河南油田網電鉆機改造方案與應用分析

張志毅，李繼斌，萬廣偉，朱曉梅

(1.中國石化河南石油工程有限公司鉆井工程公司，河南南陽 473132；2.中國石化河南石油勘探局機動處)

1 網電鉆機改造的背景

隨著電力技術的快速發展和鉆機電控技術的不斷提高，直接利用電網電能作為動力驅動鉆機已成為鉆機發展的趨勢。河南油田優選部分鉆機作為網電鉆機先導應用，取得了節能減排、降本增效的良好效果。

河南油田電網有35 kV、10 kV和6 kV三種等級。35 kV配電線路15條，分布在安棚、王集、井樓和古城油田；10 kV配電線路15條，分布在雙河、江河和張店油田；6 kV配電線路39條，分布在下二門油田。

河南油田現用鉆機48部，主要有電動鉆機、機電復合鉆機和機械鉆機3種類型，均由大功率柴油機或柴油發電機組作為鉆機動力；單臺電動鉆機一般配有4臺1 300 kW和1臺400 kW柴油發電機組，單臺機械(機電復合)鉆機一般配有3臺810 kW柴油機和2臺400 kW柴油發電機組。單臺柴油機或柴油發電機組理論油耗為201～209 g/(kW·h)，按柴油單價為7500元/噸計算，折合電價1.51～1.57元/(kW·h)。鉆機網電改造是用電網的電力去替代電動鉆機的柴油發電機組和機械(機電復合)鉆機的大功率柴油機組作為鉆機動力。電網電力的現市場價一般為0.500～0.874元/(kW·h)。由此可以看出，利用電網電力作為鉆機動力，經濟效益會明顯提高。

2 網電鉆機技術改造方案

2.1 電動鉆機技術改造方案

電動鉆機改造的技術原理：電網高壓電進入鉆機裝置的高壓房，經變壓器變為600 V/50 Hz交流電，替代鉆機原配套柴油發電機組為鉆機提供主動力，驅動絞車、泥漿泵、轉盤等設備；由低壓控制系統進行功率補償和諧波抑制，同時提供400 V/50 Hz交流電，進入電機控制中心單元，為井場輔助設備及生活設施供電。

2.2 機械(機電復合)鉆機技術改造方案

機械(機電復合)鉆機改造的技術原理：電網高壓電進入鉆機裝置的高壓房，經高、低壓控制驅動2臺電動機，替代鉆機原配備的2臺柴油機為鉆機提供動力。電動機可選用交流電動機、交流變頻電動機和直流電動機。

交流電動機方案為選用2臺1 000 kW交流異步電機+調速偶合器,代替2臺柴油機正車偶合器機組，電機通過調速偶合器調速后驅動整體并車箱。

交流變頻電動機方案為選用2臺1 100 kW交流變頻電機替代2臺柴油機，依據選型電機的參數決定采用直驅式或加減速箱驅動。

直流電動機方案為選用2臺1 100 kW直流調速電機替代2臺柴油機，依據選型電機的參數決定采用直驅式或加減速箱驅動。

2.3 改造前后的性能對比

電動鉆機網電改造是用網電裝置代替2臺柴油發電機組供電，機械(機電復合)鉆機網電改造是用網電裝置的2臺電動機代替2臺柴油機組作為鉆機動力，兩種方案中鉆機其余結構和主要設備沒有變化(圖1～4)；在電網突然失電的情況下，仍可啟用原保留的2臺柴油發電機組供電或原1～2臺柴油機為鉆機提供動力。

圖1 電動鉆機改造前動力系統簡圖

圖2 電動鉆機改造后動力系統簡圖

圖3 機械(機電復合)鉆機改造前傳動系統簡圖

圖4 機械(機電復合)鉆機改造后傳動系統簡圖

3 應用效果

(1)河南油田第一臺電動鉆機網電改造為ZJ70D鉆機，改造后承擔了安深3-1HF非常規井施工作業任務。該井設計井深4 345 m，2012年8月14日開鉆，2013年2月12日完鉆，無故障累計運行3 770.64 h。河南油田第一臺機械鉆機網電改造為ZJ50L鉆機，改造后已承擔了云1-HF等3口井施工作業任務，無故障連續累計運行3 096.2 h。

(2)改造后的鉆機，可大幅度降低鉆井燃油成本，節約柴油機和柴油發電機組的大、中、小修費用，柴油機和柴油發電機組修理配件消耗費、燃油運輸費大大降低，具有投資少、見效快、操作簡便等特點，降低現場工作環境噪音和鉆井機房人員的勞動強度。選用變頻電機的網電改造方案，還可以實現大幅度調整泥漿泵排量、轉盤轉速和起下鉆的速度，使鉆機性能、可靠性、鉆井速度得到大幅度提高，縮短鉆井周期。同時由于電網的電力質量優于鉆機原配套柴油發電機組提供的電力質量，因此使用電網電力也改善了鉆機的工作性能。

4 今后改進的建議

(1)電動鉆機網電改造。河南油田電動鉆機網電先導改造方案中無功補償裝置采用的是電容補償方案，電容的分配存在過補或欠補的現象；應采用動態無功補償(SVG)方案。該方案優點是啟動沖擊小、動態響應速度快、效率高[2]，具有任意組合的連續補償范圍、優異的諧波輸出特性以及超強補償能力。

(2)機械(機電復合)鉆機網電改造。河南油田機械鉆機網電先導改造采用交流異步電動機+調速偶合器方案，存在泵沖、轉盤轉速均不可調，調速偶合器效率低，輸出轉速波動大，噪音大，現場環境改善不顯著的問題；應采用交流變頻電動機方案，該方案優點是泵沖可調，主電機可變速范圍大，同一套網電裝置能滿足鏈條傳動鉆機和皮帶傳動鉆機對輸入轉速要求；主電機特性與鉆機特性匹配性好；噪音小、現場環境改善顯著。

(3)ZJ30車載鉆機網電改造。把單機泵組改造為電動泵組，用1臺800 kW電動機并入車載鉆機主機傳動箱輸入軸端驅動絞車、轉盤，保留原車載鉆機主機上的CAT柴油機組作為行駛和失電應急動力。