天然氣發電技術在鉆井工程中的應用

林麗娜

摘 要：天然氣作為清潔能源其低廉的價格讓燃氣發電技術得到發展和推廣。油田企業鉆井工程中主要消耗柴油，但高成本、噪音大、排放污染嚴重，如能將鉆機從柴油驅動改為電力驅動或燃氣發電驅動，不僅可以降低企業生產成本、提高經濟效益，還能減少污染、降低噪音，節能減排，同時帶來了良好的社會效益和經濟收益。

關鍵詞：天然氣發電；鉆井工程；經濟收益

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）27-0056-01

1 天然氣的優勢

鉆井工程作為石油與天然氣開采業中的能耗重點環節，迫切需要降低能耗、減少污染物排放。據統計，鉆井動力設備的燃油消耗占鉆井成本的30%以上。在煤、燃料油和天然氣三大化石能源之中，天然氣具有明顯的環保和價格優勢，使用天然氣部分或者全部替代柴油將起到很好的降本增效作用，同時有效降低溫室氣體的排放量。

2 應用技術的篩選

經過考察，決定比對雙燃料發動機技術和天然氣發電驅動技術。雙燃料發動機技術是將原有的柴油機改制而成。柴油機原機及供油系統不做任何變動，僅增加一套供氣裝置。供氣系統主要包括燃氣供給系統、燃氣控制系統兩大部分。天然氣發電驅動技術是采用一組600GJZ1-PwT天然氣發電機組（出口電壓為600 V）進行發電。該設備通過余熱回收實現能源利用率達到72%，替代鉆井場現有柴油發電機組給鉆機系統提供電源，能夠保護大氣環境，不用考慮操作繁瑣等問題。

2.1 動力系統的安全可靠性

2.1.1 雙燃料發動機技術的安全保障措施

①雙燃料發動機具有更優的低速扭矩性能，轉速波動小、響應快，適應井場負荷頻繁變化的要求，使發動機的動力輸出性能和配套鉆井機械的加速性能得到提高。②配備電子保護功能，增強發動機控制保護功能。具有超速保護、油壓低停車，缸、排溫高報警及自動切換成柴油模式；采用進口控制器，可靠精確，使系統實時處于最優狀態。③配備電磁閥防止燃氣供應故障。出現氣量不足時，自動切斷天然氣供給，并切換到純柴油工作狀態。

2.1.2 天然氣發電技術的安全保障措施

①天然氣發電機組本身的運行特征更適應鉆井沖擊負荷的要求，保證鉆井的供電安全。②現場柴油發電機組保留1臺與天然氣機組并車，作為天然氣發電機組的備用。當氣源不能保證或天然氣機組出現問題時，啟動柴油發電機組，以保證供電可靠性及安全性。③配備有強大的控制系統。每臺發電機組配備1臺就地控制柜及1臺機組斷路器柜，每2臺發電機組還設置1臺遠程控制柜，共3臺遠程控制柜，保證運行安全平穩。④配備有ESM機組控制系統。可實現空燃比自動控制、自動并網、自動調整功率因數、自動負荷分配、自動加載、自動卸載等功能。機組既可并網運行又可并機運行，電氣系統實現強弱電分離操作安全方便，更便于構建大型自動化電站。⑤無功補償與諧波治理。在電動鉆井系統中配置無功補償與諧波治理系統，整體系統配置放在一個集裝箱內，解決無功補償與諧波干擾問題。發電機組配置考慮其輸出無功功率完全達到替代的柴油發電機組無功輸出要求。⑥監控功能：方便遠程數據監控功能，可大大提高電站的自動化管理水平。

2.2 燃氣系統的安全可靠性

2.2.1 雙燃料發動機技術的安全用氣措施

①采用特有的爆震實時監測技術。出現爆震時，自動切斷燃氣供應，迅速轉換到全柴油工作模式。②安裝有瓦斯阻火器和專用防爆器，以此避免因回火等原因引起的發動機故障，保障發動機安全運轉。③安裝有安全閥，緊急情況下，按下“緊急停機”按鈕，燃氣電磁閥、柴油電磁閥均立即關閉，且柴油執行器立即拉動柴油泵齒條復位，在最短時間內使機組停機，最大限度保護機組以及現場人員安全。

