油田ZJ70/50型鉆機直流網電改造

馮貴通

（中原石油工程公司鉆井二公司 河南濮陽）

一、概述

在油田企業中，油氣鉆井勘探是能源消耗大戶，鉆機的節能改造是重點也是難點，多年來ZJ70/50型鉆機一直采用3或4臺大型柴油機提供動力，耗能高、污染重、噪聲大，是鉆井勘探無法改變的現實。經過多方面調研論證，對ZJ70/50型機械鉆機實施直流電動機網電改造，大膽突破固定思維模式，用超大型電機替代柴油機，采用先進調速技術，控制直流電機的運行，用清潔的電能代替柴油，從源頭解決了節能、環保問題，降低鉆井隊成本。

二、技術改造方案

1.機械部分改造方案

機械部分進一步簡化，電機直接代替柴油機+偶合器正車減速箱。采用1000 kW直流電機替換900 kW的PZ12V190柴油機，直接輸出動力到聯動機。考慮到以后可能在ZJ70/50LDB鉆機上使用，增加一個備用減速箱，把電機轉速從1000 r/min降到600 r/min，輸出動力到鏈條箱，較好地解決了通用性問題。在裝配時把 1000 kW電機和減速箱裝配在一個基座上形成整體。基座高、寬、長和柴油機的基座完全一致，形成模塊化組裝功能，方便現場安裝。

2.電氣部分改造方案

電氣改造主要包括1000 kW直流電機的啟停、調速，功率均衡，10 kV高壓變壓、功率因數補償以及諧波治理，難點是電機的并車功率均衡控制。

（1）直流電機的啟停、調速控制。采用大型可控硅數字控制技術，將600 V/50 Hz的交流電通過大功率可控硅（SCR）整流成0～750 V可調直流電，來驅動大型直流電機，轉速可調范圍在0～1200 r/min，2套1200 kW西門子可控硅整流柜，分別控制2臺1000 kW直流電動機的啟、停及調速運轉及相應的過載、過流和短路保護等功能。可控硅控制技術在直流電動鉆機使用多年，技術非常成熟，故障率低、易維護。

（2）電機并機功率均衡控制。ZJ70/50型鉆機的動力是靠3或4臺聯動機，通過皮帶傳遞動能到泥漿泵和絞車等設備。在傳遞動力時，存在泥漿泵和絞車負荷突變、皮帶打滑和功率不穩定現象。2臺電機并機時，經常出現一臺電機過荷運轉，而另一臺空載運行，造成2臺電機先后開關過負荷跳閘，影響鉆井施工。采用可控硅數字調速技術和可編程序控制器聯控技術，能較好地解決電機并機功率均衡難題。并機運行采用主從控制模式，先啟動的為主機，后啟動為從機，主機控制從機。PLC控制柜內的西門子G120可編程序控制器實時監控、比較2臺可控硅柜輸出到各自電機的功率、電流、電壓，如果主可控硅柜輸出功率增大，PLC控制從可控硅柜的增加輸出功率，反之亦然，始終保持2臺電機的功率一致，穩定運轉。既可單獨運行，也可2臺并機運行，還有相應的過載、過流保護等功能。

圖1 ZJ70/50型鉆機網電改造動力系統圖

圖2 ZJ70/50JDB鉆機網電改造后效果圖

把地方10 kV網電用高壓電纜接到井場，用10 kV的3150 kV·A變壓器把高電壓變成600 V電壓供低壓房。

提高功率因數、消除高次諧波的技術方案：由于井隊用電量負荷大，在 1000～2600 kV·A，功率因數在 0.6～0.7，并且含有大量的高次諧波，地方供電局要求井隊進行就地無功功率補償及諧波治理，使功率因數在0.9以上，高次諧波消除90%，達不到指標就會罰款甚至停電。為達到標準，采取集中在600 V母線進行補償的方式。經過計算，無功補償及諧波抑制裝機容量在1600kVar，5、7、11、次高次諧波容量組合按照 4∶2∶1 比例分配，就能滿足功率因數和抑制高次諧波的需要。采用先進的智能型TSF-II控制技術，實現了實時采集數據分析電網諧波和無功功率進行補償。

