鉆井船通用供電技術研究

傅祥廉

摘 要 石油資源作為工業發展中的一種十分關鍵的能源，在歷經幾十年的勘采，淺海區以及陸面上可供勘采的油氣不斷減少，能源開采企業自然而然地瞄準了深水海域，將石油開采工作延伸至深海區域。海洋平臺常規利用鉆井船作業，需要靠泊對應平臺，通過自身柴油機提供鉆井及生產動力。使用自身柴油機供電將消耗大量柴油對環境造成巨量碳排放。本文討論利用平臺電源為鉆井船供電可有效節約柴油消耗，減少環境污染。鉆井船通用供電技術可解決平臺為船體供電電壓等級、用電頻率等問題，實現平臺順利為各類型鉆井船供電需求。

關鍵詞 鉆井船供電 變頻電源 碳排放

中圖分類號：U223.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）02-0063-02

隨著石油勘探海域深度的逐漸加深，海上石油開采的環境也更加復雜，對海上石油開采設備的穩定性以及安全性的要求也越來越高。目前，鉆井船與半潛式鉆井平臺為主要的兩類適合深水鉆井勘探和開發深水油氣資源的浮式鉆井設備。同半潛式鉆井平臺比較而言，鉆井船具有更大的機動性，性能也更強，它不僅可以快速改變作業區域，增強使用效益，而且還能夠在嚴峻的海況發生之前及時撤離，大大減輕海上勘探作業安全風險。現階段新建鉆井船的工作水深超過3000m，鉆井深度能夠達10000m。鉆井船適合在全球不同水域連續鉆探勘探井，并且也可以用于鉆井生產井以及作為浮動生產系統的主體。鉆井船憑借其投資少、工作深度大、機動性好、自航能力強等優勢，已經逐漸發展成為海上石油資源勘采的不可或缺的設備。鉆井船的性能將會對海上石油勘探的發展帶來直接影響。在復雜多變的海洋環境中，鉆井船如何安全、高效地運行工作是需要我們考慮的問題。在鉆井船運行中，諸如鉆探設備和推進設備的一系列設備均需要電力。隨著海上油田開發建設規模越來越大，用電負荷不斷攀升，鉆井船的供電需求也逐漸引起了大家的關注。[1]鉆井船的供電問題不但與經濟發展有關，而且和鉆井船的安全性以及可靠性密切相關。在制定鉆井船通用供電技術方案時，應結合項目的時間狀況，充分思量供電需求的各個方面，并結合相關領域的最新研究成果來確定通用供電技術，為鉆井船的安全、高效運行提供強有力的保障。

1 鉆井船供電需求分析

渤海區域海上平臺普遍使用鉆修機及鉆機船完成鉆完井作業，隨著鉆井船服役年限增加，其自帶主機面臨主機老化，出力不足等問題，嚴重影響鉆完井作業效率。鉆井船通常配置為柴油主機，柴油燃燒將對環境造成污染;鉆完井周期相對較長在此期間柴油消耗、機組維保環境污染等問題亟待解決，如何實現在安全、環保的前提下使用鉆修機或鉆井船進行優質、高效的鉆完井作業是新時期對鉆完井提出的新的挑戰。[2]

渤海區域已形成規模性海上油田電網，電力資源相對充裕，可利用平臺電能為鉆井船供電，使鉆井船靠泊平臺作業期間減少甚至停止柴油機的使用。但是鉆井船配電設備通常采用600V電壓等級，設備運行頻率為60Hz，而平臺通常使用10kV/6kV中壓、400V低壓，設備運行頻率50Hz;無法直接使用平臺電源或僅利用降壓變壓器為鉆井船供電。因此一套以降壓、變頻設備為核心的供電設備將解決平臺為鉆井船供電瓶頸。

2 鉆井船通用技術方案

針對鉆井船供電需求，首先對鉆井船各工況下負荷進行統計、分析以確定所需設備容量。目前渤海油田開發、調整井總井深多為2000～3000m范圍，通過以往作業經驗表明：進行鉆井作業期間，在鉆井平臺處理2000～3000m處環空憋壓/鉆具阻卡工況下，平臺用電峰值約4600kW;作業支持階段用電峰值約510kW，而在正常工況下，相應用電負荷更低。

