電儲(chǔ)能修井機(jī)的研制與應(yīng)用

王 強(qiáng)，張 浩，范雪麟，孫 偉，石 堯，陳 科，顏廷江

（1.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營(yíng) 257000；2.勝利油田檢測(cè)評(píng)價(jià)研究有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

修井機(jī)是油田開(kāi)發(fā)作業(yè)的核心設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)各大油氣生產(chǎn)單位的修井作業(yè)設(shè)備仍以柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)為主。但柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)存在能耗高、污染大、噪音大的問(wèn)題。“雙碳”目標(biāo)下，這種落后的動(dòng)力方式將逐步淘汰，修井機(jī)“油改電”的電動(dòng)化更新升級(jí)是未來(lái)修井設(shè)備動(dòng)能轉(zhuǎn)換的主流趨勢(shì)［1］。

普通網(wǎng)電修井機(jī)是電動(dòng)化更新的初代嘗試。以40 t網(wǎng)電修井機(jī)為例，它的電機(jī)總配套功率150 kW，但是井口變壓器一般為30 kVA或50 kVA，滿足不了功率要求，需要再配置一個(gè)200 kVA的變壓器。吊裝、拆接變壓器帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)、成本增加等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重制約了網(wǎng)電修井機(jī)的推廣應(yīng)用［2］。

針對(duì)上述問(wèn)題，需要研發(fā)一套擴(kuò)容、功率補(bǔ)償裝置替代高壓變壓器，實(shí)現(xiàn)僅利用井場(chǎng)變壓器就可滿足整個(gè)作業(yè)過(guò)程的用電負(fù)荷需求。鋰電池在能量密度、性?xún)r(jià)比以及放電穩(wěn)定性等方面均具備較大優(yōu)勢(shì)［3］，且具備獨(dú)立供電作業(yè)的能力，其與網(wǎng)電相互配合共同完成作業(yè)是可行的。因此，勝利油田研制了基于儲(chǔ)能電池驅(qū)動(dòng)作業(yè)的新型修井機(jī)，在原有網(wǎng)電修井機(jī)基礎(chǔ)上，增加電池儲(chǔ)能裝置進(jìn)行擴(kuò)容和功率補(bǔ)償，合理利用網(wǎng)電與電儲(chǔ)能裝置的互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立供電、網(wǎng)電供電、聯(lián)合供電等多種工作模式。

1 修井機(jī)儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 儲(chǔ)能裝置的選擇

目前國(guó)內(nèi)比較成熟的電儲(chǔ)能裝置包括電化學(xué)儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容器。超級(jí)電容器充放電快，循環(huán)次數(shù)多，一般作為輔助的能量補(bǔ)充和調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)［4］，但超級(jí)電容器電壓變化大，導(dǎo)致其無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間形成穩(wěn)定電流，且額定電壓很低，在應(yīng)用中需要進(jìn)行大量的串聯(lián)，且不能直接接入功率變換系統(tǒng)［5］。另外，超級(jí)電容器生產(chǎn)成本相對(duì)較高，這無(wú)疑會(huì)增加設(shè)備運(yùn)行的成本投入。

修井作業(yè)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)使得人們對(duì)儲(chǔ)能元件提出了更高的要求。電化學(xué)儲(chǔ)能電池能量密度大，相比于超級(jí)電容器其安全性能更好，功率匹配范圍更大，可以適應(yīng)功率的實(shí)時(shí)變化，并且能夠有效補(bǔ)充電網(wǎng)能量。另外，電化學(xué)電池具有獨(dú)立供電能力，可在停電時(shí)滿足修井作業(yè)需求。通過(guò)分析比較，本文采用電化學(xué)儲(chǔ)能電池作為儲(chǔ)能裝置，開(kāi)展電池儲(chǔ)能技術(shù)在修井機(jī)上的應(yīng)用研究。

選擇儲(chǔ)能材料時(shí)，綜合比對(duì)了各種儲(chǔ)能材料［6］的容量、能量密度、安全系數(shù)等參數(shù)，結(jié)果如表1所示。按照各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的重要程度，采用量化加權(quán)的方法，交由專(zhuān)家對(duì)各種儲(chǔ)能材料進(jìn)行評(píng)估。在滿足容量和放電能力的前提下，選擇儲(chǔ)能材料時(shí)需優(yōu)先考慮保障電儲(chǔ)能修井機(jī)在油氣環(huán)境下作業(yè)的安全。經(jīng)量化加權(quán)計(jì)算得到，三元材料、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰、鎳酸鋰、鈷酸鋰的相對(duì)分值分別為0.21、0.39、0.16、0.15、0.18、0.22，因此，最終選用磷酸鐵鋰電池。

表1 儲(chǔ)能材料關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Critical parameters of several energy storage materials

1.2 工作原理

修井機(jī)在進(jìn)行修井作業(yè)時(shí)，需對(duì)每根油管進(jìn)行連接或卸載，每連接或卸載一根油管的過(guò)程可作為一個(gè)修井作業(yè)循環(huán)周期。修井作業(yè)是一種典型的間歇式循環(huán)作業(yè)。修井機(jī)工況可大致分為起升、卸扣、排管、下放四個(gè)工況，各工況功率需求曲線如圖1所示。

