一種油田電動鉆機(jī)用箱式發(fā)電機(jī)組的設(shè)計

孫勇 吳寧寧 宋鵬 殷治梅 辛見軍

摘要：本文主要介紹了一種油田電動鉆機(jī)用箱式發(fā)電機(jī)組的設(shè)計開發(fā)過程，結(jié)合油田上使用環(huán)境和工況，對箱式機(jī)組展開設(shè)計布置，最后通過油田實際鉆井試驗對機(jī)組的設(shè)計進(jìn)行了驗證，論證了該款機(jī)組設(shè)計的合理性及可行性。

Abstract： This paper mainly introduces the design and development process of a kind of oil field electric drill box diesel generator set， combined with the oil field operating environment and working conditions， the design layout of the box type generator set， finally through the actual drilling test of the oil field to verify the design of the unit， demonstrated the rationality and feasibility of the design of the unit.

關(guān)鍵詞：油田;電動鉆機(jī);箱式發(fā)電機(jī)組

Key words： oil field;electric drilling rig;container-generating set

中圖分類號：TE924? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0182-04

0? 引言

油田鉆井工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜多變，在鉆井過程中遇到的地質(zhì)情況也千差萬別，電動鉆機(jī)因其安全高效的特點(diǎn)已逐步取代機(jī)械鉆機(jī)成為油田鉆井行業(yè)主流[1]。

目前，國內(nèi)油田電動鉆機(jī)配套用柴油發(fā)電機(jī)組主要為美國Cat-3512B系列、Cummins-KTA50系列以及日本三菱MOG1500系列，其中Cat-3512B系列發(fā)電機(jī)組市場份額占有率超過70%，處于主導(dǎo)地位。

自2019下半年以來，中石油、中石化等企業(yè)響應(yīng)國家號召，提出提高國產(chǎn)設(shè)備使用率、保障關(guān)鍵設(shè)備供貨的可靠性的需求，計劃使用國產(chǎn)設(shè)備逐步替代現(xiàn)在在油田電動鉆機(jī)上廣泛配套使用的Cat-3512B系列等進(jìn)口品牌柴油發(fā)電機(jī)組。

結(jié)合市場需求，對標(biāo)進(jìn)口品牌發(fā)電機(jī)組，進(jìn)行油田電動鉆機(jī)專用箱式發(fā)電機(jī)組的設(shè)計開發(fā)。

1? 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)（表1）

2? 機(jī)組結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

本箱式發(fā)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

主要由集裝箱1、變頻柜2、控制柜3、發(fā)電機(jī)4、公共底盤5、蓄電池組6、發(fā)動機(jī)7、隔振器8、通風(fēng)風(fēng)機(jī)9、箱式散熱器10、導(dǎo)風(fēng)罩11、一級消聲器12、沙漠空濾器13、二級消聲器14、排氣尾管15、推拉門16、定位梁17、爬梯18和輸出銅排19等組成。

發(fā)動機(jī)選用水空中冷結(jié)構(gòu)，高壓共軌，燃油消耗率低，四增壓器配置，瞬態(tài)響應(yīng)性好，一次性加載能力得到大幅提升，配置沙漠空濾器和燃油三級濾，滿足多風(fēng)沙使用環(huán)境和燃油品質(zhì)差使用要求。

發(fā)電機(jī)選用大容量電機(jī)，帶PMG永磁勵磁機(jī)，數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器，繞組要求采用模繞工藝，具備抗整流電源諧波干擾的能力，進(jìn)氣口配防沙子過濾器，加裝繞組和軸承溫度傳感器，隨時監(jiān)控發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

冷卻系統(tǒng)。獨(dú)立式冷卻單元，機(jī)組采用箱式散熱器，分為高低溫層，分別對應(yīng)發(fā)動機(jī)的缸套水冷卻和中冷水冷卻，直接安裝在箱式機(jī)組內(nèi)部，通過隔斷與發(fā)電機(jī)組隔離開，發(fā)電機(jī)組的冷卻管路穿過隔斷直接連接到箱式散熱器上，此種結(jié)構(gòu)外界冷卻風(fēng)直接冷卻散熱器，通過軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制排出，冷卻效率高，避免箱體內(nèi)部溫升對冷卻系統(tǒng)的影響。散熱器芯體采用防風(fēng)沙管片結(jié)構(gòu)，間隙大，不容易堵塞，方便清洗。箱式散熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

