網電儲能修井機開發與應用

陳 瑛

（勝利石油管理局設備管理處，山東東營257001）①

網電儲能修井機開發與應用

陳 瑛

（勝利石油管理局設備管理處，山東東營257001）①

為解決目前油田網電修井機存在的問題，提出了一種車載式網電儲能修井機。采用車載式底盤和電容儲能技術，相比較于目前撬式網電修井機，在降低運輸費用的同時能夠節能減耗。現場試驗和分析表明：車載網電儲能修井機能夠提高作業工作效率，在電網停電時有足夠的電能完成封井作業，消除安全隱患。

修井機；儲能；車載；網電

網電修井機具有能耗低、零排放、噪聲小、維護成本低等優點，現已成為未來修井機發展的方向［1］。但其仍具有以下缺點：使用受井場變壓器容量限制，且運輸費用高，準備工作時間長、效率低；電網停電時，無法進行正常工作和封井作業，存在安全隱患；在剎車和下放作業時發出大量電能，造成浪費。

為了解決上述問題，本文提出了一種車載式網電儲能修井機，能夠降低運輸費用，克服井場變壓器的容量限制，有效地回收剎車和下放作業時發出的大量電能，提高作業工作效率，并在電網停電時有足夠的電能完成封井作業，消除安全隱患。

1 技術分析

車載網電儲能修井機采用模塊化設計，整機分為電力儲能模塊、變頻調速模塊、配套機械液壓模塊、絞車及盤式剎車模塊、底盤及井架5大模塊。車載網電儲能修井機模塊結構如圖1所示。

圖1 車載網電電力儲能修井機模塊結構

1.1 電力儲能及控制技術

電力儲能模塊中設有儲能電容，儲能電容的能量通過能量管理裝置驅動電動機；電機倒發電回饋的能量經過直流母線存儲于儲能電容中，未能全部吸收的能量由電氣控制柜內的能耗電阻吸收。

1.2 變頻調速及能耗制動技術

獨立絞車變頻傳動系統采用一對一控制交流電動機，拖動性能滿足絞車傳動要求，實現絞車傳動與剎車的連鎖控制功能。

綜合控制柜內設有1路電源進線電操斷路器，接入井場變壓器提供的380 V電源。同時安裝1臺160 kW變頻器帶制動單元，用于控制絞車電機。絞車變頻器具有過載保護功能。

絞車變頻傳動系統使用無速度傳感器直接轉矩控制（DTC）技術，將逆變器與電動機結合為一體，進行精確的速度和轉矩控制，并能使得轉速與轉矩的調節之間互不影響［2］。

交流電機轉矩可表示為

式中：Lσ為漏磁系數；Ψs為定子磁鏈；Ψr為轉子磁鏈；θ為磁通角。

由式（1）可知，如果要改變電動機的轉矩，可以通過改變磁通角θ來實現。

直接轉矩控制原理如圖2所示。由圖2可知：磁鏈給定與轉矩給定通過計算分別輸出磁鏈信號與轉矩信號，同時配合電機定子磁鏈軌跡位置來為逆變器提供開關信號，逆變器輸出相應的電壓矢量作用于電機，從而改變磁通角θ，以此達到控制電機轉矩的目的。

采用DTC技術，將電機轉矩直接作為被控量，并非致力于取得電機在電壓電流上的正弦波，此外其控制效果取決于轉矩的實際情況，能夠實現電機轉矩的自動調節。另外采用無速度傳感器技術，省去了測速編碼器，保證了傳動系統的可靠性。

圖2 直接轉矩控制原理

變頻柜的調節回路采用速度、轉矩雙閉環的全數字調速方案。所有的調節與保護參數均為維護人員易于理解和掌握的數字量設置，不存在模擬控制復雜、困難的調試與維護過程，更無模擬控制所固有的參數飄移、故障率高等影響系統安全與可靠性的不穩定因素。當絞車變頻傳動系統故障時，系統將安全自動斷電停機。

當電機在外力作用下減速、反轉時（包括被拖動），電機即以發電狀態運行，能量反饋回直流回路，由電容吸收，當直流電壓過高，制動單元的功率管導通，電流流過制動電阻消耗多于電能，電機的轉速降低，母線電壓也降低；母線電壓降至常值，制動單元的功率管關斷，制動電阻無電流流過；采樣母線電壓值，制動單元重復ON／OFF過程，平衡母線電壓，使系統正常運行。

