電動鉆機降低油耗方法研究

馮益強，劉 濤，朱奇先，魏永武，劉小寶

（1.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水 741020；2.中國石油技術開發公司，北京 100028）

1 引言

鉆機從機械傳動發展到電傳動，使其具備了先進性和優越性，但也同時帶來了許多缺點，最為突出的如油耗上升等。隨著國內部分鉆井市場計費方式的變化，鉆井公司如何降低鉆井成本的問題日漸迫切。在鉆井成本中，柴油消耗所占比重最大，為節省費用，一些鉆井隊寧愿使用勞動強度較大的機械鉆機而放棄性能優越的電動鉆機。為降低油耗，各鉆井公司采取各種方法，如“電代油技術”等。本文就機械鉆機和電動鉆機油耗做一理論上的比較，并就降低電動鉆機的油耗提出一些方法以及對其可行性進行了研究。

2 機械與電動鉆機油耗比較

無論機械還是電動鉆機，只要鉆井負載完全一致，也就是完成的工作相同，從理論上講消耗燃油應該相等。但從燃油做功到負載機械之間如果傳動效率有差別，則實際油耗將會有差異。在柴油機額定負載下，對于機械鉆機，從柴油機的并車裝置、傳動鏈條直到負載（絞車或泥漿泵）的效率對第一臺車為：η＝η1＝0.9，對第二臺車為：η＝η1η2＝0.9×0.98＝0.882，對第三臺車為：η＝η1η2η3＝0.9×0.98×0.98＝0.864；三臺平均為：η平均＝0.882。

對于電動鉆機，不存在位置差別引起的效率變化，任何一臺車對交、直流鉆機均為：η＝ η發電機·η調速裝置·η電動機＝0.96×0.98×0.96＝0.903。從計算數據看，按三臺車的平均效率比較，兩者相差在2.1%，基本接近。因此兩者油耗也應該基本相同，然而實際情況并非如此，電動鉆機的油耗要大于機械鉆機。而同等規格的電動鉆機成本比機械鉆機高出很多，因此在按鉆機規格付費的鉆井市場，導致一些使用者寧愿使用機械鉆機而放棄電動鉆機。

3 電動鉆機油耗增加的原因

電動鉆機分直流和交流兩種，主要區別在于傳動裝置和電動機。直流電機工作時，SCR直流調試裝置需要一定的無功功率。隨著速度、負載要求的變化，無功功率變化范圍很大，對應的功率因數可以從0.1到0.9。這些無功功率的提供是發電機（電球），雖然它在發電機和電動機之間來回流動不消耗，但卻占用發電機的容量。同時，由于低功率因數而產生的附加電流在電網阻抗上所增加的額外發熱損耗最終還是要通過燃油消耗來提供，這是電動鉆機油耗增加的第一部分。

對于早期的電動鉆機，配置發電機時，只考慮了有功的足夠，而沒有考慮無功的需求，例如1020kW的3512DITA的發電機容量為1250kVA或1500kVA，PF=0.8，發電機的有功功率為：P1＝1250kVA× cosφ＝1000kW，或者為：P1＝1500kVA×cosφ＝1200kW，如果只看有功，已經足夠和柴油機匹配，這樣配置從投資成本來說最劃算。但在實際使用中，由于直流電機需要無功，特別是在低泵沖高泵壓或者低轉速高扭矩的起鉆加速階段，無功功率非常大，此時功率因數只有0.2-0.5左右，如果按0.3的功率因數，絞車起鉆階段按額定扭矩加速，需要的電網無功功率在單電機（額定功率800kW，額定電流1150A，額定電壓750V）時為，雙電機就是2280kVar，即使按照1500HP的額定扭矩加速，雙電機需要電網的無功功率也要；而單臺發電機（1250kVA，PF=0.8）能夠提供的無功為或者（1500kVA，PF=0.8）為900kVar，即使按0.5的功率因數計算，1500HP絞車雙電機需要的無功也要1165kVar。因此在起下鉆時一臺車即使有功足夠但無功是不能滿足要求的，需要兩臺車并網。而兩臺車的油耗盡管每臺油耗比滿載時少但總量還是要大于單車，這是電動鉆機油耗增加的第二部分。

由于調速裝置中電力電子器件的非線性，鉆機工作時還會在電網中產生5、7、11、13次等諧波，諧波的大小隨負載和功率因數的變化而變化，例如換相重疊角γ＝2.24°，單臺泥漿泵按80%額定負載工作時諧波電流如表1所示。

