钻机网电改造的效果分析与发展对策

黄仲华（中石化石油机械有限公司市场发展处，湖北 武汉 430223）

当前石油勘探开发所使用的绝大多数钻机，采用的基本是柴油机驱动或通过柴油机驱动发电机组然后再通过机械传动或电传动来驱动相关动力机组的动力驱动方式。由于近几年石油价格长期处于高位，致使钻机动力成本大量上升，直接影响钻井服务商的经济效益。同时，随着油田开发的深入，油田公用和专用电网的覆盖面越来越广，而网络电价比钻井队的自发电价格具有明显优势，从而引出了钻机进行应用公网电力为钻机提供动力完成钻井的网电改造问题。

1 钻机网电改造方案介绍

当前普遍应用的钻机网电改造方案主要有4种。

1.1 机械钻机及复合（半电动）钻机改造成低压网电钻机

改造分为机械改造和电气改造两部分。整套改造费用在650万左右。

1）机械部分改造 只对钻机的后台动力机组及相关电气部分进行改造。改造方案是：重新制造2套变频电机动力机组（1100kW、660r／min），替代原配备的柴油机动力机组（柴油机＋液力偶合减速箱），为钻机后台提供动力（该网电改造装置配2台变频电机，可同时适用于ZJ70LDB钻机）。原钻机配备的双机联动动力机组中的1套柴油机动力机组保留，作为在工业电网停电时的应急作业备用，柴油机与变频电机可以并车运行。变频电机动力机组与柴油机动力机组能够进行互换，在工业电网供电不能满足的条件下，可以恢复到改造前柴油机动力机组驱动钻机的状态。在工业电网不能正常供电的情况下，保留的1台或2台柴油机动力机组为绞车、泥浆泵提供动力进行应急作业，辅助发电机组给转盘VFD／MCC系统供电（400V电源）。

2）电气部分改造 ①增加1套高低压变配电系统（安装于高压房），就近引入公共电网（10kV）。通过带自动有载调压装置的1600kVA电力变压器，将油区10kV高压电转换为600V交流电，为钻机电气控制系统提供三相600V、50Hz交流电源。变压器原边（10kV）设高压进线真空断路器、避雷器、接地检测、计量仪表和微机控制单元等电气设备；变压器副边（600V）分两路，一路去本系统低压房，另一路接1250kVA变压器的原边，1250kVA变压器副边去系统低压房。每一回路均设有断路器，起隔离、控制和保护作用。②增加1套VFD电气控制系统。由2台变频器驱动控制变频电机（1100kW／600V），变频器容量为1200kW／600V。另增加1台600V／400V、1250kVA电力变压器，为原钻机转盘VFD／MCC系统、固控系统和井场照明设备提供三相400V、50Hz交流电源。该系统中，600V系统和400V系统均接有变频装置，变频装置运行时产生的谐波，由600A有源滤波装置和450kVar基波补偿装置来滤除，保证电网系统平均功率因数在0.9以上。③增加1台不锈钢操作箱。增加1台司钻工操作的正压防爆控制箱，可操作和显示2台1100kW变频电机驱动系统电压、电流、功率等相关参数。

1.2 电动钻机（直流电驱或交流变频电驱）直接改造成网电钻机

将柴油发电机组供电改为公用电网供电，即增加1套移动式变配电房，将油田公网用电通过变压器变为600V的电压，直接接入到SCR（可控硅整流器）房，为解决谐振波干扰和提高功率因数，配套增加谐波抑制装置和无功补偿装置。70型钻机电动钻机改造费用约300万元。

1.3 机械钻机改造成高压网电钻机

采用2台（700～1000kW）高压电动机代替190系列柴油机作为主动力驱动工作机运转。预留1台190系列柴油机作为停电时应急使用。采用限矩型液力偶合器（现逐步应用可变速液力偶合器）传动，对电动机和传动系统进行过载保护；并通过其调配功能使每台电机负荷分配均匀，并起到缓冲、吸振及柔性传动的作用。电动机采用与油田6kV电网相匹配的启动电压，通过高压启动柜控制启动。系统为电机供电配6kV高压配电室、高压启动柜及控制系统；另配6／0.4kV的动力变压器为井场低压电器设备供电。1套机械钻机改造费用约450万元。

1.4 井场用电改为网电的改造方案

增加1套移动式变配电房，将油田公网用电通过变压器变为220V的电压，直接接入井场用电系统，代替井场小型发电机组，满足常规用电需求。其优势是改造量小，投入少，简便易行，适用于较浅井（3000m）的钻井施工。