能耗制動的優點是制動轉矩平滑，能隨時改變制動轉矩，可以使生產設備可靠停止，最適合用于經常啟動、頻繁逆轉并要求迅速停車的生產設備。

制動電阻與制動單元一對一地組成1個能耗制動回路，在游車下放過程中可實現絞車電機的速度平穩控制，可實現能耗制動和懸停。無溫度過高、冒煙等現象。

1.3 配套機械液壓模塊技術

傳動系統只有1套液壓控制的兩擋動力換擋變速箱，由液壓離合器控制換擋。傳動系統簡單可靠，且傳動效率高，可進一步提高節能效果。車載網電電力儲能修井機采用液壓系統對盤式剎車、動力換擋變速箱、井口動力鉗和液壓支腿等實現集中控制和驅動。

液壓系統主要用于修井機行駛中的轉向助力；安裝調試中的車架升降調平、井架的起降伸縮；修井作業中的井口液壓機具應用控制等。系統控制集中設在載車司鉆操作臺附近，重要執行部件的操作控制設定多重安全保護功能。

1.4 絞車及盤式剎車模塊

液控盤式剎車作為絞車主剎車，盤式剎車的制動力矩容量大，可通過改變液壓系統壓力來改變剎車力矩，具有較大的力矩調整范圍、易于實現過程監控和自動化、結構緊湊、安裝尺寸小等優點。選用補償余量更大、傳遞轉矩更大的BJS球籠式聯軸器，額定轉矩最大可達530 k N·m，主要適應于角度不超過5°，許用長度伸縮量±4 mm～±12 mm，中型、重型載荷工況的設備傳動。

網電修井機在設計初期，絞車主電機采用頂置式冷卻風機，體積大，噪聲大，容易進入顆粒雜質，目前全部采用軸流式冷卻風機，在降低噪聲的同時減小了體積。主電機加裝PT100溫度傳感器，當溫度上升到40℃時開啟冷卻風機，進一步降低運轉時的噪聲。為滿足作業現場對接卡、斷電后封井、收回設備的要求，絞車變速箱加裝了液壓馬達。

1.5 車載網電電力儲能修井機底盤和井架技術

底盤主要包括發動機、離合器、變速器、車架、駕駛室、車橋及懸架、轉向系統、制動系統、電氣系統、輪胎、傳動系統等。發動機配備油門、熄火控制機構，可靠方便。配備冷啟動裝置（進氣預熱，－25～0℃），帶水箱、風扇、進出水口連接管、消聲器（消音器出口為旋轉式，加防火帽）、空濾器、空壓機、熱交換器、轉向油泵、啟動電機、發電機（功率為2 k W、28 V、70 A）；排放歐Ⅲ標準。采用平頭單座全金屬結構駕駛室，視野開闊。

井架及游動系統為桅型、兩節式，采用液缸起升、液缸伸縮；前傾角可通過調節絲杠調節［3-4］；天車為整體盒式結構，滑輪采用鑄鋼件，并經動平衡測試；繩槽圓弧按API 8C要求與相應鋼絲繩設計；繩輪座上設有防止大繩跳槽的擋繩器；天車軸經熱處理和探傷檢查；天車平臺上設有護欄。

2 結構組成及工作原理

如圖3所示，車載網電儲能修井機包括底盤車體、傳動機構、電氣控制系統、液壓系統、絞車和井架單元，底盤車體包括底盤車、底盤車發動機、底盤車發動機變速箱、底盤車駕駛室和操作控制室；傳動機構、電氣控制系統、液壓系統安裝于底盤車上；傳動機構包括井架單元、萬向軸和變速箱；電氣控制系統包括電氣控制柜、儲能電容，制動電阻、能量管理裝置和電動機；液壓系統包括液壓控制箱、液壓系統輔助電動機、液壓泵、液壓馬達、油箱；絞車安裝于變速箱的一側，井架單元固定于底盤車上。

底盤車發動機與底盤車發動機變速箱連接，底盤車發動機變速箱輸出端與取力器連接，取力器另一端與萬向軸連接，萬向軸通過傳動機構與液壓泵連接，液壓泵同時與液壓系統輔助電機連接，變速箱輸入軸采用電動機拖動或液壓馬達拖動，變速箱輸出軸與絞車連接。

