全電力全自動修井機(jī)的研制與應(yīng)用

鐘雨（大慶油田設(shè)計院有限公司）

修井機(jī)是修井和井下作業(yè)施工中最基本、最主要的動力來源，按其運行結(jié)構(gòu)分為履帶式和輪胎式兩種形式，也是油田開發(fā)生產(chǎn)中不可缺少的重要生產(chǎn)設(shè)備，同時也是油田重點用能設(shè)備。傳統(tǒng)的修井機(jī)大多采用柴油發(fā)動機(jī)作為動力裝置，每年需要消耗可觀的燃料且生產(chǎn)作業(yè)過程產(chǎn)生的噪音、排放廢氣，給油田清潔化生產(chǎn)帶來一定的影響。以國內(nèi)某特大型油田企業(yè)為例，目前在用各類修井機(jī)400余臺，年消耗燃料（柴油）1.2萬余噸。近幾年來，隨著能耗剛性增長和能源雙控的壓力，針對優(yōu)化能源管理節(jié)能技術(shù)優(yōu)選、生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控等技術(shù)難題，大力降低油氣開發(fā)成本和油氣生產(chǎn)能耗，降低油田修井作業(yè)成本，提升油田開發(fā)質(zhì)量，實現(xiàn)增產(chǎn)增效和節(jié)能減排，已成為各油田一項重要的研究課題[1-2]。

1 傳統(tǒng)修井機(jī)存在的問題

傳統(tǒng)修井機(jī)主要有履帶式和輪胎式兩種，無論是履帶式修井機(jī)，還是輪胎式修井機(jī)，均采用采用柴油發(fā)動機(jī)作為動力裝置，主要存在以個方面的問題：

1）能耗高。傳統(tǒng)修井機(jī)是油田生產(chǎn)主要能耗設(shè)備之一，每臺修井機(jī)每年需要消耗柴油30 t（約110噸標(biāo)煤），不符合油田節(jié)能減排的需要[3]。

2）作業(yè)過程排放廢，且產(chǎn)生噪音大[4]。修井機(jī)采用柴油發(fā)動機(jī)，作業(yè)過程存在廢氣排放現(xiàn)象，同時作業(yè)廠界產(chǎn)生噪音大，有關(guān)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)修井機(jī)作業(yè)現(xiàn)象廠界噪音測試數(shù)據(jù)多數(shù)在60～70 d B。

3）作業(yè)過程易造成環(huán)境污染。為預(yù)防廢液及油泥砂落地的防污染措施越來越不能滿足施工現(xiàn)場環(huán)境保護(hù)需求，沿用油管擺放區(qū)、抽油桿擺放區(qū)鋪設(shè)防滲膜，四周搭建玻璃鋼圍堰，防止廢液和油泥砂落地、外溢的的模式。隨著環(huán)保形式的日益嚴(yán)峻，結(jié)合目前修井作業(yè)的實際情況，存在多項弊端：一是防滲膜強(qiáng)度不夠，施工過程中出現(xiàn)破損，不可避免造成廢液落地污染，增加治理難度；二是使用后的廢棄含油塑料布為危險廢物，缺乏專業(yè)的處置隊伍，處置難度較大，且處置成本較高；三是鋪設(shè)防滲膜、搭建環(huán)保圍堰耗時多，工作量大，影響作業(yè)時效。

4）自動化程度低，員工作業(yè)勞動強(qiáng)度大。修井機(jī)自動化作業(yè)程度低，作業(yè)過程主要依靠人工作業(yè)操作，存在員工作業(yè)勞動強(qiáng)度大、工作效率低等問題。

5）能量浪費。修井機(jī)下油管和抽油桿過程是一個作功過程，所產(chǎn)生的能量沒有得到有效利用，存在能量浪費問題。

6）修井作業(yè)成本高。采用傳統(tǒng)修井機(jī)存在作業(yè)成本高、修井速度慢，嚴(yán)重影響油氣開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益的提升[5]。

2 組成及工作原理

2.1 全電力全自動修井機(jī)的組成

全電力全自動修井機(jī)是一種機(jī)械液力傳動的新型修井機(jī)，修井機(jī)的動力裝置、絞車、井架、游車系統(tǒng)及傳動機(jī)構(gòu)全部裝載于自走式底盤上，對于提高修井作業(yè)搬遷效率具有很大的優(yōu)勢[6]。車載修井機(jī)系具有作業(yè)負(fù)荷大、性能可靠、越野能力強(qiáng)、移運方便，作業(yè)和搬遷費用低等特點，并適合在高寒、沙漠、高原等特殊地區(qū)使用要求。修井機(jī)的動力來源于車載儲能裝置，車輛移動采用電力驅(qū)動，作業(yè)過程采用電力拖動裝置。修井機(jī)動力裝置集直流母線變頻控制技術(shù)、能量回饋利用技術(shù)、儲能技術(shù)于一體。全電力全自動修井機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 全電力全自動修井機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of fully electric and automatic workover rig

2.2 工作原理

2.2.1 直流母線技術(shù)

