機(jī)電復(fù)合鉆機(jī)變頻網(wǎng)電改造技術(shù)及應(yīng)用

高 巖

（中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，成都 610000）

機(jī)電復(fù)合鉆機(jī)變頻網(wǎng)電改造技術(shù)及應(yīng)用

高 巖

（中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，成都 610000）

分析了國內(nèi)網(wǎng)電鉆機(jī)的改造情況，根據(jù)西南地區(qū)機(jī)電復(fù)合鉆機(jī)現(xiàn)場實際應(yīng)用情況，結(jié)合變頻器控制技術(shù)，成功對機(jī)電復(fù)合鉆機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行了改造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

鉆機(jī)；變頻技術(shù)；網(wǎng)電；改造；應(yīng)用

2 改造方案及技術(shù)配套

1） 供電電壓確定 將10 k V電源變成0．6 k V電源，通過0．6 k V電動機(jī)為鉆機(jī)提供動力。

2） 電機(jī)選型設(shè)計 三相異步電動機(jī)的功率確定為1 000 k W；電壓等級600 V；電機(jī)正常運行噪聲控制在90 dB以內(nèi)。

3） 減速箱選型設(shè)計 采用減速箱與電動機(jī)組成動力撬的方案，減速箱的減速比為1∶1（ZJ50JDB型鉆機(jī)）和1∶1．536（ZJ70LDB型鉆機(jī)），根據(jù)變頻技術(shù)的無級調(diào)速特性，實現(xiàn)無級調(diào)速。正常鉆井時，轉(zhuǎn)速應(yīng)在高效區(qū)，其效率不低于96%。保證改造后鉆機(jī)的技術(shù)性能有所提升，且動力機(jī)組有一定調(diào)速功能，正常運行噪聲控制在90 dB以內(nèi)。

機(jī)電復(fù)合驅(qū)動鉆機(jī)網(wǎng)電改造方案如圖1所示。

圖1 機(jī)電復(fù)合驅(qū)動鉆機(jī)變頻網(wǎng)電改造方案

該技術(shù)方案采用10 k V高壓電網(wǎng)供電，經(jīng)10 k V／0．6 k V移動式高壓變配電系統(tǒng)，將10 k V電源降壓成0．6 k V，通過VFD變頻傳動系統(tǒng)驅(qū)動2臺1 000 k W電動機(jī)及減速箱，為鉆機(jī)提供動力。電機(jī)通過交流變頻系統(tǒng)進(jìn)行無級調(diào)速啟動，調(diào)速范圍為0～1 500 r／min，電控系統(tǒng)配備諧波治理和無功補(bǔ)償裝置，保留2臺輔助柴油發(fā)電機(jī)組及1～2臺柴油動力機(jī)組（鉆機(jī)配置不同），作為應(yīng)急動力儲備。這種控制方式具有如下特點：

1） 變頻網(wǎng)電鉆機(jī)的調(diào)速由原來的液力耦合器進(jìn)行小范圍調(diào)速，變?yōu)槟壳翱煽氐拇蠓秶鸁o級調(diào)速，調(diào)速性能大幅增強(qiáng)，減少勞動強(qiáng)度，同時降低機(jī)械磨損，增強(qiáng)零部件使用壽命。

2） 啟動時為可控的無級調(diào)速啟動，減少機(jī)械沖擊，同時降低噪聲（＜90 dB），使得電機(jī)啟動平滑，降低啟動網(wǎng)電電機(jī)時對電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊電流。特別是地方電力供應(yīng)比較弱的網(wǎng)電線路，由于供電電壓比較低，以前往往電機(jī)不能正常啟動，有時造成網(wǎng)電線路跳閘，影響網(wǎng)電的使用，使用變頻網(wǎng)電鉆機(jī)后有效地解決了這個問題。

