（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津南开 300381）
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摘要：针对原柴油机驱动钻机存在的问题，结合冀东、吐哈油田作业钻机所用柴油机消耗柴油的实际情况，提出利用低压直流电动机驱动钻机的改造方案，并对实际应用进行了效果跟踪。
该方案既充分利用了油田丰富的电力资源，节约了国家紧缺的能源，节省了钻井成本，又增加了直流电机、无级调速、耦合器、有源动态无功补偿及谐波治理装置、直流电机调速器等设备，提高了钻机工作的可靠性、先进性、经济性和安全性。在投入现场使用后表明，改造后的钻机不但经济效益显著，环境污染少，而且钻井速度明显提高，为以后各个油田柴油机驱动钻机的电动化技术改造探索了一条成熟的改造道路。
一、项目背景
ZJ50J钻机是八十年代兰州石油化工机械厂研制生产的中型钻机，长期以来一直是我国的主力钻机，在石油勘探开发领域发挥了巨大作用。随着驱动钻机的PZ12V190柴油机大修次数的增加，该钻机与上世纪九十年代研发生产的电驱动、复合式驱动钻机相比，逐渐暴露出一些弊端：钻井成本高、工作效率低下、动力匹配不合理、职工劳动强度大、环境污染大、不能满足现代钻井HSE工作要求等。现今大部分钻井队投运的ZJ50J钻机(西部钻探、渤海钻探、大庆钻探等)都是八十年代的产品，已使用了10多年，大修过多次，设备日益老化，其驱动方式在使用中存在的缺点是：
1.可靠性低：柴油机使用时间长、结构复杂、容易出故障；
2.钻井成本高：每部钻机每年消耗柴油约115吨，机油15吨，随着油价的不断盘升，导致钻井成本高；
3.环境污染大:柴油机跑、冒、滴、漏严重，对环境造成很大的污染；
4.不能调速:无法完全满足固井、定向井、水平井等特殊钻井工艺要求。
5.噪音大：对职工身体有影响，在城市周边不能应用。
2014年2月，我公司根据客户和市场需求，提出了对现有的ZJ50J钻机进行油改电的设想，并成立了课题攻关小组，先后选派主管项目的工程师到兰州石油化工机械厂、江苏航天动力电机厂、西安西玛电机厂、ABB等几个单位对油改电项目进行了调查论证，制定了三套改造方案，2014年4月下旬开始设备的外购和电气控制系统的设计与制造，研发了钻机油改电综合设备。2014年8月首台设备在新疆某ZJ50J钻井队进行安装、调试和试运行，取得成功。目前该技术先后在新疆、内蒙古、冀东油田等多区块多口井使用，取得了显著的经济效益和社会效益。
二、改造方案
1.方案描述
1.1 机械传动：将原来驱动钻机的三台柴油机更换为两台1000KW的直流电机电动机+一台800KW的柴油机，分别经球笼式万向轴、空气耦合器合器、与原减速器对接，直流电机和耦合器中心高与原柴油机中心高高度一致，在紧急情况下使用柴油机备用。
1.2 电控系统：电控系统有三个模块组成：高压室、变压器室、低压室，整体装载以集装箱式箱变内便于运输。将油田10KV的高压电直接引入高压房，高压进线房装有高压进线柜、CT柜、PT柜等；变压器室为1250KVA干式变压器，低压室包含低压进线柜、有源动态无功补偿及谐波治理装置、直流调速装置、PLC控制屏等，PLC控制屏控制三台电机的启动、停止、紧急停车；显示屏显示电流、电压、频率、功率和无级调速器的输出转速等。通过电控系统，能够向钻井队提供合格的动力及能源输出。
1.3 原ZJ50J钻机改造前后传动系统示意图
图2钻机改造后传动系统示意图
2．钻机油改电优点
2.1 采用直流调速器加直流电机的驱动模式，①保护电动机，避免其过载、堵转；②每台电动机出力均衡；③起到缓冲、吸振、柔性传递的作用；④采用低压电控系统集中控制，保护功能齐全，可靠性高，操作简便；无极调节电机转速。
2.2 采用低压直流电机，电压等级低，安全性高，同时采用移动箱变式变电站，不但节约了投资，还便于搬家、安装。
