機電復合鉆機變頻網(wǎng)電改造技術及應用

高 巖

（中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，成都 610000）

機電復合鉆機變頻網(wǎng)電改造技術及應用

高 巖

（中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，成都 610000）

分析了國內網(wǎng)電鉆機的改造情況，根據(jù)西南地區(qū)機電復合鉆機現(xiàn)場實際應用情況，結合變頻器控制技術，成功對機電復合鉆機進一步進行了改造，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

鉆機；變頻技術；網(wǎng)電；改造；應用

2 改造方案及技術配套

1） 供電電壓確定 將10 k V電源變成0．6 k V電源，通過0．6 k V電動機為鉆機提供動力。

2） 電機選型設計 三相異步電動機的功率確定為1 000 k W；電壓等級600 V；電機正常運行噪聲控制在90 dB以內。

3） 減速箱選型設計 采用減速箱與電動機組成動力撬的方案，減速箱的減速比為1∶1（ZJ50JDB型鉆機）和1∶1．536（ZJ70LDB型鉆機），根據(jù)變頻技術的無級調速特性，實現(xiàn)無級調速。正常鉆井時，轉速應在高效區(qū)，其效率不低于96%。保證改造后鉆機的技術性能有所提升，且動力機組有一定調速功能，正常運行噪聲控制在90 dB以內。

機電復合驅動鉆機網(wǎng)電改造方案如圖1所示。

圖1 機電復合驅動鉆機變頻網(wǎng)電改造方案

該技術方案采用10 k V高壓電網(wǎng)供電，經(jīng)10 k V／0．6 k V移動式高壓變配電系統(tǒng)，將10 k V電源降壓成0．6 k V，通過VFD變頻傳動系統(tǒng)驅動2臺1 000 k W電動機及減速箱，為鉆機提供動力。電機通過交流變頻系統(tǒng)進行無級調速啟動，調速范圍為0～1 500 r／min，電控系統(tǒng)配備諧波治理和無功補償裝置，保留2臺輔助柴油發(fā)電機組及1～2臺柴油動力機組（鉆機配置不同），作為應急動力儲備。這種控制方式具有如下特點：

1） 變頻網(wǎng)電鉆機的調速由原來的液力耦合器進行小范圍調速，變?yōu)槟壳翱煽氐拇蠓秶鸁o級調速，調速性能大幅增強，減少勞動強度，同時降低機械磨損，增強零部件使用壽命。

2） 啟動時為可控的無級調速啟動，減少機械沖擊，同時降低噪聲（＜90 dB），使得電機啟動平滑，降低啟動網(wǎng)電電機時對電網(wǎng)和電機的沖擊電流。特別是地方電力供應比較弱的網(wǎng)電線路，由于供電電壓比較低，以前往往電機不能正常啟動，有時造成網(wǎng)電線路跳閘，影響網(wǎng)電的使用，使用變頻網(wǎng)電鉆機后有效地解決了這個問題。

3） 采用2套電動機和減速箱一體化的動力撬機組設計，實現(xiàn)電機撬動力機組和原有的由柴油機和減速箱組成的柴油機撬動力機組的完全互換，保證了改造后鉆機動力機組負載均衡、工作可靠。

采用陳杭君等[10]的方法，略有修改，具體操作如下。取2 g樣品，加入5 g水，加入20 mL 70% pH 3.0的酸性乙醇溶液，在40 ℃下水浴2 h，提取至提取液無色，過濾后備用。采用pH差示法測其花色苷的含量，取2 mL提取液于25 mL比色管中，用pH 1.0緩沖液（0.2 mol/L KCl-0.2 mol/L HCl）稀釋至10 mL刻度線處，另取2 mL提取液于25 mL比色管中，用pH 4.5緩沖液（1 mol/L NaAC-1 mol/L HCl-H2O）稀釋至10 mL刻度線處，在510 nm處測量吸光度值。根據(jù)下式計算總花色苷含量（g/L）。

4） 由于采用變頻技術的調速特性，在正常鉆進情況下，可隨時調整電機轉速，從而改變泥漿泵的沖次，能在一定范圍內實現(xiàn)電動鉆機使用的可調電動機轉速狀態(tài)，減少了因頻繁拆卸泥漿泵閥的時間，大幅提高了鉆井時效和鉆井安全，減少了鉆井復雜情況，在有特殊要求的鉆井作業(yè)中優(yōu)勢明顯（例如固井作業(yè)、定向鉆井作業(yè)）。

