石油鉆機電代油改造的研究與應用

李玉全 賈 洋 陳立彬 陳大彬

（大慶油田有限責任公司 黑龍江大慶）

石油鉆機通常的驅動方式包括柴油機直接驅動和柴油發(fā)電機組間接驅動，油耗高，噪聲和排放較大。近年來，隨著電網的不斷發(fā)展，通過電網電力驅動鉆機的可能性越來越大，國內各大油田在電網覆蓋范圍內逐步開始采用網電驅動鉆機。針對大慶地區(qū)電網分散及鉆井工況復雜的實際情況，在南部探進行了油改電項目試驗，取得較好節(jié)能減排效果。

一、鉆機油改電驅動總體方案

鉆機網電驅動方案主要包括外圍供電和全場供電2種方案。外圍供電時網電僅代替原2臺柴油發(fā)電機組供電，保留機房柴油機組驅動；全場供電除機房保留1～2臺柴油發(fā)電機組備用外，井場通過網電供電，整傳箱通過電機驅動。本文重點研究全場供電方案（圖1）。

柴油機組通過液力偶合器／正車減速箱及萬向節(jié)驅動整傳箱。安裝時將柴油機組2、3拆下，換裝2臺電機組，電機組聯接盤直接通過聯軸器與液力偶合器連接或通過聯軸器與渦輪變矩器相連。電機組的軸承座輸出有640 mm和760 mm的2種聯軸器中心高度，可適應不同的鉆機。

在井場分別安裝高壓房和低壓房，將高壓網電引入高壓房，經變壓后供給低壓房和VFD／MCC房網電供電時，2臺輔助柴油發(fā)電機組和機房柴油機組停止工作，高壓房分別向低壓房和VFD/MCC房提供600 V和400 V電壓。低壓房電機傳動柜驅動2臺電機組運行，為鉆機整箱提供動力。低壓房故障但高壓電源正時，直接啟動機房柴油機組即可繼續(xù)作業(yè)。高壓電源短時間故障或臨時停電時，將高壓房／發(fā)電房互鎖開關切向發(fā)電房供電，啟動輔助柴油發(fā)電機組和柴油機組可繼續(xù)鉆井作業(yè)。高壓電源長時間故障或長時間停

電時，可將2套電動化機組拆下，換裝原來的2套柴油機組即可恢復鉆井作業(yè)。

高壓房是將高壓配電設備、變壓器、無功補償設備等裝入移動配電房內，電力變壓器輸入輸出為10 kV/0.6 kV/0.4 kV，帶自動有載調壓裝置以適應電網電壓波動，變壓器原副邊均設有高、低壓斷路器，起隔離、控制和保護作用，高壓側還設有避雷器、接地檢測、計量儀表和微機控制等輔助器件，低壓房包括傳動柜及配電柜。

圖1 全場供電方案

二、電機驅動方案

電機拖動方案通常包括軟啟動、直流電傳動、交流變頻電傳3種方案。軟啟動+交流電機方案的特點是原理簡單、操作容易、維護方便，其缺點是啟動電流大。由于電機恒運轉，無功波動較大，無功補償的支路較多。由于抑制部分諧波的需要，對電抗器和電容器的配合要求較高。軟啟動驅動方案若采用原裝液力偶合器則調速范圍小，為兼顧絞車高速和泥漿泵低速，需設定整傳箱工作速度，在此速度下，泥漿泵缸套磨損加快，更換次數多，同時不利于處理井下復工況。整流器+直流電機電傳動方案采取直流電機直接驅動并車箱的形式，調速性能好，可滿足要求。但直流傳動功率因數低，需加大無功補償容量，電機長期處于低速狀態(tài)，電流大，發(fā)熱重。變頻電機直接或通過液力偶合器驅動整傳箱的方案節(jié)能效率高，調速范圍寬，調速響應時間可滿足鉆機調速要求，變頻電機組與柴油機組撬座尺寸完全相同，柴油機房無需做改動，具備較好的互換性（圖2）。

變頻房內PLC柜可控制頻器實現變頻電機的并車、同步、調整、參數整定以及轉速給定等。司鉆控制箱和柴油機房共3個控制箱通過PROFIBUS-DP總線進行通信，司鉆控制箱可顯示電機轉速、工作狀態(tài)以及緊急停車操作，機房內2臺控制箱可顯示電機轉速、電流值等，并進行電機的啟停操作，同時具有檢修鎖定按鈕。鉆進工況下，司鉆可給定轉速，通過控制電機速度，模擬柴油機油門調速，實現泵沖數的調整，也可在泵沖數允許 范圍內實現轉盤速度的調整。起鉆工況下，轉盤停止工作，泵和絞車工作，絞車在高或低擋時，司鉆可通過電機給定手柄，模擬柴油機油門控制功能進行調速。循環(huán)工況下，轉盤和絞車均停止工作，司鉆可將變頻電機速度給定手柄歸零，模擬柴油機怠速狀態(tài)，在較低泵沖下進行漿液的循環(huán)。

圖2 變頻驅動總體方案

三、高低壓配電安全性及無功補償原理

1.高低壓配電安全性

鉆機油改電高低壓配電及無功功率補償原理如圖3所示。安裝時，將原發(fā)電房至MCC房的供電電纜拆下，將發(fā)電房400 V供電輸出端子與高壓房400 V輸人端子連接，將高壓房400 V輸出端子與VFD／MCC房400 V輸入端子和變頻房400 V輸入端子連接，將高壓房600 V輸入端子與變頻房600 V輸入端子連接 。

