一種油田電動鉆機用箱式發電機組的設計

孫勇 吳寧寧 宋鵬 殷治梅 辛見軍

摘要：本文主要介紹了一種油田電動鉆機用箱式發電機組的設計開發過程，結合油田上使用環境和工況，對箱式機組展開設計布置，最后通過油田實際鉆井試驗對機組的設計進行了驗證，論證了該款機組設計的合理性及可行性。

Abstract： This paper mainly introduces the design and development process of a kind of oil field electric drill box diesel generator set， combined with the oil field operating environment and working conditions， the design layout of the box type generator set， finally through the actual drilling test of the oil field to verify the design of the unit， demonstrated the rationality and feasibility of the design of the unit.

關鍵詞：油田;電動鉆機;箱式發電機組

Key words： oil field;electric drilling rig;container-generating set

中圖分類號：TE924? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0182-04

0? 引言

油田鉆井工作環境惡劣，工況復雜多變，在鉆井過程中遇到的地質情況也千差萬別，電動鉆機因其安全高效的特點已逐步取代機械鉆機成為油田鉆井行業主流[1]。

目前，國內油田電動鉆機配套用柴油發電機組主要為美國Cat-3512B系列、Cummins-KTA50系列以及日本三菱MOG1500系列，其中Cat-3512B系列發電機組市場份額占有率超過70%，處于主導地位。

自2019下半年以來，中石油、中石化等企業響應國家號召，提出提高國產設備使用率、保障關鍵設備供貨的可靠性的需求，計劃使用國產設備逐步替代現在在油田電動鉆機上廣泛配套使用的Cat-3512B系列等進口品牌柴油發電機組。

結合市場需求，對標進口品牌發電機組，進行油田電動鉆機專用箱式發電機組的設計開發。

1? 機組主要技術參數（表1）

2? 機組結構及特點

本箱式發電機組內部結構如圖1、圖2所示。

主要由集裝箱1、變頻柜2、控制柜3、發電機4、公共底盤5、蓄電池組6、發動機7、隔振器8、通風風機9、箱式散熱器10、導風罩11、一級消聲器12、沙漠空濾器13、二級消聲器14、排氣尾管15、推拉門16、定位梁17、爬梯18和輸出銅排19等組成。

發動機選用水空中冷結構，高壓共軌，燃油消耗率低，四增壓器配置，瞬態響應性好，一次性加載能力得到大幅提升，配置沙漠空濾器和燃油三級濾，滿足多風沙使用環境和燃油品質差使用要求。

發電機選用大容量電機，帶PMG永磁勵磁機，數字式電壓調節器，繞組要求采用模繞工藝，具備抗整流電源諧波干擾的能力，進氣口配防沙子過濾器，加裝繞組和軸承溫度傳感器，隨時監控發電機的運行狀態。

冷卻系統。獨立式冷卻單元，機組采用箱式散熱器，分為高低溫層，分別對應發動機的缸套水冷卻和中冷水冷卻，直接安裝在箱式機組內部，通過隔斷與發電機組隔離開，發電機組的冷卻管路穿過隔斷直接連接到箱式散熱器上，此種結構外界冷卻風直接冷卻散熱器，通過軸流風機強制排出，冷卻效率高，避免箱體內部溫升對冷卻系統的影響。散熱器芯體采用防風沙管片結構，間隙大，不容易堵塞，方便清洗。箱式散熱器結構如圖3所示。

變頻器的設計應用。當今節能減排，降低能源消耗，提高油田鉆井效率是趨勢[2]。箱式散熱器采用電驅動模式強制冷卻，基于降低發電機組能耗的考慮，散熱器的冷卻風扇采用變頻控制作為主用控制方式，即依據不同的水溫而進行轉速的調整以降低能耗，同時為避免由于變頻器出現故障而導致箱式散熱器的冷卻風扇無法動作而影響發電機組使用的情況發生，設計冷卻風扇軟啟動控制方式作為備用控制。其主要控制策略如圖4所示。

圖4中主電機為箱式散熱器電動機;電機冷卻風扇為變頻控制柜散熱風扇;1號2號排風扇為箱式發電機組內部的2個通風風機。由于箱式散熱器冷卻風扇電動機功率較大，故采用變頻控制;其余小電動機均采用直接啟動進行控制。

圖5、圖6分別為變頻器和軟啟動控制原理圖。該控制系統采用發電機組發出的電作為電源;變頻器及軟起動器兩端安裝電抗器，以減小由于油田負載的特性引起的諧波對變頻器及軟啟動器的干擾。接觸器及繼電器的控制采用PLC進行控制，對相應輸入輸出進行PLC邏輯編程，控制邏輯如下：

為實現依據不同水溫而進行轉速的調整，將發電機組水溫轉換為該變量狀態為4-20mA的電流模擬量作為變頻器輸入變量，即由機組控制模塊通過PT100傳感器讀取機組水溫，通過設置水溫傳感器曲線，將溫度轉換為相應4-20mA電流模擬量，再通過輸出口將該模擬量輸出至變頻器。對變頻器內部邏輯進行設置，其邏輯設置為當水溫低于72℃（包括72℃）時，變頻器進行休眠，散熱風扇停止轉動。當水溫高于72℃時，變頻器依據水溫進行變頻輸出，具體曲線設置如表2所示。

