電儲能修井機的研制與應用

王 強，張 浩，范雪麟，孫 偉，石 堯，陳 科，顏廷江

（1.勝利油田技術檢測中心，山東 東營 257000；2.勝利油田檢測評價研究有限公司，山東 東營 257000）

修井機是油田開發作業的核心設備，目前國內各大油氣生產單位的修井作業設備仍以柴油機驅動為主。但柴油機驅動存在能耗高、污染大、噪音大的問題。“雙碳”目標下，這種落后的動力方式將逐步淘汰，修井機“油改電”的電動化更新升級是未來修井設備動能轉換的主流趨勢［1］。

普通網電修井機是電動化更新的初代嘗試。以40 t網電修井機為例，它的電機總配套功率150 kW，但是井口變壓器一般為30 kVA或50 kVA，滿足不了功率要求，需要再配置一個200 kVA的變壓器。吊裝、拆接變壓器帶來的安全風險、成本增加等一系列問題，嚴重制約了網電修井機的推廣應用［2］。

針對上述問題，需要研發一套擴容、功率補償裝置替代高壓變壓器，實現僅利用井場變壓器就可滿足整個作業過程的用電負荷需求。鋰電池在能量密度、性價比以及放電穩定性等方面均具備較大優勢［3］，且具備獨立供電作業的能力，其與網電相互配合共同完成作業是可行的。因此，勝利油田研制了基于儲能電池驅動作業的新型修井機，在原有網電修井機基礎上，增加電池儲能裝置進行擴容和功率補償，合理利用網電與電儲能裝置的互補，實現了獨立供電、網電供電、聯合供電等多種工作模式。

1 修井機儲能系統

1.1 儲能裝置的選擇

目前國內比較成熟的電儲能裝置包括電化學儲能電池和超級電容器。超級電容器充放電快，循環次數多，一般作為輔助的能量補充和調節環節［4］，但超級電容器電壓變化大，導致其無法長時間形成穩定電流，且額定電壓很低，在應用中需要進行大量的串聯，且不能直接接入功率變換系統［5］。另外，超級電容器生產成本相對較高，這無疑會增加設備運行的成本投入。

修井作業動態變化的特點使得人們對儲能元件提出了更高的要求。電化學儲能電池能量密度大，相比于超級電容器其安全性能更好，功率匹配范圍更大，可以適應功率的實時變化，并且能夠有效補充電網能量。另外，電化學電池具有獨立供電能力，可在停電時滿足修井作業需求。通過分析比較，本文采用電化學儲能電池作為儲能裝置，開展電池儲能技術在修井機上的應用研究。

選擇儲能材料時，綜合比對了各種儲能材料［6］的容量、能量密度、安全系數等參數，結果如表1所示。按照各項參數指標的重要程度，采用量化加權的方法，交由專家對各種儲能材料進行評估。在滿足容量和放電能力的前提下，選擇儲能材料時需優先考慮保障電儲能修井機在油氣環境下作業的安全。經量化加權計算得到，三元材料、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰、鎳酸鋰、鈷酸鋰的相對分值分別為0.21、0.39、0.16、0.15、0.18、0.22，因此，最終選用磷酸鐵鋰電池。

表1 儲能材料關鍵參數Tab.1 Critical parameters of several energy storage materials

1.2 工作原理

修井機在進行修井作業時，需對每根油管進行連接或卸載，每連接或卸載一根油管的過程可作為一個修井作業循環周期。修井作業是一種典型的間歇式循環作業。修井機工況可大致分為起升、卸扣、排管、下放四個工況，各工況功率需求曲線如圖1所示。

圖1 修井機各工況功率需求曲線Fig.1 Power demand of a workover rig under various working conditions

利用電池功率補償系統為修井機補償動力。電儲能修井機采用直流母線電壓控制技術，與井口變壓器并聯使用。網電與電池組并聯形成的能量完全可滿足修井作業的動力需求，且該修井機的作業效率優于傳統修井機。電儲能修井機的作業過程為：起升時，由于變頻電機功率較大，所需供電量較大，因此選擇第一種工作模式，即網電與電池組并聯同時向電控系統供電，以滿足變頻電機大功率提升的用電需求；卸扣時，所需供電量較小，因此選擇第二種工作模式，即由網電單獨供電，且可將網電多余的電能通過電控系統自動向電池組充電；下放時，所需供電量也較少，因此選擇第三種工作模式，即利用網電多余的電能向電池組充電。另外，下放時產生的勢能使電動機變成發電機，可利用這部分勢能向電池組充電。

2 電儲能修井機整機設計

為了保障電儲能修井機的作業能力，確保其在油氣環境下的使用安全，在研制過程中重點對電儲能修井機的電池系統、電控系統、電池管理系統三部分進行針對性的研發及設計。

2.1 電池系統

作為能量存儲裝置，電池系統不僅要滿足實用性需求，而且要結構合理、安全。以40 t修井機為例，在電池容量設計時以活動管柱數量為作業單元，全過程模擬修井機作業過程中的能量需求，完成儲能裝置容量的計算，并最終確定電池組額定電量為51.84 kW·h，電池組工作最大放電電流為300 A。同時，受修井機底盤所限，電池裝置的上裝空間尺寸和重量都有一定的限制。通過設計電池裝置伸縮桿式散熱結構、螺旋導流散熱孔等，以及溫度協同控制的熱管理系統，可有效解決狹小安裝空間的熱管理問題。