變頻器的設(shè)計應(yīng)用。當(dāng)今節(jié)能減排，降低能源消耗，提高油田鉆井效率是趨勢[2]。箱式散熱器采用電驅(qū)動模式強(qiáng)制冷卻，基于降低發(fā)電機(jī)組能耗的考慮，散熱器的冷卻風(fēng)扇采用變頻控制作為主用控制方式，即依據(jù)不同的水溫而進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)整以降低能耗，同時為避免由于變頻器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致箱式散熱器的冷卻風(fēng)扇無法動作而影響發(fā)電機(jī)組使用的情況發(fā)生，設(shè)計冷卻風(fēng)扇軟啟動控制方式作為備用控制。其主要控制策略如圖4所示。

圖4中主電機(jī)為箱式散熱器電動機(jī);電機(jī)冷卻風(fēng)扇為變頻控制柜散熱風(fēng)扇;1號2號排風(fēng)扇為箱式發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的2個通風(fēng)風(fēng)機(jī)。由于箱式散熱器冷卻風(fēng)扇電動機(jī)功率較大，故采用變頻控制;其余小電動機(jī)均采用直接啟動進(jìn)行控制。

圖5、圖6分別為變頻器和軟啟動控制原理圖。該控制系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電作為電源;變頻器及軟起動器兩端安裝電抗器，以減小由于油田負(fù)載的特性引起的諧波對變頻器及軟啟動器的干擾。接觸器及繼電器的控制采用PLC進(jìn)行控制，對相應(yīng)輸入輸出進(jìn)行PLC邏輯編程，控制邏輯如下：

為實現(xiàn)依據(jù)不同水溫而進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)整，將發(fā)電機(jī)組水溫轉(zhuǎn)換為該變量狀態(tài)為4-20mA的電流模擬量作為變頻器輸入變量，即由機(jī)組控制模塊通過PT100傳感器讀取機(jī)組水溫，通過設(shè)置水溫傳感器曲線，將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)4-20mA電流模擬量，再通過輸出口將該模擬量輸出至變頻器。對變頻器內(nèi)部邏輯進(jìn)行設(shè)置，其邏輯設(shè)置為當(dāng)水溫低于72℃（包括72℃）時，變頻器進(jìn)行休眠，散熱風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)水溫高于72℃時，變頻器依據(jù)水溫進(jìn)行變頻輸出，具體曲線設(shè)置如表2所示。

軟啟動控制。為防止由于變頻器故障而導(dǎo)致散熱風(fēng)扇無法工作，故設(shè)計備用軟啟動旁路控制?？紤]到直接啟動電動機(jī)時啟動電流沖擊較大，可以達(dá)到額定電流的6～8倍，若機(jī)組正常帶載過程中變頻器出現(xiàn)故障，直接啟動散熱風(fēng)扇電動機(jī)將影響發(fā)電機(jī)組的正常帶載，故采用軟啟動措施，減少啟動電流，約為直接啟動的四分之一。

機(jī)組水溫高時箱式散熱器冷卻風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，水溫低時風(fēng)機(jī)低功率運(yùn)行，尤其是冬季時節(jié)，環(huán)境溫度低，該套系統(tǒng)可節(jié)省可觀燃料。以本箱式發(fā)電機(jī)組為例，箱式散熱器軸流風(fēng)機(jī)額定功率55kW，冬季氣溫低時運(yùn)行功率20kW左右，冬季按照3個月時間來計算，每天運(yùn)行20h，可節(jié)省燃油16t，創(chuàng)造間接經(jīng)濟(jì)效益9萬元左右。

模塊化設(shè)計。機(jī)組采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱結(jié)構(gòu)箱體，考慮國內(nèi)二級公路及掛車尺寸，集裝箱外形尺寸定為12192mm×3000mm×3000mm，方便運(yùn)輸，結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小，有效降低油田上用地緊張的困境，降低油田打井整體的投資成本[3]。集裝箱外側(cè)底側(cè)梁處設(shè)置定位梁，多臺機(jī)組可通過此結(jié)構(gòu)并排緊挨使用，機(jī)組的進(jìn)排風(fēng)均設(shè)置在箱體兩端，并排緊挨使用不影響機(jī)組的通風(fēng)散熱。箱體的維修門采用推拉門結(jié)構(gòu)，并排緊挨使用時可組成內(nèi)部通道，方便人員巡視檢修。機(jī)組大修時拆卸掉推拉門，可用叉車直接將發(fā)電機(jī)組挑出，維修便利。維修性及人性化設(shè)計：機(jī)組寬度3000mm，留出足夠的箱內(nèi)空間，箱體推拉門設(shè)計，方便維修和維保，控制屏布置在電機(jī)尾端和推拉門通道上，方面觀察操作。