利用液壓系統輔助電機帶動液壓泵工作，或者利用盤車發動機提供源動力，通過底盤車發動機變速箱、取力器、萬向軸傳動，驅動液壓泵工作，液壓泵通過液壓管路與液壓控制箱和油箱相連，為液壓系統提供動力驅動液壓馬達工作。

電氣控制柜安裝有中央處理單元、電機調速裝置、制動電阻，中間繼電器及供配電支路。其中，中央處理單元可采用單片機、PLC等具有邏輯處理功能的器件，實現輸入信號分析處理、控制策略生成等功能。

電動機倒發電回饋的能量由能量管理裝置存儲于儲能電容中，未能全部吸收的能量由電氣控制柜內的制動電阻吸收；儲能電容的能量通過能量管理裝置驅動電動機。

圖3 車載網電儲能修井機機械結構

3 關鍵技術

車載網電電力儲能修井機解決油田現有電動修井機存在的問題和不足，其關鍵技術為：

1） 應用先進電力儲能技術，實現修井機直接使用井口變壓器供電，無需另配變電站，降低安全風險，提高作業效率。

2） 通過先進電力儲能技術應用，回收利用在剎車和下放時發出的電能，實現節能目的。

3） 采用電機風機低噪聲技術，工作噪聲更低，可以實現油田全區域修井作業。

4） 具有應急液壓動力，保證停電時的修井作業安全。

4 經濟效益分析

以勝利油田為例，共有油井24 000多口，每年小修作業量為28 000井次，共需配備修井設備800臺左右。

1） 以機械式修井機為例計算。

每井次消耗柴油概算0.2 t，每臺設備每年維修費約￥2.5萬元。

全年油料費用：0.2 t×0.75萬元／t×28 000＝4 200萬元。

全年維修費用：2.5萬元×800臺＝2 000萬元。

2） 以普通電動修井機為例計算。

每井次耗電平均400 k W·h，每臺設備每年維修費約￥1.25萬元。

全年電費：400×0.8元／（k W·h）×28 000＝896萬元。

全年維修費用：1.25萬元×800＝1 000萬元。

3） 以儲能電動修井機為例計算

每井次耗電平均300 k W·h，每臺設備每年維修費約￥1.25萬元。

全年電費：300×0.8元／（k W·h）×28 000＝672萬元。

全年維修費用：1.25萬元×800＝1 000萬元

5 結論

車載網電儲能修井機可以替代目前油田大量使用的柴油機驅動機械修井機和普通型電動修井機，具有高效、節能、無尾氣及噪聲污染、無級調速、使用壽命長、維護維修費用低的特點，同時節省了大量的搬家成本，大幅提高了工作效率，具有顯著的經濟效益。

該新型修井機的研制成功必將促進油田修井作業設備的技術升級和換代，更多體現以人為本的精神，為油田的節能減排和降低成本做出貢獻。因此，該設備具有廣闊的推廣前景。

［1］ 陳清波.油田修井設備的現狀與發展趨勢研究［J］.中國石油和化工標準與質量，2013（1）：184.

［2］ 周揚忠，胡育文.交流電動機直接轉矩控制［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［3］ 金嘉琦，朱思顥.車載式不壓井修井機井架應力及動力特性分析［J］.石油礦場機械，2012，41（4）：61-64.

［4］ 韓洪波，王維忠，張建軍，等.混合動力修井機研制與應用［J］.石油礦場機械，2013，42（11）：76-80.

Development and Application of Vehicular Electric Energy Storage Workover Rig

In order to overcome the shortcomings of electric workover rig in oilfield，a vehicular electric energy storage workover rig is proposed in this paper.By using vehicular chassis and capacitor storage technology，it could save energy，reduce consumption and save transport costs compared with traditional rigs.The workover rig is tested in oilfield by actual operation.The results show that the vehicular electric energy storage workover rig could improve the working efficiency，complete well sealing operation when the grid electric power is shut down and eliminate potential safety problems.

workover rig；energy storage；vehicular；grid electric power

TE935

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.019

1001-3482（2014）11-0074-04

2014-05-20

陳 瑛（1967-），女，山東昌邑人，高級工程師，主要從事石油設備的管理工作。