網電儲能修井機與柴油修井機經濟性對比分析

苑承波，吳開磊，陳 楠，張 超

（渤海裝備中成裝備制造公司，天津 300280）

0 引言

隨著油田生產區域城市化進程的不斷加快，社會和居民以及企業自身對設備“節能、環保、低碳、降噪”的要求越來越高，用網電修井作業設備取代柴油機驅動設備已是大勢所趨。但是，各修井公司因網電修井作業受設備投入、修井周期、能源動力價格和設備維護保養費用等因素的影響，不能夠合理判斷是否運用網電修井設備進行作業。為進一步明確網電儲能修井機運用的決策依據，通過經濟性評價方法和現場測試的方式，對網電儲能修井機和柴油修井機的能耗、維護保養、成本等進行經濟性對比分析。

1 網電儲能修井機電源補償系統工作原理

網電儲能修井機在常規電動修井機的基礎上引入超級電容技術，利用修井作業間歇性動力需求的特點和超級電容快充快放的特性，在修井一個循環的2/3時間內，為修井機的超級電容充電，1/3的時間內快速放電，與井場變壓器一起為修井機電機供電，達到修井機的功率要求，就能夠在現有的電網資源條件下，滿足電動修井機作業，再通過不斷循環，完成整個修井作業過程。

2 網電儲能修井機應用經濟性影響因素

修井設備利用網電的目的是節能減排、環保降噪。判斷修井設備是否采用網電，需綜合考慮網電修井設備投入、網電工程建設投入、修井周期、燃油動力價格和設備維護保養費用等因素。

2.1 網電修井設備投入

網電修井設備投入，使用方如果一次性購置設備，可按固定資產折舊方式使用設備，如果以租賃方式使用，在折舊的基礎上增加附加費用。

2.2 網電工程建設投入

網電儲能修井機，直接將電纜與井場抽油機配電柜連接，無需其他工程建設投入。

2.3 修井周期

網電儲能修井機，直接接入井場抽油機配電柜400 V交流電源，避免了接高壓電存在的安全隱患、采油廠不再需要協調高壓電工，作業大隊電工即可完成此項工作，能縮短至少1 d的作業準備時間。

2.4 能源動力價格

電能，各地區電價不一樣，有的是油田內部供電，有的是地方給井場供電。油田內部供電是按變壓器容量收取，地方給井場供電是按電表收取。

柴油，最近隨著國際原油價格的持續上漲，國內成品柴油價格不斷上漲，隨之而來的就是修井的成本越來越高。

2.5 設備維護保養費用

網電儲能修井機的電機和變頻器等主要部件壽命長、易損件少、不需要消耗油品，減少了生產消耗。沒有柴油機所需的三濾等配件，維護保養費用低。

3 油電消耗等效關系

修井機經動力系統，利用絞車、井架、游車大鉤和其他工具起下管柱，現以管柱起下所消耗的能量為依據，由管柱起下所消耗的能量，通過反推的方式，建立柴油修井機與網電儲能修井機之間的能耗折算關系。設提升同等重量的管柱需要能量為G。

3.1 柴油修井機耗能

柴油修井機是通過柴油機做功，將化學能轉換為機械能，然后再通過變速箱、角傳動箱、絞車、滑輪組等傳動鏈提升管柱。由設備的主要參數可知，傳動鏈傳動總效率約為=0.75。根據能量守恒可列出等式（1）。

式中G——提升管柱耗能，kW·h

Q——柴油消耗量，t

k——燃油消耗率修正系數，取值1.0～1.2

q——柴油機燃油消耗率，g/（kW·h）

因柴油機性能數據是按燃油消耗量標定，則柴油機燃油消耗率見式（2）。

式中B——每小時的燃油消耗量，kg/h

Pe——有效功率，kW

將柴油機燃油消耗率代入可得式（3）。

3.2 網電儲能修井機耗能

網電儲能修井機是通過網電+儲能驅動，將電能轉換為機械能，然后再通過變速箱、角傳動箱、絞車、滑輪組等傳動鏈提升管柱。使用網電時，變壓器運行效率為0.99，電機效率為0.9～0.95。根據能量守恒可列出式（4）。

式中W——電力消耗量，kW·h

3.3 柴油修井機與網電儲能修井機能耗等效關系

結合式（3）和（4），在柴油修井機與網電儲能修井機作業時，上提同一重量管柱的情況下，柴油機和電機輸出的能量是一樣的，得出油電消耗等效關系見式（5）和式（6）。

整理得到：

以60 t修井機為例，柴油機為東方康明斯ISL9.5-385E51A，在額定轉速下，有效功率為282 kW，標定燃油消耗量57 kg/h，代入式（6）得 Q=2.02 t。即實際用電 1萬 kW·h時，相當于消耗柴油2.02 t。