直流母線技術(shù)采用單獨的整流濾波裝置為電動機(jī)調(diào)速裝置提供具有一定電壓和功率的直流電源母線[7]。電動機(jī)調(diào)速用逆變器直接掛于直流母線上，當(dāng)電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時（起油管作業(yè)時），逆變器從母線上汲取電能；當(dāng)電動機(jī)工作在倒發(fā)電狀態(tài)時（下油管作業(yè)時），能量即時饋入母線為儲能裝置補(bǔ)充電能，以達(dá)到節(jié)省電能、提高設(shè)備運行可靠性等目的。

2.2.2 儲能裝置技術(shù)

儲能裝置技術(shù)采用電化學(xué)能儲能技術(shù)，一根充電線從井場控制柜連接到電儲能裝置，打開裝置開關(guān)，就能夠源源不斷地提供動力。大功率電儲能裝置改變了能源消費結(jié)構(gòu)，推動網(wǎng)電替代柴油發(fā)電，實現(xiàn)了設(shè)備“以電代油”，一方面降低了噪聲，另一方面實現(xiàn)了綠色環(huán)保[8-9]。

2.2.3 能量回饋利用技術(shù)

該技術(shù)采用“雙變頻”原理，是通過變頻器內(nèi)置的直流電壓觀測和電流運算電路時事檢測變頻器直流環(huán)節(jié)電壓，電動機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)時將會導(dǎo)致變頻器直流環(huán)節(jié)電壓升高，當(dāng)直流環(huán)節(jié)電壓升高至一定值時，由交流電壓觀測和同步發(fā)生電路控制IGBT（逆變模塊）將這部分電能變換成和電網(wǎng)電源同步同相位的系統(tǒng)正弦波[10]。通過把電動機(jī)在機(jī)械勢能的作用下進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)時返回變頻器直流環(huán)節(jié)的電能通過濾波電抗器和噪聲濾波器輸送到變頻器的電源側(cè)，供本地設(shè)備利用，從一定程度上減少了設(shè)備從電網(wǎng)吸收的電量，從而達(dá)到進(jìn)一步提高節(jié)能效果的目的。

3 全電力全自動修井機(jī)的特點

基本參數(shù)和總體設(shè)計符合GB/T 23505《石油天然氣工業(yè)鉆機(jī)和修井機(jī)》?；赟AFI軟件對井架、底座等關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度分析。高度模塊化，實現(xiàn)快速移運。采用機(jī)械傳動，操作靈活，維護(hù)保養(yǎng)簡單。油田專用得越野底盤，通過性強(qiáng)，適應(yīng)油田復(fù)雜路況，使用壽命長。車載系統(tǒng)完全符合新能源車輛設(shè)計技術(shù)規(guī)范要求。全電力的動力系統(tǒng)，使作業(yè)過程不產(chǎn)生廢氣廢水，符合清潔化生產(chǎn)技術(shù)要求。采用全自動生產(chǎn)作業(yè)技術(shù)，作業(yè)過程自動控制化程度高，大大減輕作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。它與傳統(tǒng)修井機(jī)相比，能耗是同規(guī)格傳統(tǒng)修井機(jī)的30%。由于作業(yè)生產(chǎn)過程采用全電力和變頻技術(shù)，作業(yè)過程平穩(wěn)運行，產(chǎn)生的噪音是傳統(tǒng)修井機(jī)的70%。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用

全電力全自動修井機(jī)研制完成后，于2021年10月在某采油廠投入現(xiàn)場油井作業(yè)應(yīng)用。為了防止油井修井作業(yè)過程產(chǎn)生廢液和油泥砂落地、外溢問題，該修井配套應(yīng)用船型圍堰裝置，該裝置共分五組獨立的長方型鐵池子，內(nèi)部焊接橋座，可以調(diào)節(jié)橋座高度，其中四組拼接作為油管擺放和廢液排放區(qū)，一組作為抽油桿擺放區(qū)，實現(xiàn)了油泥砂不落地，有效地杜絕了二次污染。該裝置可以全面替代目前作業(yè)現(xiàn)場普遍應(yīng)用的“防滲布+環(huán)保圍堰+油管桿橋座”修井設(shè)施。

修井機(jī)的移動采用電力驅(qū)動，油田作業(yè)過程中起抽油桿和油管時利用儲能裝置的電能通過變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動電動機(jī)作業(yè)，而下抽油桿和油管的過程則是一個產(chǎn)生能量的過程，所產(chǎn)生的電能回饋到儲能裝置，實現(xiàn)修井機(jī)系統(tǒng)整體節(jié)能。全電力全自動修井機(jī)與傳統(tǒng)修井機(jī)相比，裝備技術(shù)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。同規(guī)格全電力全自動修井機(jī)與傳統(tǒng)修井機(jī)相關(guān)測試數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 同規(guī)格全電力全自動修井機(jī)與傳統(tǒng)修井機(jī)相關(guān)測試數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of relevant test data between full electric automatic workover rig and traditional workover rig of the same specification

