張希軍（大慶鉆探工程公司鉆井一公司）

隨著大慶油田深層天然氣勘探、開發(fā)工作的不斷深入，電動化深井鉆機的應用不斷增加。此類鉆機設計上以柴油為動力，油料消耗一直居高不下，在成品油價格不斷上漲的情況下，能源消耗占鉆井總成本的比重也越來越大。2005年大慶鉆探工程公司開始進行深井鉆機“油改電”先導試驗，通過現(xiàn)場調(diào)研和理論分析及現(xiàn)場實踐，從電力系統(tǒng)入手，通過特別設計的移動變電裝置，將10kV 電壓轉換為600V 電壓來滿足鉆井設備的生產(chǎn)需要，也就是說，把鉆機從原來消耗成品油驅動鉆井設備改成利用工業(yè)電網(wǎng)消耗電能驅動鉆井設備。該項技術在減少能源消耗的同時，也減少了設備的維護保養(yǎng)費用和噪聲損害，實現(xiàn)了綠色鉆井并延長了設備使用壽命，在國內(nèi)同行業(yè)中處于領先地位，具有巨大的節(jié)能環(huán)保潛力和優(yōu)勢，以及具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 “油改電”節(jié)能措施方案及選用原則

為減少資金投入，保證原電動化深井鉆機的安全性、完整性，無需太大改動原鉆機整體布局。整體節(jié)能措施方案是在電動化深井鉆機S CR 房設置網(wǎng)電接口，并在其旁邊加裝移動變電裝置，這樣電動化鉆機可以擁有雙電源模式，在網(wǎng)電停電時也可以繼續(xù)運行，防止事故的發(fā)生，保證鉆井施工的安全性、節(jié)能性和實用性。

1.1 電動化深井鉆機SCR房改造

在S CR 房內(nèi)設置網(wǎng)電接口，使電動化深井鉆機具有雙電源模式。為確保鉆機安全運行，需要在S CR 房加裝雙電源互鎖控制柜，工業(yè)電網(wǎng)并網(wǎng)與發(fā)電機組并網(wǎng)采用互鎖裝置，電網(wǎng)突然停電時，可通過轉換開關直接切換到發(fā)電機組，既快速高效又可防止誤操作；同時，冬季柴油機跑溫時也不會影響工業(yè)電網(wǎng)對鉆井設備的正常供電。

1.2 配備移動變電裝置

對電動化深井鉆機使用柴油發(fā)電機組供電的鉆井隊進行跟蹤測試，鉆機隨井深不同功率消耗變化而采集的數(shù)據(jù)證明，一開表層鉆進時，功率消耗較小，可用1臺發(fā)電機；而二開在進行大井徑技套鉆進時，功率消耗最大，啟動1臺發(fā)電機不能滿足鉆機功率的需要，啟動2臺以上發(fā)電機組又有大量的剩余功率，造成能源上的浪費和損失。這期間是負荷高峰期，通過測試柴油發(fā)電機的電流，同時也考慮到井下情況復雜，負荷還有可能增加，最終確定最合理的方案為：50D 鉆機變壓器容量為3150kV A（配備專用動態(tài)無功補償和濾波裝置的鉆機，可選擇2500kV A）1臺，70D 鉆機變壓器容量為4000kV A（配備專用動態(tài)無功補償和濾波裝置的鉆機，可選擇3150kV A）1臺，高壓側電壓10kV，低壓側電壓0.6kV，同時有載自動調(diào)壓變壓器作為工業(yè)電網(wǎng)驅動電動鉆機電源主變。

移動變電裝置采用“目”字型設計。房體外殼為全鋼結構焊接而成，墻板及房頂采用3mm瓦楞板材，房體底座雙層船型底，底座兩頭加長200mm，便于整體吊裝、拖拉及運輸。

主變壓器放在中間，兩側分別是高、低壓控制系統(tǒng)室，高壓控制室設有高壓進線柜[1]、高壓計量柜和高壓出線柜[2]。低壓控制室設有低壓進線柜[2]、諧波控制裝置[3]、無功補償柜[4]和低壓出線柜。主變壓器使用S Z11系列有載自動調(diào)壓變壓器1臺。

