油田ZJ70/50型钻机直流网电改造

冯贵通

（中原石油工程公司钻井二公司 河南濮阳）

一、概述

在油田企业中，油气钻井勘探是能源消耗大户，钻机的节能改造是重点也是难点，多年来ZJ70/50型钻机一直采用3或4台大型柴油机提供动力，耗能高、污染重、噪声大，是钻井勘探无法改变的现实。经过多方面调研论证，对ZJ70/50型机械钻机实施直流电动机网电改造，大胆突破固定思维模式，用超大型电机替代柴油机，采用先进调速技术，控制直流电机的运行，用清洁的电能代替柴油，从源头解决了节能、环保问题，降低钻井队成本。

二、技术改造方案

1.机械部分改造方案

机械部分进一步简化，电机直接代替柴油机+偶合器正车减速箱。采用1000 kW直流电机替换900 kW的PZ12V190柴油机，直接输出动力到联动机。考虑到以后可能在ZJ70/50LDB钻机上使用，增加一个备用减速箱，把电机转速从1000 r/min降到600 r/min，输出动力到链条箱，较好地解决了通用性问题。在装配时把 1000 kW电机和减速箱装配在一个基座上形成整体。基座高、宽、长和柴油机的基座完全一致，形成模块化组装功能，方便现场安装。

2.电气部分改造方案

电气改造主要包括1000 kW直流电机的启停、调速，功率均衡，10 kV高压变压、功率因数补偿以及谐波治理，难点是电机的并车功率均衡控制。

（1）直流电机的启停、调速控制。采用大型可控硅数字控制技术，将600 V/50 Hz的交流电通过大功率可控硅（SCR）整流成0～750 V可调直流电，来驱动大型直流电机，转速可调范围在0～1200 r/min，2套1200 kW西门子可控硅整流柜，分别控制2台1000 kW直流电动机的启、停及调速运转及相应的过载、过流和短路保护等功能。可控硅控制技术在直流电动钻机使用多年，技术非常成熟，故障率低、易维护。

（2）电机并机功率均衡控制。ZJ70/50型钻机的动力是靠3或4台联动机，通过皮带传递动能到泥浆泵和绞车等设备。在传递动力时，存在泥浆泵和绞车负荷突变、皮带打滑和功率不稳定现象。2台电机并机时，经常出现一台电机过荷运转，而另一台空载运行，造成2台电机先后开关过负荷跳闸，影响钻井施工。采用可控硅数字调速技术和可编程序控制器联控技术，能较好地解决电机并机功率均衡难题。并机运行采用主从控制模式，先启动的为主机，后启动为从机，主机控制从机。PLC控制柜内的西门子G120可编程序控制器实时监控、比较2台可控硅柜输出到各自电机的功率、电流、电压，如果主可控硅柜输出功率增大，PLC控制从可控硅柜的增加输出功率，反之亦然，始终保持2台电机的功率一致，稳定运转。既可单独运行，也可2台并机运行，还有相应的过载、过流保护等功能。

图1 ZJ70/50型钻机网电改造动力系统图

图2 ZJ70/50JDB钻机网电改造后效果图

把地方10 kV网电用高压电缆接到井场，用10 kV的3150 kV·A变压器把高电压变成600 V电压供低压房。

提高功率因数、消除高次谐波的技术方案：由于井队用电量负荷大，在 1000～2600 kV·A，功率因数在 0.6～0.7，并且含有大量的高次谐波，地方供电局要求井队进行就地无功功率补偿及谐波治理，使功率因数在0.9以上，高次谐波消除90%，达不到指标就会罚款甚至停电。为达到标准，采取集中在600 V母线进行补偿的方式。经过计算，无功补偿及谐波抑制装机容量在1600kVar，5、7、11、次高次谐波容量组合按照 4∶2∶1 比例分配，就能满足功率因数和抑制高次谐波的需要。采用先进的智能型TSF-II控制技术，实现了实时采集数据分析电网谐波和无功功率进行补偿。

