钻机油改电技术与钻井工艺适应性研究.pdf

2 0 1 1 年 第 4 O 卷 第 6期第 2 9页 石油 矿 oI L FI ELD 场 机械 E QUI PMENT 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 1 0 6 0 0 2 9 0 5 钻机油改电技术与钻井工艺适应性研究 谭 刚强 ， 王 豫 ， 沈凡儿 ， 张 洪 ， 张 建 ， 孟 军 1 ． 川庆钻探工程有限公 司 装备处 ， 成都 6 1 0 0 5 1 ； 2 ． 川庆钻探 工程有 限公 司 川东钻 探公 司 ， 成都 6 1 0 0 5 1 摘要 石油钻机利用高压电网供 电的电驱动方式可消除排放 、 降低噪声 ， 获得较好的节能效果。分 析 了高压电网全场供电的总体方案 、 变频 电机驱动方案、 高低压 配电安全性及无功补偿效果， 并进 行 了变频 电动机 与钻机 机械 传 动的适 应性研 究。 关键 词 钻机 ； 油 改 电； 钻 井工 艺 ； 适应 性 中 图分类 号 TE 9 2 2 文 献标识 码 A Te c h n o l o g y a n d S t u d y o f Po we r Gr i d Dr i v e o f Oi l Ri g TAN Ga n g q i a n g ， W ANG Yu ， SHEN Fa n e r ， ZHANG Ho n g ， Z HANG J i a n 。 ， MEN J u n 1 ． Eq u i pme n t d e p a r t me n t ， CNPC Ch u a n q i n g Dr i l l i n g En g i n e e r i n g Co ．， Lt d ．， C h e n gd u 6 1 0 0 5 1 ， C h i n a ； 2 ． CCDC C h u a n d o n g Dr i l l i n g C o mpa n y， Ch e n gd u 6 1 0 0 5 1， Ch i n a Ab s t r a c t H i g h v o l t a ge e l e c t r i c i t y po we r gr i d i s u s e d f or d r i v i ng r i g i ns t e a d o f d i e s e l e ng i ne ge ne r a t o r s e t s ， wh i c h c o u l d e l i mi n a t e e mi s s i o n a n d r e d u c e n o i s e a n d p r e f e r a b l e r e s u l t wa s a c h i e v e d ． Th e VF D VF mo t o r t e c h n o l o g y wa s a d o p t e d ． Th e g e n e r a l p r o g r a m ， i n t e g r a t e d t r a n s mi s s i o n ， s a f e t y o f h i g h a n d l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n ， a n d r e a c t i v e c o mp e n s a t i o n a n d i t s e f f i c i e n c y we r e a n a l y z e d ． Th e s t u d y o f s u i t a b i l i t y o f VF D4 - VF mo t o r t e c h n o l o g y a n d r i g t r a n s mi s s i o n we r e s t u d i e d a s we l 1 ． Ke y wo r d s dr i l l i ng r i g； d i e s e l p owe r t o e l e c t r i c i t y p owe r； d r i l l i ng p r oc e s s i n g； s ui t a bi l i t y 石油钻机通常的驱动方式包括柴油机直接驱动 和柴油发电机组 问接驱动 ， 油耗高 ， 噪声 和排放 较 大 。