推行“油改电”项目节能增效的探讨

张希军（大庆钻探工程公司钻井一公司）

随着大庆油田深层天然气勘探、开发工作的不断深入，电动化深井钻机的应用不断增加。此类钻机设计上以柴油为动力，油料消耗一直居高不下，在成品油价格不断上涨的情况下，能源消耗占钻井总成本的比重也越来越大。2005年大庆钻探工程公司开始进行深井钻机“油改电”先导试验，通过现场调研和理论分析及现场实践，从电力系统入手，通过特别设计的移动变电装置，将10kV 电压转换为600V 电压来满足钻井设备的生产需要，也就是说，把钻机从原来消耗成品油驱动钻井设备改成利用工业电网消耗电能驱动钻井设备。该项技术在减少能源消耗的同时，也减少了设备的维护保养费用和噪声损害，实现了绿色钻井并延长了设备使用寿命，在国内同行业中处于领先地位，具有巨大的节能环保潜力和优势，以及具有较好的经济效益和社会效益。

1 “油改电”节能措施方案及选用原则

为减少资金投入，保证原电动化深井钻机的安全性、完整性，无需太大改动原钻机整体布局。整体节能措施方案是在电动化深井钻机S CR 房设置网电接口，并在其旁边加装移动变电装置，这样电动化钻机可以拥有双电源模式，在网电停电时也可以继续运行，防止事故的发生，保证钻井施工的安全性、节能性和实用性。

1.1 电动化深井钻机SCR房改造

在S CR 房内设置网电接口，使电动化深井钻机具有双电源模式。为确保钻机安全运行，需要在S CR 房加装双电源互锁控制柜，工业电网并网与发电机组并网采用互锁装置，电网突然停电时，可通过转换开关直接切换到发电机组，既快速高效又可防止误操作；同时，冬季柴油机跑温时也不会影响工业电网对钻井设备的正常供电。

1.2 配备移动变电装置

对电动化深井钻机使用柴油发电机组供电的钻井队进行跟踪测试，钻机随井深不同功率消耗变化而采集的数据证明，一开表层钻进时，功率消耗较小，可用1台发电机；而二开在进行大井径技套钻进时，功率消耗最大，启动1台发电机不能满足钻机功率的需要，启动2台以上发电机组又有大量的剩余功率，造成能源上的浪费和损失。这期间是负荷高峰期，通过测试柴油发电机的电流，同时也考虑到井下情况复杂，负荷还有可能增加，最终确定最合理的方案为：50D 钻机变压器容量为3150kV A（配备专用动态无功补偿和滤波装置的钻机，可选择2500kV A）1台，70D 钻机变压器容量为4000kV A（配备专用动态无功补偿和滤波装置的钻机，可选择3150kV A）1台，高压侧电压10kV，低压侧电压0.6kV，同时有载自动调压变压器作为工业电网驱动电动钻机电源主变。

移动变电装置采用“目”字型设计。房体外壳为全钢结构焊接而成，墙板及房顶采用3mm瓦楞板材，房体底座双层船型底，底座两头加长200mm，便于整体吊装、拖拉及运输。

主变压器放在中间，两侧分别是高、低压控制系统室，高压控制室设有高压进线柜[1]、高压计量柜和高压出线柜[2]。低压控制室设有低压进线柜[2]、谐波控制装置[3]、无功补偿柜[4]和低压出线柜。主变压器使用S Z11系列有载自动调压变压器1台。

1.3 深井钻机利用工业电网选用原则

深井钻机“油改电”是深井钻机节能技术的革命，具有安全、实用、经济等特点，具有柴油机驱动钻机钻井无法比拟的优势。其选用原则是：

◇深井钻机为电动化钻机；

◇井场附近要求有0.6kV 以上的电力线路；

◇钻井周期要求在1个月以上；

◇搭接电力等费用必须小于单井节余成本；

◇无论何种工况，都要保证600V 电力供给。

2 “油改电”技术应用效果分析

2.1 节能效果与分析

此方法不但可以节能，还可以节约设备维修费用和设备耗材费用。以70168钻井队施工的徐深23-平1井为例。

1）节约成品油。徐深23-平1 井钻井进尺5048m，建井周期340天，耗油278.41 t，金额203.27万元；全井耗电金额382.08万元（含搭线施工费用95.75 万元），按2011年成品油平均单价7 301.16元/t计算，折算成品油为523.31 t。该井耗油278.41 t加上搭电折成油523.31 t，共计消耗成品油801.72t，金额585.34 万元，电动化钻机应用工业电网技术钻机台月耗油为2.36t/d。该钻机若以柴油作动力常规钻井，可耗油1530t，金额1117.07万元，钻机台月耗油为4.5 t/d。应用工业电网技术钻机与常规钻机耗油相比，单井钻机台月耗油节约2.14 t/d，全井节约成品油728.28t，节约资金531.73万元。