3） 采用2套電動機(jī)和減速箱一體化的動力撬機(jī)組設(shè)計，實現(xiàn)電機(jī)撬動力機(jī)組和原有的由柴油機(jī)和減速箱組成的柴油機(jī)撬動力機(jī)組的完全互換，保證了改造后鉆機(jī)動力機(jī)組負(fù)載均衡、工作可靠。

采用陳杭君等[10]的方法，略有修改，具體操作如下。取2 g樣品，加入5 g水，加入20 mL 70% pH 3.0的酸性乙醇溶液，在40 ℃下水浴2 h，提取至提取液無色，過濾后備用。采用pH差示法測其花色苷的含量，取2 mL提取液于25 mL比色管中，用pH 1.0緩沖液（0.2 mol/L KCl-0.2 mol/L HCl）稀釋至10 mL刻度線處，另取2 mL提取液于25 mL比色管中，用pH 4.5緩沖液（1 mol/L NaAC-1 mol/L HCl-H2O）稀釋至10 mL刻度線處，在510 nm處測量吸光度值。根據(jù)下式計算總花色苷含量（g/L）。

4） 由于采用變頻技術(shù)的調(diào)速特性，在正常鉆進(jìn)情況下，可隨時調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變泥漿泵的沖次，能在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)電動鉆機(jī)使用的可調(diào)電動機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)，減少了因頻繁拆卸泥漿泵閥的時間，大幅提高了鉆井時效和鉆井安全，減少了鉆井復(fù)雜情況，在有特殊要求的鉆井作業(yè)中優(yōu)勢明顯（例如固井作業(yè)、定向鉆井作業(yè)）。

2．2 諧波治理和無功補(bǔ)償

由于井隊現(xiàn)場使用的電動機(jī)功率因數(shù)比較低，加上其他一些用電設(shè)備，功率因數(shù)只有0．5～0．7，諧波高，電壓畸變率達(dá)23%。如果直接接入電網(wǎng)，將嚴(yán)重影響供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行。國家電網(wǎng)接入要求功率因數(shù)不低于0．9，電壓畸變率不高于5%，功率因數(shù)達(dá)不到0．9還需要繳納無功電費，所以必須提高功率因數(shù)，進(jìn)行無功補(bǔ)償。設(shè)計中主要采用無源濾波系統(tǒng)對諧波進(jìn)行治理，同時也對無功進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到既治理諧波又提高系統(tǒng)功率因數(shù)的目的。根據(jù)現(xiàn)在變頻技術(shù)的本身特性，在使用中，變頻電機(jī)的功率因數(shù)比較高，達(dá)到0．8以上，無功補(bǔ)償量減少了近一半。從以往網(wǎng)電鉆機(jī)的使用情況來看，無功補(bǔ)償設(shè)備的電容、接觸器等易損無功元器件使用壽命比較低，電容易失容，所以維護(hù)成本也比較高，使用變頻技術(shù)的網(wǎng)電設(shè)備大幅降低了補(bǔ)償單元維護(hù)費用，增加了使用的可靠性。

2．3 電壓波動控制

鉆機(jī)用電系統(tǒng)容量相對較小，未進(jìn)行諧波治理和無功補(bǔ)償時電壓相對較低，在進(jìn)行分級補(bǔ)償后，電壓會以總電壓10%的數(shù)量進(jìn)行遞增，尤其考慮在用電的高峰及低谷期間的電壓數(shù)值相差較大。所以，在定做變壓器時，設(shè)計要求變壓器采用有載調(diào)壓，可以根據(jù)電壓的高低，在不斷電和不影響施工的情況下，進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，充分考慮和滿足現(xiàn)場生產(chǎn)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)西南市場機(jī)電復(fù)合鉆機(jī)網(wǎng)電改造完成，截至2012-10，共使用電能3．4×107k W·h，僅柴油一項節(jié)約資金￥7 800余萬元。減少二氧化碳排放量1．88×104t，根據(jù)技術(shù)監(jiān)測中心測算公式計算，節(jié)約率達(dá)60%以上。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用達(dá)到了以下目的。

