钻井作业中网电钻井技术的应用研究

岳小明

中国石油冀东油田公司工程造价中心，中国·河北 唐山 063000

1 引言

钻井行业的快速发展，有助于为社会提供更多优质的石油资源，为经济水平提升注入了充足的动力。柴油机在钻进作业中的应用较为普遍。然而，其运行能耗较大而且容易产生噪声等问题，限制了行业的绿色化发展，所以必须采用新技术和新工艺加以改进。网电钻井技术是一种绿色化的技术手段，可以通过电能向机械能的转化，满足钻井作业的实际需求，符合当前行业可持续发展的要求，有助于加快环境友好型社会的建设步伐。

网电钻井技术具有一定的专业性特点，在实际应用中应结合钻井作业的需求进行改造和优化，以确保技术优势得到充分发挥，为自动化和智能化发展创造条件。此外，制定切实可行的技术方案，在保障安全和质量的前提下，加快钻井作业的速度，创造良好的社会效益和经济效益。

2 钻井作业的现状

2.1 能耗较高

高能耗问题是应用柴油机开展钻井作业的主要问题，柴油机的工作效率一般不超过50%，因此在使用中会面临资源能源浪费的状况。燃料消耗在成本消耗中的占比较高，一般情况下会超过30%。尤其是近年来中国石油资源的需求量上升，导致价格不断上涨，在钻井作业中应用柴油时会加大成本投入[1]。钻井作业的现场具有复杂性的特点，一旦出现泥石流和暴雨等灾害或者恶劣天气时，则会对柴油的运输造成限制，无法满足连续钻井作业的要求，给企业造成严重的经济损失。

2.2 环境污染

柴油机是以柴油为主要燃料，在燃烧过程中会产生大量的废气和烟尘等，直接排放到大气环境中会造成污染问题，不仅会威胁周围生态系统，还会给人员的生命健康安全带来负面影响。此外，柴油机运行中也会产生较大的振动和噪声，噪声污染问题会对周围居民的正常作息造成干扰。

2.3 维护不便

柴油机在钻井作业中的应用，也会给维护和管理工作造成不便，不利于设备性能的控制和优化。无论是在设备使用过程中还是在后续维护中，需要多名专业人员的配合，使人力成本上升，这也加大了工作人员的负担。

3 钻井作业中网电钻井技术的优势

3.1 降低能耗

网电钻井技术相较于传统的柴油机而言，其最大的优势就是降低了运行能耗，有利于企业控制成本投入，获得良好的利润。ZJ70DB钻机和ZJ50DB钻机的柴油费用分别为90万元/月和75.6万元/月，通过技术改造采用网电钻井的方式，ZJ70DB钻机和ZJ50DB钻机的月用电量分别为40万kW和32万kW左右，电费在38万元/月和30.4万元/月左右，而且降低了管理和维护的成本，在利润上可以提高大约52万元/月和45.2万元/月。网电钻井技术的前期投资虽然较大，但是在运行5～6个月后就能收回成本，单井平均节约投资30万元左右。高能耗问题得到有效解决，符合节能理念要求，减轻了企业的经济负担，有利于企业竞争实力的增强。

3.2 绿色环保

运用网电钻井技术替代柴油机，能够使噪声污染问题得到有效解决，在传统工作模式下会产生120dB（A）的噪声，而经过技术改造后则能够降低30dB（A）左右，降噪率可以超过25%。由于不再使用柴油，因此可以控制二氧化硫污染问题，其排放量降低了80t/a左右。此外，对于烟尘、氮氧化物和温室气体的控制效果也较好，分别减少了12t/a、55t/a和11t/a[2]。在现代化工业生产中，对于自然生态环境的保护越来越重视，加快网电钻井技术的普及应用，可以在钻井作业中获得良好的减排成效。

