鉆井作業(yè)中網(wǎng)電鉆井技術的應用研究

岳小明

中國石油冀東油田公司工程造價中心，中國·河北 唐山 063000

1 引言

鉆井行業(yè)的快速發(fā)展，有助于為社會提供更多優(yōu)質的石油資源，為經(jīng)濟水平提升注入了充足的動力。柴油機在鉆進作業(yè)中的應用較為普遍。然而，其運行能耗較大而且容易產(chǎn)生噪聲等問題，限制了行業(yè)的綠色化發(fā)展，所以必須采用新技術和新工藝加以改進。網(wǎng)電鉆井技術是一種綠色化的技術手段，可以通過電能向機械能的轉化，滿足鉆井作業(yè)的實際需求，符合當前行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，有助于加快環(huán)境友好型社會的建設步伐。

網(wǎng)電鉆井技術具有一定的專業(yè)性特點，在實際應用中應結合鉆井作業(yè)的需求進行改造和優(yōu)化，以確保技術優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，為自動化和智能化發(fā)展創(chuàng)造條件。此外，制定切實可行的技術方案，在保障安全和質量的前提下，加快鉆井作業(yè)的速度，創(chuàng)造良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 鉆井作業(yè)的現(xiàn)狀

2.1 能耗較高

高能耗問題是應用柴油機開展鉆井作業(yè)的主要問題，柴油機的工作效率一般不超過50%，因此在使用中會面臨資源能源浪費的狀況。燃料消耗在成本消耗中的占比較高，一般情況下會超過30%。尤其是近年來中國石油資源的需求量上升，導致價格不斷上漲，在鉆井作業(yè)中應用柴油時會加大成本投入[1]。鉆井作業(yè)的現(xiàn)場具有復雜性的特點，一旦出現(xiàn)泥石流和暴雨等災害或者惡劣天氣時，則會對柴油的運輸造成限制，無法滿足連續(xù)鉆井作業(yè)的要求，給企業(yè)造成嚴重的經(jīng)濟損失。

2.2 環(huán)境污染

柴油機是以柴油為主要燃料，在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的廢氣和煙塵等，直接排放到大氣環(huán)境中會造成污染問題，不僅會威脅周圍生態(tài)系統(tǒng)，還會給人員的生命健康安全帶來負面影響。此外，柴油機運行中也會產(chǎn)生較大的振動和噪聲，噪聲污染問題會對周圍居民的正常作息造成干擾。

2.3 維護不便

柴油機在鉆井作業(yè)中的應用，也會給維護和管理工作造成不便，不利于設備性能的控制和優(yōu)化。無論是在設備使用過程中還是在后續(xù)維護中，需要多名專業(yè)人員的配合，使人力成本上升，這也加大了工作人員的負擔。

3 鉆井作業(yè)中網(wǎng)電鉆井技術的優(yōu)勢

3.1 降低能耗

網(wǎng)電鉆井技術相較于傳統(tǒng)的柴油機而言，其最大的優(yōu)勢就是降低了運行能耗，有利于企業(yè)控制成本投入，獲得良好的利潤。ZJ70DB鉆機和ZJ50DB鉆機的柴油費用分別為90萬元/月和75.6萬元/月，通過技術改造采用網(wǎng)電鉆井的方式，ZJ70DB鉆機和ZJ50DB鉆機的月用電量分別為40萬kW和32萬kW左右，電費在38萬元/月和30.4萬元/月左右，而且降低了管理和維護的成本，在利潤上可以提高大約52萬元/月和45.2萬元/月。網(wǎng)電鉆井技術的前期投資雖然較大，但是在運行5～6個月后就能收回成本，單井平均節(jié)約投資30萬元左右。高能耗問題得到有效解決，符合節(jié)能理念要求，減輕了企業(yè)的經(jīng)濟負擔，有利于企業(yè)競爭實力的增強。

3.2 綠色環(huán)保

運用網(wǎng)電鉆井技術替代柴油機，能夠使噪聲污染問題得到有效解決，在傳統(tǒng)工作模式下會產(chǎn)生120dB（A）的噪聲，而經(jīng)過技術改造后則能夠降低30dB（A）左右，降噪率可以超過25%。由于不再使用柴油，因此可以控制二氧化硫污染問題，其排放量降低了80t/a左右。此外，對于煙塵、氮氧化物和溫室氣體的控制效果也較好，分別減少了12t/a、55t/a和11t/a[2]。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，對于自然生態(tài)環(huán)境的保護越來越重視，加快網(wǎng)電鉆井技術的普及應用，可以在鉆井作業(yè)中獲得良好的減排成效。