油田鉆井過程中以柴油機(jī)-交流發(fā)電機(jī)為原動力機(jī)組，通過可控硅（SCR）給鉆機(jī)提供直流電源驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵工作[4]。以油田鉆井上常用的70鉆機(jī)及配套的絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵等設(shè)備為例，需要4臺1200kW箱式柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行提供動力（3用1備）和1臺520kW輔助發(fā)電機(jī)組提供生活用電。

機(jī)組在油田的安裝布置如圖7所示，4臺箱式機(jī)組并排使用，中間2臺拆除掉集裝箱上的推拉門，4臺機(jī)組內(nèi)部組成通道，維保人員可以從第1臺機(jī)組巡查到第4臺機(jī)組，用戶的SCR房布置在機(jī)組的后側(cè)，4臺機(jī)組的集中監(jiān)控柜安裝在SCR房內(nèi)，便于用戶對4臺機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)控。

3? 機(jī)組井上作業(yè)

2020年7月份，機(jī)組開始在新疆某油田上作業(yè)，連續(xù)工作5個月，累計運(yùn)行3453h，發(fā)電量1045458kW.h，中途除了發(fā)動機(jī)正常保養(yǎng)外，機(jī)組無故障，無報警，機(jī)組經(jīng)受住了新疆地區(qū)的酷暑和嚴(yán)寒，經(jīng)受住了油田鉆井的惡劣工況，受到用戶的一致好評，機(jī)組燃油消耗率低至195g/（kW.h），低于競品燃油耗，長期運(yùn)行能為用戶節(jié)省不少資金投入。機(jī)組井上運(yùn)行照片如圖8所示，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)如圖9、圖10所示。

4? 機(jī)組改進(jìn)

陸地油田鉆井一般情況下位于人煙稀少的戈壁灘、荒漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)，對機(jī)組噪聲不做強(qiáng)制性要求，從用戶角度出發(fā)，改善油田鉆井工作環(huán)境，機(jī)組進(jìn)行噪聲處理。機(jī)組進(jìn)風(fēng)處設(shè)置消聲降噪百葉，如圖11所示。箱體內(nèi)部及推拉門內(nèi)側(cè)粘貼吸音棉，用鍍鋅多孔板固定，最大限度降低機(jī)組噪聲。

為滿足油田電動鉆機(jī)配套發(fā)電機(jī)組租賃市場，機(jī)組控制系統(tǒng)增加云監(jiān)控與自動鎖車功能。

5? 結(jié)束語

S1-ZX箱式發(fā)電機(jī)組在新疆某油田上進(jìn)行配套電動鉆機(jī)鉆井試驗，用戶反饋良好：箱式散熱器運(yùn)行可靠，滿足高低溫及風(fēng)沙環(huán)境下使用;變頻器節(jié)能省燃料;機(jī)組內(nèi)部空間寬敞，維護(hù)保養(yǎng)及運(yùn)輸方便;機(jī)組電氣設(shè)計能夠抗油田鉆井工況中諧波干擾。

電動鉆機(jī)配套的柴油發(fā)電機(jī)組長期被國外產(chǎn)品壟斷，S1-ZX箱式發(fā)電機(jī)組的配套成功，創(chuàng)造出了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，將有助于打開并逐步拓展油田電動鉆機(jī)專用發(fā)電機(jī)組市場，提高油田鉆機(jī)設(shè)備中國產(chǎn)化設(shè)備的比例，逐漸把國外進(jìn)口產(chǎn)品替換掉。

后續(xù)將會根據(jù)市場反饋持續(xù)改進(jìn)S1-ZX箱式發(fā)電機(jī)組，從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā)，方便用戶操作、維護(hù)保養(yǎng)機(jī)組。

參考文獻(xiàn)：

[1]王衍超.油田電動鉆機(jī)配套發(fā)電機(jī)組工況分析[J].柴油機(jī)，2017.

[2]王偉亮.淺析石油鉆井工程的設(shè)備節(jié)能[J].化學(xué)工程與裝備，2013.

[3]梁剛.800kW陸用箱式低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組研制[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019.

[4]裴海英.石油鉆井電動鉆機(jī)節(jié)能創(chuàng)效淺談[J].化工管理，2019.