李玉全 賈 洋 陳立彬 陳大彬

（大慶油田有限責(zé)任公司 黑龍江大慶）

石油鉆機(jī)通常的驅(qū)動(dòng)方式包括柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和柴油發(fā)電機(jī)組間接驅(qū)動(dòng)，油耗高，噪聲和排放較大。近年來(lái)，隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，通過(guò)電網(wǎng)電力驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的可能性越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)各大油田在電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)逐步開(kāi)始采用網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)。針對(duì)大慶地區(qū)電網(wǎng)分散及鉆井工況復(fù)雜的實(shí)際情況，在南部探進(jìn)行了油改電項(xiàng)目試驗(yàn)，取得較好節(jié)能減排效果。

一、鉆機(jī)油改電驅(qū)動(dòng)總體方案

鉆機(jī)網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)方案主要包括外圍供電和全場(chǎng)供電2種方案。外圍供電時(shí)網(wǎng)電僅代替原2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供電，保留機(jī)房柴油機(jī)組驅(qū)動(dòng)；全場(chǎng)供電除機(jī)房保留1～2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組備用外，井場(chǎng)通過(guò)網(wǎng)電供電，整傳箱通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。本文重點(diǎn)研究全場(chǎng)供電方案（圖1）。

柴油機(jī)組通過(guò)液力偶合器／正車(chē)減速箱及萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)整傳箱。安裝時(shí)將柴油機(jī)組2、3拆下，換裝2臺(tái)電機(jī)組，電機(jī)組聯(lián)接盤(pán)直接通過(guò)聯(lián)軸器與液力偶合器連接或通過(guò)聯(lián)軸器與渦輪變矩器相連。電機(jī)組的軸承座輸出有640 mm和760 mm的2種聯(lián)軸器中心高度，可適應(yīng)不同的鉆機(jī)。

在井場(chǎng)分別安裝高壓房和低壓房，將高壓網(wǎng)電引入高壓房，經(jīng)變壓后供給低壓房和VFD／MCC房網(wǎng)電供電時(shí)，2臺(tái)輔助柴油發(fā)電機(jī)組和機(jī)房柴油機(jī)組停止工作，高壓房分別向低壓房和VFD/MCC房提供600 V和400 V電壓。低壓房電機(jī)傳動(dòng)柜驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)組運(yùn)行，為鉆機(jī)整箱提供動(dòng)力。低壓房故障但高壓電源正時(shí)，直接啟動(dòng)機(jī)房柴油機(jī)組即可繼續(xù)作業(yè)。高壓電源短時(shí)間故障或臨時(shí)停電時(shí)，將高壓房／發(fā)電房互鎖開(kāi)關(guān)切向發(fā)電房供電，啟動(dòng)輔助柴油發(fā)電機(jī)組和柴油機(jī)組可繼續(xù)鉆井作業(yè)。高壓電源長(zhǎng)時(shí)間故障或長(zhǎng)時(shí)間停

電時(shí)，可將2套電動(dòng)化機(jī)組拆下，換裝原來(lái)的2套柴油機(jī)組即可恢復(fù)鉆井作業(yè)。

高壓房是將高壓配電設(shè)備、變壓器、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等裝入移動(dòng)配電房?jī)?nèi)，電力變壓器輸入輸出為10 kV/0.6 kV/0.4 kV，帶自動(dòng)有載調(diào)壓裝置以適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，變壓器原副邊均設(shè)有高、低壓斷路器，起隔離、控制和保護(hù)作用，高壓側(cè)還設(shè)有避雷器、接地檢測(cè)、計(jì)量?jī)x表和微機(jī)控制等輔助器件，低壓房包括傳動(dòng)柜及配電柜。

圖1 全場(chǎng)供電方案

二、電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

電機(jī)拖動(dòng)方案通常包括軟啟動(dòng)、直流電傳動(dòng)、交流變頻電傳3種方案。軟啟動(dòng)+交流電機(jī)方案的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、操作容易、維護(hù)方便，其缺點(diǎn)是啟動(dòng)電流大。由于電機(jī)恒運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)功波動(dòng)較大，無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹份^多。由于抑制部分諧波的需要，對(duì)電抗器和電容器的配合要求較高。軟啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案若采用原裝液力偶合器則調(diào)速范圍小，為兼顧絞車(chē)高速和泥漿泵低速，需設(shè)定整傳箱工作速度，在此速度下，泥漿泵缸套磨損加快，更換次數(shù)多，同時(shí)不利于處理井下復(fù)工況。整流器+直流電機(jī)電傳動(dòng)方案采取直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)并車(chē)箱的形式，調(diào)速性能好，可滿(mǎn)足要求。但直流傳動(dòng)功率因數(shù)低，需加大無(wú)功補(bǔ)償容量，電機(jī)長(zhǎng)期處于低速狀態(tài)，電流大，發(fā)熱重。變頻電機(jī)直接或通過(guò)液力偶合器驅(qū)動(dòng)整傳箱的方案節(jié)能效率高，調(diào)速范圍寬，調(diào)速響應(yīng)時(shí)間可滿(mǎn)足鉆機(jī)調(diào)速要求，變頻電機(jī)組與柴油機(jī)組撬座尺寸完全相同，柴油機(jī)房無(wú)需做改動(dòng)，具備較好的互換性（圖2）。

