網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

陳 瑛

（勝利石油管理局設(shè)備管理處，山東東營(yíng)257001）①

網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

陳 瑛

（勝利石油管理局設(shè)備管理處，山東東營(yíng)257001）①

為解決目前油田網(wǎng)電修井機(jī)存在的問(wèn)題，提出了一種車(chē)載式網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)。采用車(chē)載式底盤(pán)和電容儲(chǔ)能技術(shù)，相比較于目前撬式網(wǎng)電修井機(jī)，在降低運(yùn)輸費(fèi)用的同時(shí)能夠節(jié)能減耗。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和分析表明：車(chē)載網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)能夠提高作業(yè)工作效率，在電網(wǎng)停電時(shí)有足夠的電能完成封井作業(yè)，消除安全隱患。

修井機(jī)；儲(chǔ)能；車(chē)載；網(wǎng)電

網(wǎng)電修井機(jī)具有能耗低、零排放、噪聲小、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為未來(lái)修井機(jī)發(fā)展的方向［1］。但其仍具有以下缺點(diǎn)：使用受井場(chǎng)變壓器容量限制，且運(yùn)輸費(fèi)用高，準(zhǔn)備工作時(shí)間長(zhǎng)、效率低；電網(wǎng)停電時(shí)，無(wú)法進(jìn)行正常工作和封井作業(yè)，存在安全隱患；在剎車(chē)和下放作業(yè)時(shí)發(fā)出大量電能，造成浪費(fèi)。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種車(chē)載式網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)，能夠降低運(yùn)輸費(fèi)用，克服井場(chǎng)變壓器的容量限制，有效地回收剎車(chē)和下放作業(yè)時(shí)發(fā)出的大量電能，提高作業(yè)工作效率，并在電網(wǎng)停電時(shí)有足夠的電能完成封井作業(yè)，消除安全隱患。

1 技術(shù)分析

車(chē)載網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，整機(jī)分為電力儲(chǔ)能模塊、變頻調(diào)速模塊、配套機(jī)械液壓模塊、絞車(chē)及盤(pán)式剎車(chē)模塊、底盤(pán)及井架5大模塊。車(chē)載網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車(chē)載網(wǎng)電電力儲(chǔ)能修井機(jī)模塊結(jié)構(gòu)

1.1 電力儲(chǔ)能及控制技術(shù)

電力儲(chǔ)能模塊中設(shè)有儲(chǔ)能電容，儲(chǔ)能電容的能量通過(guò)能量管理裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；電機(jī)倒發(fā)電回饋的能量經(jīng)過(guò)直流母線(xiàn)存儲(chǔ)于儲(chǔ)能電容中，未能全部吸收的能量由電氣控制柜內(nèi)的能耗電阻吸收。

1.2 變頻調(diào)速及能耗制動(dòng)技術(shù)

獨(dú)立絞車(chē)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)采用一對(duì)一控制交流電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)性能滿(mǎn)足絞車(chē)傳動(dòng)要求，實(shí)現(xiàn)絞車(chē)傳動(dòng)與剎車(chē)的連鎖控制功能。

綜合控制柜內(nèi)設(shè)有1路電源進(jìn)線(xiàn)電操斷路器，接入井場(chǎng)變壓器提供的380 V電源。同時(shí)安裝1臺(tái)160 kW變頻器帶制動(dòng)單元，用于控制絞車(chē)電機(jī)。絞車(chē)變頻器具有過(guò)載保護(hù)功能。

絞車(chē)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)使用無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，將逆變器與電動(dòng)機(jī)結(jié)合為一體，進(jìn)行精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制，并能使得轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)之間互不影響［2］。

交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩可表示為

式中：Lσ為漏磁系數(shù)；Ψs為定子磁鏈；Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈；θ為磁通角。

由式（1）可知，如果要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，可以通過(guò)改變磁通角θ來(lái)實(shí)現(xiàn)。

直接轉(zhuǎn)矩控制原理如圖2所示。由圖2可知：磁鏈給定與轉(zhuǎn)矩給定通過(guò)計(jì)算分別輸出磁鏈信號(hào)與轉(zhuǎn)矩信號(hào)，同時(shí)配合電機(jī)定子磁鏈軌跡位置來(lái)為逆變器提供開(kāi)關(guān)信號(hào)，逆變器輸出相應(yīng)的電壓矢量作用于電機(jī)，從而改變磁通角θ，以此達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