4.2 效果分析

油井作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用全電力全自動修井機(jī)后，與傳統(tǒng)修井作業(yè)相比，修井作業(yè)工作效率提升了一倍，修井作業(yè)質(zhì)量得到明顯提升，油井修井綜合能耗減少70%，提升油水井修井作業(yè)自動化程度，降低油井修井作業(yè)生產(chǎn)成本，作業(yè)人員勞動強(qiáng)度明顯降低，油井作業(yè)時間減少了一半，作業(yè)過程噪音明顯降低，作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境質(zhì)量得到提高，實現(xiàn)了油井修井作業(yè)過程產(chǎn)生廢液和油泥砂不落地、不外溢，實現(xiàn)了油井修井作業(yè)清潔化生產(chǎn)，避免了油水井因修井作業(yè)造成二次污染問題，滿足了油田綠色低碳高效高質(zhì)量發(fā)展的要求。

5 綜合評價分析

1）綜合節(jié)能效益分析。修井機(jī)動力裝置采用直流母線變頻控制技術(shù)、能量回饋利用技術(shù)、儲能技術(shù)等節(jié)能先進(jìn)技術(shù)，綜合能耗得到下降。據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)修井機(jī)月消耗柴油2.5 t，折合標(biāo)煤為3.64 t，而同樣的工作量，采用全電力全自動修井機(jī)則需消耗電能8 897 k Wh，折合標(biāo)煤為1.09 t，則每月減少能耗為2.55 t，其節(jié)能率為70%，則每臺修井機(jī)每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為30.60 t。若每噸標(biāo)煤按價格1 000元計算，則每臺修井機(jī)每年產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到3萬余元，節(jié)能降耗效果明顯。

2）環(huán)保效益分析。通過采取應(yīng)用船型圍堰裝置替代油井管桿擺放區(qū)鋪設(shè)防滲膜防污工藝的效果明顯，可以有效減少油井作業(yè)過程產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，減少防滲膜的應(yīng)用，從源頭上減少污染的產(chǎn)生，杜絕二次污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。同時，通過使用作業(yè)現(xiàn)場新型環(huán)保圍堰，實現(xiàn)了污油污水不落地，避免了因落地油污染形成的油泥砂和廢塑料布，有效實現(xiàn)了油泥砂減量化。

據(jù)統(tǒng)計，每口井防滲膜費用約700元，以每年實施作業(yè)井?dāng)?shù)約10 000口計算，全年可節(jié)省防滲膜費用700萬元。同時，還可節(jié)省含油塑料布處置費用，按照目前含油塑料每噸處置價格2 000元計算，以每口井產(chǎn)生含油塑料布約1 t，全年實施作業(yè)井?dāng)?shù)10 000口，即可節(jié)省防滲膜治理費用2 000萬元。則通過應(yīng)用新型船型圍堰裝置全年可節(jié)約成本2 700余萬元。

3）降低作業(yè)噪聲，改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境質(zhì)量。通過采用網(wǎng)電替代柴油發(fā)電以及變頻節(jié)能控制技術(shù)，油水井作業(yè)現(xiàn)場廠界噪聲與傳統(tǒng)修井機(jī)相比降低了20 d B，現(xiàn)場作業(yè)噪音有效降低，改善了修井作業(yè)工作環(huán)境質(zhì)量。

4）提升了修井工作效率。采用全電力全自動修井機(jī)，修井工作效率與傳統(tǒng)修井機(jī)相比提高了1.5倍，縮短了修井作業(yè)時間，提升了修井工作質(zhì)量和作業(yè)成功率。

5）提升了修井機(jī)的自動化程度，降低了現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。采用自動化修井機(jī)，降低了現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。

6 結(jié)束語

全電力全自動修井機(jī)是智能化、數(shù)字化油田建設(shè)的需要，也是降低油氣開發(fā)成本和油氣生產(chǎn)能耗，降低油田修井作業(yè)成本，提升油田開發(fā)質(zhì)量，改進(jìn)傳統(tǒng)作業(yè)方式，實現(xiàn)增產(chǎn)增效和節(jié)能減排，建設(shè)綠色低碳高效企業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的需要。全電力全自動修井機(jī)集先進(jìn)的直流母線變頻控制技術(shù)、能量回饋利用技術(shù)、儲能技術(shù)等先進(jìn)節(jié)能控制技術(shù)于一體，它的研制成功與應(yīng)用，為油田油氣開發(fā)生產(chǎn)提供了節(jié)能減排又一重要利器。實踐證明，該修井機(jī)具有技術(shù)先進(jìn)、實用性和現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低、節(jié)能效果好、自動化水平高、高度模塊化、操作靈活、維護(hù)保養(yǎng)簡單、綠色環(huán)保、作業(yè)過程不產(chǎn)生廢氣廢水符合清潔化生產(chǎn)技術(shù)要求等優(yōu)點，完成能滿足油田生產(chǎn)現(xiàn)場修井作業(yè)要求，具有良好的推廣應(yīng)用前景。