近年来 ， 随着电网的不断发展 ， 通过电网电力驱 根据油井井况和使用工况 ， 对 柱塞开 口阀罩这一薄 弱环节进行改进 ， 有利于减少开 口阀罩断裂事故 的 发生 ； 采取措施后收到了一定的效果。抽油泵生产 企业应结合用户 ， 跟踪抽油泵的工作失效情况 ， 找出 适宜油井使用 的设计方案 ， 延长抽油泵的工作时间。 参考文献 [ 1 ] 于新哉 ， 王志 明， 王泽 香 ， 等． 特种杆式抽油泵结构 优化 设计 r- J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 2 7 1 7 4 ． [ 2 ] 汪建华． 抽油泵 柱塞和泵 筒环 隙漏失 量计算 的新公 式 动钻机的可能性越来越大 ， 国内各大油 田在电网覆 盖范围内逐步开始采用 网电驱动钻机 引。针对川 渝地区电网分散及钻井工况复杂 的实际情 况 ， 在川 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 3 5 8 6 1 ． 于新 哉 ， 王 泽 香 ， 李 永兵． 双作 用 抽 油泵 研 制 与应 用 [ J ] ． 石 油矿场 机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 4 7 6 7 8 ． 杨从新 ， 梁杰 ， 常素 玲． 部 分流泵 的三维 流场数 值模 拟及 叶片研究 E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 5 2 2 2 6 ． 李庆海 ， 李志广 ， 阮刚， 等． 新 型可控多 功能底阀抽油 泵研制与应用 _ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 7 8 0 8 3 ． 谢义华 ， 杨 静． 深井抽油泵失效分 析及控制措施 [ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 4 ， 3 2 6 6 4 6 5 ． 张延水 ， 宋念友． 抽油泵游动 阀改进设 计[ J ] 。 石油矿场 机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 0 5 7 5 9 ． 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 1 基金项 目 中国石油集 团川庆 钻探 工程 有限公司 “ 钻机油改 电驱 动技术 ”项 目 2 0 1 0科通字第 1 0 5号 作者简介 谭刚强 1 9 6 1 - ， 男 ， 湖南湘潭人 ， 教授级高级工程师 ， 主要从 事石油装备管理工作 。 ] ] ] ] ] 石油 矿场机 械 2 0 1 1 年 6 月 东 和j i I 西组 织 了油 改 电项 目试 验 ， 取 得 了 较好 的节 能减排效果。 1 钻机油改 电驱动 总体 方案 钻机网电驱动方案主要包括外围供电和全场供 电 2种方案 。外围供电时网电仅代替原 2台柴油发 电机组供 电， 保留机房柴油机组驱动 ； 全场供电除机 房保留 1 ～2台柴油发 电机组备用外 ， 井场通过网电 供电， 整传箱通过电机 驱动。本 文重点研究全场供 电方案 如 图 1 。 柴油机组通过液力偶合器／ 正车减速箱及万 向 节驱动整传箱 。安装时将 柴油机组 2 、 3拆下 ， 换装 2台 电 动机 组 ， 电 动机 组 联 接 盘 直 接 通 过联 轴 器 与 液力偶合器连接或通过联轴器与涡轮变矩器相连 。 电动 机组 的轴 承座 输 出有 6 4 0 mm 和 7 6 0 mm 两 种 联轴器中心高度 ， 可适应不同的钻机。 在井场分别安装高压房和低压房 ， 将高压网电 引入高 压房 ， 经 变压 后 供给 低 压房 和 VF D ／ MC C 房 。网电供电时， 2台辅助柴油发 电机组和机房 柴 油机组停 止 工作 ， 高压 房分 别 向低 压 房 和 VF D／ MC C房提供 6 0 0 V和 4 O O V 电压。低压房电机传 动柜驱动 2台电动机组运行 ， 为钻机整传箱提供动 力 。低压房故障但高压电源正常时 ， 直接启动机房 柴油机组即可继续作业 。高压 电源短时间故障或临 时停电时 ， 将高压房／ 发电房互锁开关切 向发 电房供 电， 启动辅助柴油发 电机组和柴油机组 可继续钻井 作业 。高压电源长时间故障或长时间停 电时 ， 可将 2套电动化机组拆下 ， 换装原来的 2套柴油机组 即 可恢复钻井作业 。 