軟啟動控制。為防止由于變頻器故障而導致散熱風扇無法工作，故設計備用軟啟動旁路控制。考慮到直接啟動電動機時啟動電流沖擊較大，可以達到額定電流的6～8倍，若機組正常帶載過程中變頻器出現故障，直接啟動散熱風扇電動機將影響發電機組的正常帶載，故采用軟啟動措施，減少啟動電流，約為直接啟動的四分之一。

機組水溫高時箱式散熱器冷卻風機滿負荷運行，水溫低時風機低功率運行，尤其是冬季時節，環境溫度低，該套系統可節省可觀燃料。以本箱式發電機組為例，箱式散熱器軸流風機額定功率55kW，冬季氣溫低時運行功率20kW左右，冬季按照3個月時間來計算，每天運行20h，可節省燃油16t，創造間接經濟效益9萬元左右。

模塊化設計。機組采用標準集裝箱結構箱體，考慮國內二級公路及掛車尺寸，集裝箱外形尺寸定為12192mm×3000mm×3000mm，方便運輸，結構緊湊占地面積小，有效降低油田上用地緊張的困境，降低油田打井整體的投資成本[3]。集裝箱外側底側梁處設置定位梁，多臺機組可通過此結構并排緊挨使用，機組的進排風均設置在箱體兩端，并排緊挨使用不影響機組的通風散熱。箱體的維修門采用推拉門結構，并排緊挨使用時可組成內部通道，方便人員巡視檢修。機組大修時拆卸掉推拉門，可用叉車直接將發電機組挑出，維修便利。維修性及人性化設計：機組寬度3000mm，留出足夠的箱內空間，箱體推拉門設計，方便維修和維保，控制屏布置在電機尾端和推拉門通道上，方面觀察操作。

油田鉆井過程中以柴油機-交流發電機為原動力機組，通過可控硅（SCR）給鉆機提供直流電源驅動絞車、轉盤、泥漿泵工作[4]。以油田鉆井上常用的70鉆機及配套的絞車、轉盤、泥漿泵等設備為例，需要4臺1200kW箱式柴油發電機組并聯運行提供動力（3用1備）和1臺520kW輔助發電機組提供生活用電。

機組在油田的安裝布置如圖7所示，4臺箱式機組并排使用，中間2臺拆除掉集裝箱上的推拉門，4臺機組內部組成通道，維保人員可以從第1臺機組巡查到第4臺機組，用戶的SCR房布置在機組的后側，4臺機組的集中監控柜安裝在SCR房內，便于用戶對4臺機組的運行狀態進行集中監控。

3? 機組井上作業

2020年7月份，機組開始在新疆某油田上作業，連續工作5個月，累計運行3453h，發電量1045458kW.h，中途除了發動機正常保養外，機組無故障，無報警，機組經受住了新疆地區的酷暑和嚴寒，經受住了油田鉆井的惡劣工況，受到用戶的一致好評，機組燃油消耗率低至195g/（kW.h），低于競品燃油耗，長期運行能為用戶節省不少資金投入。機組井上運行照片如圖8所示，機組運行參數如圖9、圖10所示。

4? 機組改進

陸地油田鉆井一般情況下位于人煙稀少的戈壁灘、荒漠等偏遠地區，對機組噪聲不做強制性要求，從用戶角度出發，改善油田鉆井工作環境，機組進行噪聲處理。機組進風處設置消聲降噪百葉，如圖11所示。箱體內部及推拉門內側粘貼吸音棉，用鍍鋅多孔板固定，最大限度降低機組噪聲。

為滿足油田電動鉆機配套發電機組租賃市場，機組控制系統增加云監控與自動鎖車功能。

5? 結束語

S1-ZX箱式發電機組在新疆某油田上進行配套電動鉆機鉆井試驗，用戶反饋良好：箱式散熱器運行可靠，滿足高低溫及風沙環境下使用;變頻器節能省燃料;機組內部空間寬敞，維護保養及運輸方便;機組電氣設計能夠抗油田鉆井工況中諧波干擾。

電動鉆機配套的柴油發電機組長期被國外產品壟斷，S1-ZX箱式發電機組的配套成功，創造出了良好的經濟效益和社會效益，將有助于打開并逐步拓展油田電動鉆機專用發電機組市場，提高油田鉆機設備中國產化設備的比例，逐漸把國外進口產品替換掉。

后續將會根據市場反饋持續改進S1-ZX箱式發電機組，從人機工程學角度出發，方便用戶操作、維護保養機組。

參考文獻：

[1]王衍超.油田電動鉆機配套發電機組工況分析[J].柴油機，2017.

[2]王偉亮.淺析石油鉆井工程的設備節能[J].化學工程與裝備，2013.

[3]梁剛.800kW陸用箱式低濃度瓦斯發電機組研制[J].內燃機與配件，2019.

[4]裴海英.石油鉆井電動鉆機節能創效淺談[J].化工管理，2019.