鉆井船通用供電技術方案中需要配置高壓開關柜1面可適應10kV/6kV中壓，移相變壓器一臺，同時為移相變壓器配置IGBT控制單元器件以調節進線側頻率。最后輸出至降壓變壓器由降壓變壓器通過低壓開關柜實現鉆井船供電，具體供電方案如圖1所示。

3 工程案例分析

目前鉆井船通用供電設備（移動式組合變電站）已在中海油鉆井船上投產使用，以該鉆井船靠泊渤海某油田井口平臺鉆井為工程案例進行分析。[3]

該鉆井船現配置有4臺柴油機組作為鉆完井作業及生活負荷主電源，依據以往使用經驗，峰值負荷為2500kW，高峰柴油消耗達到10m3/天。鉆井船采用600V電壓等級，用電設備頻率為60Hz，靠泊平臺中壓采用10.5kV電壓等級，低壓采用400V電壓等級，用電設備頻率為50Hz。通過井口平臺備用10.5kV開關作為移動式組合變電站進線電源，通過移相變壓器調整電源頻率，再經過降壓變壓器將電壓降至600V實現給鉆井船供電。

其中該項目移動式組合變電站中降壓變壓器與移相變壓器容量均為3000kVA，按0.85功率因數計算，可滿足鉆井船峰值負荷。對井口平臺進行適應性改造，完成對應備用開關的繼電保護整定后即可開始作業。移動式組合變電站安裝便捷，設備從吊裝至安裝調試完畢具備使用條件工期僅8天，具有較強的機動性。[4-5]

若以柴油機作為鉆井船主動力，鉆井作業期間，日均消耗柴油8m3/天;完井作業期間，日均消耗柴油4m3/天;完成一口井作業平均消耗柴油量73m3。按市場價格0#柴油6080元/m3計算，若使用移動式組合變電站供電，完成一口井作業可節約柴油消耗費用44.4萬元。按一條鉆井船年鉆井、完井15口，即可節約近666萬元柴油消耗費用。[6]

利用移動式組合變電站為鉆井船供電可避免自帶柴油機老化問題，在鉆井期間，柴油機高負荷長時間運行，對柴油機軸承等器件磨損嚴重。且長時間運行縮短了柴油機定期保養周期，增加運營成本;同時年檢、大修等比不可少的維保工作將降低鉆井船鉆井效率，因此利用移動式組合變電站直接降低了柴油機組的維保費用。[7]

單位質量柴油完全燃燒排放CO2質量為3.0959kg，即1kg柴油完全燃燒將對應排放3.0959kg的CO2。按照200英尺鉆井船鉆井工況下柴油日均消耗量計算，若采用柴油機作為主動力電源，每日將排放約20噸的CO2氣體;采用移動式組合變電站為鉆井船供電后，將減少排放4.5噸至5噸碳元素，在完成鉆完井作業同時，從根本上控制能源消耗，減少因作業施工帶來的環境污染。[8]

4 結論

“綠水青山就是金山銀山”，低碳生活已被全社會所重視。對于石化能源企業來說，環境保護更是一種不可推卸的責任。有效降低工程作業中溫室氣體的排放，從源頭上減少碳排放具有積極的意義。

采用鉆井船通用供電設備（移動式組合變電站）可在鉆完井作業期間最大限度節約柴油消耗，降低工程投資費用。同時因鉆井船通用供電設備具有良好的通用型，可實現設備持續利用，資源共享。在鉆完船與海上油田平臺聯合作業中充分詮釋了“1+1>2” 優勢實現資源整合優化配置，具有良好的推廣前景。

參考文獻：

[1] 林華峰.船舶電站[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006.

[2] 周守為.海洋石油工程工程設計指南[M].北京：石油工業出版社印刷廠，2007.

[3] 楊淑英.電力系統概論[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4] 崔立君.特種變壓器理論與設計[M].北京：科學技術文獻出版社，1995.

[5] 孫寶江，曹式敬，李昊，等.深水鉆井技術裝備現狀及發展趨勢[J].石油鉆探技術，2011，39（02）：8-15.

[6] 崔博聞.海洋鉆采平臺電站的建模及諧波分析研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[7] 張輝.深水半潛式鉆井平臺電力系統的設計研究[J].電工技術，2010（04）：43-44，62.

[8] 張睿，曹丹.鉆井船電力系統方案研究[J].船舶工程， 2013，35（Z2）：189-190.

（中海油能源發展裝備技術有限公司設計研發中心，天津 300452）