綠色低碳型石油鉆機(jī)應(yīng)用探究

楊磊

摘 要：運(yùn)用綠色低碳石油鉆機(jī)代替普通石油鉆機(jī)是當(dāng)前許多油田公司節(jié)約能源減少排放的重要措施。本文首先介紹了3種機(jī)械驅(qū)動(dòng)的石油鉆機(jī)如蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)、柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)，又詳細(xì)介紹了電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)、液壓蓄能石油鉆機(jī)以及天然氣機(jī)驅(qū)石油鉆機(jī)這3種綠色低碳型石油鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并對當(dāng)前我國石油鉆機(jī)的技術(shù)狀況以及未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了概括，旨在為相關(guān)研究提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：綠色低碳;石油鉆機(jī);發(fā)展趨勢;

0引言

石油鉆機(jī)是一種用于油氣勘探和開發(fā)的多功能組合裝置[1]。它由八大系統(tǒng)組成，主要包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、底座以及輔助設(shè)備系統(tǒng)。依據(jù)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同，能夠?qū)⑹豌@機(jī)劃分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)以及天然氣驅(qū)動(dòng)等幾類。但是，在目前我國大力開展無污染生產(chǎn)、綠色低碳環(huán)保的背景下，怎樣借助技術(shù)創(chuàng)新來達(dá)到節(jié)約能源、降低能源消耗的目標(biāo)是許多油田公司面臨的一個(gè)緊迫問題。在此基礎(chǔ)上，本文主要介紹了機(jī)械驅(qū)動(dòng)的石油鉆機(jī)以及綠色低碳型石油鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并探討了我國未來石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢。

1機(jī)械驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)

石油鉆機(jī)中最常規(guī)的驅(qū)動(dòng)形式便是機(jī)械驅(qū)動(dòng)[2]。機(jī)械驅(qū)動(dòng)型石油鉆機(jī)主要有蒸汽輪機(jī)型驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)型驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)以及柴油機(jī)型驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)這三種類型。

1.1 蒸汽機(jī)型驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)

蒸汽機(jī)一種往復(fù)式動(dòng)力機(jī)器，它能夠?qū)⒄羝芰哭D(zhuǎn)化為機(jī)械功[3]。第一次工業(yè)革命就是以瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)為重要標(biāo)志。截至到1900年初，蒸汽機(jī)仍是世界上最重要的原動(dòng)機(jī)。在早期石油鉆機(jī)中運(yùn)用的是蒸汽機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，優(yōu)勢是工作靈活性好，其調(diào)節(jié)與使用性能相對較好，劣在于蒸汽機(jī)的效率較低、使用耗費(fèi)大、主要裝置結(jié)構(gòu)與重量較大。因而蒸汽輪機(jī)型驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)早已經(jīng)不適用時(shí)代的發(fā)展。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)型驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)將連續(xù)流動(dòng)的氣體作為工作介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)葉輪以較高速度旋轉(zhuǎn)，把燃料能量轉(zhuǎn)化為有用功的內(nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械。經(jīng)過相關(guān)實(shí)驗(yàn)和研究證明，雖然研發(fā)的燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)能夠用來鉆井，但是油耗比較大而且經(jīng)濟(jì)費(fèi)用較高，因而沒有被大范圍地推廣和使用。

1.3 柴油機(jī)型驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)

德國工程師狄塞爾于1897年研制出了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)于1934年開始被用在石油鉆機(jī)中。第一種類型的石油鉆機(jī)主要是運(yùn)用柴油機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，主要的優(yōu)點(diǎn)在于不局限于地域，結(jié)構(gòu)比較緊湊、體積也比蒸汽機(jī)型小、重量相對較輕，方便搬遷和運(yùn)輸，適用于現(xiàn)場流動(dòng)作業(yè)。但是這種類型的石油鉆機(jī)也有一定的缺點(diǎn)，噪聲比較大、對工作人員的身體健康產(chǎn)生影響，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)效率相對較低、柴油的成本比較高，這明顯和節(jié)能減耗、綠色低碳的發(fā)展背景是相背離的。第二種類型的石油鉆機(jī)是將柴油機(jī)輸出軸與連液力耦合器（或變矩器）直接相連接，通過鏈條并車，然后通過鏈條、齒輪、萬向軸以及膠帶等各種類型的機(jī)械部件相組合，實(shí)現(xiàn)降低速度、轉(zhuǎn)換方向以及倒車功能。它的主要優(yōu)點(diǎn)在于跟隨外部負(fù)荷變化可以自動(dòng)變速、變矩;絞車驅(qū)動(dòng)時(shí)，能夠明顯提高鉆機(jī)的啟動(dòng)和上升工作效率;傳動(dòng)比較平穩(wěn)，能夠?qū)_擊振動(dòng)吸收，使鉆機(jī)的使用壽命變長。缺點(diǎn)在于效率比較低，而且效率會(huì)跟隨著渦輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度在比較大的范圍內(nèi)變動(dòng)，純鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)泵的效率比機(jī)械傳動(dòng)的效率要明顯低得多。設(shè)備結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需增加一個(gè)補(bǔ)償與散熱冷卻系統(tǒng)[5]。

