石油鉆機(jī)節(jié)能與儲(chǔ)能改造技術(shù)的研究與應(yīng)用＊

高迅

（中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司，湖北 荊州 434024）

隨著國(guó)際油價(jià)的劇烈波動(dòng)，國(guó)內(nèi)能源供應(yīng)日益緊張，踐行“節(jié)能降耗、綠色發(fā)展”理念成為時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，而節(jié)能減排、降耗增效也成為石油企業(yè)低成本、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的途徑之一。在石油鉆井工程中，鉆井設(shè)備作業(yè)時(shí)的能源消耗占據(jù)了絕大部分。然而，節(jié)能新技術(shù)、新設(shè)備在鉆機(jī)上的運(yùn)用不僅受到了外部經(jīng)濟(jì)環(huán)境、成本投資的影響，也受到了設(shè)備更新?lián)Q代周期的限制。因此，對(duì)現(xiàn)有鉆機(jī)進(jìn)行節(jié)能與儲(chǔ)能技術(shù)改造，對(duì)降低企業(yè)生產(chǎn)的能耗有著重要的作用，同時(shí)，這也逐漸受到了石油企業(yè)的高度關(guān)注[1]。

為此，筆者從網(wǎng)電鉆機(jī)改造、勢(shì)能回收、油氣雙燃料技術(shù)改造、“油改氣”技術(shù)改造等方面介紹了中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司在石油鉆機(jī)節(jié)能與儲(chǔ)能改造方面進(jìn)行的技術(shù)研究與探索實(shí)踐情況，以降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染。目前，這些節(jié)能新技術(shù)、新設(shè)備已成功被應(yīng)用于一些鉆井生產(chǎn)中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得大力推廣。

1 鉆機(jī)網(wǎng)電改造

當(dāng)前，機(jī)械鉆機(jī)或復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在許多油田仍然占有較大的比例，其采用傳統(tǒng)的柴油機(jī)并車驅(qū)動(dòng)，柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電供電。由于柴油機(jī)（特別是服役年限長(zhǎng)、大修過(guò)的柴油機(jī)）普遍存在可靠性差、油耗高、噪聲大、跑冒滴漏等現(xiàn)象，對(duì)鉆井經(jīng)濟(jì)效益、勞動(dòng)強(qiáng)度和環(huán)境污染有重要影響。因此，鉆機(jī)“油改電”成為石油鉆井工程發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.1 電動(dòng)鉆機(jī)網(wǎng)電改造

電動(dòng)鉆機(jī)網(wǎng)電改造就是利用油區(qū)的高壓網(wǎng)電，讓高壓網(wǎng)電經(jīng)變壓器、無(wú)功功率補(bǔ)償裝置、濾波裝置等進(jìn)行處理，并將處理后輸出的交流電輸入原配的電控系統(tǒng)（VFD、SCR）驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等設(shè)備的電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。電動(dòng)鉆機(jī)網(wǎng)電改造時(shí)，除了留一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急備用外，其余的柴油發(fā)電機(jī)組全部由網(wǎng)電變壓器裝置替換，如圖1所示。為了適應(yīng)不同鉆井工況對(duì)絞車、泥漿泵和轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速要求，可利用電控系統(tǒng)（VFD、SCR）調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于沿用了原有鉆機(jī)的井架、底座、游吊系統(tǒng)、泥漿泵組和泥漿凈化系統(tǒng)等，鉆機(jī)結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有大的變化，具有改造簡(jiǎn)單、投資少、見效快的特點(diǎn)。

圖1 電動(dòng)鉆機(jī)網(wǎng)電改造結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 機(jī)械鉆機(jī)網(wǎng)電改造

機(jī)械鉆機(jī)網(wǎng)電改造就是利用油區(qū)的高壓網(wǎng)電，讓高壓網(wǎng)電經(jīng)變壓器、無(wú)功功率補(bǔ)償裝置、濾波裝置等進(jìn)行處理，并將處理后輸出的交流電輸入原配的電控系統(tǒng)（VFD、SCR）驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)帶動(dòng)并車箱驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等設(shè)備工作，實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。

機(jī)械鉆機(jī)網(wǎng)電改造時(shí)，除了留一兩臺(tái)柴油機(jī)作為應(yīng)急備用外，其余的柴油發(fā)電機(jī)全部由與柴油機(jī)功率相匹配的交流電機(jī)代替。增加（10（6）kV/600（400）V）的干式變壓器、高低壓開關(guān)及保護(hù)柜、動(dòng)態(tài)消諧與功率補(bǔ)償裝置、軟啟動(dòng)裝置等處理高壓網(wǎng)電，處理后輸出的交流電驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與并車箱通過(guò)聯(lián)軸器、調(diào)速液力偶合器、離合器連接，帶動(dòng)并車箱運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖2所示。