1.3 深井鉆機利用工業(yè)電網(wǎng)選用原則

深井鉆機“油改電”是深井鉆機節(jié)能技術的革命，具有安全、實用、經(jīng)濟等特點，具有柴油機驅動鉆機鉆井無法比擬的優(yōu)勢。其選用原則是：

◇深井鉆機為電動化鉆機；

◇井場附近要求有0.6kV 以上的電力線路；

◇鉆井周期要求在1個月以上；

◇搭接電力等費用必須小于單井節(jié)余成本；

◇無論何種工況，都要保證600V 電力供給。

2 “油改電”技術應用效果分析

2.1 節(jié)能效果與分析

此方法不但可以節(jié)能，還可以節(jié)約設備維修費用和設備耗材費用。以70168鉆井隊施工的徐深23-平1井為例。

1）節(jié)約成品油。徐深23-平1 井鉆井進尺5048m，建井周期340天，耗油278.41 t，金額203.27萬元；全井耗電金額382.08萬元（含搭線施工費用95.75 萬元），按2011年成品油平均單價7 301.16元/t計算，折算成品油為523.31 t。該井耗油278.41 t加上搭電折成油523.31 t，共計消耗成品油801.72t，金額585.34 萬元，電動化鉆機應用工業(yè)電網(wǎng)技術鉆機臺月耗油為2.36t/d。該鉆機若以柴油作動力常規(guī)鉆井，可耗油1530t，金額1117.07萬元，鉆機臺月耗油為4.5 t/d。應用工業(yè)電網(wǎng)技術鉆機與常規(guī)鉆機耗油相比，單井鉆機臺月耗油節(jié)約2.14 t/d，全井節(jié)約成品油728.28t，節(jié)約資金531.73萬元。

2）節(jié)約潤滑油、濾芯及設備運轉折舊費。鉆機運轉周期340天，共計8160h，按柴油機正常每500h保養(yǎng)一次計算，需機油16桶，單價5000元，價值8萬元；機油濾芯16只，單價800元，價值1.28萬元。柴油濾芯、空氣濾芯按柴油機正常每1000 h更換計算，需柴油濾芯8只，單價300元，價值0.24萬元；空氣濾芯8只，單價1000元，價值0.80萬元。設備運轉磨損按柴油機價值300萬元正常使用年限8年計算，單臺年磨損費37.5萬元×（340÷365）=34.93萬元。該井共節(jié)約潤滑油16桶，金額8萬元；節(jié)約濾芯32只，金額2.32萬元；節(jié)約設備折舊費34.93萬元，合計節(jié)約資金45.25萬元。

3）節(jié)約油料運費。結合運距，按照當時局內(nèi)關聯(lián)交易價格1.56元/（t·km）計算，節(jié)約油料運輸費12.44萬元。

綜上所述，徐深23-平1井電動化鉆機利用工業(yè)電網(wǎng)技術共計節(jié)約資金589.42萬元。自2005年電動化鉆機嘗試應用“油改電”節(jié)能技術以來，到2014年4月已有109口深井應用了“油改電”節(jié)能方法，累計節(jié)約資金已過億元。

2.2 “油改電”對電力系統(tǒng)的改善與分析

每一個電動化鉆機供電系統(tǒng)都是一個獨立的小電網(wǎng)。在小電網(wǎng)供電系統(tǒng)中，普遍采用多臺柴油發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電，供各用電單元使用。其中，很大部分負荷是電動機負載（直流電動機和交流電動機），這些負荷都呈感性，使鉆機電氣系統(tǒng)無功功率大、功率因數(shù)低、諧波含量大，給供電系統(tǒng)造成了很大的額外負擔。同時，由于諧波含量的增加，使電網(wǎng)供電質量下降，各種用電設備負擔增加，發(fā)熱嚴重，老化加速。

