机电复合钻机变频网电改造技术及应用

高 岩

（中原石油工程有限公司西南钻井分公司，成都 610000）

机电复合钻机变频网电改造技术及应用

高 岩

（中原石油工程有限公司西南钻井分公司，成都 610000）

分析了国内网电钻机的改造情况，根据西南地区机电复合钻机现场实际应用情况，结合变频器控制技术，成功对机电复合钻机进一步进行了改造，取得了良好的经济效益和社会效益。

钻机；变频技术；网电；改造；应用

2 改造方案及技术配套

1） 供电电压确定 将10 k V电源变成0．6 k V电源，通过0．6 k V电动机为钻机提供动力。

2） 电机选型设计 三相异步电动机的功率确定为1 000 k W；电压等级600 V；电机正常运行噪声控制在90 dB以内。

3） 减速箱选型设计 采用减速箱与电动机组成动力撬的方案，减速箱的减速比为1∶1（ZJ50JDB型钻机）和1∶1．536（ZJ70LDB型钻机），根据变频技术的无级调速特性，实现无级调速。正常钻井时，转速应在高效区，其效率不低于96%。保证改造后钻机的技术性能有所提升，且动力机组有一定调速功能，正常运行噪声控制在90 dB以内。

机电复合驱动钻机网电改造方案如图1所示。

图1 机电复合驱动钻机变频网电改造方案

该技术方案采用10 k V高压电网供电，经10 k V／0．6 k V移动式高压变配电系统，将10 k V电源降压成0．6 k V，通过VFD变频传动系统驱动2台1 000 k W电动机及减速箱，为钻机提供动力。电机通过交流变频系统进行无级调速启动，调速范围为0～1 500 r／min，电控系统配备谐波治理和无功补偿装置，保留2台辅助柴油发电机组及1～2台柴油动力机组（钻机配置不同），作为应急动力储备。这种控制方式具有如下特点：

1） 变频网电钻机的调速由原来的液力耦合器进行小范围调速，变为目前可控的大范围无级调速，调速性能大幅增强，减少劳动强度，同时降低机械磨损，增强零部件使用寿命。

2） 启动时为可控的无级调速启动，减少机械冲击，同时降低噪声（＜90 dB），使得电机启动平滑，降低启动网电电机时对电网和电机的冲击电流。特别是地方电力供应比较弱的网电线路，由于供电电压比较低，以前往往电机不能正常启动，有时造成网电线路跳闸，影响网电的使用，使用变频网电钻机后有效地解决了这个问题。

3） 采用2套电动机和减速箱一体化的动力撬机组设计，实现电机撬动力机组和原有的由柴油机和减速箱组成的柴油机撬动力机组的完全互换，保证了改造后钻机动力机组负载均衡、工作可靠。

采用陈杭君等[10]的方法，略有修改，具体操作如下。取2 g样品，加入5 g水，加入20 mL 70% pH 3.0的酸性乙醇溶液，在40 ℃下水浴2 h，提取至提取液无色，过滤后备用。采用pH差示法测其花色苷的含量，取2 mL提取液于25 mL比色管中，用pH 1.0缓冲液（0.2 mol/L KCl-0.2 mol/L HCl）稀释至10 mL刻度线处，另取2 mL提取液于25 mL比色管中，用pH 4.5缓冲液（1 mol/L NaAC-1 mol/L HCl-H2O）稀释至10 mL刻度线处，在510 nm处测量吸光度值。根据下式计算总花色苷含量（g/L）。

4） 由于采用变频技术的调速特性，在正常钻进情况下，可随时调整电机转速，从而改变泥浆泵的冲次，能在一定范围内实现电动钻机使用的可调电动机转速状态，减少了因频繁拆卸泥浆泵阀的时间，大幅提高了钻井时效和钻井安全，减少了钻井复杂情况，在有特殊要求的钻井作业中优势明显（例如固井作业、定向钻井作业）。

2．2 谐波治理和无功补偿

由于井队现场使用的电动机功率因数比较低，加上其他一些用电设备，功率因数只有0．5～0．7，谐波高，电压畸变率达23%。如果直接接入电网，将严重影响供配电系统的稳定和安全运行。国家电网接入要求功率因数不低于0．9，电压畸变率不高于5%，功率因数达不到0．9还需要缴纳无功电费，所以必须提高功率因数，进行无功补偿。设计中主要采用无源滤波系统对谐波进行治理，同时也对无功进行补偿，达到既治理谐波又提高系统功率因数的目的。根据现在变频技术的本身特性，在使用中，变频电机的功率因数比较高，达到0．8以上，无功补偿量减少了近一半。从以往网电钻机的使用情况来看，无功补偿设备的电容、接触器等易损无功元器件使用寿命比较低，电容易失容，所以维护成本也比较高，使用变频技术的网电设备大幅降低了补偿单元维护费用，增加了使用的可靠性。

2．3 电压波动控制

钻机用电系统容量相对较小，未进行谐波治理和无功补偿时电压相对较低，在进行分级补偿后，电压会以总电压10%的数量进行递增，尤其考虑在用电的高峰及低谷期间的电压数值相差较大。所以，在定做变压器时，设计要求变压器采用有载调压，可以根据电压的高低，在不断电和不影响施工的情况下，进行电压调节，充分考虑和满足现场生产。