1） 通過諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)，能夠達(dá)到國家電網(wǎng)接入要求，同時又能滿足鉆機(jī)動力需求。

2） 通過高低壓變配電和電氣控制系統(tǒng)2個動力模塊設(shè)計，能夠?qū)译娋W(wǎng)電力轉(zhuǎn)換成鉆機(jī)動力并加以有效和安全控制。

3） 采用減速箱與電動機(jī)組成動力撬，可實現(xiàn)無級調(diào)速，改變普通異步電動機(jī)無法調(diào)速的工作特性，保證了機(jī)電復(fù)合驅(qū)鉆機(jī)的動力機(jī)組技術(shù)性能和調(diào)速功能。

4） 網(wǎng)電鉆機(jī)的應(yīng)用既能緩解成品油不斷漲價對鉆井成本帶來的壓力，又能減少廢氣、廢油排放對環(huán)境的污染，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，符合國家節(jié)能減排方針政策的要求。

4 結(jié)論

1） 使用網(wǎng)電鉆機(jī)后，經(jīng)濟(jì)效益比較明顯。在已使用的鉆井隊中，機(jī)電復(fù)合驅(qū)動鉆機(jī)網(wǎng)電改造能耗成本節(jié)約率平均約為65%。

2） 鉆機(jī)進(jìn)行網(wǎng)電改造后，鉆機(jī)動力都能夠滿足各種鉆井工況的要求，沒有發(fā)生因為動力不足影響生產(chǎn)的事故。

3） 網(wǎng)電的使用受到所鉆井的井深和設(shè)計周期的影響，鉆井周期越長的井使用網(wǎng)電的效果越好。

4） 網(wǎng)電鉆機(jī)改造及其應(yīng)用社會效益顯著，符合國家節(jié)能減排政策。

5） 網(wǎng)電使用受電網(wǎng)的限制，同時對井隊相關(guān)操作維護(hù)人員的素質(zhì)要求高。

6） 受能源價格波動的影響，如果柴油價格下降，而電價上漲，則網(wǎng)電鉆機(jī)的節(jié)能效益會下降。

7） 網(wǎng)電改造在變頻技術(shù)日益進(jìn)步的今天，作為一項節(jié)能、清潔、降噪的新技術(shù)，在具有電網(wǎng)條件的施工區(qū)域推廣應(yīng)用網(wǎng)電鉆機(jī)具有現(xiàn)實意義。

［1］盛擁軍，徐建輝．勝利油田網(wǎng)電鉆機(jī)研發(fā)及應(yīng)用［J］．中國設(shè)備工程，2008（5）：40-42．

［2］盛擁軍，徐建輝，丁曉鵬．ZJ30型鉆機(jī)網(wǎng)電改造［J］．甘肅科技，2008，24（13）：16-17．

［3］董云飛，戴樹濤，馬士平．ZJ70L型鉆機(jī)全網(wǎng)電拖動技術(shù)改造方案［J］．石油礦場機(jī)械，2008，37（6）：84-87．

［4］稅理中．江蘇油田鉆機(jī)網(wǎng)電拖動技術(shù)改造［J］．石油礦場機(jī)械，2011，40（6）：94-97．

［5］譚剛強(qiáng)，王豫，沈凡兒，等，鉆機(jī)油改電技術(shù)與鉆井工藝適應(yīng)性研究［J］．石油礦場機(jī)械，2011，40（6）：29-33．

