石油钻井电动钻机节能创效研究

种奉刚

摘 要：当前，提速增效已成为采油企业应对能源市场及自身运营压力的重要发展策略，在这一背景下，采油企业开始了对传统采油设备的改造，通过工艺优化和新设备改进，已逐步提升了采油企业的采油效率。采油设备的节能降耗是一个系统性的推进工程，需要管理制度、设备升级、技术研发等层面的共同推动下得以实现。本文就我国油田设备管理的现状进行了解读，并对采油企业的节能降耗实践策略展开分析，将为采油设备节能降耗工作的科学、高效开展提供参考。

关键词：电动钻机;节能;创效

国民经济的快速发展对原油的需求进一步的提升，工业生产和居民生活对原油的依赖性也日益凸显。不可忽视的是，我国油田企业面临着越来越严峻的国际原油市场环境和国内环境资源压力，提速增效成为采油企业应对日益严峻的国内外市场压力的重要抉择。当前，我国多数油田已开始迈入开采的中后期，特殊或复杂环境的开采日趋常态化，这就需要设备管理部门要充分借鉴国内外先进的设备节能的模式和经验，通过优选节能设备，优化技术配套，从而实现采油装备总功率的下调，这将对提高采油的经济效益具有的作用[1]。就这一层面上出发，对石油电动钻机系统的创新研发和应用，将成为企业持续发展中的重要支点。此次研究过程中，通过对缸套的优化使得柴油机的输出功率与实际负荷之间达成了平衡，整个系统的能耗得以显著的降低，表现出较好的节能效果。

1 电动钻机的主要组成及性能

此次研究中的电动钻机的动力机组是以柴油为能源的油--电动力机组。在日常的工作中，这一机组通过SCR（可控硅）的转换提供系统所需的电能，绞车、转盘、泥浆泵在电能的驱动下完成作业。

1.1 机组电动钻机的特点

①该型柴油机--交流发电机的机组，在柴油机的工作中，其工作的转速为额定转速，转速不可调;②机组的整体效能，受到两大方面的制约，一方面柴油发电机本身的性能会影响到整机组的容量，另一方面交流发电机的功率也会对机组的容量产生一定的影响;③发电机的输出电流和功率易受到转速的高低、扭矩大小的影响;④可控硅的晶闸管有四层结构构成，导致耐过电压和过流电压的能力较差。其根据功率的工作原理可知，在可控硅的应用上，电流越大其热功率也就越大[2]。

1.2 机组发电机的特点

①柴油发电机的功率与油耗之间存有联系，但柴油机运行至持续功率的时候，其能耗的水平最低;②发电机的台数决定了发电机组的容量和能耗，在确保机组总功率的前提下，有效减少电机的使用台数，能够起到节能的目的;③应具有电网的功率因数分析来降低整个电力的电流，提高电压;④电机和发电机的能耗浪费主要集中在热损耗的问题，应在运行的过程中，对电机及发电机的过热情况进行有效地干预。

1.3 机组电机的优化原理

直流电机输出扭矩M、转速N、电枢电流I、直流电压V之间的关系如下：P=I×U，M=Cm×Φ×I，N=K×Ea/Φ，Ea=V-I（Ra+Rf）。基于这一公式的推导可知，在机组的运行过程中，电机的输出扭矩和电流之间有着直接的关系，前者的扭矩越大，后者的电流越大，同时消耗在电机励磁线圈内阻和为电机电枢内阻上的电功率也就越大。当这一情况发生时，机组电机的效率就会明显的下降，同时会使电机发热[3]。

2 钻井参数固定的前提下对泥浆泵的优化

此次研究中，在钻井参数固定的情况下，对泥浆泵的缸套进行了优化，从而实现节能降耗的目的。以某基层钻井对为例，其配有三台MOG1500型的发电机组，总功率为1400kW。开钻之后的钻井参数如下：钻井液密度为1.8g/cm3;排量为41.8L。在钻井参数固定的情况下，Φ170mm缸套与Φ140mm缸套的参数比对效果具有显著差异（见表1）。

由上表的比对数据可知，Φ170mm缸套的为泵压23.5MPa;SCR直流电压为380V;直流电流为1600A;发电机组电600V;总有功功率560kVA;功率因数0.45;柴油日耗9t。Φ140mm缸套的为泵压25MPa;SCR直流电压为530V;直流电流为1200A;发电机组电600V;总有功功率830kVA;功率因数0.94;柴油日耗9t。在机组中使用Φ140mm缸套的节能效果比较明显，与Φ170mm缸套的相比，能够日节省柴油约2t左右。

3 石油钻井电动钻机节能效果分析

实验研究中，通过对上述两组数据的比对分析可以发现，机组功率因数提高后，整个电流得到了显著的下降，这样就能够较好地解决在机组运转的过程中设备过热的问题。同时，可控硅的发热问题也得到了进一步的下降，设备的整体使用效率得以显著的提升。技改完成之后的评测中也显示电机电刷的使用寿命获得了提高，电机刷架因高温而变形的问题未再出现。

4 石油钻井电动钻机节能的发展趋势

对于企业而言，只有通过内部的不断技术挖潜，才能实现企业的上产量、降成本。应对石油钻井电动钻机进行精准化的改造，以提高产量为主要目标，集中攻坚，通过改变石油钻井电动钻机参数、提高能效比，实现节能的目的[4]。在物联网等新兴技术的推动下，石油钻井电动钻机的换代速度不断加快，信息化、自动化的集成程度也越发先进，同时通讯技术的不断提高，也使得多个作业过程中实现远端控制和多级参数设定成为可能。在石油钻井电动钻机改造的同时，要加大对石油钻井电动钻机高端设备的引进力度，以新设备性能的提升为采油效益的提升夯实基点。在这一過程中，应对石油钻井电动钻机进行全面的评估，制定出合理的分批优化规划，实现新设备投入和成本支出效益的平衡。这也将成为采油企业节能降耗的重要方向，进而实现以“设备改造”促“能耗降低”的总体目标[5]。

综上所述，此次研究的结果表明，在井钻功率允许的范围之内，通过对于泥浆泵的缸套尺寸上的优化可以达成对于泵程、扭矩等方面的优化，同时，适合的缸套尺寸也能够较好地降低可控硅柜直流电的队列，提高直流的电压，从而使得发电机效率提高的同时，发电机过热的问题得到较好的解决。同时也发现，当机组在确保功率的前提下，通过对机组作业电机台数的调整，也能够收到较好的节能效果。随着我国油田企业逐步步入发展的“深水区”，资源、市场等因素在倒逼油田企业传统管理体系和技术体系的改革。因此，企业应根据自身设备能力及技术储备，在电动钻机节能创效上大胆开拓，并在这一过程中保障资金、人才的扶植，以更好地推动企业在新时期的发展。

参考文献：

[1]崔浩凯.海洋石油钻井平台电动钻机的负荷特性及动态参数计算[J].电子测试，2015（6）：79-82.

[2]卢周芳.浅谈石油钻井节能减排的途径与对策[J].探矿工程-岩土钻掘工程，2010，37（10）：82-84.

[3]黄艳旺，李亚伟，段浩砺.石油钻井生产中电气设备节能方法与建议浅谈[J].数字化用户，2018，24（13）：92.

[4]裴海英，胡水艳，张学勇，等.石油钻井电动钻机节能创效浅谈[J].化工管理，2019（18）：52-53.

[5]天水电气传动研究所有限责任公司.石油电动钻机再生制动能量的回收利用装置：CN201320479724.X[P].2014-01-01.