發(fā)動機(jī)提供源動力，通過底盤車發(fā)動機(jī)變速箱、取力器、萬向軸傳動，驅(qū)動液壓泵工作，液壓泵通過液壓管路與液壓控制箱和油箱相連，為液壓系統(tǒng)提供動力驅(qū)動液壓馬達(dá)工作。

電氣控制柜安裝有中央處理單元、電機(jī)調(diào)速裝置、制動電阻，中間繼電器及供配電支路。其中，中央處理單元可采用單片機(jī)、PLC等具有邏輯處理功能的器件，實現(xiàn)輸入信號分析處理、控制策略生成等功能。

電動機(jī)倒發(fā)電回饋的能量由能量管理裝置存儲于儲能電容中，未能全部吸收的能量由電氣控制柜內(nèi)的制動電阻吸收；儲能電容的能量通過能量管理裝置驅(qū)動電動機(jī)。

圖3 車載網(wǎng)電儲能修井機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

車載網(wǎng)電電力儲能修井機(jī)解決油田現(xiàn)有電動修井機(jī)存在的問題和不足，其關(guān)鍵技術(shù)為：

1） 應(yīng)用先進(jìn)電力儲能技術(shù)，實現(xiàn)修井機(jī)直接使用井口變壓器供電，無需另配變電站，降低安全風(fēng)險，提高作業(yè)效率。

2） 通過先進(jìn)電力儲能技術(shù)應(yīng)用，回收利用在剎車和下放時發(fā)出的電能，實現(xiàn)節(jié)能目的。

3） 采用電機(jī)風(fēng)機(jī)低噪聲技術(shù)，工作噪聲更低，可以實現(xiàn)油田全區(qū)域修井作業(yè)。

4） 具有應(yīng)急液壓動力，保證停電時的修井作業(yè)安全。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

以勝利油田為例，共有油井24 000多口，每年小修作業(yè)量為28 000井次，共需配備修井設(shè)備800臺左右。

1） 以機(jī)械式修井機(jī)為例計算。

每井次消耗柴油概算0.2 t，每臺設(shè)備每年維修費(fèi)約￥2.5萬元。

全年油料費(fèi)用：0.2 t×0.75萬元／t×28 000＝4 200萬元。

全年維修費(fèi)用：2.5萬元×800臺＝2 000萬元。

2） 以普通電動修井機(jī)為例計算。

每井次耗電平均400 k W·h，每臺設(shè)備每年維修費(fèi)約￥1.25萬元。

全年電費(fèi)：400×0.8元／（k W·h）×28 000＝896萬元。

全年維修費(fèi)用：1.25萬元×800＝1 000萬元。

3） 以儲能電動修井機(jī)為例計算

每井次耗電平均300 k W·h，每臺設(shè)備每年維修費(fèi)約￥1.25萬元。

全年電費(fèi)：300×0.8元／（k W·h）×28 000＝672萬元。

全年維修費(fèi)用：1.25萬元×800＝1 000萬元

5 結(jié)論

車載網(wǎng)電儲能修井機(jī)可以替代目前油田大量使用的柴油機(jī)驅(qū)動機(jī)械修井機(jī)和普通型電動修井機(jī)，具有高效、節(jié)能、無尾氣及噪聲污染、無級調(diào)速、使用壽命長、維護(hù)維修費(fèi)用低的特點(diǎn)，同時節(jié)省了大量的搬家成本，大幅提高了工作效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

該新型修井機(jī)的研制成功必將促進(jìn)油田修井作業(yè)設(shè)備的技術(shù)升級和換代，更多體現(xiàn)以人為本的精神，為油田的節(jié)能減排和降低成本做出貢獻(xiàn)。因此，該設(shè)備具有廣闊的推廣前景。

［1］ 陳清波.油田修井設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（1）：184.

［2］ 周揚(yáng)忠，胡育文.交流電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］ 金嘉琦，朱思顥.車載式不壓井修井機(jī)井架應(yīng)力及動力特性分析［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（4）：61-64.

［4］ 韓洪波，王維忠，張建軍，等.混合動力修井機(jī)研制與應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（11）：76-80.

Development and Application of Vehicular Electric Energy Storage Workover Rig

In order to overcome the shortcomings of electric workover rig in oilfield，a vehicular electric energy storage workover rig is proposed in this paper.By using vehicular chassis and capacitor storage technology，it could save energy，reduce consumption and save transport costs compared with traditional rigs.The workover rig is tested in oilfield by actual operation.The results show that the vehicular electric energy storage workover rig could improve the working efficiency，complete well sealing operation when the grid electric power is shut down and eliminate potential safety problems.

workover rig；energy storage；vehicular；grid electric power

TE935

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.019

1001-3482（2014）11-0074-04

2014-05-20

陳 瑛（1967-），女，山東昌邑人，高級工程師，主要從事石油設(shè)備的管理工作。