2 钻机网电改造的效果与效益

笔者所在单位曾先后对电动钻机和机械钻机进行了改造，均取得了比较好的效果，目前在部分地区仍在大量应用中。

2.1 钻机改造后的效果与优劣势

2.1.1 电动钻机改造

1）优点 采用高压电网变压取代柴油发电机组为电控系统提供电力，有效避免柴油发电机组的噪声及油水污染。高压电网取代大功率柴油发电机组，成本节约效果十分明显。现场对于电网改造设备这一部分基本上无需维护，相关维护维修保养费用很低。可以减少3名发电工的人员岗位，有效节约人力资源。目前对电容的补偿及投切的相关技术基本成熟。

2）缺点 对于这种网电改造，由于电动钻机所需电量很大，一般需对变电站进行扩容，增加高压架空线路、井场变压器、电缆等设施，每次新井供电的一次性投入较高。此外，供电系统存在的问题主要是因直流电动钻机负荷的功率因数很低（0.4～0.7），远低于国家电网对功率因数的要求，谐波含量较高，对电网的污染较大。而使用功率因素补偿的一次投入费用很高，目前相关技术也未十分成熟。电动钻机本身是一个快速变化的大负荷，经常性地出现电压波动幅较大的情况，对电控系统及电子设备的使用有一定影响，会降低电器元件的使用寿命。

2.1.2 机械钻机改造

1）优点 由于采用了高压电直接驱动，电能损耗小，且无需配备大容量变压器变压。电动机体积小，重量轻，运转平稳，与柴油机相比，振动小、噪声较低，有利于员工身心健康。电动机无跑、冒、滴、漏现象，大大有利于环保。电动机工作可靠，操作控制方便，自保功能齐全，无需专人看护，日常的维护保养工作量少，显著提高钻机的先进性和工作可靠性，降低了人工成本及维修费用。由于采用了液态电阻启动器的软启动方式，电动机启动时最大启动电流一般达到120～130A，在20s内可回到40～50A，电动机最大负荷工作电流可达80A左右，对电网的冲击及影响不太大。

2）缺点 高压电动机转速无法调整，在使用过程中调整泵冲数及转盘转速等参数虽可利用可调速液力偶合器进行调速，但调速性较差，难以满足钻井工艺需要。高压电动机转速较高，联动机等传动机构的维护成本相对增加。钻机每更换井场施工，都要对电网进行改造架接，对电网容量和电网主干线距井场的距离有较高的要求，其费用相对较高。对于3000m以内搬迁较频繁的钻井施工而言，经济效益受到一定的制约。

2.2 钻机的经济效益对比

钻机使用柴油机组发电，以目前柴油价格约7500元／t计算，综合成本1.3～1.5元／kW·h，约网电平均价格0.65元的2倍。以中石化所属某单位元坝×井为例，采用70型钻机改造的网电钻机驱动钻进，平均每天耗电29000kW·h，按当地市场电价0.73元／kW·h计算，30d能耗成本是63.5万元。如果用柴油驱动钻机钻进，平均每天耗油5.8t（190系列柴油机平均油耗200g／kW·h），按市场价计算，30d能耗成本130.5万元。可见70型钻机使用网电比使用柴油驱动降低能耗成本67万元／月。

此外，如计算减少钻井队人工成本及柴油机组维护保养、检修、耗材费用等综合管理成本，每个井队月费用可节省约10万元。因此使用公网电力进行钻井施工，对降低钻井成本和节能降耗具有非常好的效果。

3 推广网电钻机应用的建议

鉴于网电钻机应用的巨大经济效益，国内应大力推广网电钻机改造与应用。对今后的改造应用，综合考虑网电钻机改造的优缺点，应注意以下几个方面：

1）规范网电钻机设计生产和改造标准，建立健全网电钻机标准体系和应用规范，根据不同地区公用电网能力情况，应采取不同的改造方案。对目前尚不具备应用网电钻机的区域，可以采取结合油田开发方案，对井场供电先期建设的方式满足使用网电钻机的实际需求。如电网容量不足可以采用第三种改造方案。

2）钻机的网电改造，应充分考虑对现有电网的冲击干扰，如谐波干扰、启动干扰等，避免因使用网电钻机对系统电网的破坏，造成其他电网用户不必要的经济损失。同时改善网电钻机无功自动补偿装置，提高网电钻机功率因数，实现能效最大化。

3）开展网电钻机应用检测，完善网电钻机使用情况记录，掌握网电钻机的能耗规律与故障规律，为网电钻机的改造和参数优化提供技术支持。

4）对新制造投产的电动钻机或复合驱动钻机，从设计制造中，应在相关系统中预留进行网电改造所需的接口，使今后的现场网电应用减少投入，提高效益。

5）为了推动油田开发方（甲方）和钻井承包商（乙方）积极使用网电钻机，要制定规则让油田开发方和钻井承包商双方均成为利益共享者。鼓励油田开发方提前建设井场电网，推进网电钻机应用。