2.2 電控系統

新型電儲能修井機作業時采用“電網 + 多傳動 + 直流儲能”的方式，通過“電網 + 儲能裝置”聯合供電，彌補井場變壓器容量、功率的不足。圖2為電儲能修井機電控系統工作原理圖。起升管柱時電機功率需求大，網電、儲能同時輸出能量，以滿足電機功率需求；卸扣排管時，電機功率需求低，網電給儲能裝置充電；管柱下放時，利用管柱重力勢能向電池組充電。為了充分利用“儲能、網電、管柱下放回收勢能”等多方面能量來源，采用直流母線電壓控制方法，根據負載功率變化，自適應匹配儲能裝置充放電過程，以保證多能量協同供應。為了充分利用井場配電資源，在動力分配時優先使用網電，不足部分由儲能裝置補充。通過劃分系統的控制參數，將修井工況分解為不同的作業階段，分別為各個階段提供適合的動力分配策略，從而實現全工況的能量管理。

圖2 電儲能修井機電控系統工作原理圖Fig.2 Working principle of the electrical control system in a workover rig with electric energy storage

經測試，電儲能修井機完成連續作業5 h、起升管柱150根的修井作業時總耗電量為297.46 kW·h，其中電池耗電量為252.73 kW·h，網電耗電量為41.23 kW·h，并回收勢能3.5 kW·h，實現了網電儲能協同供電。

利用“儲能、網電、管柱下放回收勢能”協同供電的控制技術，有效實現了儲能電池、網電的配合使用，既可充分利用井場配電資源，實現多模式供電，滿足修井作業需求，又可減少電池充放電時對電網的沖擊，從而對網電起到主動保護作用。

2.3 電池管理系統

建立了基于“智慧報警”防護體系的電池管理系統（BMS），并完成電池在各種工況下的性能試驗100余組，確定了電池溫度、單體溫差、單體電壓、絕緣電阻、充電電流、放電電流、總電壓、電池荷電狀態（SOC）等關鍵參數的報警閾值，進而建立了不同安全層級下的智慧報警及響應機制，切實保障了電池裝置在油氣環境下的作業安全。

實時監測電池狀態參數，實現了電儲能裝置電性能和安全性能關鍵指標監測“一級提醒、二級警告、三級停機”智慧報警體系，對電儲能裝置進行分級管控，實現了對儲能電池的高精度管理。表2為主要故障閾值表。

表2 主要故障閥值Tab.2 Threshold of the main faults

3 現場試驗與應用

3.1 性能驗證

對電儲能修井機進行最大負荷提升、儲能裝置獨立放電作業、安全性能驗證等一系列測試。

（1）儲能裝置放電能力測試：在試驗井進行提升160 kN載荷測試試驗，結果表明，電池在獨立供電條件下可供持續作業30 min以上，累計起升高度為470.7 m，累計耗電量為40.138 kW·h（SOC從100%到14%），且各項指標均穩定在合理區間。

（2）電控性能測試：通過監控提升管柱過程中電池的最大輸出功率發現，作業過程中網電變壓器始終滿負荷輸出，電池功率會隨載荷變化而變化，從而實現了網電優先供電控制策略。電池輸出功率曲線如圖3所示。

圖3 電池輸出功率曲線Fig.3 Output power of the battery

（3）安全管理能力測試：關閉熱管理系統后進行多次預警測試，結果表明系統響應正常，電池管理系統監測各參數的最大誤差為1.28%，可滿足工程應用。

（4）現場節能對比測試：在同一口井分別采用履帶式通井機、柴油驅修井機以及電儲能修井機3種機型作業機起放相同數量管柱，能耗測試結果如圖4所示。經折合標煤能耗計算，與同規格柴油驅修井機相比，電儲能修井機可節能38%，節能效果良好。

圖4 3種機型起升相同數量隔熱管時累積能耗對比Fig.4 Comparison of the cumulative energy consumption among three types of workover rig

3.2 應用情況

目前勝利油田已投產多臺電儲能修井機，累計完成作業900余井次。不同作業管理區、不同作業現場的測試證實，該設備可適應油田各種作業工況，滿足使用要求，取得了良好的應用效果。

4 結 論

電儲能修井機的成功研發不僅解決了普通網電修井機接高壓電帶來的安全隱患問題，節約了箱變系統運輸及吊裝成本，而且實現了修井作業完全依靠電能驅動，作業現場零排放，節能效果突出，環保效益顯著，從而真正實現了修井作業設備“油改電”的電動化更新升級。

同時，電儲能技術在油田作業設備上的應用，是將新型鋰電池儲能技術引入油田的最早嘗試。該技術在研發過程中將逐步拓展、全面布局到注水泵站、移動儲能、新能源發電儲能配套等領域，從而形成管理、控制、檢測于一體的技術體系，為油田新能源發展儲能配套建設打下了堅實的基礎，對推廣清潔能源使用具有重大意義。