3.3 便于管理

與傳統(tǒng)柴油機相比較而言，網(wǎng)電鉆井技術在操作和管理、維護上也具有便捷性的特點，在保障鉆井作業(yè)安全的前提下，可以有效提高作業(yè)效率，滿足企業(yè)的快速發(fā)展需求。尤其是在設備的啟動和關閉等操作環(huán)節(jié)，使得傳統(tǒng)流程得到全面簡化，防止誤操作給作業(yè)安全造成威脅，作業(yè)人員的工作壓力得到緩解。電驅動設備的改造效果較好，使其靈敏度和平穩(wěn)性得到優(yōu)化，設備使用效率更高。尤其是井下作業(yè)環(huán)境十分復雜，利用網(wǎng)電鉆井技術可以改善泥漿泵的運行狀況，排放控制范圍更廣，滿足生產(chǎn)作業(yè)要求。

4 鉆井作業(yè)中網(wǎng)電鉆井技術的應用措施

4.1 交流變頻和直流變頻網(wǎng)電鉆井技術

交流變頻網(wǎng)電鉆井技術實現(xiàn)了鉆進性能的優(yōu)化和改善，在系統(tǒng)運行過程中依賴于600V電驅動控制變頻器。變壓器在輸出工作中，可以使兩臺低壓開關柜處理成為電壓為600V的電網(wǎng)，變頻器的供電則由低壓出線柜完成。數(shù)字有源諧波濾波器的應用，可以降低諧波現(xiàn)象對變頻器工作的干擾，增強電源供電的穩(wěn)定性與可靠性。網(wǎng)電鉆井系統(tǒng)的內部結構，也會因交流變頻網(wǎng)電鉆井技術的應用而得到優(yōu)化，增強設計的規(guī)范性，有效連接石油鉆機電驅動變頻器系統(tǒng)后，滿足工作人員的遠程管理需求，增強了鉆井作業(yè)的便捷性及高效性[3]。

在應用直流變頻網(wǎng)電鉆井技術時，配置2臺變壓器電控系統(tǒng)，該技術在實踐應用中也存在一定的局限性。設備在運行中的功率難以達到作業(yè)要求，同時諧波污染的問題嚴重，使得設備運行穩(wěn)定性受到影響。負載會出現(xiàn)較大的改變，對于諧波處理的要求較高。為了控制設備的運行能耗，通常采用無功總線補償?shù)奶幚泶胧越档推髽I(yè)成本投入。

4.2 網(wǎng)電鉆井和機械鉆機復用技術

在應用網(wǎng)電鉆井技術時，可以與機械鉆機技術進行聯(lián)合應用，以改善鉆井作業(yè)的現(xiàn)狀，充分發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢，創(chuàng)造良好的鉆井作業(yè)環(huán)境。應該檢查10kV工業(yè)用電網(wǎng)的運行狀況，對供電系統(tǒng)的規(guī)格和型號加以確定，分析低壓開關柜的性能要求，在原鉆機VFD+MCC系統(tǒng)運行中由變壓器集中供電，運用690V變壓器對交流異步電動機進行供電。異步電動機在運行過程中不會產(chǎn)生較多的諧波干擾問題，因此無需進行諧波處理，在工作中應該實施無功補償。2檔變速箱和調速型液力耦合器等，是機械驅動技術應用中的主要設備，拆除了ZJ50LDB鉆機中的柴油機耦合器，動力機組可以由電機進行驅動運行，運用軟啟動的方式對三相異步電動機進行管控。在現(xiàn)場應該做好機電鉆機網(wǎng)電狀況的評估，同時通過安裝調試的方式消除設備故障隱患。

在現(xiàn)場鉆進作業(yè)中應用鉆機時，應該及時拆除柴油機的耦合器，滿足電機驅動動力機組的安裝需求。通過空載運行調試的方式，對機組的運行狀況進行全面檢測，當出現(xiàn)問題時應該及時交由專業(yè)技術人員處理。對于鉆機的改造和優(yōu)化，不會影響鉆井作業(yè)中的具體操作，油門控制耦合器充油閥可以控制作業(yè)速度。對于傳動部分的改造，也是網(wǎng)電鉆井技術和機械鉆機技術聯(lián)合應用的重點，為了保障動力機組復合分配的合理性，應該進行全面調試，降低設備的運行風險[4]。兩臺網(wǎng)電電機的并行運行，可以滿足操作人員的多元化需求，切實增大了機組容量，能夠促進運行功率和穩(wěn)定性的提升，而且具有經(jīng)濟性的特點。

5 鉆井作業(yè)中網(wǎng)電鉆井技術的改造方案

5.1 技術指標及關鍵因素

5.1.1 變壓器

在網(wǎng)電鉆井技術的改造工作中，應該明確變壓器的類型及性能特點，在室內安裝時考慮到井隊搬遷運輸?shù)囊?。針對變壓器的防爆性能、防火性能和環(huán)保性能進行全面檢測。相較于油浸式變壓器而言，干式變壓器在網(wǎng)電鉆井中的應用更加廣泛，不僅能夠降低變壓器的重量和占地面積，而且有助于提高整體運行性能，滿足后期維護和檢修工作要求。自動有載調壓功能的實現(xiàn)，可以應對電網(wǎng)電壓的變化情況，防止鉆井作業(yè)出現(xiàn)長時間的中斷問題。