辅 助发电机 1 辅 助发电机 2 l 泥 浆 泵 2 一 I液 力 偶 合 器 ／变 矩 器 卜{柴 油 机 组 8 1。 kW ／l 3 oo r／ n 整 传 一- I液 力 偶 合 器 ，变 矩 器卜_ 二 电 动 化 机 组 I-bt 箱 巫 液 力 偶 合 器 ／ 变 矩 器 电 动 化 机 组 2 广 j40o 4 o ov l 图 1 机械／ 转盘 电驱动钻机 全场油改电总体方案 高压房是将高压配电设备 、 变压器 、 无功补偿设 备等装入移动配 电房内 ， 电力变压器输入输出为 1 0 k V／ O ． 6 k V／ o ． 4 k V， 带 自动有载调压装置以适应电 网电压波动 ， 变压器原 副边均设有高、 低压断路器 ， 起隔离 、 控制和保护作用 ， 高压侧还设有避雷器 、 接 地检测 、 计量仪表和微机控制等辅助器件。低压房 包括传动柜及配电柜 。 2 电机驱 动方案 电机拖动方案通常包括软启动、 直流电传动、 交 流变频电传动 3种方案。 软启 动 交 流 电动机 方 案 的特点 是 原 理 简单 、 操作容易、 维护方便 ， 其缺点是启动电流大。由于电 机恒 速运 转 ， 无 功波 动 较 大 ， 无 功 补 偿 的支 路 较 多 。 由于抑 制部 分谐 波 的需 要 ， 对 电抗 器 和 电容 器 的配 合要求较高 。软启动驱动方案若采用原装液力偶合 1 0 k V 电l斓 器则调速范 围小 ， 为兼顾绞车高速和泥浆泵低速 ， 需 设定整传箱工作速度 ， 在此速度下 ， 泥浆泵缸套磨损 加 快 ， 更 换次 数 多 ， 同时不 利 于处理 井下 复杂 工况 。 整流器直流电机电传动方案采取直流电动机 直接驱动并车箱 的形式 ， 调速性能好， 可满足要求 。 但直流传动功率 因数低 ， 需加大无功补偿容量 ， 电机 长 期处 于低 速状 态 ， 电流 大 ， 发 热严 重 。 变频电动机直接或通过液力偶合器驱动整传箱 的方案节能效率高 ， 调速范围宽， 调速响应时间可满 足钻机调速要求 ， 变频 电动机组与柴 油机组撬座尺 寸完全相同， 柴油机房无需做改动 ， 具备较好的互换 性 如图 2 。变频 房 内 P L C柜可控制变频 器实现 变频电动机的并车 、 同步 、 调整 、 参数 整定 以及转速 给定等 。司钻控制箱和柴油机房共 3 个控制箱通过 P R OF I B US DP总线 进 行 通 讯 ， 司钻 控 制 箱 可 显 示 电机转速、 工作状态以及紧急停车操作 ， 机房内 2台 第 4 O卷 第 6期 谭刚强 ， 等 钻机油改 电技术 与钻井 工艺适 应性研究 控制箱可显示 电机转速 、 电流值等， 并进行 电动机的 启停操作 ， 同时具有检修锁定按钮 。钻进工况下 ， 司 钻可给定转速 ， 通过控制 电机速度 ， 模拟柴油机油门 调速 ， 实现泵冲数的调整 ， 也可在泵 冲数允许范围内 实现转盘速度的调整 。起钻工况下 ， 转盘停止工作， 泵和绞车工作 ， 绞车在高或低挡时， 司钻可通过电机 给定手柄 ， 模拟柴油机油 门控制功能进行调速。循 环工况下 ， 转盘和绞车均停止工作 ， 司钻可将变频 电 动机速度给定手柄归零 ， 模拟柴油机怠速状态， 在较 低泵冲下进行泥浆液 的循环。 图 2 变频驱 动总体方 案 3 高低压配 电安全性及无功 补偿原 理 3 ． 1 高低压配电安全性 钻机油改电高低压配电及无功功率补偿原理如 图 3所示 。安装 时， 将原发 电房至 MC C房 的供 电 电缆拆下 ， 将发电房 4 0 0 V供 电输出端子与高压房 4 0 0 V输人端子连接， 将 高压房 4 0 0 V输 出端子与 VF D ／ MC C房 4 0 0 V输入端 子和变频房 4 0 0 V 输 入端子连接。将高压房 6 0 0 V输入 端子与变频 房 6 0 0 V输入端子连接。 正常工作时 ， 辅助发电房和柴油机组停止工作 ， 高压房 6 0 0 V输出到变频房变频柜 ， 驱动变频电动 机组 ， 高 压 房 4 0 0 V 电 源 输 出 到 变 频 房 和 VF D／ MC C房。井场 电磁刹车、 探照灯及井控房等特殊电 源 在 V F D ／ MC C房 总开 关 前 端 供 电 。当 变频 电 动 机因系统故障临时停机而 4 0 0 V 电源仍 能供 电时 ， 在整传箱上断开 电机离合器 ， 启动柴油 机组工作 。 处理好故障后立即切回变频 电动机驱动。高压 电源 因故障停止供电时， 可将高压房 4 0 0 V互锁开关切 向辅助发电机房 ， 启动辅助发 电机供电， 同时启动柴 油发电机组 ， 即可继续钻井作业 。