圖1 修井機(jī)各工況功率需求曲線Fig.1 Power demand of a workover rig under various working conditions

利用電池功率補(bǔ)償系統(tǒng)為修井機(jī)補(bǔ)償動(dòng)力。電儲(chǔ)能修井機(jī)采用直流母線電壓控制技術(shù)，與井口變壓器并聯(lián)使用。網(wǎng)電與電池組并聯(lián)形成的能量完全可滿足修井作業(yè)的動(dòng)力需求，且該修井機(jī)的作業(yè)效率優(yōu)于傳統(tǒng)修井機(jī)。電儲(chǔ)能修井機(jī)的作業(yè)過(guò)程為：起升時(shí)，由于變頻電機(jī)功率較大，所需供電量較大，因此選擇第一種工作模式，即網(wǎng)電與電池組并聯(lián)同時(shí)向電控系統(tǒng)供電，以滿足變頻電機(jī)大功率提升的用電需求；卸扣時(shí)，所需供電量較小，因此選擇第二種工作模式，即由網(wǎng)電單獨(dú)供電，且可將網(wǎng)電多余的電能通過(guò)電控系統(tǒng)自動(dòng)向電池組充電；下放時(shí)，所需供電量也較少，因此選擇第三種工作模式，即利用網(wǎng)電多余的電能向電池組充電。另外，下放時(shí)產(chǎn)生的勢(shì)能使電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，可利用這部分勢(shì)能向電池組充電。

2 電儲(chǔ)能修井機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)

為了保障電儲(chǔ)能修井機(jī)的作業(yè)能力，確保其在油氣環(huán)境下的使用安全，在研制過(guò)程中重點(diǎn)對(duì)電儲(chǔ)能修井機(jī)的電池系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)三部分進(jìn)行針對(duì)性的研發(fā)及設(shè)計(jì)。

2.1 電池系統(tǒng)

作為能量存儲(chǔ)裝置，電池系統(tǒng)不僅要滿足實(shí)用性需求，而且要結(jié)構(gòu)合理、安全。以40 t修井機(jī)為例，在電池容量設(shè)計(jì)時(shí)以活動(dòng)管柱數(shù)量為作業(yè)單元，全過(guò)程模擬修井機(jī)作業(yè)過(guò)程中的能量需求，完成儲(chǔ)能裝置容量的計(jì)算，并最終確定電池組額定電量為51.84 kW·h，電池組工作最大放電電流為300 A。同時(shí)，受修井機(jī)底盤(pán)所限，電池裝置的上裝空間尺寸和重量都有一定的限制。通過(guò)設(shè)計(jì)電池裝置伸縮桿式散熱結(jié)構(gòu)、螺旋導(dǎo)流散熱孔等，以及溫度協(xié)同控制的熱管理系統(tǒng)，可有效解決狹小安裝空間的熱管理問(wèn)題。

2.2 電控系統(tǒng)

新型電儲(chǔ)能修井機(jī)作業(yè)時(shí)采用“電網(wǎng) + 多傳動(dòng) + 直流儲(chǔ)能”的方式，通過(guò)“電網(wǎng) + 儲(chǔ)能裝置”聯(lián)合供電，彌補(bǔ)井場(chǎng)變壓器容量、功率的不足。圖2為電儲(chǔ)能修井機(jī)電控系統(tǒng)工作原理圖。起升管柱時(shí)電機(jī)功率需求大，網(wǎng)電、儲(chǔ)能同時(shí)輸出能量，以滿足電機(jī)功率需求；卸扣排管時(shí)，電機(jī)功率需求低，網(wǎng)電給儲(chǔ)能裝置充電；管柱下放時(shí)，利用管柱重力勢(shì)能向電池組充電。為了充分利用“儲(chǔ)能、網(wǎng)電、管柱下放回收勢(shì)能”等多方面能量來(lái)源，采用直流母線電壓控制方法，根據(jù)負(fù)載功率變化，自適應(yīng)匹配儲(chǔ)能裝置充放電過(guò)程，以保證多能量協(xié)同供應(yīng)。為了充分利用井場(chǎng)配電資源，在動(dòng)力分配時(shí)優(yōu)先使用網(wǎng)電，不足部分由儲(chǔ)能裝置補(bǔ)充。通過(guò)劃分系統(tǒng)的控制參數(shù)，將修井工況分解為不同的作業(yè)階段，分別為各個(gè)階段提供適合的動(dòng)力分配策略，從而實(shí)現(xiàn)全工況的能量管理。

圖2 電儲(chǔ)能修井機(jī)電控系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Working principle of the electrical control system in a workover rig with electric energy storage

經(jīng)測(cè)試，電儲(chǔ)能修井機(jī)完成連續(xù)作業(yè)5 h、起升管柱150根的修井作業(yè)時(shí)總耗電量為297.46 kW·h，其中電池耗電量為252.73 kW·h，網(wǎng)電耗電量為41.23 kW·h，并回收勢(shì)能3.5 kW·h，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)電儲(chǔ)能協(xié)同供電。