2 綠色低碳石油鉆機(jī)

2.1 電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)

一是交流-交流驅(qū)動(dòng)油鉆機(jī)：石油鉆機(jī)最早運(yùn)用的電驅(qū)動(dòng)類型便是交流-交流驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)。該種驅(qū)動(dòng)類型與柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)相比較，較短時(shí)間承載能力較強(qiáng)，傳動(dòng)效率也比較高，能夠?qū)崿F(xiàn)倒轉(zhuǎn)，維修養(yǎng)護(hù)比較簡單。缺點(diǎn)在于鉆機(jī)工作轉(zhuǎn)動(dòng)速度不能調(diào)節(jié)并且負(fù)載特性為硬特性，不可以較好地滿足鉆井需要。

二是直流-直流驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)：直流-直流驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)主要是由許多個(gè)柴油發(fā)電機(jī)裝置發(fā)送直流電，供直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤與鉆井泵。此外還有一個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組，向照明和鉆機(jī)輔助設(shè)備供電。直流-直流驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的優(yōu)勢在于直流電機(jī)工作特性相對較軟，它的負(fù)荷適應(yīng)性比較強(qiáng)，啟動(dòng)和制動(dòng)比較平穩(wěn)，可以盡最大可能實(shí)現(xiàn)鉆井工藝的需求。轉(zhuǎn)盤工作的轉(zhuǎn)動(dòng)速度能夠?qū)崿F(xiàn)沒有級別的調(diào)節(jié)，比較適于精度較高的處理打撈作業(yè)。缺點(diǎn)是直流-直流驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)是使用的單驅(qū)動(dòng)方式，可靠性比較差。

三是交流-可控硅-直流驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)：交流-可控硅-直流驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)主要是許多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)裝置發(fā)送交流電并于同一網(wǎng)絡(luò)且輸送到一根總線電纜上，經(jīng)過晶閘管整流裝置整流之后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤以及鉆井泵。交流-可控硅-直流驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于它包含了交流-交流驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，但是無需配備專門為照明以及輔助設(shè)備供電的小型柴油發(fā)電機(jī)裝置;動(dòng)力利用和分配比較合理，而且較為靈活、功率利用率高、鉆機(jī)產(chǎn)生的噪聲也比較小、油污染少，和以上幾種類型驅(qū)動(dòng)的石油鉆機(jī)相比，更滿足綠色低碳的要求。

2.2 液壓蓄能石油鉆機(jī)

顧心怡教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)以液壓儲(chǔ)能修井機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研制了液壓蓄能石油鉆機(jī)[7]。液壓蓄能石油鉆機(jī)可以有效地利用液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，科學(xué)合理地蓄積能量和利用能量，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和降低整個(gè)石油鉆機(jī)的配置功率的目標(biāo)。液壓蓄能石油鉆機(jī)無井架、絞車、天車、聯(lián)動(dòng)機(jī)組以及摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)體成本極大地降低。當(dāng)前，液壓蓄能石油鉆機(jī)在很多方面都已取得較好的成績[8]，例如設(shè)計(jì)原則、思路、原理、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案以及關(guān)鍵技術(shù)等。伴隨著研究的慢慢深入，液壓蓄能石油鉆機(jī)將會(huì)展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。

3.3 天然氣機(jī)石油鉆機(jī)

天然氣渦輪驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)是一種新型石油鉆機(jī)，它將天然氣機(jī)引入機(jī)械鉆機(jī)當(dāng)做動(dòng)力設(shè)備[9]。通過實(shí)踐證明：運(yùn)用天然氣型驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)，能夠極大地降低燃料成本，高達(dá)百分之二十七，減小鉆井成本，降低尾氣等污染物的排放，CO排放能夠降低百分之十七，CH化合物能夠降低百分之六，NH化合物能夠降低百分之二十一，天然氣渦輪驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)生成的煙度與柴油機(jī)生成的煙度相比，也是極大地降低。毫無疑問，這也滿足綠色低碳石油鉆機(jī)的發(fā)展要求。

4 結(jié)語

綜上所述，經(jīng)過近些年的快速發(fā)展，我國鉆機(jī)制造業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平已經(jīng)取了巨大的進(jìn)步。但是與發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距。具體表現(xiàn)：石油鉆機(jī)總的設(shè)計(jì)方案研究深度不夠、變化較少，缺乏一定的先進(jìn)性、合理性以及經(jīng)濟(jì)性;在石油鉆機(jī)的具體設(shè)計(jì)方面還沒有自己成熟、完整以及獨(dú)具創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)理論以及設(shè)計(jì)技術(shù)。就各種系列而言，盡管各種驅(qū)動(dòng)模式和各種鉆孔深度能力鉆機(jī)已經(jīng)形成了系統(tǒng)，但是都是傳統(tǒng)鉆機(jī)。為了提高國內(nèi)鉆機(jī)的生產(chǎn)水平，需要鉆機(jī)制造廠商、專業(yè)技術(shù)公司等通力協(xié)作，共同攻堅(jiān)克難，加大研究力度，縮短與國外產(chǎn)品的差距，盡快實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。為中國石油鉆采做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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