［6］張懷．超深井鉆機(jī)網(wǎng)電改造技術(shù)及推廣應(yīng)用［J］．石油礦場機(jī)械，2011，40（7）：77-80．

TE922

B

1001-3482（2014）01-0093-03

1 改造前期調(diào)研

2013-08-25

高 巖（1979-），男，山東沂南人，工程師，主要從事石油鉆井裝備的管理與技術(shù)工作，E-mail：gaoyan-790903＠163．com。田在電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)逐步開始采用網(wǎng)電驅(qū)動鉆機(jī)。2008年，文獻(xiàn)［1-2］報道了勝利油田網(wǎng)電鉆機(jī)的前期調(diào)研情況，提出網(wǎng)電鉆機(jī)的改造方案，介紹了改造后的使用效果，展望了網(wǎng)電鉆機(jī)的應(yīng)用前景，但僅針對4 000 m以下的鉆機(jī)；同年，文獻(xiàn)［3］針對鉆機(jī)全網(wǎng)電拖動技術(shù)改造的要求，對ZJ70L型鉆機(jī)改造方案進(jìn)行了設(shè)計、分析與對比，認(rèn)為采用變頻拖動，啟動平穩(wěn)，無級調(diào)速，不僅節(jié)能，還可優(yōu)選鉆井參數(shù)，提高鉆井效率，明顯優(yōu)于其他方案，但只是提出了方案并沒有具體實施。2011年，文獻(xiàn)［4］根據(jù)江蘇油田電網(wǎng)自身特點，圍繞鉆機(jī)實施網(wǎng)電拖動技術(shù)改造的具體要求，對鉆機(jī)網(wǎng)電拖動方案進(jìn)行了探討，形成了一套符合江蘇油田電網(wǎng)實際并具有江蘇油田特色的鉆機(jī)網(wǎng)電改造方案，文章著重分析網(wǎng)電拖動技術(shù)；同年，文獻(xiàn)［5］針對川渝地區(qū)電網(wǎng)分散及鉆井工況復(fù)雜的實際情況，在川東和川西組織了油改電項目試驗，取得了較好的節(jié)能減排效果。文獻(xiàn)［6］分析了西南地區(qū)鉆機(jī)實施網(wǎng)電改造的可行性、改造方案及技術(shù)配套，并根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況，成功地在西南地區(qū)鉆井市場大面積推廣使用網(wǎng)電鉆機(jī)。文獻(xiàn)［5-6］對機(jī)電復(fù)合驅(qū)動鉆機(jī)的網(wǎng)電改造方案基本相同，都是通過電動機(jī)驅(qū)動偶合器為鉆機(jī)提供動力?，F(xiàn)階段，ZJ50JDB型和ZJ70LDB型2種鉆機(jī)配套使用的是低壓房，用軟起控制2臺1 000 k W的電動機(jī)替代柴油機(jī)作為動力輸出［6］，這種網(wǎng)電設(shè)計具有無法調(diào)速和啟動電流大等缺點，在電網(wǎng)波動較大或電網(wǎng)使用高峰時啟動困難，同時也對設(shè)備的瞬間沖擊影響較大，井隊現(xiàn)場使用存在較大局限性，因此需要改進(jìn)提高。有關(guān)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)狀況文獻(xiàn)［6］已闡明，本文不再贅述。

無論是電驅(qū)動鉆機(jī)還是機(jī)械驅(qū)動鉆機(jī)，其動力主要來源于柴油機(jī)。機(jī)械驅(qū)動的鉆機(jī)由柴油機(jī)經(jīng)調(diào)速裝置后直接驅(qū)動；電驅(qū)動鉆機(jī)則通過柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電間接驅(qū)動。柴油作為主燃料，油耗成本占鉆井成本的20%左右，油耗高，噪聲和排放較大。網(wǎng)電鉆機(jī)改造是以電動機(jī)作為動力，利用工業(yè)電網(wǎng)提供電源，替代柴油發(fā)動機(jī)實施鉆井作業(yè)，達(dá)到節(jié)能減排和降本增效的目的。本文結(jié)合西南鉆井分公司鉆機(jī)的施工特點和施工環(huán)境，充分利用電網(wǎng)資源對機(jī)電復(fù)合鉆機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步網(wǎng)電改造，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

近年來，隨著國家電網(wǎng)的不斷發(fā)展，國內(nèi)各大油