三、直流网电整体配套方案

1.网电动力方案（图1）

2台1000 kW直流电机可满足ZJ70钻机动力需求，用2台直流电机替换2台柴油机，通过万向轴输出动力到联动机或并车箱。留一台柴油机组作为应急动力。在特殊工况下，柴油机偶合器机组和电机可并车统一驱动。停电时间较长时，可以很方便将2台柴油机调换回来继续作业施工。

2.变压器功率配置

钻井的最大负荷是在二开12-1/4英寸井眼，井深3000 m，双泵的泵压在 17.24 MPa（2500 psi）时，计算总功率是2400 kV·A，所以选用容量为3150 kV·A的变压器作给井场供电，完全能满足井队施工的需求。ZJ70/50JDB钻机网电改造后效果图见图2。

3.电路分配

10 kV经高压房3150 kV·A变压器把10 kV高电压变成600 V电压到低压房，分成3路分别到直流柜控制直流电机、电容补偿柜提高功率因数、600/400 V变压器变400 V电压供井队其他设备使用。

四、实施效果

ZJ70/50JDB网电改造选择了吉林项目ZJ50JDB队，该地区有多条10 kV工业线路，满足网电改造条件。前期进行了10 kV线路架设，高压房、低压房和电缆的安装及调试。利用井队整改的间隙，只用4 h就完成了安装调试。井队二开12-1/4英寸井眼，双泵泵压17.24 MPa（2500 psi），缸套直径160 mm时，1#、2#电机最大负荷是2600 kV·A，总功率满足了井队负荷的要求。与柴油机相比电动机的启停方便，运转平稳、易维护，更没有跑冒滴漏的现象，井场噪声大大降低。

1.各项操控性能方便

在正常钻井工况下，司机根据工程的需要，通过电动机控制箱输出转速，调速范围在0～1200 r/min，满足了泥浆泵排量的要求，优化钻井工艺参数，提高了钻井速度。操作箱安装电机后面，便于现场人员操作和监测，该操作箱能显示电机运行的电流、电压和功率。

经过1年的运行，设备正常没有发生任何故障，达到设计要求。井队普遍反映直流网电设备调速性好，解决了泥浆泵调速问题，满足了钻井工艺的要求。功率因数由0.65提高到0.92，滤除了90%的高次谐波，达到地方电网的要求。

2.效益

ZJ50JDB队在2014年4月～11月钻井施工中，在二开大负荷钻进时，每天用电量是30 000 kW·h，起钻、下钻每天用电量是17 000 kW·h，改造前二开钻进柴油机每天消耗柴油7 t，起钻、下钻每天用柴油4 t。按每吨柴油6100元，网电电价0.91元/（kW·h）计算，每天可节省0.89～1.54万元。ZJ50JDB队网电改造后，在7个月的钻井施工中，用电2 180 000 kW·h，替代柴油508.6 t，仅柴油成本直接减少111.8万元。再算上两个队设备折旧费、维修费用、易损件更换费用、润滑油费用和油料运费等，可节省费用36.4万元。网电改造的总投资是458万元，在3年内就可收回。通过钻机的运行使用，证明网电钻机技术先进可靠，产生的经济效益明显，钻井越深、建井周期越长、节能效果越明显。

ZJ50JDB队在7个月施工中，仅CO2温室气体一项少排放1335 t，钻井作业现场减少了柴油和机油污染，噪声降低，对井场周边自然环境的影响减少，保护了地方生态环境。

五、结论

ZJ70/50型钻机直流网电改造，也可以在ZJ45型、ZJ30型钻机使用，增加网电钻机使用范围，利用高效清洁电能来驱动设备，替代了大量的柴油，在节能减排、环境保护方面效果显著。公司的钻机结构配置合理，钻机性能更加完善，展现了网电钻机在钻井勘探领域中良好的发展前景。