2）节约润滑油、滤芯及设备运转折旧费。钻机运转周期340天，共计8160h，按柴油机正常每500h保养一次计算，需机油16桶，单价5000元，价值8万元；机油滤芯16只，单价800元，价值1.28万元。柴油滤芯、空气滤芯按柴油机正常每1000 h更换计算，需柴油滤芯8只，单价300元，价值0.24万元；空气滤芯8只，单价1000元，价值0.80万元。设备运转磨损按柴油机价值300万元正常使用年限8年计算，单台年磨损费37.5万元×（340÷365）=34.93万元。该井共节约润滑油16桶，金额8万元；节约滤芯32只，金额2.32万元；节约设备折旧费34.93万元，合计节约资金45.25万元。

3）节约油料运费。结合运距，按照当时局内关联交易价格1.56元/（t·km）计算，节约油料运输费12.44万元。

综上所述，徐深23-平1井电动化钻机利用工业电网技术共计节约资金589.42万元。自2005年电动化钻机尝试应用“油改电”节能技术以来，到2014年4月已有109口深井应用了“油改电”节能方法，累计节约资金已过亿元。

2.2 “油改电”对电力系统的改善与分析

每一个电动化钻机供电系统都是一个独立的小电网。在小电网供电系统中，普遍采用多台柴油发电机组并网发电，供各用电单元使用。其中，很大部分负荷是电动机负载（直流电动机和交流电动机），这些负荷都呈感性，使钻机电气系统无功功率大、功率因数低、谐波含量大，给供电系统造成了很大的额外负担。同时，由于谐波含量的增加，使电网供电质量下降，各种用电设备负担增加，发热严重，老化加速。

通过“油改电”项目的实施，钻机电气系统谐波大幅降低，钻机电气设备由谐波引起的损耗、发热、震动、击穿和干扰将大幅降低，电气设备寿命得到延长。功率因数由原来的0.46提高到0.95，设备和控制系统工作稳定性和可靠性得到提高。

2.3 安全环保效果与分析

由于“油改电”高、低压配电系统具有完善的过流、短路、欠压保护等功能，以及完善的数字变压器保护系统，使得电动化钻机电气系统响应时间短、可靠性高、故障率低，完全可以实现无人值守，柴油机司机和大班可以节省出大量时间对井场内400多条线路进行检查维护，及时消除安全隐患。由于节省出柴油发电机组的维护保养时间，从而缩短了钻井周期，提高了安全生产效率，对钻井安全提速有一定的积极作用。

柴油发电机组在使用过程中存在着两大污染，分别是噪声污染和大气污染。噪声污染存在以下危害：施工现场工人长期处于噪声污染环境下，听觉会受到严重的影响；施工现场附近的居民也无法避免噪声污染的困扰；由于噪声污染严重影响了施工现场的正常语言交流，存在一定的安全隐患。大气污染的污染源是柴油机尾气，是指柴油发动机燃烧柴油后喷出的尾气，尾气中含有上百种不同的化合物，这种气体排放物不仅气味怪异，而且令人头昏、恶心，影响人的身体健康。世界卫生组织专家认定柴油发动机尾气与石棉、砒霜等物质一样，具有高度致癌性，严重影响人们的身体健康。实施“油改电”后，钻井施工中完全可以减少柴油机尾气排放，做到名副其实的绿色钻井。

3 技术前景

电动化钻机“油改电”技术的应用，已经取得了可观的效果，既获得了经济效益和社会效益，又提高了工作效率。在这9年多的实际应用中不断地发现问题、解决问题，先后解决了工业电网并网与发电机组并网快速切换、功率因数低、网电电压波动干扰等问题，使这项创新技术日臻完善。如今“油改电”技术已经实现了有载自动调压、无功补偿、滤波装置随着现场工况自动投切，由于自动化程度高，可以实现无人值守，免于维护。这项技术也得到了油田同行和地方政府的认可。电动化钻机推行“油改电”方法，可以节约能源消耗，降低钻井成本；减少设备日常维护、成品油运输等费用；改善员工工作环境，降低噪音，减少尾气排放，促进环保等。因此，该项技术在石油钻井行业和其他相关产业具有广阔的推广应用空间和发展前景。

[1]张春华.高压进线柜在继电保护中的改进[D].上海:中国科学院上海冶金研究所,2000.

[2]霍晓卫.最新电力工程标准规范实用全书[M].北京:中国广播电视出版社,2000:30-450.

[3]万兆安.谐波抑制及无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998:10-245.

[4]靳龙章,丁毓山.电网无功补偿实用技术[M].北京:中国水利水电出版社,2001:1-263.