利用“儲(chǔ)能、網(wǎng)電、管柱下放回收勢(shì)能”協(xié)同供電的控制技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電池、網(wǎng)電的配合使用，既可充分利用井場(chǎng)配電資源，實(shí)現(xiàn)多模式供電，滿足修井作業(yè)需求，又可減少電池充放電時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，從而對(duì)網(wǎng)電起到主動(dòng)保護(hù)作用。

2.3 電池管理系統(tǒng)

建立了基于“智慧報(bào)警”防護(hù)體系的電池管理系統(tǒng)（BMS），并完成電池在各種工況下的性能試驗(yàn)100余組，確定了電池溫度、單體溫差、單體電壓、絕緣電阻、充電電流、放電電流、總電壓、電池荷電狀態(tài)（SOC）等關(guān)鍵參數(shù)的報(bào)警閾值，進(jìn)而建立了不同安全層級(jí)下的智慧報(bào)警及響應(yīng)機(jī)制，切實(shí)保障了電池裝置在油氣環(huán)境下的作業(yè)安全。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了電儲(chǔ)能裝置電性能和安全性能關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測(cè)“一級(jí)提醒、二級(jí)警告、三級(jí)停機(jī)”智慧報(bào)警體系，對(duì)電儲(chǔ)能裝置進(jìn)行分級(jí)管控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)能電池的高精度管理。表2為主要故障閾值表。

表2 主要故障閥值Tab.2 Threshold of the main faults

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 性能驗(yàn)證

對(duì)電儲(chǔ)能修井機(jī)進(jìn)行最大負(fù)荷提升、儲(chǔ)能裝置獨(dú)立放電作業(yè)、安全性能驗(yàn)證等一系列測(cè)試。

（1）儲(chǔ)能裝置放電能力測(cè)試：在試驗(yàn)井進(jìn)行提升160 kN載荷測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果表明，電池在獨(dú)立供電條件下可供持續(xù)作業(yè)30 min以上，累計(jì)起升高度為470.7 m，累計(jì)耗電量為40.138 kW·h（SOC從100%到14%），且各項(xiàng)指標(biāo)均穩(wěn)定在合理區(qū)間。

（2）電控性能測(cè)試：通過(guò)監(jiān)控提升管柱過(guò)程中電池的最大輸出功率發(fā)現(xiàn)，作業(yè)過(guò)程中網(wǎng)電變壓器始終滿負(fù)荷輸出，電池功率會(huì)隨載荷變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)電優(yōu)先供電控制策略。電池輸出功率曲線如圖3所示。

圖3 電池輸出功率曲線Fig.3 Output power of the battery

（3）安全管理能力測(cè)試：關(guān)閉熱管理系統(tǒng)后進(jìn)行多次預(yù)警測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)響應(yīng)正常，電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)各參數(shù)的最大誤差為1.28%，可滿足工程應(yīng)用。

（4）現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能對(duì)比測(cè)試：在同一口井分別采用履帶式通井機(jī)、柴油驅(qū)修井機(jī)以及電儲(chǔ)能修井機(jī)3種機(jī)型作業(yè)機(jī)起放相同數(shù)量管柱，能耗測(cè)試結(jié)果如圖4所示。經(jīng)折合標(biāo)煤能耗計(jì)算，與同規(guī)格柴油驅(qū)修井機(jī)相比，電儲(chǔ)能修井機(jī)可節(jié)能38%，節(jié)能效果良好。

圖4 3種機(jī)型起升相同數(shù)量隔熱管時(shí)累積能耗對(duì)比Fig.4 Comparison of the cumulative energy consumption among three types of workover rig

3.2 應(yīng)用情況

目前勝利油田已投產(chǎn)多臺(tái)電儲(chǔ)能修井機(jī)，累計(jì)完成作業(yè)900余井次。不同作業(yè)管理區(qū)、不同作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試證實(shí)，該設(shè)備可適應(yīng)油田各種作業(yè)工況，滿足使用要求，取得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié) 論

電儲(chǔ)能修井機(jī)的成功研發(fā)不僅解決了普通網(wǎng)電修井機(jī)接高壓電帶來(lái)的安全隱患問(wèn)題，節(jié)約了箱變系統(tǒng)運(yùn)輸及吊裝成本，而且實(shí)現(xiàn)了修井作業(yè)完全依靠電能驅(qū)動(dòng)，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)零排放，節(jié)能效果突出，環(huán)保效益顯著，從而真正實(shí)現(xiàn)了修井作業(yè)設(shè)備“油改電”的電動(dòng)化更新升級(jí)。

同時(shí)，電儲(chǔ)能技術(shù)在油田作業(yè)設(shè)備上的應(yīng)用，是將新型鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)引入油田的最早嘗試。該技術(shù)在研發(fā)過(guò)程中將逐步拓展、全面布局到注水泵站、移動(dòng)儲(chǔ)能、新能源發(fā)電儲(chǔ)能配套等領(lǐng)域，從而形成管理、控制、檢測(cè)于一體的技術(shù)體系，為油田新能源發(fā)展儲(chǔ)能配套建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)推廣清潔能源使用具有重大意義。