当变频驱动停止 时间较长时， 可拆下变频电动机组 ， 安装拆下的 2套 柴 油机 组 。 由图 3可知， 4 0 0 V互锁安装开关设置在高压 房， 既符合供 电局要求 又消 除了双电源安全 隐患。 部分钻机的用电负荷接在发 电房输 出端， 需要进行 改造 ， 将 负荷转 到 VF D／ MC C房供 电。应 注意 的 是 油改电工 作时， 严禁将 VF D／ MC C房 4 0 0 V输 入端子与发电房 4 0 0 V输出端子连接 1 3 ． 2 无 功 补偿 钻机装机容量大 ， 需要足够 的无功功率建立正 常的电磁场 ， 故功率因数低 ， 需要从电网提供更多的 无功功率， 但功率因数不能低于供电局规定 ， 所 以需 要无功补偿装置来补充无功功率 。采取无功补偿与 谐 波治 理有 机结 合 ， 避 免谐 波放 大和 发 电机振荡 ， 三 相补偿动态响应时间控制在 2 0 ms以内， 零电流投 切技术确保投切无涌流、 无冲击。高速信号处理器 进行快速 F F T 傅立 叶变换 算法精确检测计算 电 压、 电流等 9 项参数 ， 保证智能配电综合监控终端从 数据采样计算到发出投切命令时间在 1 0 ms 以内。 石 油矿 场机 械 2 0 1 1年 6月 _ H 1 I 】k V ⅡL l 1 f l 低压柜 I 1 一 i I 坦 D 2 一 J 【． ． J o0 vi J 】、 I Al i 000A 了 I ；f i I l I 2 1 r ⋯ ⋯ F j l “ 眦 ＼ l ＼ i ＼ 1 Q 1 ＼Q 2 ＼Q 3 ＼Q 4 ＼ j 1 1 1 1 1 电 森 卉 【 磁 照 控 刹 灯 房 L 』 一 l I＼ { { } t I l { 图 3 钻机油改电高低压配 电及无功功率补偿 原理 4 油 改电试 验及钻 井工艺适应性 4 ． 1 试 验 情况 2 0 1 1 - 0 1 3 1 0 2 2 0 ， 在 峰 0 0 7 ～ H3井采 用变 频 电动机直接驱动整传 箱方案进行 试验 。双电机驱 动 ， 钻进时电动机转速约为 3 8 0 r ／ rai n ， 起钻 时转速 约为 9 2 0 r ／ rai n ， 每 台电机 电流约为 4 5 0 A。2 0 1 0 ～ 0 9 1 5 1 0 3 0 ， 在岳 1 0 1 - 2 0 一 X 2井采用变频电动机通 过液力偶合器驱动整传箱方案进行 了试验 。双电机 驱动， 钻进 时每 台 电机 电 流 为 2 7 0 A， 电机 转 速 1 0 0 0 r ／ rai n ， 起下钻工况每台电机电流为 2 6 0 ～3 0 0 A， 电机转 速 9 0 0 r ／ rai n ， 电机 调 速 范 围为 4 0 0 ～ 1 0 0 0 r ／ mi n 。6 0 0 V 电源功率因数保持在0 ． 9 8 ， 4 0 0 V电源功率因数保持在 0 ． 9 9 。 由峰 0 0 7 一 H3 井 试验可知 ， 变频 电动机 直接驱 动整传箱时 ， 整传箱低转速时变频电动机转速较低 、 电流较大且输 出功率不足 ， 电动机长时间工作 电流 为 6 O O ～9 0 0 A， 散热要求较高。由岳 1 0 1 2 0 一 X2井 试验可知 ， 变频 电动机通过液力偶合器驱动整传箱 时， 由于液力偶合器的特性 ， 在整传箱低转速时变频 电动机转速较高， 在整传箱高转速时电动机转速上 升并不很高， 同时工作 的 2台电动机的工作电流保 持在 3 0 0 4 0 0 A左右 ， 电动机散热要求不高。2台 油改电设备 的功率 因数均控 制在较I 为理想 的范 围 内， 符合供电局规定 。 4 ． 2 变频 电动 机加 液 力偶合 器传 动型 式 柴油机组输 出功率通常为 8 1 0 k W， 输出扭矩为 6 0 0 0 N 12 1 ， 转速范围为 8 0 0 1 3 0 0 r ／ rai n ， 通常工 第 4 O 卷第 6 期 谭刚强 ， 等 钻机油改 电技术与钻井工艺适应性研究 作在 1 2 0 0 r ／ mi n左右。柴油机组从低速 向高速增 加时 ， 扭矩很快增加到最大值然后开始下降， 功率随 转速不断上升 ， 直接超过最 高转速后瞬间下 降即熄 火 如 图 4 。 变频 电动机 的转速上升 到额定 转速前为恒转 矩 ， 功率随之上升 ， 当超过额定 转速 时转矩 开始下 降， 而功率为最 大值 ， 即恒功率区。