3.3 便于管理

与传统柴油机相比较而言，网电钻井技术在操作和管理、维护上也具有便捷性的特点，在保障钻井作业安全的前提下，可以有效提高作业效率，满足企业的快速发展需求。尤其是在设备的启动和关闭等操作环节，使得传统流程得到全面简化，防止误操作给作业安全造成威胁，作业人员的工作压力得到缓解。电驱动设备的改造效果较好，使其灵敏度和平稳性得到优化，设备使用效率更高。尤其是井下作业环境十分复杂，利用网电钻井技术可以改善泥浆泵的运行状况，排放控制范围更广，满足生产作业要求。

4 钻井作业中网电钻井技术的应用措施

4.1 交流变频和直流变频网电钻井技术

交流变频网电钻井技术实现了钻进性能的优化和改善，在系统运行过程中依赖于600V电驱动控制变频器。变压器在输出工作中，可以使两台低压开关柜处理成为电压为600V的电网，变频器的供电则由低压出线柜完成。数字有源谐波滤波器的应用，可以降低谐波现象对变频器工作的干扰，增强电源供电的稳定性与可靠性。网电钻井系统的内部结构，也会因交流变频网电钻井技术的应用而得到优化，增强设计的规范性，有效连接石油钻机电驱动变频器系统后，满足工作人员的远程管理需求，增强了钻井作业的便捷性及高效性[3]。

在应用直流变频网电钻井技术时，配置2台变压器电控系统，该技术在实践应用中也存在一定的局限性。设备在运行中的功率难以达到作业要求，同时谐波污染的问题严重，使得设备运行稳定性受到影响。负载会出现较大的改变，对于谐波处理的要求较高。为了控制设备的运行能耗，通常采用无功总线补偿的处理措施，以降低企业成本投入。

4.2 网电钻井和机械钻机复用技术

在应用网电钻井技术时，可以与机械钻机技术进行联合应用，以改善钻井作业的现状，充分发挥两者各自的优势，创造良好的钻井作业环境。应该检查10kV工业用电网的运行状况，对供电系统的规格和型号加以确定，分析低压开关柜的性能要求，在原钻机VFD+MCC系统运行中由变压器集中供电，运用690V变压器对交流异步电动机进行供电。异步电动机在运行过程中不会产生较多的谐波干扰问题，因此无需进行谐波处理，在工作中应该实施无功补偿。2档变速箱和调速型液力耦合器等，是机械驱动技术应用中的主要设备，拆除了ZJ50LDB钻机中的柴油机耦合器，动力机组可以由电机进行驱动运行，运用软启动的方式对三相异步电动机进行管控。在现场应该做好机电钻机网电状况的评估，同时通过安装调试的方式消除设备故障隐患。

在现场钻进作业中应用钻机时，应该及时拆除柴油机的耦合器，满足电机驱动动力机组的安装需求。通过空载运行调试的方式，对机组的运行状况进行全面检测，当出现问题时应该及时交由专业技术人员处理。对于钻机的改造和优化，不会影响钻井作业中的具体操作，油门控制耦合器充油阀可以控制作业速度。对于传动部分的改造，也是网电钻井技术和机械钻机技术联合应用的重点，为了保障动力机组复合分配的合理性，应该进行全面调试，降低设备的运行风险[4]。两台网电电机的并行运行，可以满足操作人员的多元化需求，切实增大了机组容量，能够促进运行功率和稳定性的提升，而且具有经济性的特点。

5 钻井作业中网电钻井技术的改造方案

5.1 技术指标及关键因素

5.1.1 变压器

在网电钻井技术的改造工作中，应该明确变压器的类型及性能特点，在室内安装时考虑到井队搬迁运输的要求。针对变压器的防爆性能、防火性能和环保性能进行全面检测。相较于油浸式变压器而言，干式变压器在网电钻井中的应用更加广泛，不仅能够降低变压器的重量和占地面积，而且有助于提高整体运行性能，满足后期维护和检修工作要求。自动有载调压功能的实现，可以应对电网电压的变化情况，防止钻井作业出现长时间的中断问题。

