鉆井隊冬季保溫系統(tǒng)電代油的設(shè)計與應(yīng)用

常 勇，崔 兵，吾布力卡斯木·吾甫爾，邱 斐，成小強

（中國石油集團西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依 834009）

0 引言

冬季保溫裝置是北部地區(qū)鉆井現(xiàn)場不可缺少的重要設(shè)備，以前主要采用的燃煤鍋爐在環(huán)保方面受到很多限制，雖然近年來采用了燃油蒸汽鍋爐，但是柴油成本的增加和廢氣的排放又成為現(xiàn)場必須要解決的問題。為滿足新疆油田產(chǎn)能建設(shè)，中國石油集團西部鉆探克拉瑪依鉆井公司（以下簡稱公司）每年有大約50 余部鉆機冬季施工和越冬作業(yè)。自瑪湖區(qū)域大開發(fā)以來，冬季施工的鉆機最多時超過80 部，冬季使用燃油鍋爐150 余臺，一個保溫季僅鍋爐消耗柴油費用就達5000 余萬元，再加上人工費和管理費2000 余萬元。

為了進一步降低燃油成本、提質(zhì)增效，減少二氧化碳排放，深入綠色鉆井的發(fā)展理念，開展鉆井隊電代油保溫系統(tǒng)的研究勢在必行，既能滿足鉆井隊冬季生產(chǎn)保溫的效果，又能使現(xiàn)場保溫更加節(jié)約、環(huán)保。

1 鉆井隊冬季施工保溫要求及保溫模式的調(diào)研

為保證鉆井設(shè)備管線、油路、井控裝置等不凍結(jié)，鉆井隊會給重要設(shè)備搭建保溫棚，通過保溫形成一個溫度適宜設(shè)備工作的空間（圖1）。鉆井設(shè)備的保溫主要依靠鍋爐燃燒，加熱水產(chǎn)生蒸汽，通過蒸汽管線和散熱片為保溫棚提供熱量，然而耗費的水量和燃料成本居高不下，且保溫溫度不恒定。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，保溫成本居高不下的原因正是保溫裝置的技術(shù)落后，通過燃燒煤或者柴油的方式熱轉(zhuǎn)換效率低，耗費人力物力。而保溫的溫度很大部分還取決于鍋爐工的工作程度，如果不斷地?zé)仩t則溫度過高，而供暖不足則溫度偏低。因此，當(dāng)前鉆井隊?wèi)?yīng)用燃油鍋爐的保溫模式劣勢明顯，是一個困擾現(xiàn)場作業(yè)的難題。

圖1 鉆井隊冬季保溫

為解決以上問題，助力石油鉆井提速創(chuàng)效，研究團隊通過資料查閱，借鑒鉆井現(xiàn)場使用工業(yè)網(wǎng)電和城市集中供暖的特點，著力研究鉆井隊電代油保溫裝置。

2 節(jié)能保溫裝置的研制

熱值和熱效率計算：根據(jù)燃油車和電車相比，燃電效率約為燃油的2 倍，而燃油鍋爐通過外部燃燒的傳遞熱量加熱水與電加熱管燒水相比，電加熱的傳遞效率較高。

根據(jù)柴油熱值42 652 kJ/kg、電熱值為36 000 kJ（/kW·h），鉆井隊柴油發(fā)電效率一般以260 g（/kW·h）為基準(zhǔn)。

1 kg 柴油通過發(fā)電在通過加熱管發(fā)熱的總量為1000÷260×36 000=138 462 kJ。按照燃燒熱傳導(dǎo)效率92%、電熱水器傳導(dǎo)效率98%的標(biāo)準(zhǔn)計算，每千克柴油發(fā)電產(chǎn)生的熱量比燃燒發(fā)生的熱量高96 453 kJ。所以電代油保溫的方式可行，研究方向正確。

研究團隊通過仔細分析，將鉆井隊電代油保溫系統(tǒng)設(shè)計分為了水循環(huán)加熱罐、熱分布系統(tǒng)、蒸汽輔助系統(tǒng)3 個部分。

3 水循環(huán)罐的設(shè)計

鉆井隊使用的燃油蒸汽鍋爐一般為1 t 或2 t，蒸汽具有壓力高、溫度高的特點，可以很好地將熱能傳遞到各需要保溫的點，而且燃燒產(chǎn)生的熱相對較快，所以設(shè)計水循環(huán)加熱罐首先考慮的是罐容。根據(jù)原鉆井隊保溫系統(tǒng)管線內(nèi)容積計算，裝滿水需要2 m3左右，循環(huán)一周大約5 min，所以新系統(tǒng)設(shè)計罐容為管線容積的3～5 倍較為合適。其次是加熱源的選擇，根據(jù)公司開展的油基泥漿電加熱管實驗，30 kW 加熱管產(chǎn)生熱量可將50 m3泥漿溶液3 h 溫升15 ℃的結(jié)果，設(shè)計大于30 kW 加熱源較為合適。考慮鉆井現(xiàn)場生產(chǎn)特殊性，一旦加熱源損壞可能造成管線凍結(jié)，所以一般設(shè)計有備用熱源，重要設(shè)備都是一備一用。最后是循環(huán)泵的選擇，以7000 m 鉆機為例，鉆臺高度為12 m，至少要選擇揚程25 m 以上的循環(huán)水泵，又根據(jù)5 min 循環(huán)一周，循環(huán)水量2 m3計算，泵排量40 m3/h 以上的較為合適。

