辅发并网技术在电动钻机中的应用

方永春，师远征，何　龙，赵　辉

（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依834009）

辅发并网技术在电动钻机中的应用

方永春，师远征，何龙，赵辉

（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依834009）

摘要：介绍了电动钻机辅助发电机并网技术及实施方案，通过实际应用以及现场测试，证明辅发并网供电不仅能满足钻井施工的要求，而且节能减排，降耗增效效果显著，在电驱动钻机上有较广阔的推广应用前景。关键词：辅发并网；电动钻机；升级改造；节能增效

1　引言

具有自备电站的电动钻机，其动力系统一般由3－5台主机和1－2台辅助的柴油发电机组组成。在正常钻井生产中，根据负载大小通常由主机单独或并网提供所需动力。按照常规要求，主、辅机不允许并网使用。在整个钻井周期中，主机负载率只有50%左右的运行情况比较常见，而且占比较高。因此，造成了燃油消耗高、效率低下、生产成本高等问题。经过实际调查研究，提出了动力系统的智能化管理和辅机并网的解决措施。通过对一套原装备的技术改造和升级，经DX1781水平井现场实际应用，取得了成功，达到了预期的效果。本文就其中的辅机并网控制技术予以介绍。

2　技术方案

2．1动力供电网络

一种典型的7000m直流电动钻机的动力供电网络如图1所示，其中，GEN1－GEN4为主机，一般为CAT35＋SR4或其他同等功率国产系列机组，单机参数为：3PH／50Hz、600V、1900kVA、0．7PF。根据功率需求，可以单机或多机并网运行，GUAX为辅机，参数为：3PH／50Hz、400V、400kVA、0．8PF。与主机通过600V／400V的变压器一起为辅助用电提供电源，常规要求这两路不能同时供电。

图1　 7000m电动钻机动力供电网络

2．2运行存在问题

按照标准要求配置的动力系统，在现场实际钻井生产中，发现存在以下问题：在相当长的钻井周期内，需要的动力在整台主机发电能力的110% －120%左右，少运行1台不够，多1台功率又余量较多，这种状况在许多使用电动钻机的井队普遍存在，特别是在直流电动钻机上更为严重，导致燃油消耗高、效率低下，运行成本居高不下等问题，在钻井成本费用控制要求越来越严，钻井利润与井队工人效益挂钩的大环境下使得许多井队使用电动钻机的积极性不高。

2．3改造技术方案

针对以上存在的问题，通过对现场实际运行情况的仔细观测和分析，认为造成这种问题的原因虽然很多，但主要原因是电网的谐波较大，造成功率因数较低，所需功率（包括瞬时功率）正好在整台主机的空档中间。谐波大、功率因数低是由于占电网70%的负载均为六脉动的变流装置，且所需功率处于整台主机的空档中间的实际工况所致。通过加装无功补偿或动态有源滤波可以解决谐波大和功率因数低的问题；能力匹配在已有钻机上，只要改变辅机不能并网的常规做法，允许辅机并网运行，这样在大多数情况下基本上就可解决，升级改造以此为目标设计技术方案。

3　技术措施

为实现上述技术方案，首先需要对原发电机组的并网控制功能进行升级，也就是达到允许辅机并网。由于主、辅机输出电压不同，中间又有变压器，不可避免地造成控制滞后，对此在设计控制系统和调试时应特别注意。其次，由于主、辅机功率不同，负载不能按绝对值分担，因此需要设计按百分比功率分担的均衡控制系统；第三，对辅机控制系统需要进行升级，使其控制能力与主机一致，即转速和电压的调节特性、功率均衡特性必须基本一致；第四，当实际增加的负载超过辅机允许的能力并且达到了规定的时限后，控制系统必须提示操作者。

4　改造过程

4．1辅机调速改造

拆除原辅机的调速板，设计与主机同一功能的调速板对辅机的燃油阀门进行控制，从而控制辅机的转速。由于主机调速功能通过AC模块经双闭环控制并以母线均衡方式进行控制，因此辅机的调速也必须同样采用AC模块或同功能模块经双闭环控制并以母线均衡方式进行控制。

4．2辅机调压改造

拆除原辅机的调压板，设计与辅机同一功能的调压板对辅机的励磁电流进行控制，从而控制发电机的电压。由于主机调压功能通过AC模块经双闭环控制并以母线均衡方式进行控制，因此辅机的调压也必须同样采用AC模块或同功能模块经双闭环控制并以母线均衡方式进行控制。

4．3辅机控制总成

对辅机进行调压和调速改造以后，还需要增加一套控制柜，主要器件有断路器、控制管理器等，实现允许辅机并网、按百分比分配负荷、自动微调压、微调速及智能控制功能等。

5　现场试验

2014年5月10日，钻井公司70207钻井队在DXHW1781水平井开钻，辅发并网试验也同时开始，钻井施工6个月后圆满完成任务。经过具有资质并被中石油认可的四川科特石油工业井控质量安全监督测评中心依据相关行业标准进行了实际测试，证明各项电气参数达到标准要求，燃油消耗量明显降低。测试相关数据如表1和表2所示。

表1　设备机组信息表

由测试数可知辅机并网后燃油消耗率下降明显，较全主机运行减少了36．1g／kWh，节能率达

15．2%。负载率较全主机运行模式提高了15．4个百分点，升幅达50．7%。有效减小燃油消耗，降低运行成本；③提高辅助机的使用率，尤其在辅助作业工程如电测、固井侯凝、装防喷器及其管线时。因此具有较广阔的推广应用前景。

表2　各项测试数据

6　结束语

经过升级改造的电动钻机通过实际的现场使用以及数据测试，证明辅发并网具有以下功能：①能完全满足钻井工艺的需要；②在同等工况下能

参考文献：

［1］孙亚平．柴油发电机组并网控制技术探析．移动电源与车辆［J］．2005，（2）．

［2］张奇志．电动钻机自动化技术［M］．北京：石油工业出版社，2006．

中图分类号：TE922

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）03—0045—02

作者简介：

方永春（1966－），男，汉族，湖北省枣阳县人，高级工程师，1990年毕业于江汉石油学院矿场机械专业。主要从事钻井设备技术管理工作。

收稿日期：2014－06－28

Application of auxiliary generator grid－connected technology in electric drilling rig

FANG Yong－chun，SHI Yuan－zheng，HE Long，ZHAO Hui
（Karamay Drilling Company of CNPC Xibu Drilling Engineering Co．，Ltd．，Karamay 834009，China）

Abstract：The auxiliary generator grid－connected technology and implementation plan of electric drilling rig are introduced．Through the practical application and the field test，it is proved that the auxiliary generator gridconnected power supply can not only meet the requirements of drilling construction，and has obvious effects of energy saving and emission reduction，consumption decrease and efficiency improvement．It also has a broad prospect of popularization and application on the electric drilling rig．

Key words：auxiliary generator grid－connection；electric drilling rig；upgrading reformation；energy efficiency