河南油田网电钻机改造方案与应用分析

张志毅，李继斌，万广伟，朱晓梅

(1.中国石化河南石油工程有限公司钻井工程公司，河南南阳 473132；2.中国石化河南石油勘探局机动处)

1 网电钻机改造的背景

随着电力技术的快速发展和钻机电控技术的不断提高，直接利用电网电能作为动力驱动钻机已成为钻机发展的趋势。河南油田优选部分钻机作为网电钻机先导应用，取得了节能减排、降本增效的良好效果。

河南油田电网有35 kV、10 kV和6 kV三种等级。35 kV配电线路15条，分布在安棚、王集、井楼和古城油田；10 kV配电线路15条，分布在双河、江河和张店油田；6 kV配电线路39条，分布在下二门油田。

河南油田现用钻机48部，主要有电动钻机、机电复合钻机和机械钻机3种类型，均由大功率柴油机或柴油发电机组作为钻机动力；单台电动钻机一般配有4台1 300 kW和1台400 kW柴油发电机组，单台机械(机电复合)钻机一般配有3台810 kW柴油机和2台400 kW柴油发电机组。单台柴油机或柴油发电机组理论油耗为201～209 g/(kW·h)，按柴油单价为7500元/吨计算，折合电价1.51～1.57元/(kW·h)。钻机网电改造是用电网的电力去替代电动钻机的柴油发电机组和机械(机电复合)钻机的大功率柴油机组作为钻机动力。电网电力的现市场价一般为0.500～0.874元/(kW·h)。由此可以看出，利用电网电力作为钻机动力，经济效益会明显提高。

2 网电钻机技术改造方案

2.1 电动钻机技术改造方案

电动钻机改造的技术原理：电网高压电进入钻机装置的高压房，经变压器变为600 V/50 Hz交流电，替代钻机原配套柴油发电机组为钻机提供主动力，驱动绞车、泥浆泵、转盘等设备；由低压控制系统进行功率补偿和谐波抑制，同时提供400 V/50 Hz交流电，进入电机控制中心单元，为井场辅助设备及生活设施供电。

2.2 机械(机电复合)钻机技术改造方案

机械(机电复合)钻机改造的技术原理：电网高压电进入钻机装置的高压房，经高、低压控制驱动2台电动机，替代钻机原配备的2台柴油机为钻机提供动力。电动机可选用交流电动机、交流变频电动机和直流电动机。

交流电动机方案为选用2台1 000 kW交流异步电机+调速偶合器,代替2台柴油机正车偶合器机组，电机通过调速偶合器调速后驱动整体并车箱。

交流变频电动机方案为选用2台1 100 kW交流变频电机替代2台柴油机，依据选型电机的参数决定采用直驱式或加减速箱驱动。

直流电动机方案为选用2台1 100 kW直流调速电机替代2台柴油机，依据选型电机的参数决定采用直驱式或加减速箱驱动。

2.3 改造前后的性能对比

电动钻机网电改造是用网电装置代替2台柴油发电机组供电，机械(机电复合)钻机网电改造是用网电装置的2台电动机代替2台柴油机组作为钻机动力，两种方案中钻机其余结构和主要设备没有变化(图1～4)；在电网突然失电的情况下，仍可启用原保留的2台柴油发电机组供电或原1～2台柴油机为钻机提供动力。

图1 电动钻机改造前动力系统简图

图2 电动钻机改造后动力系统简图

图3 机械(机电复合)钻机改造前传动系统简图

图4 机械(机电复合)钻机改造后传动系统简图

3 应用效果

(1)河南油田第一台电动钻机网电改造为ZJ70D钻机，改造后承担了安深3-1HF非常规井施工作业任务。该井设计井深4 345 m，2012年8月14日开钻，2013年2月12日完钻，无故障累计运行3 770.64 h。河南油田第一台机械钻机网电改造为ZJ50L钻机，改造后已承担了云1-HF等3口井施工作业任务，无故障连续累计运行3 096.2 h。

(2)改造后的钻机，可大幅度降低钻井燃油成本，节约柴油机和柴油发电机组的大、中、小修费用，柴油机和柴油发电机组修理配件消耗费、燃油运输费大大降低，具有投资少、见效快、操作简便等特点，降低现场工作环境噪音和钻井机房人员的劳动强度。选用变频电机的网电改造方案，还可以实现大幅度调整泥浆泵排量、转盘转速和起下钻的速度，使钻机性能、可靠性、钻井速度得到大幅度提高，缩短钻井周期。同时由于电网的电力质量优于钻机原配套柴油发电机组提供的电力质量，因此使用电网电力也改善了钻机的工作性能。

4 今后改进的建议

(1)电动钻机网电改造。河南油田电动钻机网电先导改造方案中无功补偿装置采用的是电容补偿方案，电容的分配存在过补或欠补的现象；应采用动态无功补偿(SVG)方案。该方案优点是启动冲击小、动态响应速度快、效率高[2]，具有任意组合的连续补偿范围、优异的谐波输出特性以及超强补偿能力。

(2)机械(机电复合)钻机网电改造。河南油田机械钻机网电先导改造采用交流异步电动机+调速偶合器方案，存在泵冲、转盘转速均不可调，调速偶合器效率低，输出转速波动大，噪音大，现场环境改善不显著的问题；应采用交流变频电动机方案，该方案优点是泵冲可调，主电机可变速范围大，同一套网电装置能满足链条传动钻机和皮带传动钻机对输入转速要求；主电机特性与钻机特性匹配性好；噪音小、现场环境改善显著。

(3)ZJ30车载钻机网电改造。把单机泵组改造为电动泵组，用1台800 kW电动机并入车载钻机主机传动箱输入轴端驱动绞车、转盘，保留原车载钻机主机上的CAT柴油机组作为行驶和失电应急动力。