石油鉆機井場電氣系統(tǒng)研究

劉坤， 于雪梅

（大慶鉆探工程公司機械修理廠，黑龍江 大慶 163413）

0 引言

石油和天然氣勘探與開發(fā)井場屬于一級Ⅱ類防爆區(qū)域范圍,井場電氣系統(tǒng)應按撬裝鉆機的類型和不同井深及井場的實際情況來配套。作為大慶鉆探工程公司下屬的鉆機及固控系統(tǒng)配套、修理廠家，每年為油田配套鉆機、固控系統(tǒng)20余套，為了在國內外市場競爭中，不斷打造自身優(yōu)勢，提升服務質量，我們對現(xiàn)有鉆機井場防爆電路系統(tǒng)進行完善和優(yōu)化，優(yōu)化后的產品性能完全符合國內外鉆井技術要求，技術水平達到國內一流水平。

1 防爆電氣設備安全的可靠性

鉆機井場防爆電氣設備安全的可靠性是對防爆設備類、級、組別要求的設計，使其滿足鉆機井場爆炸性和環(huán)境的要求。只有正確了解石油、天然氣的爆炸特性，認識油氣田作業(yè)現(xiàn)場的實際情況，掌握劃分油氣井場爆炸危險場所區(qū)域劃分的方法，選擇合適的防爆電氣設備，才能實現(xiàn)鉆井作業(yè)的安全生產。

1.1 油氣井直接產品燃爆特性

油氣井主要直接產品是原油和天然氣，其主要成分屬易燃易爆物質。大慶油田原油、天然氣成分特性如表1、表 2所示。

表1 大慶油田原油性質（主要成分：多種液態(tài)輕烴混合物）

表2 大慶油田天然氣成分質量分數%

1.2 井場爆炸危險性特點

1）爆炸性物質危險源多。主要來源油氣井直接產品及現(xiàn)場使用汽油、柴油。2）爆炸危險地點多。鉆井、測井、射孔、完井作業(yè)中，設備多、過程復雜。3）爆炸危害程度高。上述危險作業(yè)爆炸發(fā)生幾率高、損失重。4）爆炸形成的人為因素多。

1.3 井場爆炸危險場所劃分

按照國家要求，鉆井井場電氣設備所處的爆炸性混合物環(huán)境屬于II類，根據不同區(qū)塊爆炸性混合氣體的成分，及電氣設備使用環(huán)境特點，將井場電氣設備防爆設計進行分級分組別設定，即II類、B級、T4組。

2 供電系統(tǒng)防爆型式的經濟性與環(huán)境適應性

對于同等級別的產品，在設計時應充分考慮配件成本、可靠性、壽命、維護費用、耗能等因素。在同等工況使用條件下，結合系統(tǒng)運行要求，應設計結構簡單、重量輕的產品。按照 GB 3836-2000要求符合II類、B級、T4組爆炸性危險物質分類的防爆型式可選擇隔爆型、增安型、本質安全型、正壓型。增安型是在零部件上采取一些安全措施，提高其安全程度，防止其在正常運行時內部和外部部件可能出現(xiàn)危險溫度、電弧和電火花的防爆型式；本質安全型的電路本身就是安全的，其產生的火花、電弧不能夠點燃周圍爆炸性混合物，但它最大輸出功率為25 kW左右，因此適用于通訊、儀表等；正壓型是一種較為復雜的防爆技術，造價昂貴、維護不便。以上三種防爆型式都不適用于井場防爆電氣控制系統(tǒng)。

隔爆型“Exd”是把可能產生火花、電弧和危險溫度的零部件均放入封閉的外殼內，外殼使設備與周圍的環(huán)境隔開，因外殼存在間隙，使內部可能存在爆炸性氣體混合物，當發(fā)生爆炸時，外殼可以承受產生的爆炸壓力而不損壞，同時外殼結構間隙可冷卻火焰，使火焰不能穿越外殼間隙點燃外部爆炸性混合物，達到隔爆目的。在設計井場防爆控制箱體及接線箱時，選用“隔爆型”，即ExdIIBT4。

3 大功率電機啟動裝置的可靠性

功率在30 kW以上的電機啟動電流大，容易在啟動過程中產生電網電壓波動、危險溫度、電弧和電火花，采用軟啟動方式可以有效緩解上述危險情況發(fā)生。固控軟啟動裝置存在單體體積大、散熱條件差、維護不便等缺點，因此利用MCC/VFD房完善軟啟動裝置，采取集中遠程控制，兩地啟動。

4 半集中控制電路的總體方案

鉆井區(qū)域電控方案采取大功率設備獨立供電，如轉盤電機、絞車電機、組合液壓站，其它設備由鉆臺動力柜集中控制，有利于液壓站、司鉆房獨立可靠工作，確保鉆井生產安全。

固控區(qū)域電控方案采取固控系統(tǒng)電源、照明電源、離心機電源分區(qū)獨立供電。

30 kW（含30 kW）以下功率電機采用多組合隔爆型控制裝置就地控制，提供多種備用電源。照明電源采取雙電源接入分區(qū)控制，照明燈、應急燈、探照燈相結合等措施，為日常生產以及緊急情況提供可靠保障。

5 電路布置方案與設備匹配性

區(qū)域電路布置總體原則：集中進線，分散獨立電路布置。通過合理的線路分配，便于檢修維護，提高電路的安全性能。

鉆井區(qū)域、固控區(qū)域動力分區(qū)、照明分區(qū)、大功率設備獨立供電，減少節(jié)點、分散系統(tǒng)負荷、削弱電磁干擾、提高系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。最大程度減少因電纜供電以及維護檢修電路對鉆井生產的影響。

6 井場防爆電路接地和等電位系統(tǒng)

設計一個良好的接地系統(tǒng)，目的是為了確保人身安全、提高設備安全穩(wěn)定運行、解決環(huán)境電磁干擾、保障生產。根據鉆機使用要求，保證電氣設備的安全運行，鉆井區(qū)和固控區(qū)采用三相五線制，即要通過相線、N線和PE線供電。同三相四線制系統(tǒng)相比，電氣安裝工作量要大一些，但是其優(yōu)點是可以避免因斷N或N線阻抗過大造成單相設備大面積燒毀，在發(fā)生"搭殼"時，相線可通過PE返回電源形成故障回路，相應的保護器切斷電源，確保人身安全，同樣發(fā)生斷N或斷PE時，故障回路又可確保系統(tǒng)自動切斷電源。

根據井場用電設備額定電壓不同，將等電位連接分為400 V、600 V等電位連接。在故障發(fā)生時，等電位連接可消除沿PE線導入的對地電壓在金屬內形成的電位差而引起的電氣事故，提高防范雷電危害及弱電設備抗干擾等級，同時等電位連接可有效避免"搭殼"時形成的高電位。

7結論

本文對石油鉆機井場電氣系統(tǒng)進行研究，提出智能化的控制方案，具有操作方便、移運能力強等特點，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，高效節(jié)能、安全環(huán)保，完全符合今后石油鉆機井場電氣系統(tǒng)發(fā)展趨勢。

［1］ 沈忠厚,王瑞和．現(xiàn)代石油鉆井技術50年進展和發(fā)展趨勢［J］．石油鉆采工藝，2003（5）：1-6，93.

［2］ 亞當斯.鉆井工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1992.

［3］ 吳克擇，羅肇豐.90年代以來鉆井技術進展與發(fā)展趨勢［J］．西南石油學院學報，1997，19（2）：97-104.