由此可见 ， 变频 电动机 的负载特性与柴油机组不 同， 在额定转速以 下 ， 变频电动机输 出最大转矩值且恒定 ， 功率与柴油 机组一样呈上升趋势 ； 当达到额定转速时， 其转矩与 柴油机组一样开始下 降， 而功率却一下输出最大值 且恒 定 如 图 5 。 扭矩M， ／ N 1 2 1 功率 ／ k W n e ⋯ 转速n i n - 图 4 柴油机负载特性曲线 功率P ／ k W 转矩MI N m 图 5 变 频 电动 机 负 载 特 性 曲线 由此可见 ， 变频 电动机的低转速大负荷工作能 力优于柴油机组 ， 且可在较低的额定转速下达到最 高功率的恒定输 出， 并可在较低 的额定转速下进入 最 大功 率输 出状 态 ， 因此 变 频 电 动机 的负 载 特 性 明 显优于柴油机组 。故可将变频电动机的参数设计为 功率 8 0 0 k W 左右 ， 最大转矩为 1 0 0 0 0 N m， 额定 转速为 7 4 0 r ／ mi n ， 考虑到液力偶合器的油泵油压与 转速有关 ， 变频 电动机 的给定转速可设定为 4 0 0 ～ 1 3 0 0 r ／ mi n。 4 0 0 0 7 0 0 0 m 钻机 在井 深 2 2 0 0 m 时泥 浆泵 功率较大， 泥浆泵及转盘总使用功率最大可达 l 5 0 0 k W， 同时启 动 2台 8 0 0 k W 电机 即可满足要求 ， 井 深 2 5 0 0 m左右时泥浆泵使用功率为 6 0 0 k W， 正常 钻井及下钻时启动 1台 8 0 0 k W 电机即可， 深井起 钻工况下绞车最大功率为 1 4 0 0 k W ， 启动 2台变频 电动机即可满足要求 。 4 ． 3 油 改电对 川渝 地 区复杂钻 井工况 的适应 性 J f 『 渝地区石油钻井工况复杂 ， 采用油改 电驱动 后 ， 整传箱实现了低转速大扭矩驱动， 在井下复杂工 况时 ， 油改电驱动时绞车能够在悬重较大时低速提 升 ， 减小 了钻井事故的发生机率 ， 具备 了电动钻机的 优势 。对 于机 械钻 机 而言 ， 井 下工 况复 杂 时 ， 转盘 可 实现低转速大扭矩旋转 ， 这也是软启动加交流 电动 机驱动整传箱在川渝地区不适用的原因之一 。在备 用柴油机组万 向轴 处安装 霍尔传 感器 后 ， 可通 过 P L C实现变频 电动机组与备用柴油机组 的并 车运 行 ， 满足川渝地区钻井负荷 的要求 ， 使油改电设备能 适 应 7 0 0 0 m 以内的所 有钻 机 。 5 结论 1 试验和传动分析均表 明， 变频 电动机通过 液力偶合器驱动整传箱的方案明显优于变频电动机 直接驱动整传箱的方案。 2 钻机全场网电供电总体方案是较为理想的 方案， 互换性强 ， 可满 足高压 电网正常供 电、 临时停 电和无电等各种工况 。 3 高压房具备 双电源互锁功能， 提高了用电 的安全性 。 参考文献 [ 1 ] 刘 庆． 交流变频电驱动钻机起升系统仿真研究I J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 2 1 0 1 5 ． [ 2 ] 孙 娟 ， 王定亚． 我 国直 流电驱动钻机 现状 及发展方 向 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 4 1 9 2 2 ． F 3 ] 郑有 理 ， 龚治斌 ， 韩 国英 ， 等． 5 0 0 0 m 交直 流复合 电驱 动钻 机应 用[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 9 7 1 7 4 ． [ 4 ] 戴树 涛 ， 税理 中 ， 董 云飞． 钻机 网电拖动 系统谐 波抑 制 研究 _ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 7 1 9 2 3 ． 1- 5 ] 董云飞 ， 戴树涛 ， 卢 群辉 ， 等． 钻机网电拖动技术改造 的 方案 [ J ] ． 甘肃科 技 ， 2 0 0 8 ， 2 4 1 3 1 3 1 5 ． [ 6 ] 张奇 志 ， 贺昱曜 ， 李琳 ， 等． 井场 电网动态无功补偿 技 术 r J ] ． 石油矿 场机 械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 6 2 5 2 8 ． [ 7 1 王豫 ， 谭刚强 ， 孟军 ， 等． 钻机接零保护技 术研究 与 实践C J 3 ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 2 5 3 1 ．