2.3采用了气动耦合器。可用于多种类型的钻机。既可以用于新式钻机，也可以对现在应用多台柴油机驱动，经过皮带并车的钻机进行技术升级；没有电网的地方作业时，可以方便地把电动机换成柴油机，恢复原驱动形式。
2.4 采用可靠微机保护装置，对人身、电机和电网进行保护。
2.5 采用有源动态无功补偿及谐波治理装置(SVG)，动态补偿系统无功，治理谐波，响应速度快，节能效果显著。
2.6避免传统钻机无跑、冒、滴、漏现象，降低了工人的劳动强度，减少了环境污染，符合HSE的规范要求。
3 新技术的应用情况
3.1在国内油田将低压直流电动机引入市场，并且用直流电动机作为驱动钻机的动力源，简化了电路，提高了效率；
3.2国内油田首次使用移动式箱变电控系统，给直流电机供电并对其进行控制和保护；
3.3对三台高压电机采用微机保护，设置有速断、过电流、过负荷、低电压、零序等保护功能，确保人身、电机、电网的安全；
3.4控制回路加装了UPS，适应油田负荷突变实际工况、电压降低时，控制电源维持衡压，提高电控系统的可靠性；
3.5、PLC电控系统与直流调速装置配合使用，能保证电机安全、稳定运行。
三、钻机油改电后现场使用情况及应用前景
经过改造后总功率由1987KW增加到的2000KW外加一台备用柴油机，扭矩由6429N•m增大到9838N•m，进一步提高钻机的钻井速度以及及处理事故的能力；气压泵的冲数由95冲/分，提高至125冲/分，达到额定冲数，增加了泵的排量和压力；转盘的转速 58-222rpm；大钩提升速度为0.17-1.74m/s；电机启动时的高压电流为12A，启动时间为15秒，对电网无冲击，平均功率因数为0.95， 噪音由原来的110分贝减小至65分贝，振动明显减小, 未出现过故障，完全满足使用要求。
2014年1月至2014年7月，50592钻井队在丘陵区块进行钻井作业，在该区块已完成5口井，平均钻井月速度为2678.2米，平均机械钻速为7.44米。2014年8月设备改造后在该区块共打4口井，平均月速度为3687米，平均机械钻速为10.24米。通过计算可知，钻井月速度提高了1008.8米，即37.67%，机械钻速提高了2.8米,即37.6%。
50592钻井队钻机电动化改造后打的第一口井是HUJ2井，共计用电36万度，共计费用36*1.2=43.2万元；同期钻井队相同井位平均耗油145吨，共计费用：145*0.61=88.45万元，成本节约50%左右。
在50592钻井队钻机改造成功后，公司对“油改电”技术进行了推广应用，先后在冀东油田、吐哈油田、克拉玛依油田进行了推广应用，效果非常好。
由于目前各油田大部分钻机依然采用柴油机驱动方式，而且各油田随着工业电网的不断发展，油田电网密布，不存在电力不足的因素。而石油资源为战略资源，储量进一步减少。因此，为了提高钻机工作的可靠性、先进性和经济性，降低钻井成本和工人的劳动强度，降低噪音、减少污染，对使用柴油机驱动的钻机进行“油改电”技术改造已成必然趋势，推广应用前景非常广泛。
参考文献
[1] 刘庆.交流变频电驱动钻机起升系统仿真研究[J].石油矿场机械，2011，40(2):10-15.
[2] 谭刚强，王豫等.钻机油改电功率补偿和变频技术研究.石油矿场机械，2012，41(1):14-19.
[3] 张洪光.石油电动钻机的无功补偿及谐波治理.电气传动自动化，2009，31(5):35-38.
作者简介：张学群（1985.2—），男，山东临沂人，西南交通大学电力系统及其自动化专业 研究生 硕士，工程师，单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司，研究方向：市政电气供配电系统设计
论文作者:张学群1,苏丕朝2,于斌2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/25
标签：钻机论文; 柴油机论文; 油田论文; 钻井队论文; 直流电机论文; 低压论文; 谐波论文; 《电力设备》2017年第5期论文;