大庆外围油田钻井“以电代油”应用分析

杨旭升

大庆油田有限责任公司第九采油厂

随着油田开发的深入，油田电网的覆盖面逐渐增大，部分钻机改用电网电能为其提供动力，既节省动力费，又满足节能环保的要求[1]。试验性地应用于部分区块的“以电代油”钻机在节能降耗方面有较好的效果，根据钻井公司提供数据，节电约30%[2]。

1 钻机基本情况

目前按驱动设备类型的不同可把钻机分为柴油机驱动钻机（柴油机驱动机械转动钻机和柴油机驱动液力传动钻机）、电驱动钻机（直流电驱动钻机和交流电驱动钻机）。现在用于钻机的电传动系统由多台柴油发电机组并网发出50 Hz、600 V的交流电，经传动柜整流为0～750 V直流电去驱动绞车、转盘和钻井泵；经控制柜变交流600 V为380 V/220 V去驱动钻井辅机及提供井场照明[3]。

30D、40D钻机（半油半电型）为井区内除钻井泵（泥浆泵）以外的主要用电设备，其中钻井泵部分采用柴油发动机直驱机械转动方式，所以用电负荷较小[4]。50D钻机的运行负荷为2 600 kW，其中钻井泵电动机用电负荷为2×1 000 kW，井区其他设备用电负荷为500 kW，生活用电负荷为100 kW。50D以上钻机均可以采用全电驱动钻机或者全柴油驱动型钻机[5]。表1为钻机能耗参数。由表1可知，单考虑钻机情况，一般钻1口井的时间为3～7天，按照平均5天钻1口井[6]估算，采用“以电代油”钻机节能效果明显，电钻动力成本节省达到30%左右。

表1 钻机能耗参数Tab.1 Energy consumption parameters of drilling rig

2 “以电代油”钻机适用性

2.1 电网和变电所能力

根据钻机用电负荷分析，负荷波动大，同时运行系数低，需要按照最大运行负荷考虑电网和变电所的供电能力。因为要充分利用已建电网富裕能力，需要核实上下级导线的载流量以及变电所的接带能力。由于钻机用电负荷波动比较大，故对电网冲击也较大，不适合接在油田内部生产用10 kV及以下等级电力系统上[7]。目前可用于接带“以电代油”钻机多为35 kV油田电网和110/35 kV变电所，为满足钻机不同电压等级负荷的运行要求，还需要租用35/10箱式变。可以根据计算变电所和导线载流的裕量来核实是否具有接带能力。表2为“以电代油”钻机所需电网和变电所裕量。

表2 “以电代油”钻机所需电网和变电所裕量Tab.2 Electricity network and substation gauge required for"electricity instead of oil"

2.2 供电半径

考虑后期转产能建设线路要求，规划钻井线路采用3×LJ-120型导线。按照10 kV三相平衡负荷架空线路的电压降计算，根据《工业与民用供配电设计手册》（第四版）参数[8]，该导线在35℃环境温度下理论载流量为330 A，而变电所的保护定值为200 A。功率因数按0.85计算，30D、40D钻机按国家标准电压偏差不大于±7%计算，50D钻机自带变压器具备有载调压功能，按电压偏差不大于±15%计算。考虑变电所的保护定值，线路所带负荷不超过2 945 kW。不同供电半径情况下所允许负载见表3、表4。

表3 电压降Δu≤7%情况下各供电半径允许负荷情况Tab.3 Permissible load of each power supply radius when voltage drop Δu≤7%

由表3、表4可知，供电半径对钻机的选择有较大的影响。产能建设初期，主要负荷为钻机负荷，受到35 kV变电所继电保护能力的制约以及钻机负荷性质的影响，分散无功补偿装置的容量需要在钻机自带箱式变内考虑，达到提供功率因数以保证供电质量的目的。对于30D型半电型钻机，供电半径在18 km以内可以接带；对于40D、50D钻机，供电半径在12 km以内可以接带；若在线路上考虑分散无功动态补偿，效果会更好。

表4 电压降Δu≤15%情况下各供电半径允许负荷情况Tab.4 Permissible load of each power supply radius when voltage drop Δu≤15%

2.3 钻井线路转产能建设线路

根据目前估算，外围油田10 kV架空线路的建设费用约为11万元/km（不考虑征地费）。考虑实际情况，线路拆除后再利用率较低且拆除人工费较高，除井具、隔离开关等设备外，如线杆和架空导线利旧难度很大，在论证阶段按照30%建设费用考虑；所以，在考虑使用电动钻机时产能建设线路转产能率也是主要因素。

2.4 租用临时变费用

基于油田相关规定，以及施工现场实际情况计算租用临时变费用（含税），详见表5。

表5 租用临时变费用明细Tab.5 Detailed costs of temporary substation

3 论证分析

3.1 电力参数计算与钻机带载能力

在供电半径小于或等于12 km、变电所富裕容量大于或等于2 500 kVA时，可以允许1台50D钻机运行；在供电半径小于或等于12 km、变电所富裕容量大于或等于1 600 kVA时，可以允许1台40D钻机运行；在供电半径小于或等于18 km、变电所富裕容量大于或等于800 kVA时，可以允许1台30D钻机运行。如表6所示，蓝色区域允许30D钻机运行，绿色区域允许40D钻机运行，黄色区域允许50D钻机运行。

3.2 经济论证

根据以上分析，在线路和变电所容量满足要求的情况下，还要分析“以电代油”的经济性。

表6 变电所容量、供电半径与钻机选择Tab.6 Selection of substation capacity，power supply radius and drilling rig

电动钻机的费用=线路建设和拆除费用（万元）+变压器租赁费用（万元）+临时征地费（万元）+电钻电费（万元/d）×时间（d）

油驱钻机的费用=柴油费用（万元/d）×时间（d）

第一种情况：若钻井线路完全转产能线路，则线路建设和拆除费用不计。若利用电动钻机的费用大于油驱钻机的费用，可推荐油钻，反之则推荐电钻。

第二种情况：若钻井线路不完全转产能线路，转产能部分线路不计，该部分费用可在产能建设中考虑，不能转产能部分线路费用则属于电动钻机的费用。

电动钻机的费用=建后拆除线路建设费用（万元）+拆除费用 （0.5万元/km）-拆除部分再利用的节省费用（30%×初始投资）+变压器租赁费用（万元）+临时征地费（万元）+电钻电费（万元/d）×时间（d）

4 应用实例

某区块[9]基建油水井35口，区块范围15.2 km×15.5 km，附近有可用的变电所及1回35 V线路。将租用的35/10 kV、4 000 kVA箱式变置于35 kV线路附近，至该区块的供电半径为6～10 km，井区以平台井为主，采用50D钻机。按照平台有5口井计算，钻井时间为1口井5天，则该平台需25天。建设10 kV钻井线路10 km，完钻后需拆除6 km。电动钻机的费用为103.96万元，油钻的费用为89.25万元。可见，对于平台数为5口井，电钻成本较高。

若在供电半径内，不再增加线路费用和改变临时变位置的前提下，钻井线路转产能率低时，钻井周期可达29天，油钻和电钻成本相当；若超过29天，即在相近区域钻井超过6口时，则电钻比较经济。

5 结束语

采用“以电代油”钻机不仅提高作业效率，节约柴油消耗，而且具有较好的社会效应，可减少大气污染物的排放，降低噪声污染，实现节约、绿色、清洁和高效生产。