油田ZJ70/50型鉆機(jī)直流網(wǎng)電改造

馮貴通

（中原石油工程公司鉆井二公司 河南濮陽(yáng)）

一、概述

在油田企業(yè)中，油氣鉆井勘探是能源消耗大戶，鉆機(jī)的節(jié)能改造是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，多年來(lái)ZJ70/50型鉆機(jī)一直采用3或4臺(tái)大型柴油機(jī)提供動(dòng)力，耗能高、污染重、噪聲大，是鉆井勘探無(wú)法改變的現(xiàn)實(shí)。經(jīng)過(guò)多方面調(diào)研論證，對(duì)ZJ70/50型機(jī)械鉆機(jī)實(shí)施直流電動(dòng)機(jī)網(wǎng)電改造，大膽突破固定思維模式，用超大型電機(jī)替代柴油機(jī)，采用先進(jìn)調(diào)速技術(shù)，控制直流電機(jī)的運(yùn)行，用清潔的電能代替柴油，從源頭解決了節(jié)能、環(huán)保問(wèn)題，降低鉆井隊(duì)成本。

二、技術(shù)改造方案

1.機(jī)械部分改造方案

機(jī)械部分進(jìn)一步簡(jiǎn)化，電機(jī)直接代替柴油機(jī)+偶合器正車減速箱。采用1000 kW直流電機(jī)替換900 kW的PZ12V190柴油機(jī)，直接輸出動(dòng)力到聯(lián)動(dòng)機(jī)。考慮到以后可能在ZJ70/50LDB鉆機(jī)上使用，增加一個(gè)備用減速箱，把電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min降到600 r/min，輸出動(dòng)力到鏈條箱，較好地解決了通用性問(wèn)題。在裝配時(shí)把 1000 kW電機(jī)和減速箱裝配在一個(gè)基座上形成整體?；?、寬、長(zhǎng)和柴油機(jī)的基座完全一致，形成模塊化組裝功能，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.電氣部分改造方案

電氣改造主要包括1000 kW直流電機(jī)的啟停、調(diào)速，功率均衡，10 kV高壓變壓、功率因數(shù)補(bǔ)償以及諧波治理，難點(diǎn)是電機(jī)的并車功率均衡控制。

（1）直流電機(jī)的啟停、調(diào)速控制。采用大型可控硅數(shù)字控制技術(shù)，將600 V/50 Hz的交流電通過(guò)大功率可控硅（SCR）整流成0～750 V可調(diào)直流電，來(lái)驅(qū)動(dòng)大型直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍在0～1200 r/min，2套1200 kW西門子可控硅整流柜，分別控制2臺(tái)1000 kW直流電動(dòng)機(jī)的啟、停及調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)及相應(yīng)的過(guò)載、過(guò)流和短路保護(hù)等功能。可控硅控制技術(shù)在直流電動(dòng)鉆機(jī)使用多年，技術(shù)非常成熟，故障率低、易維護(hù)。

（2）電機(jī)并機(jī)功率均衡控制。ZJ70/50型鉆機(jī)的動(dòng)力是靠3或4臺(tái)聯(lián)動(dòng)機(jī)，通過(guò)皮帶傳遞動(dòng)能到泥漿泵和絞車等設(shè)備。在傳遞動(dòng)力時(shí)，存在泥漿泵和絞車負(fù)荷突變、皮帶打滑和功率不穩(wěn)定現(xiàn)象。2臺(tái)電機(jī)并機(jī)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)一臺(tái)電機(jī)過(guò)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，而另一臺(tái)空載運(yùn)行，造成2臺(tái)電機(jī)先后開關(guān)過(guò)負(fù)荷跳閘，影響鉆井施工。采用可控硅數(shù)字調(diào)速技術(shù)和可編程序控制器聯(lián)控技術(shù)，能較好地解決電機(jī)并機(jī)功率均衡難題。并機(jī)運(yùn)行采用主從控制模式，先啟動(dòng)的為主機(jī)，后啟動(dòng)為從機(jī)，主機(jī)控制從機(jī)。PLC控制柜內(nèi)的西門子G120可編程序控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控、比較2臺(tái)可控硅柜輸出到各自電機(jī)的功率、電流、電壓，如果主可控硅柜輸出功率增大，PLC控制從可控硅柜的增加輸出功率，反之亦然，始終保持2臺(tái)電機(jī)的功率一致，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。既可單獨(dú)運(yùn)行，也可2臺(tái)并機(jī)運(yùn)行，還有相應(yīng)的過(guò)載、過(guò)流保護(hù)等功能。

圖1 ZJ70/50型鉆機(jī)網(wǎng)電改造動(dòng)力系統(tǒng)圖

圖2 ZJ70/50JDB鉆機(jī)網(wǎng)電改造后效果圖

把地方10 kV網(wǎng)電用高壓電纜接到井場(chǎng)，用10 kV的3150 kV·A變壓器把高電壓變成600 V電壓供低壓房。

提高功率因數(shù)、消除高次諧波的技術(shù)方案：由于井隊(duì)用電量負(fù)荷大，在 1000～2600 kV·A，功率因數(shù)在 0.6～0.7，并且含有大量的高次諧波，地方供電局要求井隊(duì)進(jìn)行就地?zé)o功功率補(bǔ)償及諧波治理，使功率因數(shù)在0.9以上，高次諧波消除90%，達(dá)不到指標(biāo)就會(huì)罰款甚至停電。為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，采取集中在600 V母線進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?。?jīng)過(guò)計(jì)算，無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制裝機(jī)容量在1600kVar，5、7、11、次高次諧波容量組合按照 4∶2∶1 比例分配，就能滿足功率因數(shù)和抑制高次諧波的需要。采用先進(jìn)的智能型TSF-II控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)分析電網(wǎng)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