采用DTC技術(shù)，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，并非致力于取得電機(jī)在電壓電流上的正弦波，此外其控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際情況，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的自動(dòng)調(diào)節(jié)。另外采用無(wú)速度傳感器技術(shù)，省去了測(cè)速編碼器，保證了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

變頻柜的調(diào)節(jié)回路采用速度、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)的全數(shù)字調(diào)速方案。所有的調(diào)節(jié)與保護(hù)參數(shù)均為維護(hù)人員易于理解和掌握的數(shù)字量設(shè)置，不存在模擬控制復(fù)雜、困難的調(diào)試與維護(hù)過(guò)程，更無(wú)模擬控制所固有的參數(shù)飄移、故障率高等影響系統(tǒng)安全與可靠性的不穩(wěn)定因素。當(dāng)絞車(chē)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，系統(tǒng)將安全自動(dòng)斷電停機(jī)。

當(dāng)電機(jī)在外力作用下減速、反轉(zhuǎn)時(shí)（包括被拖動(dòng)），電機(jī)即以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，能量反饋回直流回路，由電容吸收，當(dāng)直流電壓過(guò)高，制動(dòng)單元的功率管導(dǎo)通，電流流過(guò)制動(dòng)電阻消耗多于電能，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，母線(xiàn)電壓也降低；母線(xiàn)電壓降至常值，制動(dòng)單元的功率管關(guān)斷，制動(dòng)電阻無(wú)電流流過(guò)；采樣母線(xiàn)電壓值，制動(dòng)單元重復(fù)ON／OFF過(guò)程，平衡母線(xiàn)電壓，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

能耗制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平滑，能隨時(shí)改變制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以使生產(chǎn)設(shè)備可靠停止，最適合用于經(jīng)常啟動(dòng)、頻繁逆轉(zhuǎn)并要求迅速停車(chē)的生產(chǎn)設(shè)備。

制動(dòng)電阻與制動(dòng)單元一對(duì)一地組成1個(gè)能耗制動(dòng)回路，在游車(chē)下放過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)絞車(chē)電機(jī)的速度平穩(wěn)控制，可實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)和懸停。無(wú)溫度過(guò)高、冒煙等現(xiàn)象。

1.3 配套機(jī)械液壓模塊技術(shù)

傳動(dòng)系統(tǒng)只有1套液壓控制的兩擋動(dòng)力換擋變速箱，由液壓離合器控制換擋。傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，且傳動(dòng)效率高，可進(jìn)一步提高節(jié)能效果。車(chē)載網(wǎng)電電力儲(chǔ)能修井機(jī)采用液壓系統(tǒng)對(duì)盤(pán)式剎車(chē)、動(dòng)力換擋變速箱、井口動(dòng)力鉗和液壓支腿等實(shí)現(xiàn)集中控制和驅(qū)動(dòng)。

液壓系統(tǒng)主要用于修井機(jī)行駛中的轉(zhuǎn)向助力；安裝調(diào)試中的車(chē)架升降調(diào)平、井架的起降伸縮；修井作業(yè)中的井口液壓機(jī)具應(yīng)用控制等。系統(tǒng)控制集中設(shè)在載車(chē)司鉆操作臺(tái)附近，重要執(zhí)行部件的操作控制設(shè)定多重安全保護(hù)功能。

1.4 絞車(chē)及盤(pán)式剎車(chē)模塊

液控盤(pán)式剎車(chē)作為絞車(chē)主剎車(chē)，盤(pán)式剎車(chē)的制動(dòng)力矩容量大，可通過(guò)改變液壓系統(tǒng)壓力來(lái)改變剎車(chē)力矩，具有較大的力矩調(diào)整范圍、易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)控和自動(dòng)化、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。選用補(bǔ)償余量更大、傳遞轉(zhuǎn)矩更大的BJS球籠式聯(lián)軸器，額定轉(zhuǎn)矩最大可達(dá)530 k N·m，主要適應(yīng)于角度不超過(guò)5°，許用長(zhǎng)度伸縮量±4 mm～±12 mm，中型、重型載荷工況的設(shè)備傳動(dòng)。