與電動(dòng)鉆機(jī)一樣，機(jī)械鉆機(jī)結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有大的變化，具有改造簡(jiǎn)單、投資少、見效快的特點(diǎn)。

圖2 機(jī)械鉆機(jī)網(wǎng)電改造結(jié)構(gòu)原理圖

1.3 鉆機(jī)網(wǎng)電改造的應(yīng)用效果

從四機(jī)廠對(duì)江漢石油工程公司對(duì)焦石70222井隊(duì)ZJ70D鉆機(jī)、焦石50013井隊(duì)ZJ50LDB鉆機(jī)實(shí)施網(wǎng)電改造的效果來(lái)看，這樣做相比柴油發(fā)電機(jī)組每月節(jié)約能耗費(fèi)用26.2萬(wàn)元，節(jié)能減排、降噪效果明顯。

2 鉆機(jī)勢(shì)能回收與儲(chǔ)能改造

針對(duì)鉆機(jī)作業(yè)時(shí)大量的勢(shì)能通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)以熱能的形式消耗掉，沒(méi)有效利用的問(wèn)題，引入飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰運(yùn)行系統(tǒng)，吸收鉆機(jī)起鉆、下鉆具工況時(shí)的勢(shì)能及絞車非工作條件下動(dòng)力機(jī)組輕載時(shí)的富余功率，采用儲(chǔ)能裝置先儲(chǔ)存起來(lái)，在起鉆、解卡等需要消耗大功率的工況時(shí)釋放，從而使柴油機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于一種相對(duì)平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能減排的目的[2]。新型鉆機(jī)勢(shì)能回收與儲(chǔ)能改造方案是：充分利用鉆桿和游車大鉤的勢(shì)能，將電磁剎車替換成既能夠剎車制動(dòng)，又能夠回收能量發(fā)電的制動(dòng)電機(jī)，如圖3所示。

圖3 鉆機(jī)下鉆過(guò)程勢(shì)能回收原理圖

剎車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)電機(jī)發(fā)出的電能驅(qū)動(dòng)飛輪儲(chǔ)能電機(jī)實(shí)現(xiàn)升速儲(chǔ)能，完成勢(shì)能的回收、儲(chǔ)存。當(dāng)提升空游車或起鉆時(shí)，飛輪儲(chǔ)能電機(jī)降速發(fā)電，驅(qū)動(dòng)調(diào)峰電機(jī)帶動(dòng)絞車提升，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存能量的利用。下鉆時(shí)，鉆桿與游車大鉤下放產(chǎn)生的勢(shì)能通過(guò)制動(dòng)電機(jī)回收并轉(zhuǎn)換成電能，驅(qū)動(dòng)飛輪儲(chǔ)能電機(jī)升速儲(chǔ)能。利用上一次回收的能量進(jìn)行下一次的提升空游車，從而實(shí)現(xiàn)部分柴油機(jī)停運(yùn)。由于必須運(yùn)行的柴油機(jī)數(shù)量減少，就會(huì)產(chǎn)生節(jié)約燃油的情況。隨著鉆桿數(shù)量的不斷增加，下鉆勢(shì)能會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)下一次的提升空游車不能完全耗盡上一次下鉆回收的能量時(shí)，制動(dòng)電機(jī)就會(huì)將多余的能量轉(zhuǎn)化成電能，供給鉆機(jī)的電力系統(tǒng)，從而減少整個(gè)井場(chǎng)的柴油機(jī)運(yùn)行數(shù)量。在起鉆過(guò)程中，由于在鉆桿分段提出、拆卸過(guò)程中需反復(fù)下降空游車等操作，柴油機(jī)待機(jī)運(yùn)行的部分功率就可充分利用。因此，引入大容量飛輪儲(chǔ)能機(jī)組，先將待機(jī)功率輸入飛輪儲(chǔ)能機(jī)組儲(chǔ)存，待提升鉆桿時(shí)，再將飛輪儲(chǔ)能機(jī)組儲(chǔ)存功率投放，從而實(shí)現(xiàn)單臺(tái)柴油機(jī)完成全過(guò)程的起鉆作業(yè)，如圖4所示。

圖4 鉆機(jī)起鉆過(guò)程勢(shì)能回收原理圖

從中原石油工程公司在衛(wèi)453井的實(shí)踐效果來(lái)看，鉆機(jī)可月節(jié)約柴油40 t左右，節(jié)能效果在30%以上，減少二氧化碳等排污40%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 鉆機(jī)油氣雙燃料技術(shù)改造