正常工作時，輔助發(fā)電房和柴油機組停止工作，高壓房600 V輸出到變頻房變頻柜，驅動變頻電機組，高壓房400 V電源輸出到變頻房和VFD／MC房。井場電磁剎車、探照燈及井控房等特殊電源在VFD／MCC房總開關前端供電。當變頻電機因系統(tǒng)故障臨時停機而400V電源仍能供電時，在整傳箱上斷開電機離合器，啟動柴油機組工作。處理好故障后立即切回變頻電機驅動。高壓電源因故障停止供電時，可將高壓房400 V互鎖開關切向輔助發(fā)電機房，啟動輔助發(fā)電機供電，同時啟動柴油發(fā)電機組，即可繼續(xù)鉆井作業(yè)。當變頻驅動停止時間較長時，可拆下變頻電機組，安裝拆下的2套柴油機組。

由圖3可知，400 V互鎖安裝開關設置在高壓房，既符合供電局要求又消除了雙電源安全隱患。部分鉆機的用電負荷接在發(fā)電房輸出端，需要進行改造，將負荷轉到 VFD／MCC 房供電。應注意的是：油改電工作時，嚴禁 VFD／MCC房400 V輸入端子與發(fā)電房400 V輸出端子連接。

圖3 鉆機油改電高低壓配電無功功率補償原理

2.無功補償

鉆機裝機容量大，需要足夠的無功功率建立正常的電磁場，故功率因數低，需要從電網提供更多的無功功率，但功率因數不能低于供電局規(guī)定，所以需要無功補償裝置來補充無功功率。采取無功補償與諧波治理有機結合，避免諧波放大和發(fā)電機振蕩，三相補償動態(tài)響應時間控制在20 ms以內，零電流投切技術確保投切無涌流、無沖擊。高速信號處器進行快速FFT（傅立葉變換）算法精確 檢測計算電壓、電流等9項參數，保證智能配電綜合監(jiān)控終端從數據采樣計算到發(fā) 出投切命令時間在10 ms以內。

四、油改電試驗及鉆井工藝適應性

1.試驗情況

2014年3月-4月，在源151井采用變頻電機直接驅動整傳箱方案進行試驗。雙電機驅動，鉆進時電機轉速約為380 r/min，起鉆時轉速約為920 r/min，每臺電機電流約為450 A。

2014年6月-8月，在芳-平36井采用變頻電機通過液力偶合器驅動整傳箱方案進行了試驗。雙電機驅動，鉆進時每臺電機電流270 A，電機轉速1000 r/min，起下鉆工況每臺電機電流為 260～300 A，電機轉速 900 r/min，電機調速范圍為 400～1000 r/min。600 V電源功率因數保持在0.98，400 V電源功率因數保持在0.99。

由源151井井試驗可知，變頻電機直接驅動整傳箱時，整傳箱低轉速時變頻電機轉速較低、電流較大且輸出功率不足電機長時間工作電流為600～900 A，散熱要求較高。由芳-平36試驗可知，變頻電機通過液力偶合器驅動整傳箱時，由于液力偶合器的特性，在整傳箱低轉速時變頻電機轉速較高，在整傳箱高轉速時電機轉速上升并不很高，同時工作的2臺電機的工作電流保持在300～400 A，電機散熱要求不高。2臺油改電設備的功率因數均控制在較為理想的范圍內，符合供電局規(guī)定。

2.變頻電機加液力偶合器傳動型式

柴油機組輸出功率通常為810 kW，輸出扭矩為6000 N·m，轉速范圍800～1300 r/min，通常工作在1200 r/min左右。柴油機組從低速向高速增加時，扭矩很快增加到最大值然后開始下降，功率隨轉速不斷上升，直接超過最高轉速 后瞬間下降即熄火（圖4）。變頻電機的轉速上升到額定轉速前為恒轉矩，功率隨之上升，當超過額定轉速時轉矩開始下降，而功率為最大值，即恒功率區(qū)。由此可見，變頻電機的負載特性與柴油機組不同，在額定轉速以下，變頻電機輸出最大轉矩值且恒定，功率與柴油機組一樣呈上升趨勢；當達到額定轉速時，其轉矩與柴油機組一樣開始降，而功率卻一下輸出最大值且恒定（圖 5）。

圖4 柴油機負載特性曲線

由此可見，變頻電機的低轉速大負荷工作能力優(yōu)于柴油機組，且可在較低的額定轉速下達到最高功率的恒定輸出，并可在較低的額定轉速下進入最大功率輸出狀態(tài)，因此變頻電機的負載特性明顯優(yōu)于柴油機組。故可將變頻電機的參數設計為功率800 kW左右，最大轉矩為10 000 N·m，額定轉速為740 r/min，考慮到液力偶合器的油泵油壓與轉速有關，變頻電機的給定轉速可設定為400～1300 r/min。4000～7000 m鉆機在井深2200 m時泥漿泵功率較大，泥漿泵及轉盤或頂驅總使用功率最大可達l500 kW，同時啟動2臺800 kW電機即可滿足要求，井深2500 m左右時泥漿泵使用功率為600 kW，正常鉆井及下鉆時啟動1臺800 kW電機即可，深井起鉆工況下絞車最大功率為1400 kW，啟動2臺變頻電機即可滿足要求。

圖5 變頻電機負載特性曲線

五、結論

（1）試驗和傳動分析均表明，變頻電機通過液力偶合器驅動整傳箱的方案明顯優(yōu)于 變頻電機直接驅動整傳箱的方案。

（2）鉆機全場網電供電總體方案是較為理想的方案，互換性強，可滿足高壓電網正常供電、臨時停電和無電等各種工況。

（3）高壓房具備雙電源互鎖功能，提高了用電的安全性。