4 柴油修井機與網電儲能修井機經濟性測試對比分析

4.1 柴油修井機與網電儲能修井機能耗測試

（1）燃油消耗測試（摘自華北油田二廠岔河集岔80-59井現場實測）。岔80-59井，檢泵作業。此井共起下油管386根，起下抽油桿402根，管柱共計788根，累計油耗為320 L，平均每根管柱耗油量為0.41 L。按0#柴油價格6.5元人民幣/L，單根管柱消耗的燃油費用為2.66元人民幣/根。

（2）網電消耗測試（摘自華北油田二廠岔河集岔80-59井現場實測）。此井同樣為檢泵作業，共起下油管386根，起下抽油桿402根，管柱共計788根，累計耗電量為336 kW·h，平均每根耗電量為0.426 kW·h。目前華北油田執行峰谷電價，峰時0.8元人民幣/（kW·h），谷時0.4元人民幣/（kW·h）。按照峰谷期間作業時間相同進行計算，平均電價為0.6元人民幣/（kW·h），可以推算出，利用網電儲能修井機，單根管柱消耗的電量費用0.256元人民幣/根。

4.2 燃油消耗及網電消耗測試分析對比

（1）通過以上計算可以得出，利用網電儲能修井機較柴油修井機，提升同等負荷的情況下，單根管柱可節省費用2.4元人民幣。

（2）單純對比燃油消耗及電量消耗，以燃油消耗作為基數進行運算，單根管柱的能源節約率90%。

（3）由以上對比數據可以推導出，柴油修井機提升單根管柱消耗燃油的成本是網電儲能修井機提升單根管柱消耗電量成本的10.39倍。

（4）柴油修井機提升1根管柱消耗燃油費用為2.66元人民幣，將此費用應用于網電儲能修井機，至少可以提升10.39根管柱。

（5）按照修井作業習慣，年出勤率為300 d計算，平均每天提放320根管柱進行測算，每年共可提放96 000根管柱。利用網電儲能修井機，單純對比燃油及耗電費用，單臺年度可節省費用230 400元人民幣。

4.3 燃油修井機及網電儲能修井機維護保養分析對比

（1）柴油修井機柴油機年維護保養費用（表1）。根據各采油廠設備部門統計數據，60 t修井機的柴油機每年需日常維護、維修配件，每作業（500～800）h就要更換柴油機潤滑油及機油濾清器、空氣濾清器、柴油濾清器1次，表1是國內油田設備管理單位統計的60 t修井機用柴油機年維護費用。

表1 柴油修井機柴油機年維護保養費用

（2）網電儲能修井機電控系統維護、保養費用。變頻電機需維護、保養的項點比較少，電控系統免維護，參照網電鉆機、網電修井機的使用經驗，電控系統年維護保養材料費用臆3000元人民幣。

4.4 柴油修井機與網電儲能修井機年消耗費用對比

按照年出勤率為300 d，每天提放320根管柱進行測算，每年共可提放96 000根管柱。

（1）柴油修井機年消耗費用264 930元人民幣。

（2）網電儲能修井機年消耗費用27 576元人民幣。

（3）網電儲能修井機年能源消耗節約率89.6%。

（4）網電儲能修井機較柴油修井機傳動系統，傳遞效率高，故障率低，維修成本低。采用液壓盤剎作為滾筒剎車，剎車片更換周期長，材料成本低。

4.5 柴油修井機與網電儲能修井機的使用成本對比（表2）

表2 柴油修井機與網電儲能修井機的使用成本對比萬元人民幣

從表2可見，網電儲能修井機比柴油修井機年度使用費用可節省23.7萬元人民幣。參照柴油驅動修井機，設備的有效使用年限為15 a。

（1）與柴油修井機機投資成本持平年限計算。持平年限=3.88 a。

（2）單臺網電儲能修井機15 a可減少成本計算。動力超級電容模組廠家承諾使用壽命為逸10 a，按照8 a進行計算，15 a內更換一組動力超級電容模組，單套動力超級電容模組價格為25萬元人民幣。單臺網電儲能修井機15 a內可以為用戶減少成本238.5萬元人民幣。

目前的超級電容模組已在城市電動公交車、新能源汽車、地鐵、風力發電等各領域進行廣泛應用，各方面性能及穩定性已得到認證，同時介于網電儲能修井機現場應用的工況（快充快放），動力超級電容模組本體電量一直可以維持自身總容量的80%以上，更加延長了動力超級電容模組的使用壽命。

5 結論

經中石油技術檢測中心現場測定，網電儲能修井機加裝超級電容補償系統，與柴油修井機相比綜合節能率>74.7%。網電儲能修井機通過“以電代油”的方式，有效解決了傳統石油修井機能耗高、污染排放嚴重的問題，修井作業成本和維護保養費用降低，修井作業的利潤空間增加，企業經濟效益提高。