大慶外圍油田鉆井“以電代油”應用分析

楊旭升

大慶油田有限責任公司第九采油廠

隨著油田開發的深入，油田電網的覆蓋面逐漸增大，部分鉆機改用電網電能為其提供動力，既節省動力費，又滿足節能環保的要求[1]。試驗性地應用于部分區塊的“以電代油”鉆機在節能降耗方面有較好的效果，根據鉆井公司提供數據，節電約30%[2]。

1 鉆機基本情況

目前按驅動設備類型的不同可把鉆機分為柴油機驅動鉆機（柴油機驅動機械轉動鉆機和柴油機驅動液力傳動鉆機）、電驅動鉆機（直流電驅動鉆機和交流電驅動鉆機）。現在用于鉆機的電傳動系統由多臺柴油發電機組并網發出50 Hz、600 V的交流電，經傳動柜整流為0～750 V直流電去驅動絞車、轉盤和鉆井泵；經控制柜變交流600 V為380 V/220 V去驅動鉆井輔機及提供井場照明[3]。

30D、40D鉆機（半油半電型）為井區內除鉆井泵（泥漿泵）以外的主要用電設備，其中鉆井泵部分采用柴油發動機直驅機械轉動方式，所以用電負荷較小[4]。50D鉆機的運行負荷為2 600 kW，其中鉆井泵電動機用電負荷為2×1 000 kW，井區其他設備用電負荷為500 kW，生活用電負荷為100 kW。50D以上鉆機均可以采用全電驅動鉆機或者全柴油驅動型鉆機[5]。表1為鉆機能耗參數。由表1可知，單考慮鉆機情況，一般鉆1口井的時間為3～7天，按照平均5天鉆1口井[6]估算，采用“以電代油”鉆機節能效果明顯，電鉆動力成本節省達到30%左右。

表1 鉆機能耗參數Tab.1 Energy consumption parameters of drilling rig

2 “以電代油”鉆機適用性

2.1 電網和變電所能力

根據鉆機用電負荷分析，負荷波動大，同時運行系數低，需要按照最大運行負荷考慮電網和變電所的供電能力。因為要充分利用已建電網富裕能力，需要核實上下級導線的載流量以及變電所的接帶能力。由于鉆機用電負荷波動比較大，故對電網沖擊也較大，不適合接在油田內部生產用10 kV及以下等級電力系統上[7]。目前可用于接帶“以電代油”鉆機多為35 kV油田電網和110/35 kV變電所，為滿足鉆機不同電壓等級負荷的運行要求，還需要租用35/10箱式變。可以根據計算變電所和導線載流的裕量來核實是否具有接帶能力。表2為“以電代油”鉆機所需電網和變電所裕量。

表2 “以電代油”鉆機所需電網和變電所裕量Tab.2 Electricity network and substation gauge required for"electricity instead of oil"

2.2 供電半徑

考慮后期轉產能建設線路要求，規劃鉆井線路采用3×LJ-120型導線。按照10 kV三相平衡負荷架空線路的電壓降計算，根據《工業與民用供配電設計手冊》（第四版）參數[8]，該導線在35℃環境溫度下理論載流量為330 A，而變電所的保護定值為200 A。功率因數按0.85計算，30D、40D鉆機按國家標準電壓偏差不大于±7%計算，50D鉆機自帶變壓器具備有載調壓功能，按電壓偏差不大于±15%計算。考慮變電所的保護定值，線路所帶負荷不超過2 945 kW。不同供電半徑情況下所允許負載見表3、表4。

表3 電壓降Δu≤7%情況下各供電半徑允許負荷情況Tab.3 Permissible load of each power supply radius when voltage drop Δu≤7%

由表3、表4可知，供電半徑對鉆機的選擇有較大的影響。產能建設初期，主要負荷為鉆機負荷，受到35 kV變電所繼電保護能力的制約以及鉆機負荷性質的影響，分散無功補償裝置的容量需要在鉆機自帶箱式變內考慮，達到提供功率因數以保證供電質量的目的。對于30D型半電型鉆機，供電半徑在18 km以內可以接帶；對于40D、50D鉆機，供電半徑在12 km以內可以接帶；若在線路上考慮分散無功動態補償，效果會更好。