變頻房?jī)?nèi)PLC柜可控制頻器實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)的并車(chē)、同步、調(diào)整、參數(shù)整定以及轉(zhuǎn)速給定等。司鉆控制箱和柴油機(jī)房共3個(gè)控制箱通過(guò)PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通信，司鉆控制箱可顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速、工作狀態(tài)以及緊急停車(chē)操作，機(jī)房?jī)?nèi)2臺(tái)控制箱可顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流值等，并進(jìn)行電機(jī)的啟停操作，同時(shí)具有檢修鎖定按鈕。鉆進(jìn)工況下，司鉆可給定轉(zhuǎn)速，通過(guò)控制電機(jī)速度，模擬柴油機(jī)油門(mén)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)泵沖數(shù)的調(diào)整，也可在泵沖數(shù)允許 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)速度的調(diào)整。起鉆工況下，轉(zhuǎn)盤(pán)停止工作，泵和絞車(chē)工作，絞車(chē)在高或低擋時(shí)，司鉆可通過(guò)電機(jī)給定手柄，模擬柴油機(jī)油門(mén)控制功能進(jìn)行調(diào)速。循環(huán)工況下，轉(zhuǎn)盤(pán)和絞車(chē)均停止工作，司鉆可將變頻電機(jī)速度給定手柄歸零，模擬柴油機(jī)怠速狀態(tài)，在較低泵沖下進(jìn)行漿液的循環(huán)。

圖2 變頻驅(qū)動(dòng)總體方案

三、高低壓配電安全性及無(wú)功補(bǔ)償原理

1.高低壓配電安全性

鉆機(jī)油改電高低壓配電及無(wú)功功率補(bǔ)償原理如圖3所示。安裝時(shí)，將原發(fā)電房至MCC房的供電電纜拆下，將發(fā)電房400 V供電輸出端子與高壓房400 V輸人端子連接，將高壓房400 V輸出端子與VFD／MCC房400 V輸入端子和變頻房400 V輸入端子連接，將高壓房600 V輸入端子與變頻房600 V輸入端子連接 。

正常工作時(shí)，輔助發(fā)電房和柴油機(jī)組停止工作，高壓房600 V輸出到變頻房變頻柜，驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)組，高壓房400 V電源輸出到變頻房和VFD／MC房。井場(chǎng)電磁剎車(chē)、探照燈及井控房等特殊電源在VFD／MCC房總開(kāi)關(guān)前端供電。當(dāng)變頻電機(jī)因系統(tǒng)故障臨時(shí)停機(jī)而400V電源仍能供電時(shí)，在整傳箱上斷開(kāi)電機(jī)離合器，啟動(dòng)柴油機(jī)組工作。處理好故障后立即切回變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。高壓電源因故障停止供電時(shí)，可將高壓房400 V互鎖開(kāi)關(guān)切向輔助發(fā)電機(jī)房，啟動(dòng)輔助發(fā)電機(jī)供電，同時(shí)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，即可繼續(xù)鉆井作業(yè)。當(dāng)變頻驅(qū)動(dòng)停止時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，可拆下變頻電機(jī)組，安裝拆下的2套柴油機(jī)組。

由圖3可知，400 V互鎖安裝開(kāi)關(guān)設(shè)置在高壓房，既符合供電局要求又消除了雙電源安全隱患。部分鉆機(jī)的用電負(fù)荷接在發(fā)電房輸出端，需要進(jìn)行改造，將負(fù)荷轉(zhuǎn)到 VFD／MCC 房供電。應(yīng)注意的是：油改電工作時(shí)，嚴(yán)禁 VFD／MCC房400 V輸入端子與發(fā)電房400 V輸出端子連接。

圖3 鉆機(jī)油改電高低壓配電無(wú)功功率補(bǔ)償原理

2.無(wú)功補(bǔ)償

鉆機(jī)裝機(jī)容量大，需要足夠的無(wú)功功率建立正常的電磁場(chǎng)，故功率因數(shù)低，需要從電網(wǎng)提供更多的無(wú)功功率，但功率因數(shù)不能低于供電局規(guī)定，所以需要無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)充無(wú)功功率。采取無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理有機(jī)結(jié)合，避免諧波放大和發(fā)電機(jī)振蕩，三相補(bǔ)償動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間控制在20 ms以?xún)?nèi)，零電流投切技術(shù)確保投切無(wú)涌流、無(wú)沖擊。高速信號(hào)處器進(jìn)行快速FFT（傅立葉變換）算法精確 檢測(cè)計(jì)算電壓、電流等9項(xiàng)參數(shù)，保證智能配電綜合監(jiān)控終端從數(shù)據(jù)采樣計(jì)算到發(fā) 出投切命令時(shí)間在10 ms以?xún)?nèi)。

