鉆井船通用供電技術(shù)研究

傅祥廉

摘 要 石油資源作為工業(yè)發(fā)展中的一種十分關(guān)鍵的能源，在歷經(jīng)幾十年的勘采，淺海區(qū)以及陸面上可供勘采的油氣不斷減少，能源開(kāi)采企業(yè)自然而然地瞄準(zhǔn)了深水海域，將石油開(kāi)采工作延伸至深海區(qū)域。海洋平臺(tái)常規(guī)利用鉆井船作業(yè)，需要靠泊對(duì)應(yīng)平臺(tái)，通過(guò)自身柴油機(jī)提供鉆井及生產(chǎn)動(dòng)力。使用自身柴油機(jī)供電將消耗大量柴油對(duì)環(huán)境造成巨量碳排放。本文討論利用平臺(tái)電源為鉆井船供電可有效節(jié)約柴油消耗，減少環(huán)境污染。鉆井船通用供電技術(shù)可解決平臺(tái)為船體供電電壓等級(jí)、用電頻率等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)順利為各類型鉆井船供電需求。

關(guān)鍵詞 鉆井船供電 變頻電源 碳排放

中圖分類號(hào)：U223.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）02-0063-02

隨著石油勘探海域深度的逐漸加深，海上石油開(kāi)采的環(huán)境也更加復(fù)雜，對(duì)海上石油開(kāi)采設(shè)備的穩(wěn)定性以及安全性的要求也越來(lái)越高。目前，鉆井船與半潛式鉆井平臺(tái)為主要的兩類適合深水鉆井勘探和開(kāi)發(fā)深水油氣資源的浮式鉆井設(shè)備。同半潛式鉆井平臺(tái)比較而言，鉆井船具有更大的機(jī)動(dòng)性，性能也更強(qiáng)，它不僅可以快速改變作業(yè)區(qū)域，增強(qiáng)使用效益，而且還能夠在嚴(yán)峻的海況發(fā)生之前及時(shí)撤離，大大減輕海上勘探作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)階段新建鉆井船的工作水深超過(guò)3000m，鉆井深度能夠達(dá)10000m。鉆井船適合在全球不同水域連續(xù)鉆探勘探井，并且也可以用于鉆井生產(chǎn)井以及作為浮動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)的主體。鉆井船憑借其投資少、工作深度大、機(jī)動(dòng)性好、自航能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為海上石油資源勘采的不可或缺的設(shè)備。鉆井船的性能將會(huì)對(duì)海上石油勘探的發(fā)展帶來(lái)直接影響。在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，鉆井船如何安全、高效地運(yùn)行工作是需要我們考慮的問(wèn)題。在鉆井船運(yùn)行中，諸如鉆探設(shè)備和推進(jìn)設(shè)備的一系列設(shè)備均需要電力。隨著海上油田開(kāi)發(fā)建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，用電負(fù)荷不斷攀升，鉆井船的供電需求也逐漸引起了大家的關(guān)注。[1]鉆井船的供電問(wèn)題不但與經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)，而且和鉆井船的安全性以及可靠性密切相關(guān)。在制定鉆井船通用供電技術(shù)方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的時(shí)間狀況，充分思量供電需求的各個(gè)方面，并結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果來(lái)確定通用供電技術(shù)，為鉆井船的安全、高效運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。

1 鉆井船供電需求分析

渤海區(qū)域海上平臺(tái)普遍使用鉆修機(jī)及鉆機(jī)船完成鉆完井作業(yè)，隨著鉆井船服役年限增加，其自帶主機(jī)面臨主機(jī)老化，出力不足等問(wèn)題，嚴(yán)重影響鉆完井作業(yè)效率。鉆井船通常配置為柴油主機(jī)，柴油燃燒將對(duì)環(huán)境造成污染;鉆完井周期相對(duì)較長(zhǎng)在此期間柴油消耗、機(jī)組維保環(huán)境污染等問(wèn)題亟待解決，如何實(shí)現(xiàn)在安全、環(huán)保的前提下使用鉆修機(jī)或鉆井船進(jìn)行優(yōu)質(zhì)、高效的鉆完井作業(yè)是新時(shí)期對(duì)鉆完井提出的新的挑戰(zhàn)。[2]

渤海區(qū)域已形成規(guī)模性海上油田電網(wǎng)，電力資源相對(duì)充裕，可利用平臺(tái)電能為鉆井船供電，使鉆井船靠泊平臺(tái)作業(yè)期間減少甚至停止柴油機(jī)的使用。但是鉆井船配電設(shè)備通常采用600V電壓等級(jí)，設(shè)備運(yùn)行頻率為60Hz，而平臺(tái)通常使用10kV/6kV中壓、400V低壓，設(shè)備運(yùn)行頻率50Hz;無(wú)法直接使用平臺(tái)電源或僅利用降壓變壓器為鉆井船供電。因此一套以降壓、變頻設(shè)備為核心的供電設(shè)備將解決平臺(tái)為鉆井船供電瓶頸。

2 鉆井船通用技術(shù)方案

針對(duì)鉆井船供電需求，首先對(duì)鉆井船各工況下負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析以確定所需設(shè)備容量。目前渤海油田開(kāi)發(fā)、調(diào)整井總井深多為2000～3000m范圍，通過(guò)以往作業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明：進(jìn)行鉆井作業(yè)期間，在鉆井平臺(tái)處理2000～3000m處環(huán)空憋壓/鉆具阻卡工況下，平臺(tái)用電峰值約4600kW;作業(yè)支持階段用電峰值約510kW，而在正常工況下，相應(yīng)用電負(fù)荷更低。

