石油鉆機井場電氣系統研究

劉坤， 于雪梅

（大慶鉆探工程公司機械修理廠，黑龍江 大慶 163413）

0 引言

石油和天然氣勘探與開發井場屬于一級Ⅱ類防爆區域范圍,井場電氣系統應按撬裝鉆機的類型和不同井深及井場的實際情況來配套。作為大慶鉆探工程公司下屬的鉆機及固控系統配套、修理廠家，每年為油田配套鉆機、固控系統20余套，為了在國內外市場競爭中，不斷打造自身優勢，提升服務質量，我們對現有鉆機井場防爆電路系統進行完善和優化，優化后的產品性能完全符合國內外鉆井技術要求，技術水平達到國內一流水平。

1 防爆電氣設備安全的可靠性

鉆機井場防爆電氣設備安全的可靠性是對防爆設備類、級、組別要求的設計，使其滿足鉆機井場爆炸性和環境的要求。只有正確了解石油、天然氣的爆炸特性，認識油氣田作業現場的實際情況，掌握劃分油氣井場爆炸危險場所區域劃分的方法，選擇合適的防爆電氣設備，才能實現鉆井作業的安全生產。

1.1 油氣井直接產品燃爆特性

油氣井主要直接產品是原油和天然氣，其主要成分屬易燃易爆物質。大慶油田原油、天然氣成分特性如表1、表 2所示。

表1 大慶油田原油性質（主要成分：多種液態輕烴混合物）

表2 大慶油田天然氣成分質量分數%

1.2 井場爆炸危險性特點

1）爆炸性物質危險源多。主要來源油氣井直接產品及現場使用汽油、柴油。2）爆炸危險地點多。鉆井、測井、射孔、完井作業中，設備多、過程復雜。3）爆炸危害程度高。上述危險作業爆炸發生幾率高、損失重。4）爆炸形成的人為因素多。

1.3 井場爆炸危險場所劃分

按照國家要求，鉆井井場電氣設備所處的爆炸性混合物環境屬于II類，根據不同區塊爆炸性混合氣體的成分，及電氣設備使用環境特點，將井場電氣設備防爆設計進行分級分組別設定，即II類、B級、T4組。

2 供電系統防爆型式的經濟性與環境適應性

對于同等級別的產品，在設計時應充分考慮配件成本、可靠性、壽命、維護費用、耗能等因素。在同等工況使用條件下，結合系統運行要求，應設計結構簡單、重量輕的產品。按照 GB 3836-2000要求符合II類、B級、T4組爆炸性危險物質分類的防爆型式可選擇隔爆型、增安型、本質安全型、正壓型。增安型是在零部件上采取一些安全措施，提高其安全程度，防止其在正常運行時內部和外部部件可能出現危險溫度、電弧和電火花的防爆型式；本質安全型的電路本身就是安全的，其產生的火花、電弧不能夠點燃周圍爆炸性混合物，但它最大輸出功率為25 kW左右，因此適用于通訊、儀表等；正壓型是一種較為復雜的防爆技術，造價昂貴、維護不便。以上三種防爆型式都不適用于井場防爆電氣控制系統。

隔爆型“Exd”是把可能產生火花、電弧和危險溫度的零部件均放入封閉的外殼內，外殼使設備與周圍的環境隔開，因外殼存在間隙，使內部可能存在爆炸性氣體混合物，當發生爆炸時，外殼可以承受產生的爆炸壓力而不損壞，同時外殼結構間隙可冷卻火焰，使火焰不能穿越外殼間隙點燃外部爆炸性混合物，達到隔爆目的。在設計井場防爆控制箱體及接線箱時，選用“隔爆型”，即ExdIIBT4。

3 大功率電機啟動裝置的可靠性

功率在30 kW以上的電機啟動電流大，容易在啟動過程中產生電網電壓波動、危險溫度、電弧和電火花，采用軟啟動方式可以有效緩解上述危險情況發生。固控軟啟動裝置存在單體體積大、散熱條件差、維護不便等缺點，因此利用MCC/VFD房完善軟啟動裝置，采取集中遠程控制，兩地啟動。

4 半集中控制電路的總體方案

鉆井區域電控方案采取大功率設備獨立供電，如轉盤電機、絞車電機、組合液壓站，其它設備由鉆臺動力柜集中控制，有利于液壓站、司鉆房獨立可靠工作，確保鉆井生產安全。

固控區域電控方案采取固控系統電源、照明電源、離心機電源分區獨立供電。

30 kW（含30 kW）以下功率電機采用多組合隔爆型控制裝置就地控制，提供多種備用電源。照明電源采取雙電源接入分區控制，照明燈、應急燈、探照燈相結合等措施，為日常生產以及緊急情況提供可靠保障。

5 電路布置方案與設備匹配性

區域電路布置總體原則：集中進線，分散獨立電路布置。通過合理的線路分配，便于檢修維護，提高電路的安全性能。

鉆井區域、固控區域動力分區、照明分區、大功率設備獨立供電，減少節點、分散系統負荷、削弱電磁干擾、提高系統供電穩定性。最大程度減少因電纜供電以及維護檢修電路對鉆井生產的影響。

6 井場防爆電路接地和等電位系統

設計一個良好的接地系統，目的是為了確保人身安全、提高設備安全穩定運行、解決環境電磁干擾、保障生產。根據鉆機使用要求，保證電氣設備的安全運行，鉆井區和固控區采用三相五線制，即要通過相線、N線和PE線供電。同三相四線制系統相比，電氣安裝工作量要大一些，但是其優點是可以避免因斷N或N線阻抗過大造成單相設備大面積燒毀，在發生"搭殼"時，相線可通過PE返回電源形成故障回路，相應的保護器切斷電源，確保人身安全，同樣發生斷N或斷PE時，故障回路又可確保系統自動切斷電源。

根據井場用電設備額定電壓不同，將等電位連接分為400 V、600 V等電位連接。在故障發生時，等電位連接可消除沿PE線導入的對地電壓在金屬內形成的電位差而引起的電氣事故，提高防范雷電危害及弱電設備抗干擾等級，同時等電位連接可有效避免"搭殼"時形成的高電位。

7結論

本文對石油鉆機井場電氣系統進行研究，提出智能化的控制方案，具有操作方便、移運能力強等特點，在保證系統可靠性的前提下，高效節能、安全環保，完全符合今后石油鉆機井場電氣系統發展趨勢。

［1］ 沈忠厚,王瑞和．現代石油鉆井技術50年進展和發展趨勢［J］．石油鉆采工藝，2003（5）：1-6，93.

［2］ 亞當斯.鉆井工程［M］.北京：石油工業出版社，1992.

［3］ 吳克擇，羅肇豐.90年代以來鉆井技術進展與發展趨勢［J］．西南石油學院學報，1997，19（2）：97-104.