三、直流網電整體配套方案

1.網電動力方案（圖1）

2臺1000 kW直流電機可滿足ZJ70鉆機動力需求，用2臺直流電機替換2臺柴油機，通過萬向軸輸出動力到聯動機或并車箱。留一臺柴油機組作為應急動力。在特殊工況下，柴油機偶合器機組和電機可并車統一驅動。停電時間較長時，可以很方便將2臺柴油機調換回來繼續作業施工。

2.變壓器功率配置

鉆井的最大負荷是在二開12-1/4英寸井眼，井深3000 m，雙泵的泵壓在 17.24 MPa（2500 psi）時，計算總功率是2400 kV·A，所以選用容量為3150 kV·A的變壓器作給井場供電，完全能滿足井隊施工的需求。ZJ70/50JDB鉆機網電改造后效果圖見圖2。

3.電路分配

10 kV經高壓房3150 kV·A變壓器把10 kV高電壓變成600 V電壓到低壓房，分成3路分別到直流柜控制直流電機、電容補償柜提高功率因數、600/400 V變壓器變400 V電壓供井隊其他設備使用。

四、實施效果

ZJ70/50JDB網電改造選擇了吉林項目ZJ50JDB隊，該地區有多條10 kV工業線路，滿足網電改造條件。前期進行了10 kV線路架設，高壓房、低壓房和電纜的安裝及調試。利用井隊整改的間隙，只用4 h就完成了安裝調試。井隊二開12-1/4英寸井眼，雙泵泵壓17.24 MPa（2500 psi），缸套直徑160 mm時，1#、2#電機最大負荷是2600 kV·A，總功率滿足了井隊負荷的要求。與柴油機相比電動機的啟停方便，運轉平穩、易維護，更沒有跑冒滴漏的現象，井場噪聲大大降低。

1.各項操控性能方便

在正常鉆井工況下，司機根據工程的需要，通過電動機控制箱輸出轉速，調速范圍在0～1200 r/min，滿足了泥漿泵排量的要求，優化鉆井工藝參數，提高了鉆井速度。操作箱安裝電機后面，便于現場人員操作和監測，該操作箱能顯示電機運行的電流、電壓和功率。

經過1年的運行，設備正常沒有發生任何故障，達到設計要求。井隊普遍反映直流網電設備調速性好，解決了泥漿泵調速問題，滿足了鉆井工藝的要求。功率因數由0.65提高到0.92，濾除了90%的高次諧波，達到地方電網的要求。

2.效益

ZJ50JDB隊在2014年4月～11月鉆井施工中，在二開大負荷鉆進時，每天用電量是30 000 kW·h，起鉆、下鉆每天用電量是17 000 kW·h，改造前二開鉆進柴油機每天消耗柴油7 t，起鉆、下鉆每天用柴油4 t。按每噸柴油6100元，網電電價0.91元/（kW·h）計算，每天可節省0.89～1.54萬元。ZJ50JDB隊網電改造后，在7個月的鉆井施工中，用電2 180 000 kW·h，替代柴油508.6 t，僅柴油成本直接減少111.8萬元。再算上兩個隊設備折舊費、維修費用、易損件更換費用、潤滑油費用和油料運費等，可節省費用36.4萬元。網電改造的總投資是458萬元，在3年內就可收回。通過鉆機的運行使用，證明網電鉆機技術先進可靠，產生的經濟效益明顯，鉆井越深、建井周期越長、節能效果越明顯。

ZJ50JDB隊在7個月施工中，僅CO2溫室氣體一項少排放1335 t，鉆井作業現場減少了柴油和機油污染，噪聲降低，對井場周邊自然環境的影響減少，保護了地方生態環境。

五、結論

ZJ70/50型鉆機直流網電改造，也可以在ZJ45型、ZJ30型鉆機使用，增加網電鉆機使用范圍，利用高效清潔電能來驅動設備，替代了大量的柴油，在節能減排、環境保護方面效果顯著。公司的鉆機結構配置合理，鉆機性能更加完善，展現了網電鉆機在鉆井勘探領域中良好的發展前景。