2．2 諧波治理和無功補償

由于井隊現(xiàn)場使用的電動機功率因數(shù)比較低，加上其他一些用電設備，功率因數(shù)只有0．5～0．7，諧波高，電壓畸變率達23%。如果直接接入電網(wǎng)，將嚴重影響供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行。國家電網(wǎng)接入要求功率因數(shù)不低于0．9，電壓畸變率不高于5%，功率因數(shù)達不到0．9還需要繳納無功電費，所以必須提高功率因數(shù)，進行無功補償。設計中主要采用無源濾波系統(tǒng)對諧波進行治理，同時也對無功進行補償，達到既治理諧波又提高系統(tǒng)功率因數(shù)的目的。根據(jù)現(xiàn)在變頻技術的本身特性，在使用中，變頻電機的功率因數(shù)比較高，達到0．8以上，無功補償量減少了近一半。從以往網(wǎng)電鉆機的使用情況來看，無功補償設備的電容、接觸器等易損無功元器件使用壽命比較低，電容易失容，所以維護成本也比較高，使用變頻技術的網(wǎng)電設備大幅降低了補償單元維護費用，增加了使用的可靠性。

2．3 電壓波動控制

鉆機用電系統(tǒng)容量相對較小，未進行諧波治理和無功補償時電壓相對較低，在進行分級補償后，電壓會以總電壓10%的數(shù)量進行遞增，尤其考慮在用電的高峰及低谷期間的電壓數(shù)值相差較大。所以，在定做變壓器時，設計要求變壓器采用有載調壓，可以根據(jù)電壓的高低，在不斷電和不影響施工的情況下，進行電壓調節(jié)，充分考慮和滿足現(xiàn)場生產。

3 現(xiàn)場應用

現(xiàn)西南市場機電復合鉆機網(wǎng)電改造完成，截至2012-10，共使用電能3．4×107k W·h，僅柴油一項節(jié)約資金￥7 800余萬元。減少二氧化碳排放量1．88×104t，根據(jù)技術監(jiān)測中心測算公式計算，節(jié)約率達60%以上。經(jīng)現(xiàn)場應用達到了以下目的。

1） 通過諧波治理和無功補償技術，能夠達到國家電網(wǎng)接入要求，同時又能滿足鉆機動力需求。

2） 通過高低壓變配電和電氣控制系統(tǒng)2個動力模塊設計，能夠將國家電網(wǎng)電力轉換成鉆機動力并加以有效和安全控制。

3） 采用減速箱與電動機組成動力撬，可實現(xiàn)無級調速，改變普通異步電動機無法調速的工作特性，保證了機電復合驅鉆機的動力機組技術性能和調速功能。

4） 網(wǎng)電鉆機的應用既能緩解成品油不斷漲價對鉆井成本帶來的壓力，又能減少廢氣、廢油排放對環(huán)境的污染，帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益，符合國家節(jié)能減排方針政策的要求。

4 結論

1） 使用網(wǎng)電鉆機后，經(jīng)濟效益比較明顯。在已使用的鉆井隊中，機電復合驅動鉆機網(wǎng)電改造能耗成本節(jié)約率平均約為65%。

2） 鉆機進行網(wǎng)電改造后，鉆機動力都能夠滿足各種鉆井工況的要求，沒有發(fā)生因為動力不足影響生產的事故。

3） 網(wǎng)電的使用受到所鉆井的井深和設計周期的影響，鉆井周期越長的井使用網(wǎng)電的效果越好。

4） 網(wǎng)電鉆機改造及其應用社會效益顯著，符合國家節(jié)能減排政策。

5） 網(wǎng)電使用受電網(wǎng)的限制，同時對井隊相關操作維護人員的素質要求高。

6） 受能源價格波動的影響，如果柴油價格下降，而電價上漲，則網(wǎng)電鉆機的節(jié)能效益會下降。

7） 網(wǎng)電改造在變頻技術日益進步的今天，作為一項節(jié)能、清潔、降噪的新技術，在具有電網(wǎng)條件的施工區(qū)域推廣應用網(wǎng)電鉆機具有現(xiàn)實意義。