表4 電壓降Δu≤15%情況下各供電半徑允許負荷情況Tab.4 Permissible load of each power supply radius when voltage drop Δu≤15%

2.3 鉆井線路轉產能建設線路

根據目前估算，外圍油田10 kV架空線路的建設費用約為11萬元/km（不考慮征地費）。考慮實際情況，線路拆除后再利用率較低且拆除人工費較高，除井具、隔離開關等設備外，如線桿和架空導線利舊難度很大，在論證階段按照30%建設費用考慮；所以，在考慮使用電動鉆機時產能建設線路轉產能率也是主要因素。

2.4 租用臨時變費用

基于油田相關規定，以及施工現場實際情況計算租用臨時變費用（含稅），詳見表5。

表5 租用臨時變費用明細Tab.5 Detailed costs of temporary substation

3 論證分析

3.1 電力參數計算與鉆機帶載能力

在供電半徑小于或等于12 km、變電所富裕容量大于或等于2 500 kVA時，可以允許1臺50D鉆機運行；在供電半徑小于或等于12 km、變電所富裕容量大于或等于1 600 kVA時，可以允許1臺40D鉆機運行；在供電半徑小于或等于18 km、變電所富裕容量大于或等于800 kVA時，可以允許1臺30D鉆機運行。如表6所示，藍色區域允許30D鉆機運行，綠色區域允許40D鉆機運行，黃色區域允許50D鉆機運行。

3.2 經濟論證

根據以上分析，在線路和變電所容量滿足要求的情況下，還要分析“以電代油”的經濟性。

表6 變電所容量、供電半徑與鉆機選擇Tab.6 Selection of substation capacity，power supply radius and drilling rig

電動鉆機的費用=線路建設和拆除費用（萬元）+變壓器租賃費用（萬元）+臨時征地費（萬元）+電鉆電費（萬元/d）×時間（d）

油驅鉆機的費用=柴油費用（萬元/d）×時間（d）

第一種情況：若鉆井線路完全轉產能線路，則線路建設和拆除費用不計。若利用電動鉆機的費用大于油驅鉆機的費用，可推薦油鉆，反之則推薦電鉆。

第二種情況：若鉆井線路不完全轉產能線路，轉產能部分線路不計，該部分費用可在產能建設中考慮，不能轉產能部分線路費用則屬于電動鉆機的費用。

電動鉆機的費用=建后拆除線路建設費用（萬元）+拆除費用 （0.5萬元/km）-拆除部分再利用的節省費用（30%×初始投資）+變壓器租賃費用（萬元）+臨時征地費（萬元）+電鉆電費（萬元/d）×時間（d）

4 應用實例

某區塊[9]基建油水井35口，區塊范圍15.2 km×15.5 km，附近有可用的變電所及1回35 V線路。將租用的35/10 kV、4 000 kVA箱式變置于35 kV線路附近，至該區塊的供電半徑為6～10 km，井區以平臺井為主，采用50D鉆機。按照平臺有5口井計算，鉆井時間為1口井5天，則該平臺需25天。建設10 kV鉆井線路10 km，完鉆后需拆除6 km。電動鉆機的費用為103.96萬元，油鉆的費用為89.25萬元。可見，對于平臺數為5口井，電鉆成本較高。

若在供電半徑內，不再增加線路費用和改變臨時變位置的前提下，鉆井線路轉產能率低時，鉆井周期可達29天，油鉆和電鉆成本相當；若超過29天，即在相近區域鉆井超過6口時，則電鉆比較經濟。

5 結束語

采用“以電代油”鉆機不僅提高作業效率，節約柴油消耗，而且具有較好的社會效應，可減少大氣污染物的排放，降低噪聲污染，實現節約、綠色、清潔和高效生產。