表1 單臺泥漿泵按80%額定負載工作時諧波電流

兩臺泥漿泵和轉盤按400kW同時工作時的諧波電流如表2所示。

表2 諧波電流

諧波總電流有效值為：

這些諧波電流在電網內阻上產生附加發熱損耗以及泵電纜產生大約為2.3-2.6kW，這些損耗最終通過柴油機由燃油消耗提供，這是電動鉆機油耗增加的第三部分。

交流電機工作時，因勵磁需要一定的無功功率，電機功率因數一般在0.8以上。當變頻器拖動電機時，電機需要的勵磁無功不從電網獲取，而從變頻器中間回路的電容上獲取。對電網來講，兩臺泵和轉盤工作時，變頻器負載的功率因數在0.74左右。因此，配置發電機容量時，可以按照稍大于柴油機的有功功率即可，這可有效節約投資成本。例如，對3512B 1310kW的柴油機，可以配置1500kVA，PF=0.8的常規發電機便能完全滿足運行要求，比配成1750kVA，0.7PF的特殊發電機可顯著降低投資成本。對運行來講，和直流相比，減少了無功功率損耗，但諧波損耗和直流基本一樣。然而，變頻器運行時自身的損耗比直流裝置在同等功率下幾乎大一倍以上，同時電纜損耗也幾乎要大一倍。因此，無功節約的和自身增加的抵消后，還是要比直流的燃油損耗高一些。

4 降低電動鉆機油耗的方法

從使用的角度講，降低電動鉆機的油耗主要有以下幾種方法。

（1）盡量減少在網機組數量。對直流鉆機，考慮到運行中有功滿足而無功不滿足的情況，配置發電機時盡量按大一級配置容量。例如，3512DITA 1020kW的柴油機，發電機容量可以配成1750kVA，PF＝0.7。它能夠提供的無功為：Q4＝1750kVA×這個容量已經接近了雙電機有功在1000kW以下絞車起鉆加速需要的無功了。由以前的兩臺車減少為一臺后，在一定的工作范圍，可以有效降低柴油消耗。對于以前發電機容量比較小的鉆機，可以通過加裝無功補償裝置，電網無功不足的部分由無功補償裝置提供，這樣也可因少開機組而節省油耗。

（2）有效利用輔助發電機組。鉆機上一般均配有輔助發電機組，柴油機容量大約為400kW、發電機容量大約為500kVA PF＝0.8左右。在通常情況下，井場的400V負載通過一個容量為1250kVA的變壓器由主機提供，主輔機不同時運行。對于一些特殊的功率范圍工況下，可以采用主輔機并網運行，以減少油耗。例如，負載有功大于一臺的能力，但遠小于兩臺的能力。為了節約燃油，可以將部分400V負載單獨由輔機供給，也可以將輔機直接并在400V電網上共同運行，這樣只用一主一輔就能夠滿足負載需要，可以有效降低油耗。

（3）將鉆機調速的傳動與發電機組的控制作為一個整體來考慮。對于某些工況中一些沖擊負載或者短時大于在網機組能力的負載，為了減少在網機組數量，可以將傳動與電網統一考慮。以在網機組能力為前提，對沖擊負載或短時過負載進行綜合處理，以降低部分動態指標為代價，在鉆井效率略有降低下既能正常工作又不需要再并機組，可以達到有效節約燃油。

（4）利用儲能裝置彌補沖擊負載和短時過負載需要，以最低在網機組數量減少油耗。配置儲能裝置，正常工作時，在儲能裝置上儲存一定量的能量，根據負載需要，控制儲能裝置在需要的時候釋放到電網上，以補充沖擊負載和短時過負載需求，不需要多并機組上網，也可以達到節約燃油。

（5）利用下鉆能量節約燃油。配置儲能裝置，在沒有下鉆時作用與上相同，在有下鉆工況時，將下鉆能量儲存在儲能裝置上，通過適當控制，將這部分能量全部或部分送回電網或者用于大鉤的提升，減少柴油機負載以達到降低油耗。

5 實施方法的可行性分析

在目前的實際情況下，最容易實現、投資也比較小的方法主要有以下幾種。

（1）對早期發電機容量較小的直流電動鉆機，加裝無功補償裝置，同時優化控制系統，達到負載、電網統一控制。

（2）對新上直流電動鉆機，以單機能夠滿足雙電機起鉆為要求，適當加大發電機容量，同時要求控制系統能夠實現電網、負載一體控制。

（3）由于儲能裝置在港機等其他方面已有應用，節電效果顯著。對變頻鉆機，加裝儲能裝置，利用下鉆能量，同時優化控制系統，達到負載、電網統一控制。

6 結論

（1）以在網機組能力為前提，負載、電網統一控制，以聲、光提醒工作人員及時并網或者解列機組，盡量減少在網機組數量能夠節省燃油；

（2）改變常規主、輔機不并網習慣，控制系統根據功率需求，以聲、光提醒工作人員及時將輔助機組并入電網，以小帶大運行，能夠節省燃油；

（3）加裝儲能裝置，充分利用下鉆能量，是節省燃油的有效途徑之一，在當前儲能裝置成本不斷降低的形勢下值得研究。