網(wǎng)電修井機(jī)在設(shè)計(jì)初期，絞車(chē)主電機(jī)采用頂置式冷卻風(fēng)機(jī)，體積大，噪聲大，容易進(jìn)入顆粒雜質(zhì)，目前全部采用軸流式冷卻風(fēng)機(jī)，在降低噪聲的同時(shí)減小了體積。主電機(jī)加裝PT100溫度傳感器，當(dāng)溫度上升到40℃時(shí)開(kāi)啟冷卻風(fēng)機(jī)，進(jìn)一步降低運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲。為滿(mǎn)足作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接卡、斷電后封井、收回設(shè)備的要求，絞車(chē)變速箱加裝了液壓馬達(dá)。

1.5 車(chē)載網(wǎng)電電力儲(chǔ)能修井機(jī)底盤(pán)和井架技術(shù)

底盤(pán)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、車(chē)架、駕駛室、車(chē)橋及懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、輪胎、傳動(dòng)系統(tǒng)等。發(fā)動(dòng)機(jī)配備油門(mén)、熄火控制機(jī)構(gòu)，可靠方便。配備冷啟動(dòng)裝置（進(jìn)氣預(yù)熱，－25～0℃），帶水箱、風(fēng)扇、進(jìn)出水口連接管、消聲器（消音器出口為旋轉(zhuǎn)式，加防火帽）、空濾器、空壓機(jī)、熱交換器、轉(zhuǎn)向油泵、啟動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)（功率為2 k W、28 V、70 A）；排放歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。采用平頭單座全金屬結(jié)構(gòu)駕駛室，視野開(kāi)闊。

井架及游動(dòng)系統(tǒng)為桅型、兩節(jié)式，采用液缸起升、液缸伸縮；前傾角可通過(guò)調(diào)節(jié)絲杠調(diào)節(jié)［3-4］；天車(chē)為整體盒式結(jié)構(gòu)，滑輪采用鑄鋼件，并經(jīng)動(dòng)平衡測(cè)試；繩槽圓弧按API 8C要求與相應(yīng)鋼絲繩設(shè)計(jì)；繩輪座上設(shè)有防止大繩跳槽的擋繩器；天車(chē)軸經(jīng)熱處理和探傷檢查；天車(chē)平臺(tái)上設(shè)有護(hù)欄。

2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

如圖3所示，車(chē)載網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)包括底盤(pán)車(chē)體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、絞車(chē)和井架單元，底盤(pán)車(chē)體包括底盤(pán)車(chē)、底盤(pán)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱、底盤(pán)車(chē)駕駛室和操作控制室；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)安裝于底盤(pán)車(chē)上；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括井架單元、萬(wàn)向軸和變速箱；電氣控制系統(tǒng)包括電氣控制柜、儲(chǔ)能電容，制動(dòng)電阻、能量管理裝置和電動(dòng)機(jī)；液壓系統(tǒng)包括液壓控制箱、液壓系統(tǒng)輔助電動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、油箱；絞車(chē)安裝于變速箱的一側(cè)，井架單元固定于底盤(pán)車(chē)上。

底盤(pán)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)與底盤(pán)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱連接，底盤(pán)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱輸出端與取力器連接，取力器另一端與萬(wàn)向軸連接，萬(wàn)向軸通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與液壓泵連接，液壓泵同時(shí)與液壓系統(tǒng)輔助電機(jī)連接，變速箱輸入軸采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)或液壓馬達(dá)拖動(dòng)，變速箱輸出軸與絞車(chē)連接。

利用液壓系統(tǒng)輔助電機(jī)帶動(dòng)液壓泵工作，或者利用盤(pán)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)提供源動(dòng)力，通過(guò)底盤(pán)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱、取力器、萬(wàn)向軸傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，液壓泵通過(guò)液壓管路與液壓控制箱和油箱相連，為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)工作。

電氣控制柜安裝有中央處理單元、電機(jī)調(diào)速裝置、制動(dòng)電阻，中間繼電器及供配電支路。其中，中央處理單元可采用單片機(jī)、PLC等具有邏輯處理功能的器件，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)分析處理、控制策略生成等功能。

電動(dòng)機(jī)倒發(fā)電回饋的能量由能量管理裝置存儲(chǔ)于儲(chǔ)能電容中，未能全部吸收的能量由電氣控制柜內(nèi)的制動(dòng)電阻吸收；儲(chǔ)能電容的能量通過(guò)能量管理裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