2.2.2天然氣發電技術的安全用氣措施

①罐車與燃氣機組距離保持在30 m以上。從罐車停放點敷設一條輸送總管線輸送天然氣至發電機房處，接發電機組進氣支管。②設置流量計和防爆電動蝶閥對天然氣輸送進行計量和控制。③在距離機組燃氣進氣調壓閥前1 m內，天然氣溫度≤40 ℃。

2.3 改造費用比較

以替代某一鉆井隊50DB鉆機為例，共有3臺額定功率為1 200 kW柴油發電機組，額定電壓為600 V，額定頻率為50 Hz。啟鉆時負荷約為600 kW，鉆機提鉆時瞬時最大負荷約為2 000 kW。工作條件為：啟鉆時開一臺柴油發電機組，另兩臺作為備用；采用雙泵高負荷運行時，兩臺柴油發電機組投入工作，備用一臺。①雙燃料發動機技術改造費用：主要由兩部分組成，一是增加撬裝式LNG儲存供氣系統的費用，二是發動機的雙燃料改造費用。共計約為180萬元。②天然氣發電技術改造費用：本項目共安裝6臺600GJZ1-PwT天然氣發電機組，配套冷卻系統、進氣系統、電氣系統和必要輔助生產設施組成（不含余熱系統、租地費用）。設備及主材部分投資1 197萬元。

2.4 經濟效益預測對比

以50鉆機為例，保守計算單臺發動機平均負荷為500 kW，純柴油工況時柴油消耗105 kg。鉆井周期為45 d，燃油總量為200 t。

雙燃料發動機技術：使用柴油替代率為60%的雙燃料發動機時，每小時柴油消耗42 kg，同時耗天然氣81.9 m3，考慮到折舊等費用，一口井利潤可達54.79萬元。

3 現場試驗成果

2013年4月在一個不帶頂驅的鉆機上試驗天然氣發電技術。該鉆機動力由2臺190柴油發動機提供，電力主要由1臺400 kW柴油發電機組提供。正常打鉆時，鉆井平臺設備用電累計負荷為430 kW左右，正常運行時負荷為200～300 kW左右。使用了1臺標定功率600 kW靜音型集裝箱式全自動天然氣發電機組。4月18日15點30分正常帶載運行，直到26日19點30分左右，氣罐所存燃氣用光后設備停機。共計使用9 944.8 m3天然氣，平均日用氣量為1 363.9 m3。所替代的400 kW柴油發電機組之前統計的日用油量為0.8～1.1 t，每天的油氣差價達2 444～3 870.5元。

2013年6月在電動鉆機上開展天然氣發電技術試驗。該鉆機配備有頂部驅動裝置、2臺190柴油發動機、2臺400 kW沃爾沃柴油發電機組（1開1備）、1臺520 kW卡特柴油發電機組（開動頂驅時使用）。試驗自6月14日上午開始，至6月19日10點累計消耗天然氣8 177 Nm3，平均日用氣量為：1 603.6 m3。卡特柴油發電機組運行5天統計數據，共用油約4.6 t，平均日用油量為0.92 t。柴油供應價格為8 400元/t，加上運輸費用及燃油供應管理費用等，價格達到9 000元/t。LNG天然氣供應價格為3.4元/m3（包括天然氣的運輸、設備管理、罐車與氣化撬的使用費用）。平均每天油氣差價為2 828元。

此次試機滿足了鉆機正常負荷使用、安全生產和體現經濟效益的要求。同時，在改善現場操作的噪聲污染，減少排煙污染等方面成效明顯，值得推廣應用。

4 存在的問題

①在設備現場安裝時由于結構太緊湊導致耗時多達一天，還出現了部分螺栓固定不緊的問題，存有潛在危害。②臥式散熱器設計在房頂。添加防凍液時需多人協助作業。由于連接管接較多而串水管緊固螺栓配備不齊，出現滲漏現象。③安裝燃氣管線時發現其密封墊圈規格不標準，而管線不具備外層保護，易發生泄漏現象。④在合閘試用時出現缺相，造成固定式硫化氫控制面板燒損。⑤供氣設施尺寸較大，不利于井場標準化布置和小井場以及山區等井場的應用。

參考文獻：

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