四、油改電試驗(yàn)及鉆井工藝適應(yīng)性

1.試驗(yàn)情況

2014年3月-4月，在源151井采用變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)整傳箱方案進(jìn)行試驗(yàn)。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鉆進(jìn)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速約為380 r/min，起鉆時(shí)轉(zhuǎn)速約為920 r/min，每臺(tái)電機(jī)電流約為450 A。

2014年6月-8月，在芳-平36井采用變頻電機(jī)通過(guò)液力偶合器驅(qū)動(dòng)整傳箱方案進(jìn)行了試驗(yàn)。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鉆進(jìn)時(shí)每臺(tái)電機(jī)電流270 A，電機(jī)轉(zhuǎn)速1000 r/min，起下鉆工況每臺(tái)電機(jī)電流為 260～300 A，電機(jī)轉(zhuǎn)速 900 r/min，電機(jī)調(diào)速范圍為 400～1000 r/min。600 V電源功率因數(shù)保持在0.98，400 V電源功率因數(shù)保持在0.99。

由源151井井試驗(yàn)可知，變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)整傳箱時(shí)，整傳箱低轉(zhuǎn)速時(shí)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速較低、電流較大且輸出功率不足電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作電流為600～900 A，散熱要求較高。由芳-平36試驗(yàn)可知，變頻電機(jī)通過(guò)液力偶合器驅(qū)動(dòng)整傳箱時(shí)，由于液力偶合器的特性，在整傳箱低轉(zhuǎn)速時(shí)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，在整傳箱高轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升并不很高，同時(shí)工作的2臺(tái)電機(jī)的工作電流保持在300～400 A，電機(jī)散熱要求不高。2臺(tái)油改電設(shè)備的功率因數(shù)均控制在較為理想的范圍內(nèi)，符合供電局規(guī)定。

2.變頻電機(jī)加液力偶合器傳動(dòng)型式

柴油機(jī)組輸出功率通常為810 kW，輸出扭矩為6000 N·m，轉(zhuǎn)速范圍800～1300 r/min，通常工作在1200 r/min左右。柴油機(jī)組從低速向高速增加時(shí)，扭矩很快增加到最大值然后開(kāi)始下降，功率隨轉(zhuǎn)速不斷上升，直接超過(guò)最高轉(zhuǎn)速 后瞬間下降即熄火（圖4）。變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速前為恒轉(zhuǎn)矩，功率隨之上升，當(dāng)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始下降，而功率為最大值，即恒功率區(qū)。由此可見(jiàn)，變頻電機(jī)的負(fù)載特性與柴油機(jī)組不同，在額定轉(zhuǎn)速以下，變頻電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩值且恒定，功率與柴油機(jī)組一樣呈上升趨勢(shì)；當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其轉(zhuǎn)矩與柴油機(jī)組一樣開(kāi)始降，而功率卻一下輸出最大值且恒定（圖 5）。

圖4 柴油機(jī)負(fù)載特性曲線

由此可見(jiàn)，變頻電機(jī)的低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工作能力優(yōu)于柴油機(jī)組，且可在較低的額定轉(zhuǎn)速下達(dá)到最高功率的恒定輸出，并可在較低的額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)入最大功率輸出狀態(tài)，因此變頻電機(jī)的負(fù)載特性明顯優(yōu)于柴油機(jī)組。故可將變頻電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)為功率800 kW左右，最大轉(zhuǎn)矩為10 000 N·m，額定轉(zhuǎn)速為740 r/min，考慮到液力偶合器的油泵油壓與轉(zhuǎn)速有關(guān)，變頻電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速可設(shè)定為400～1300 r/min。4000～7000 m鉆機(jī)在井深2200 m時(shí)泥漿泵功率較大，泥漿泵及轉(zhuǎn)盤(pán)或頂驅(qū)總使用功率最大可達(dá)l500 kW，同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)800 kW電機(jī)即可滿(mǎn)足要求，井深2500 m左右時(shí)泥漿泵使用功率為600 kW，正常鉆井及下鉆時(shí)啟動(dòng)1臺(tái)800 kW電機(jī)即可，深井起鉆工況下絞車(chē)最大功率為1400 kW，啟動(dòng)2臺(tái)變頻電機(jī)即可滿(mǎn)足要求。

圖5 變頻電機(jī)負(fù)載特性曲線

五、結(jié)論

（1）試驗(yàn)和傳動(dòng)分析均表明，變頻電機(jī)通過(guò)液力偶合器驅(qū)動(dòng)整傳箱的方案明顯優(yōu)于 變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)整傳箱的方案。

（2）鉆機(jī)全場(chǎng)網(wǎng)電供電總體方案是較為理想的方案，互換性強(qiáng)，可滿(mǎn)足高壓電網(wǎng)正常供電、臨時(shí)停電和無(wú)電等各種工況。

（3）高壓房具備雙電源互鎖功能，提高了用電的安全性。