圖3 車(chē)載網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

車(chē)載網(wǎng)電電力儲(chǔ)能修井機(jī)解決油田現(xiàn)有電動(dòng)修井機(jī)存在的問(wèn)題和不足，其關(guān)鍵技術(shù)為：

1） 應(yīng)用先進(jìn)電力儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)修井機(jī)直接使用井口變壓器供電，無(wú)需另配變電站，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率。

2） 通過(guò)先進(jìn)電力儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用，回收利用在剎車(chē)和下放時(shí)發(fā)出的電能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

3） 采用電機(jī)風(fēng)機(jī)低噪聲技術(shù)，工作噪聲更低，可以實(shí)現(xiàn)油田全區(qū)域修井作業(yè)。

4） 具有應(yīng)急液壓動(dòng)力，保證停電時(shí)的修井作業(yè)安全。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

以勝利油田為例，共有油井24 000多口，每年小修作業(yè)量為28 000井次，共需配備修井設(shè)備800臺(tái)左右。

1） 以機(jī)械式修井機(jī)為例計(jì)算。

每井次消耗柴油概算0.2 t，每臺(tái)設(shè)備每年維修費(fèi)約￥2.5萬(wàn)元。

全年油料費(fèi)用：0.2 t×0.75萬(wàn)元／t×28 000＝4 200萬(wàn)元。

全年維修費(fèi)用：2.5萬(wàn)元×800臺(tái)＝2 000萬(wàn)元。

2） 以普通電動(dòng)修井機(jī)為例計(jì)算。

每井次耗電平均400 k W·h，每臺(tái)設(shè)備每年維修費(fèi)約￥1.25萬(wàn)元。

全年電費(fèi)：400×0.8元／（k W·h）×28 000＝896萬(wàn)元。

全年維修費(fèi)用：1.25萬(wàn)元×800＝1 000萬(wàn)元。

3） 以?xún)?chǔ)能電動(dòng)修井機(jī)為例計(jì)算

每井次耗電平均300 k W·h，每臺(tái)設(shè)備每年維修費(fèi)約￥1.25萬(wàn)元。

全年電費(fèi)：300×0.8元／（k W·h）×28 000＝672萬(wàn)元。

全年維修費(fèi)用：1.25萬(wàn)元×800＝1 000萬(wàn)元

5 結(jié)論

車(chē)載網(wǎng)電儲(chǔ)能修井機(jī)可以替代目前油田大量使用的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械修井機(jī)和普通型電動(dòng)修井機(jī)，具有高效、節(jié)能、無(wú)尾氣及噪聲污染、無(wú)級(jí)調(diào)速、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)維修費(fèi)用低的特點(diǎn)，同時(shí)節(jié)省了大量的搬家成本，大幅提高了工作效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

該新型修井機(jī)的研制成功必將促進(jìn)油田修井作業(yè)設(shè)備的技術(shù)升級(jí)和換代，更多體現(xiàn)以人為本的精神，為油田的節(jié)能減排和降低成本做出貢獻(xiàn)。因此，該設(shè)備具有廣闊的推廣前景。

［1］ 陳清波.油田修井設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（1）：184.

［2］ 周揚(yáng)忠，胡育文.交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］ 金嘉琦，朱思顥.車(chē)載式不壓井修井機(jī)井架應(yīng)力及動(dòng)力特性分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（4）：61-64.

［4］ 韓洪波，王維忠，張建軍，等.混合動(dòng)力修井機(jī)研制與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（11）：76-80.

Development and Application of Vehicular Electric Energy Storage Workover Rig

In order to overcome the shortcomings of electric workover rig in oilfield，a vehicular electric energy storage workover rig is proposed in this paper.By using vehicular chassis and capacitor storage technology，it could save energy，reduce consumption and save transport costs compared with traditional rigs.The workover rig is tested in oilfield by actual operation.The results show that the vehicular electric energy storage workover rig could improve the working efficiency，complete well sealing operation when the grid electric power is shut down and eliminate potential safety problems.

workover rig；energy storage；vehicular；grid electric power

TE935

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.019

1001-3482（2014）11-0074-04

2014-05-20

陳 瑛（1967-），女，山東昌邑人，高級(jí)工程師，主要從事石油設(shè)備的管理工作。