3 现场应用

现西南市场机电复合钻机网电改造完成，截至2012-10，共使用电能3．4×107k W·h，仅柴油一项节约资金¥7 800余万元。减少二氧化碳排放量1．88×104t，根据技术监测中心测算公式计算，节约率达60%以上。经现场应用达到了以下目的。

1） 通过谐波治理和无功补偿技术，能够达到国家电网接入要求，同时又能满足钻机动力需求。

2） 通过高低压变配电和电气控制系统2个动力模块设计，能够将国家电网电力转换成钻机动力并加以有效和安全控制。

3） 采用减速箱与电动机组成动力撬，可实现无级调速，改变普通异步电动机无法调速的工作特性，保证了机电复合驱钻机的动力机组技术性能和调速功能。

4） 网电钻机的应用既能缓解成品油不断涨价对钻井成本带来的压力，又能减少废气、废油排放对环境的污染，带来了巨大的经济和社会效益，符合国家节能减排方针政策的要求。

4 结论

1） 使用网电钻机后，经济效益比较明显。在已使用的钻井队中，机电复合驱动钻机网电改造能耗成本节约率平均约为65%。

2） 钻机进行网电改造后，钻机动力都能够满足各种钻井工况的要求，没有发生因为动力不足影响生产的事故。

3） 网电的使用受到所钻井的井深和设计周期的影响，钻井周期越长的井使用网电的效果越好。

4） 网电钻机改造及其应用社会效益显著，符合国家节能减排政策。

5） 网电使用受电网的限制，同时对井队相关操作维护人员的素质要求高。

6） 受能源价格波动的影响，如果柴油价格下降，而电价上涨，则网电钻机的节能效益会下降。

7） 网电改造在变频技术日益进步的今天，作为一项节能、清洁、降噪的新技术，在具有电网条件的施工区域推广应用网电钻机具有现实意义。

［1］盛拥军，徐建辉．胜利油田网电钻机研发及应用［J］．中国设备工程，2008（5）：40-42．

［2］盛拥军，徐建辉，丁晓鹏．ZJ30型钻机网电改造［J］．甘肃科技，2008，24（13）：16-17．

［3］董云飞，戴树涛，马士平．ZJ70L型钻机全网电拖动技术改造方案［J］．石油矿场机械，2008，37（6）：84-87．

［4］税理中．江苏油田钻机网电拖动技术改造［J］．石油矿场机械，2011，40（6）：94-97．

［5］谭刚强，王豫，沈凡儿，等，钻机油改电技术与钻井工艺适应性研究［J］．石油矿场机械，2011，40（6）：29-33．

［6］张怀．超深井钻机网电改造技术及推广应用［J］．石油矿场机械，2011，40（7）：77-80．

TE922

B

1001-3482（2014）01-0093-03

1 改造前期调研

2013-08-25

高 岩（1979-），男，山东沂南人，工程师，主要从事石油钻井装备的管理与技术工作，E-mail：gaoyan-790903＠163．com。田在电网覆盖范围内逐步开始采用网电驱动钻机。2008年，文献［1-2］报道了胜利油田网电钻机的前期调研情况，提出网电钻机的改造方案，介绍了改造后的使用效果，展望了网电钻机的应用前景，但仅针对4 000 m以下的钻机；同年，文献［3］针对钻机全网电拖动技术改造的要求，对ZJ70L型钻机改造方案进行了设计、分析与对比，认为采用变频拖动，启动平稳，无级调速，不仅节能，还可优选钻井参数，提高钻井效率，明显优于其他方案，但只是提出了方案并没有具体实施。2011年，文献［4］根据江苏油田电网自身特点，围绕钻机实施网电拖动技术改造的具体要求，对钻机网电拖动方案进行了探讨，形成了一套符合江苏油田电网实际并具有江苏油田特色的钻机网电改造方案，文章着重分析网电拖动技术；同年，文献［5］针对川渝地区电网分散及钻井工况复杂的实际情况，在川东和川西组织了油改电项目试验，取得了较好的节能减排效果。文献［6］分析了西南地区钻机实施网电改造的可行性、改造方案及技术配套，并根据现场应用情况，成功地在西南地区钻井市场大面积推广使用网电钻机。文献［5-6］对机电复合驱动钻机的网电改造方案基本相同，都是通过电动机驱动偶合器为钻机提供动力。现阶段，ZJ50JDB型和ZJ70LDB型2种钻机配套使用的是低压房，用软起控制2台1 000 k W的电动机替代柴油机作为动力输出［6］，这种网电设计具有无法调速和启动电流大等缺点，在电网波动较大或电网使用高峰时启动困难，同时也对设备的瞬间冲击影响较大，井队现场使用存在较大局限性，因此需要改进提高。有关当地电网状况文献［6］已阐明，本文不再赘述。

无论是电驱动钻机还是机械驱动钻机，其动力主要来源于柴油机。机械驱动的钻机由柴油机经调速装置后直接驱动；电驱动钻机则通过柴油发电机组发电间接驱动。柴油作为主燃料，油耗成本占钻井成本的20%左右，油耗高，噪声和排放较大。网电钻机改造是以电动机作为动力，利用工业电网提供电源，替代柴油发动机实施钻井作业，达到节能减排和降本增效的目的。本文结合西南钻井分公司钻机的施工特点和施工环境，充分利用电网资源对机电复合钻机进行了进一步网电改造，取得了较好的经济效益。

近年来，随着国家电网的不断发展，国内各大油