通過“油改電”項目的實施，鉆機電氣系統(tǒng)諧波大幅降低，鉆機電氣設備由諧波引起的損耗、發(fā)熱、震動、擊穿和干擾將大幅降低，電氣設備壽命得到延長。功率因數(shù)由原來的0.46提高到0.95，設備和控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和可靠性得到提高。

2.3 安全環(huán)保效果與分析

由于“油改電”高、低壓配電系統(tǒng)具有完善的過流、短路、欠壓保護等功能，以及完善的數(shù)字變壓器保護系統(tǒng)，使得電動化鉆機電氣系統(tǒng)響應時間短、可靠性高、故障率低，完全可以實現(xiàn)無人值守，柴油機司機和大班可以節(jié)省出大量時間對井場內(nèi)400多條線路進行檢查維護，及時消除安全隱患。由于節(jié)省出柴油發(fā)電機組的維護保養(yǎng)時間，從而縮短了鉆井周期，提高了安全生產(chǎn)效率，對鉆井安全提速有一定的積極作用。

柴油發(fā)電機組在使用過程中存在著兩大污染，分別是噪聲污染和大氣污染。噪聲污染存在以下危害：施工現(xiàn)場工人長期處于噪聲污染環(huán)境下，聽覺會受到嚴重的影響；施工現(xiàn)場附近的居民也無法避免噪聲污染的困擾；由于噪聲污染嚴重影響了施工現(xiàn)場的正常語言交流，存在一定的安全隱患。大氣污染的污染源是柴油機尾氣，是指柴油發(fā)動機燃燒柴油后噴出的尾氣，尾氣中含有上百種不同的化合物，這種氣體排放物不僅氣味怪異，而且令人頭昏、惡心，影響人的身體健康。世界衛(wèi)生組織專家認定柴油發(fā)動機尾氣與石棉、砒霜等物質一樣，具有高度致癌性，嚴重影響人們的身體健康。實施“油改電”后，鉆井施工中完全可以減少柴油機尾氣排放，做到名副其實的綠色鉆井。

3 技術前景

電動化鉆機“油改電”技術的應用，已經(jīng)取得了可觀的效果，既獲得了經(jīng)濟效益和社會效益，又提高了工作效率。在這9年多的實際應用中不斷地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，先后解決了工業(yè)電網(wǎng)并網(wǎng)與發(fā)電機組并網(wǎng)快速切換、功率因數(shù)低、網(wǎng)電電壓波動干擾等問題，使這項創(chuàng)新技術日臻完善。如今“油改電”技術已經(jīng)實現(xiàn)了有載自動調(diào)壓、無功補償、濾波裝置隨著現(xiàn)場工況自動投切，由于自動化程度高，可以實現(xiàn)無人值守，免于維護。這項技術也得到了油田同行和地方政府的認可。電動化鉆機推行“油改電”方法，可以節(jié)約能源消耗，降低鉆井成本；減少設備日常維護、成品油運輸?shù)荣M用；改善員工工作環(huán)境，降低噪音，減少尾氣排放，促進環(huán)保等。因此，該項技術在石油鉆井行業(yè)和其他相關產(chǎn)業(yè)具有廣闊的推廣應用空間和發(fā)展前景。

[1]張春華.高壓進線柜在繼電保護中的改進[D].上海:中國科學院上海冶金研究所,2000.

[2]霍曉衛(wèi).最新電力工程標準規(guī)范實用全書[M].北京:中國廣播電視出版社,2000:30-450.

[3]萬兆安.諧波抑制及無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998:10-245.

[4]靳龍章,丁毓山.電網(wǎng)無功補償實用技術[M].北京:中國水利水電出版社,2001:1-263.