鉆井船通用供電技術(shù)方案中需要配置高壓開(kāi)關(guān)柜1面可適應(yīng)10kV/6kV中壓，移相變壓器一臺(tái)，同時(shí)為移相變壓器配置IGBT控制單元器件以調(diào)節(jié)進(jìn)線側(cè)頻率。最后輸出至降壓變壓器由降壓變壓器通過(guò)低壓開(kāi)關(guān)柜實(shí)現(xiàn)鉆井船供電，具體供電方案如圖1所示。

3 工程案例分析

目前鉆井船通用供電設(shè)備（移動(dòng)式組合變電站）已在中海油鉆井船上投產(chǎn)使用，以該鉆井船靠泊渤海某油田井口平臺(tái)鉆井為工程案例進(jìn)行分析。[3]

該鉆井船現(xiàn)配置有4臺(tái)柴油機(jī)組作為鉆完井作業(yè)及生活負(fù)荷主電源，依據(jù)以往使用經(jīng)驗(yàn)，峰值負(fù)荷為2500kW，高峰柴油消耗達(dá)到10m3/天。鉆井船采用600V電壓等級(jí)，用電設(shè)備頻率為60Hz，靠泊平臺(tái)中壓采用10.5kV電壓等級(jí)，低壓采用400V電壓等級(jí)，用電設(shè)備頻率為50Hz。通過(guò)井口平臺(tái)備用10.5kV開(kāi)關(guān)作為移動(dòng)式組合變電站進(jìn)線電源，通過(guò)移相變壓器調(diào)整電源頻率，再經(jīng)過(guò)降壓變壓器將電壓降至600V實(shí)現(xiàn)給鉆井船供電。

其中該項(xiàng)目移動(dòng)式組合變電站中降壓變壓器與移相變壓器容量均為3000kVA，按0.85功率因數(shù)計(jì)算，可滿足鉆井船峰值負(fù)荷。對(duì)井口平臺(tái)進(jìn)行適應(yīng)性改造，完成對(duì)應(yīng)備用開(kāi)關(guān)的繼電保護(hù)整定后即可開(kāi)始作業(yè)。移動(dòng)式組合變電站安裝便捷，設(shè)備從吊裝至安裝調(diào)試完畢具備使用條件工期僅8天，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性。[4-5]

若以柴油機(jī)作為鉆井船主動(dòng)力，鉆井作業(yè)期間，日均消耗柴油8m3/天;完井作業(yè)期間，日均消耗柴油4m3/天;完成一口井作業(yè)平均消耗柴油量73m3。按市場(chǎng)價(jià)格0#柴油6080元/m3計(jì)算，若使用移動(dòng)式組合變電站供電，完成一口井作業(yè)可節(jié)約柴油消耗費(fèi)用44.4萬(wàn)元。按一條鉆井船年鉆井、完井15口，即可節(jié)約近666萬(wàn)元柴油消耗費(fèi)用。[6]

利用移動(dòng)式組合變電站為鉆井船供電可避免自帶柴油機(jī)老化問(wèn)題，在鉆井期間，柴油機(jī)高負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，對(duì)柴油機(jī)軸承等器件磨損嚴(yán)重。且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行縮短了柴油機(jī)定期保養(yǎng)周期，增加運(yùn)營(yíng)成本;同時(shí)年檢、大修等比不可少的維保工作將降低鉆井船鉆井效率，因此利用移動(dòng)式組合變電站直接降低了柴油機(jī)組的維保費(fèi)用。[7]

單位質(zhì)量柴油完全燃燒排放CO2質(zhì)量為3.0959kg，即1kg柴油完全燃燒將對(duì)應(yīng)排放3.0959kg的CO2。按照200英尺鉆井船鉆井工況下柴油日均消耗量計(jì)算，若采用柴油機(jī)作為主動(dòng)力電源，每日將排放約20噸的CO2氣體;采用移動(dòng)式組合變電站為鉆井船供電后，將減少排放4.5噸至5噸碳元素，在完成鉆完井作業(yè)同時(shí)，從根本上控制能源消耗，減少因作業(yè)施工帶來(lái)的環(huán)境污染。[8]

4 結(jié)論

“綠水青山就是金山銀山”，低碳生活已被全社會(huì)所重視。對(duì)于石化能源企業(yè)來(lái)說(shuō)，環(huán)境保護(hù)更是一種不可推卸的責(zé)任。有效降低工程作業(yè)中溫室氣體的排放，從源頭上減少碳排放具有積極的意義。

采用鉆井船通用供電設(shè)備（移動(dòng)式組合變電站）可在鉆完井作業(yè)期間最大限度節(jié)約柴油消耗，降低工程投資費(fèi)用。同時(shí)因鉆井船通用供電設(shè)備具有良好的通用型，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備持續(xù)利用，資源共享。在鉆完船與海上油田平臺(tái)聯(lián)合作業(yè)中充分詮釋了“1+1>2” 優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)資源整合優(yōu)化配置，具有良好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 崔博聞.海洋鉆采平臺(tái)電站的建模及諧波分析研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.

[7] 張輝.深水半潛式鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].電工技術(shù)，2010（04）：43-44，62.

[8] 張睿，曹丹.鉆井船電力系統(tǒng)方案研究[J].船舶工程， 2013，35（Z2）：189-190.

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452）