5.1.2 無功補償及諧波治理

以電力系統(tǒng)的運行特點和需求為依據(jù)，確定系統(tǒng)功率因數(shù)不能低于0.9，對于諧波畸變率進行合理控制，通常不能超過5%。各類感性設備是鉆井作業(yè)中的主要負荷，包括了變壓器和電動機等，在應用直流電動鉆機的過程中，需要確保較大的無功功率，這是保持設備連續(xù)高效運行的基礎與前提。SCR控制系統(tǒng)是直流電動鉆機的主要組成部分，功率因數(shù)在0.3～0.4之間，難以滿足實際運行需求，導致無功消耗增大，不符合綠色節(jié)能生產(chǎn)要求。

供電中運用柴油發(fā)電機組時，其容量問題會對鉆井作業(yè)造成限制，因此多開柴油發(fā)電機組的應用較多，可以使發(fā)電總容量符合標準要求，確保合理的無功負荷[5]。通過網(wǎng)電實施現(xiàn)場供電時，難以滿足電力系統(tǒng)的功率因數(shù)要求，因此會額外加收無功計量費用，能源消耗量增大。

在交流變頻系統(tǒng)和SCR系統(tǒng)的運行過程中，諧波污染問題最為常見，諧波總畸變率會超過30%，遠遠高于5%的標準要求，進而對供電質量造成影響。各類設備會由于諧波的存在而產(chǎn)生諧波損耗，發(fā)電和輸電效率、設備運行等都會受到影響。例如，設備的振動故障、過熱故障和噪聲故障等，都是由于諧波所引起，加劇了設備的絕緣老化，嚴重時會出現(xiàn)嚴重的事故，不利于鉆井作業(yè)的安全、高效進行。采取針對性的諧波抑制技術，保障電動鉆機的良好運行狀態(tài)，同時采取無功功率補償?shù)男问竭M行優(yōu)化，是網(wǎng)電鉆井技術改造的關鍵點，有利于改善電網(wǎng)的整體運行狀態(tài)，使系統(tǒng)功率因數(shù)達到標準要求[6]。此外，能夠起到良好的節(jié)能降耗效果，促進企業(yè)的轉型升級發(fā)展，共同構建可持續(xù)發(fā)展模式。

5.1.3 網(wǎng)電應用總體方案

在編制網(wǎng)電應用方案時，應該關注鉆機的具體類型和工作特點，確保該方案的經(jīng)濟性，降低鉆井作業(yè)的成本投入。系統(tǒng)對外進出線窗口、變壓器室、高壓室、低壓室等共同構成控制房，其中無功功率補償裝置和諧波抑制裝置應用于低壓室當中。應該確?？刂品康牧己貌季衷O置，滿足搬運和管理等工作需求。

在了解電機控制方式的基礎上設置機械鉆機，運用電機控制系統(tǒng)實施統(tǒng)一控制[7]。此外，為了達到良好的諧波抑制和無功補償效果，還應該單獨設計無功補償系統(tǒng)，確保直流電動鉆機功率因數(shù)超過0.9.

5.2 技術方案

在應用交流變頻鉆機網(wǎng)電方案時，針對ZJ50DB鉆機可以采用10kV工業(yè)電網(wǎng)進線，運用中置柜輸送到干式環(huán)氧澆注變壓器當中。鉆機電驅動控制VFD系統(tǒng)的供電依靠低壓出線柜。在該方案當中，缺乏無功補償措施和諧波抑制措施，因此電網(wǎng)會受到不同程度的干擾。在對ZJ70DB鉆機進行改造時，可以運用數(shù)字有源諧波濾波器進行處理，滿足無功總線補償?shù)囊?，符合國家相關標準。

網(wǎng)電控制系統(tǒng)運行中，也可以運用遙信技術、遙控技術和遙測技術實施無人化管理。在應用交流電驅動鉆機網(wǎng)電方案時，主要采用了交流恒轉速異步電動機驅動的方式，對總線電壓分級進行無功補償[8]。柴油機耦合器機組可以通過一級減速箱動力機組和1200kW交流變頻電機加以替代，從而實現(xiàn)既有方案的優(yōu)化。

6 結語

柴油機是傳統(tǒng)鉆井作業(yè)模式下的常用設備，但是由于能耗較高、環(huán)境污染和維護不便等問題的存在，導致其整體應用效果不佳，在新時期鉆井作業(yè)中逐步被淘汰。網(wǎng)電鉆井技術的應用，在降低能耗、綠色環(huán)保和管理維護等方面具有良好的優(yōu)勢，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，加快了產(chǎn)業(yè)結構的轉型升級。在實踐工作當中，可以通過交流變頻和直流變頻網(wǎng)電鉆井技術、網(wǎng)電鉆井和機械鉆機復用技術等開展鉆井作業(yè)，以達到自動化控制的目的。在技術改造方案的編制中，除了要做好變壓器的選型外，還要重視無功補償及諧波治理，以增強網(wǎng)電鉆井技術的實際應用效果。