針對(duì)鉆機(jī)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生大量井口氣的工況或CNG、LNG、丙烷氣等獲取方便的作業(yè)區(qū)塊，為了有效利用上述氣體減少燃油消耗，特引入動(dòng)態(tài)燃?xì)饣旌?500發(fā)動(dòng)機(jī)（DGB）改造方案。在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)、部件和外形尺寸，不影響并車性能及原機(jī)可靠性和工廠保修的前提下，改造發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)氣系統(tǒng)，通過(guò)外裝燃?xì)饧訜崞鳌⑷細(xì)怅P(guān)斷閥和調(diào)壓閥等，直接控制燃?xì)猓㈤]環(huán)自動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)燃?xì)赓|(zhì)量的變化，不需要客戶輸入燃?xì)赓|(zhì)量和進(jìn)行氣體分析；配備燃?xì)庀到y(tǒng)故障監(jiān)視綜合傳感器模塊（ISM），可監(jiān)控燃燒并與發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊ECM通訊，控制調(diào)整和保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，也可以自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)庀到y(tǒng)轉(zhuǎn)換到全柴油狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)移工地和燃?xì)夤?yīng)改變，不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)整。

采用動(dòng)態(tài)燃?xì)饣旌习l(fā)動(dòng)機(jī)替代常規(guī)柴油機(jī)，可使用CNG、LNG、井口氣、丙烷氣。當(dāng)負(fù)載率在40%～85%時(shí)，最高替代率可達(dá)70%；燃料成本可降低20%～30%，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。從江蘇油田的ZJ70D鉆機(jī)改造實(shí)踐效果來(lái)看，對(duì)于7 000 m電動(dòng)鉆機(jī)井隊(duì)，每個(gè)井隊(duì)配套3臺(tái)燃油發(fā)電機(jī)，平均每天消耗柴油1.5～2.2 t，每臺(tái)發(fā)電機(jī)一年維修、保養(yǎng)費(fèi)用5萬(wàn)余元，如果全部采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電，以每個(gè)井隊(duì)一年平均施工2口井計(jì)算，一年節(jié)約綜合燃料成本至少在100萬(wàn)元以上，顆粒物排放減少95%，CO排放減少30%，CO2排放減少17%，效果顯著。

4 電動(dòng)鉆機(jī)“油改氣”技術(shù)

利用天然氣發(fā)電機(jī)組替代燃油發(fā)電機(jī)組，增加升壓變壓器，將燃?xì)鈾C(jī)組額定電壓AC400 V升至井隊(duì)額定電壓AC600 V；機(jī)組經(jīng)升壓變壓器升壓后，與井隊(duì)原有柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)手動(dòng)切換開關(guān)接至SCR房進(jìn)線柜，燃?xì)鈾C(jī)組與原有柴油發(fā)電機(jī)組可切換，以保障井隊(duì)供電安全。同時(shí)，針對(duì)天然氣發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)偏軟的負(fù)荷特性，以及功率因數(shù)太低的問(wèn)題，在井場(chǎng)增設(shè)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，提高功率因數(shù)，降低無(wú)功功率，并優(yōu)化管理天然氣發(fā)電機(jī)組的使用，確保單套機(jī)組的有功功率不低于200 kW，使其既能充分發(fā)揮設(shè)備性能，又能滿足負(fù)荷突變時(shí)的功率儲(chǔ)備要求，減少天然氣發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)組數(shù)，減少天然氣消耗，降低生產(chǎn)費(fèi)用。

從中原70135ZY井隊(duì)在新疆進(jìn)行的ZJ70D鉆機(jī)實(shí)踐效果來(lái)看，鉆機(jī)油改氣后天然氣消耗成本最高能降至燃油消耗的35%左右，運(yùn)營(yíng)成本明顯降低。

由于需要增加升壓變壓器等相關(guān)裝置，井隊(duì)一次設(shè)備投入成本高，因此，單井的綜合運(yùn)營(yíng)成本下降效果受到影響，但是，在區(qū)塊集中或叢式井鉆井作業(yè)時(shí)效果突出，效益最大。

5 發(fā)展前景展望

隨著鉆機(jī)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，工業(yè)電網(wǎng)的完善，以及綠色能源的推廣引用，以節(jié)能與儲(chǔ)能技術(shù)為基礎(chǔ)，研制“節(jié)能、環(huán)保、高效”的新型石油鉆機(jī)，是必然的發(fā)展趨勢(shì)，也是國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)提升技術(shù)水平，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必經(jīng)之路。