三、直流網(wǎng)電整體配套方案

1.網(wǎng)電動(dòng)力方案（圖1）

2臺(tái)1000 kW直流電機(jī)可滿足ZJ70鉆機(jī)動(dòng)力需求，用2臺(tái)直流電機(jī)替換2臺(tái)柴油機(jī)，通過(guò)萬(wàn)向軸輸出動(dòng)力到聯(lián)動(dòng)機(jī)或并車箱。留一臺(tái)柴油機(jī)組作為應(yīng)急動(dòng)力。在特殊工況下，柴油機(jī)偶合器機(jī)組和電機(jī)可并車統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)。停電時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，可以很方便將2臺(tái)柴油機(jī)調(diào)換回來(lái)繼續(xù)作業(yè)施工。

2.變壓器功率配置

鉆井的最大負(fù)荷是在二開12-1/4英寸井眼，井深3000 m，雙泵的泵壓在 17.24 MPa（2500 psi）時(shí)，計(jì)算總功率是2400 kV·A，所以選用容量為3150 kV·A的變壓器作給井場(chǎng)供電，完全能滿足井隊(duì)施工的需求。ZJ70/50JDB鉆機(jī)網(wǎng)電改造后效果圖見圖2。

3.電路分配

10 kV經(jīng)高壓房3150 kV·A變壓器把10 kV高電壓變成600 V電壓到低壓房，分成3路分別到直流柜控制直流電機(jī)、電容補(bǔ)償柜提高功率因數(shù)、600/400 V變壓器變400 V電壓供井隊(duì)其他設(shè)備使用。

四、實(shí)施效果

ZJ70/50JDB網(wǎng)電改造選擇了吉林項(xiàng)目ZJ50JDB隊(duì)，該地區(qū)有多條10 kV工業(yè)線路，滿足網(wǎng)電改造條件。前期進(jìn)行了10 kV線路架設(shè)，高壓房、低壓房和電纜的安裝及調(diào)試。利用井隊(duì)整改的間隙，只用4 h就完成了安裝調(diào)試。井隊(duì)二開12-1/4英寸井眼，雙泵泵壓17.24 MPa（2500 psi），缸套直徑160 mm時(shí)，1#、2#電機(jī)最大負(fù)荷是2600 kV·A，總功率滿足了井隊(duì)負(fù)荷的要求。與柴油機(jī)相比電動(dòng)機(jī)的啟停方便，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、易維護(hù)，更沒有跑冒滴漏的現(xiàn)象，井場(chǎng)噪聲大大降低。

1.各項(xiàng)操控性能方便

在正常鉆井工況下，司機(jī)根據(jù)工程的需要，通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制箱輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍在0～1200 r/min，滿足了泥漿泵排量的要求，優(yōu)化鉆井工藝參數(shù)，提高了鉆井速度。操作箱安裝電機(jī)后面，便于現(xiàn)場(chǎng)人員操作和監(jiān)測(cè)，該操作箱能顯示電機(jī)運(yùn)行的電流、電壓和功率。

經(jīng)過(guò)1年的運(yùn)行，設(shè)備正常沒有發(fā)生任何故障，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。井隊(duì)普遍反映直流網(wǎng)電設(shè)備調(diào)速性好，解決了泥漿泵調(diào)速問(wèn)題，滿足了鉆井工藝的要求。功率因數(shù)由0.65提高到0.92，濾除了90%的高次諧波，達(dá)到地方電網(wǎng)的要求。

2.效益

ZJ50JDB隊(duì)在2014年4月～11月鉆井施工中，在二開大負(fù)荷鉆進(jìn)時(shí)，每天用電量是30 000 kW·h，起鉆、下鉆每天用電量是17 000 kW·h，改造前二開鉆進(jìn)柴油機(jī)每天消耗柴油7 t，起鉆、下鉆每天用柴油4 t。按每噸柴油6100元，網(wǎng)電電價(jià)0.91元/（kW·h）計(jì)算，每天可節(jié)省0.89～1.54萬(wàn)元。ZJ50JDB隊(duì)網(wǎng)電改造后，在7個(gè)月的鉆井施工中，用電2 180 000 kW·h，替代柴油508.6 t，僅柴油成本直接減少111.8萬(wàn)元。再算上兩個(gè)隊(duì)設(shè)備折舊費(fèi)、維修費(fèi)用、易損件更換費(fèi)用、潤(rùn)滑油費(fèi)用和油料運(yùn)費(fèi)等，可節(jié)省費(fèi)用36.4萬(wàn)元。網(wǎng)電改造的總投資是458萬(wàn)元，在3年內(nèi)就可收回。通過(guò)鉆機(jī)的運(yùn)行使用，證明網(wǎng)電鉆機(jī)技術(shù)先進(jìn)可靠，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益明顯，鉆井越深、建井周期越長(zhǎng)、節(jié)能效果越明顯。

ZJ50JDB隊(duì)在7個(gè)月施工中，僅CO2溫室氣體一項(xiàng)少排放1335 t，鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)減少了柴油和機(jī)油污染，噪聲降低，對(duì)井場(chǎng)周邊自然環(huán)境的影響減少，保護(hù)了地方生態(tài)環(huán)境。

五、結(jié)論

ZJ70/50型鉆機(jī)直流網(wǎng)電改造，也可以在ZJ45型、ZJ30型鉆機(jī)使用，增加網(wǎng)電鉆機(jī)使用范圍，利用高效清潔電能來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，替代了大量的柴油，在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)方面效果顯著。公司的鉆機(jī)結(jié)構(gòu)配置合理，鉆機(jī)性能更加完善，展現(xiàn)了網(wǎng)電鉆機(jī)在鉆井勘探領(lǐng)域中良好的發(fā)展前景。