5.1.2 无功补偿及谐波治理

以电力系统的运行特点和需求为依据，确定系统功率因数不能低于0.9，对于谐波畸变率进行合理控制，通常不能超过5%。各类感性设备是钻井作业中的主要负荷，包括了变压器和电动机等，在应用直流电动钻机的过程中，需要确保较大的无功功率，这是保持设备连续高效运行的基础与前提。SCR控制系统是直流电动钻机的主要组成部分，功率因数在0.3～0.4之间，难以满足实际运行需求，导致无功消耗增大，不符合绿色节能生产要求。

供电中运用柴油发电机组时，其容量问题会对钻井作业造成限制，因此多开柴油发电机组的应用较多，可以使发电总容量符合标准要求，确保合理的无功负荷[5]。通过网电实施现场供电时，难以满足电力系统的功率因数要求，因此会额外加收无功计量费用，能源消耗量增大。

在交流变频系统和SCR系统的运行过程中，谐波污染问题最为常见，谐波总畸变率会超过30%，远远高于5%的标准要求，进而对供电质量造成影响。各类设备会由于谐波的存在而产生谐波损耗，发电和输电效率、设备运行等都会受到影响。例如，设备的振动故障、过热故障和噪声故障等，都是由于谐波所引起，加剧了设备的绝缘老化，严重时会出现严重的事故，不利于钻井作业的安全、高效进行。采取针对性的谐波抑制技术，保障电动钻机的良好运行状态，同时采取无功功率补偿的形式进行优化，是网电钻井技术改造的关键点，有利于改善电网的整体运行状态，使系统功率因数达到标准要求[6]。此外，能够起到良好的节能降耗效果，促进企业的转型升级发展，共同构建可持续发展模式。

5.1.3 网电应用总体方案

在编制网电应用方案时，应该关注钻机的具体类型和工作特点，确保该方案的经济性，降低钻井作业的成本投入。系统对外进出线窗口、变压器室、高压室、低压室等共同构成控制房，其中无功功率补偿装置和谐波抑制装置应用于低压室当中。应该确保控制房的良好布局设置，满足搬运和管理等工作需求。

在了解电机控制方式的基础上设置机械钻机，运用电机控制系统实施统一控制[7]。此外，为了达到良好的谐波抑制和无功补偿效果，还应该单独设计无功补偿系统，确保直流电动钻机功率因数超过0.9.

5.2 技术方案

在应用交流变频钻机网电方案时，针对ZJ50DB钻机可以采用10kV工业电网进线，运用中置柜输送到干式环氧浇注变压器当中。钻机电驱动控制VFD系统的供电依靠低压出线柜。在该方案当中，缺乏无功补偿措施和谐波抑制措施，因此电网会受到不同程度的干扰。在对ZJ70DB钻机进行改造时，可以运用数字有源谐波滤波器进行处理，满足无功总线补偿的要求，符合国家相关标准。

网电控制系统运行中，也可以运用遥信技术、遥控技术和遥测技术实施无人化管理。在应用交流电驱动钻机网电方案时，主要采用了交流恒转速异步电动机驱动的方式，对总线电压分级进行无功补偿[8]。柴油机耦合器机组可以通过一级减速箱动力机组和1200kW交流变频电机加以替代，从而实现既有方案的优化。

6 结语

柴油机是传统钻井作业模式下的常用设备，但是由于能耗较高、环境污染和维护不便等问题的存在，导致其整体应用效果不佳，在新时期钻井作业中逐步被淘汰。网电钻井技术的应用，在降低能耗、绿色环保和管理维护等方面具有良好的优势，符合可持续发展的要求，加快了产业结构的转型升级。在实践工作当中，可以通过交流变频和直流变频网电钻井技术、网电钻井和机械钻机复用技术等开展钻井作业，以达到自动化控制的目的。在技术改造方案的编制中，除了要做好变压器的选型外，还要重视无功补偿及谐波治理，以增强网电钻井技术的实际应用效果。