［1］盛擁軍，徐建輝．勝利油田網(wǎng)電鉆機研發(fā)及應用［J］．中國設備工程，2008（5）：40-42．

［2］盛擁軍，徐建輝，丁曉鵬．ZJ30型鉆機網(wǎng)電改造［J］．甘肅科技，2008，24（13）：16-17．

［3］董云飛，戴樹濤，馬士平．ZJ70L型鉆機全網(wǎng)電拖動技術改造方案［J］．石油礦場機械，2008，37（6）：84-87．

［4］稅理中．江蘇油田鉆機網(wǎng)電拖動技術改造［J］．石油礦場機械，2011，40（6）：94-97．

［5］譚剛強，王豫，沈凡兒，等，鉆機油改電技術與鉆井工藝適應性研究［J］．石油礦場機械，2011，40（6）：29-33．

［6］張懷．超深井鉆機網(wǎng)電改造技術及推廣應用［J］．石油礦場機械，2011，40（7）：77-80．

TE922

B

1001-3482（2014）01-0093-03

1 改造前期調研

2013-08-25

高 巖（1979-），男，山東沂南人，工程師，主要從事石油鉆井裝備的管理與技術工作，E-mail：gaoyan-790903＠163．com。田在電網(wǎng)覆蓋范圍內逐步開始采用網(wǎng)電驅動鉆機。2008年，文獻［1-2］報道了勝利油田網(wǎng)電鉆機的前期調研情況，提出網(wǎng)電鉆機的改造方案，介紹了改造后的使用效果，展望了網(wǎng)電鉆機的應用前景，但僅針對4 000 m以下的鉆機；同年，文獻［3］針對鉆機全網(wǎng)電拖動技術改造的要求，對ZJ70L型鉆機改造方案進行了設計、分析與對比，認為采用變頻拖動，啟動平穩(wěn)，無級調速，不僅節(jié)能，還可優(yōu)選鉆井參數(shù)，提高鉆井效率，明顯優(yōu)于其他方案，但只是提出了方案并沒有具體實施。2011年，文獻［4］根據(jù)江蘇油田電網(wǎng)自身特點，圍繞鉆機實施網(wǎng)電拖動技術改造的具體要求，對鉆機網(wǎng)電拖動方案進行了探討，形成了一套符合江蘇油田電網(wǎng)實際并具有江蘇油田特色的鉆機網(wǎng)電改造方案，文章著重分析網(wǎng)電拖動技術；同年，文獻［5］針對川渝地區(qū)電網(wǎng)分散及鉆井工況復雜的實際情況，在川東和川西組織了油改電項目試驗，取得了較好的節(jié)能減排效果。文獻［6］分析了西南地區(qū)鉆機實施網(wǎng)電改造的可行性、改造方案及技術配套，并根據(jù)現(xiàn)場應用情況，成功地在西南地區(qū)鉆井市場大面積推廣使用網(wǎng)電鉆機。文獻［5-6］對機電復合驅動鉆機的網(wǎng)電改造方案基本相同，都是通過電動機驅動偶合器為鉆機提供動力。現(xiàn)階段，ZJ50JDB型和ZJ70LDB型2種鉆機配套使用的是低壓房，用軟起控制2臺1 000 k W的電動機替代柴油機作為動力輸出［6］，這種網(wǎng)電設計具有無法調速和啟動電流大等缺點，在電網(wǎng)波動較大或電網(wǎng)使用高峰時啟動困難，同時也對設備的瞬間沖擊影響較大，井隊現(xiàn)場使用存在較大局限性，因此需要改進提高。有關當?shù)仉娋W(wǎng)狀況文獻［6］已闡明，本文不再贅述。

無論是電驅動鉆機還是機械驅動鉆機，其動力主要來源于柴油機。機械驅動的鉆機由柴油機經(jīng)調速裝置后直接驅動；電驅動鉆機則通過柴油發(fā)電機組發(fā)電間接驅動。柴油作為主燃料，油耗成本占鉆井成本的20%左右，油耗高，噪聲和排放較大。網(wǎng)電鉆機改造是以電動機作為動力，利用工業(yè)電網(wǎng)提供電源，替代柴油發(fā)動機實施鉆井作業(yè)，達到節(jié)能減排和降本增效的目的。本文結合西南鉆井分公司鉆機的施工特點和施工環(huán)境，充分利用電網(wǎng)資源對機電復合鉆機進行了進一步網(wǎng)電改造，取得了較好的經(jīng)濟效益。

近年來，隨著國家電網(wǎng)的不斷發(fā)展，國內各大油