綜上所述，設(shè)計制造8 m3的加熱水罐，配置2×30 kW 防爆防干燒電加熱管，配置配電箱、水位計、低水位報警儀、溫度計、溫控儀等安全報警裝置，確保循環(huán)罐可輸出熱量滿足鉆井隊現(xiàn)場保溫需求（圖2）。同時在罐體設(shè)計兩臺4 kW 防爆高壓水泵，滿足熱水循環(huán)，實現(xiàn)熱傳遞。另外，罐體采用雙層瓦楞鋼板焊接而成，可有效減少熱擴散。

圖2 新型水循環(huán)罐

4 熱分布系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)鉆井現(xiàn)場冬季保溫棚的布置，分為泵房區(qū)、循環(huán)罐區(qū)、泥漿不落地區(qū)、加重裝置區(qū)、油罐區(qū)、節(jié)流壓井管匯區(qū)和鉆臺區(qū)等7 個區(qū)域。

首先是主管線的設(shè)計。主要參考原鉆井隊主蒸汽管線使用內(nèi)徑50 mm，支線使用25 mm 鋼管連接而成，本著材料再利用的原則，水循環(huán)系統(tǒng)可使用原管線。

其次是原蒸汽管線采用橡膠軟管連接，時常出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象，造成蒸汽漏失、地面凍結(jié)等風(fēng)險。而鋼管焊接支管線，其布置和增減也會受到鉆井現(xiàn)場的限制，特別是油基泥將現(xiàn)場禁止焊接的要求。所以采用更加結(jié)實但便于安裝，同時滿足不動火要求的PVC（聚氯乙烯塑料）管更為合適。

綜合考慮，系統(tǒng)設(shè)計主輸入管線和回水管線，采用50 mm鋼管焊接油壬連接，各區(qū)域采用PVC 管與金屬散熱片連接，其數(shù)量可根據(jù)保溫區(qū)域的大小進行調(diào)整。

5 蒸汽輔助系統(tǒng)

由于鉆井現(xiàn)場施工的特殊性，在冬季吹掃鉆具接頭、清洗工業(yè)衛(wèi)生等情況下一般都需要使用蒸汽，雖然用量不大，但高溫水仍然不能替代。所以，本保溫模式設(shè)計配置了小容量的電能蒸汽發(fā)生器，徹底替代燃油鍋爐。

通過市場調(diào)研，目前市場有容量29 L、壓力0.7 MPa 的電蒸汽發(fā)生器，其設(shè)計合理、安全性高，且設(shè)計在常規(guī)設(shè)備級別。考慮鉆臺和泥漿泵房需要同時使用的情況，所以該系統(tǒng)配置2 臺全自動電加熱蒸汽發(fā)生器。

6 應(yīng)用效果

電代油保溫系統(tǒng)設(shè)計成功后在新疆油田首先得到推廣，目前應(yīng)用在70531、70096 等10 余支鉆井隊。其保溫效果能夠滿足鉆井現(xiàn)場冬季施工要求，而成本約為原保溫系統(tǒng)的40%左右。

（1）加工成本和人工成本。原來使用燃油蒸汽發(fā)生器（鍋爐），1 t 鍋爐帶房體采購價約12 萬元，平均使用壽命為5 年，不含維修費每年需要攤銷2.4 萬元。注冊特種設(shè)備費用不計，2 人取證倒班負責(zé)運行，每個保溫季運行人工成本6 萬元，合計每個保溫季8.4 萬元。而采購2 臺電蒸汽發(fā)生器價格為2.4 萬元，制造循環(huán)加熱罐成本6 萬元，也按照使用壽命為5 年計算，由于不需要專門人員操作，所以運行成本為每個保溫季1.68 萬元，節(jié)約6.72 萬元。

（2）能耗方面。原鍋爐運行平均每日耗柴油2 t，加運費按照每噸1 萬元計算，每日耗費2 萬元。而新型保溫系統(tǒng)全部功率為204 kW，即使24 h 使用，其耗電量為4896 kW·h，現(xiàn)場經(jīng)過統(tǒng)計平均耗電為3600 kW·h，按照鉆井發(fā)電成本1.5 元/（kW·h）計算，每日耗費電費0.54 萬元。因此每日可節(jié)約1.46 萬元，每個保溫季（按90 d 算）可以節(jié)約131.4 萬元。

（3）排放方面。根據(jù)燃燒柴油的數(shù)量每日二氧化碳排放約為6000 kg，其他污染不計，比耗電3600 kW·h 的排放量低約50%（圖3）。

圖3 輔助蒸汽發(fā)生器應(yīng)用現(xiàn)場

7 總結(jié)

通過對鉆井隊保溫需求和原保溫設(shè)備的研究，團隊開展電代油、水循環(huán)、小型蒸汽發(fā)生器配合方式保溫，形成一套新型保溫系統(tǒng)，配套滿足鉆井隊冬季施工要求的裝備和保溫執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了保溫成本的大幅降低。該設(shè)計基于鉆井一線裝備使用，立足于安全環(huán)保和降本增效，符合公司發(fā)展研究需要，應(yīng)用市場前景廣闊，推廣應(yīng)用價值高。

鉆井隊電代油冬季保溫系統(tǒng)的設(shè)計，既是多門學(xué)科在鉆井現(xiàn)場裝備保障應(yīng)用，也是現(xiàn)代化鉆井環(huán)境保護能源節(jié)約的綜合體現(xiàn)，該裝置的成功應(yīng)用，不僅解決了鉆井一線困難，也在提質(zhì)增效的進程中邁出結(jié)實的一步。