鉆機油改電技術改造

1、鉆機油改電技術改造喻著成 梁子留 葉生莫(西部鉆探國際鉆井公司)摘要：針對原柴油機驅動鉆機存在的問題，結合吐哈、玉門油田作業(yè)鉆機所用柴油機消耗柴油的實際情況，提出利用高壓電動機驅動鉆機的改造方案。該方案既充分利用了油田豐富的電力資源，節(jié)約了國家緊缺的能源，節(jié)省了鉆井成本，又增加了高壓電機、無級調速偶合器、優(yōu)質高壓補償電容器、可調的微機保護裝置、液態(tài)電阻軟啟動器等高新技術設備，提高了鉆機工作的可靠性、先進性、經濟性和安全性。在投入現場使用后表明，改造后的鉆機不但經濟效益顯著，環(huán)境污染少，而且鉆井速度明顯提高，為以后各個油田柴油機驅動鉆機的電動化技術改造探索了一條成熟的改造道路。一、項目背景ZJ5

2、0J鉆機是八十年代蘭州石油化工機械廠研制生產的中型鉆機，長期以來一直是我國的主力鉆機，在石油勘探開發(fā)領域發(fā)揮了巨大作用。隨著驅動鉆機的PZ12V190柴油機大修次數的增加，該鉆機與上世紀九十年代研發(fā)生產的電驅動、復合式驅動鉆機相比，逐漸暴露出一些弊端：鉆井成本高、工作效率低下、動力匹配不合理、職工勞動強度大、環(huán)境污染大、不能滿足現代鉆井HSE工作要求等。原吐哈油田有ZJ50J鉆機13套，為上世紀80年代投產鉆機，已使用了10多年，大修過多次，設備日益老化，其驅動方式在使用中存在的缺點是：1.可靠性差：柴油機結構復雜，容易出故障；2.鉆井成本高：每部鉆機每年消耗柴油約115噸，機油15噸，隨著油

3、價的不斷盤升，導致鉆井成本高；3.環(huán)境污染大:柴油機跑、冒、滴、漏嚴重，對環(huán)境造成很大的污染；4.不能調速:無法完全滿足固井、定向井、水平井等特殊鉆井工藝要求。2002年2月，吐哈指揮部提出了對現有的ZJ50J鉆機進行油改電的設想。原吐哈鉆井公司成立了課題攻關小組，先后選派主管項目的工程師到蘭州石油化工機械廠、寶雞石油機械廠、江蘇大眾電機廠、天水機床廠、西安儀表廠、湖北襄樊電機廠、山西永濟電機廠等7個單位對油改電項目進行了調查論證，制定了三套改造方案，于2003年3月先后兩次向局領導、公司領導、科技處等部門進行了方案匯報。2003年5月，鉆井公司批準了優(yōu)選后的技術改造方案，2003年8月下旬開

4、始設備的外購和電氣控制系統(tǒng)的設計與制造，2003年11月在50551鉆井隊進行安裝、調試和試運行，取得成功。該技術先后在多口井使用，取得了顯著的經濟效益和社會效益。二、改造方案1.方案描述1.1 機械傳動：將原來驅動鉆機的三臺柴油機更換為三臺800KW的高壓電動機，分別經三臺液力減速偶合器、球籠式萬向軸與原減速器對接，高壓電機、液力減速偶合器中心高與原柴油機中心高高度一致，確保沒有油田電網區(qū)域作業(yè)時，快速恢復原來的柴油機聯(lián)結、驅動方式。1.2 拆除壓風機：在其位置上安裝1臺37KW/400A的電動機+減速器，當電網出現故障時，起應急作用（可以提起鉆具或轉動轉盤活動鉆具，以防卡鉆）。1.3 電控

5、系統(tǒng)：將油田10KV的高壓電直接引入高壓進線房，高壓進線房裝有高壓進線柜、CT柜、PT柜等；高壓電控房裝有高壓電機啟動器柜、變壓器、低壓出線柜等；控制屏控制三臺高壓電機的啟動、停止、緊急停車；顯示屏顯示電流、電壓、頻率、功率和無級調速器的輸出轉速等。1.4 原ZJ50J鉆機電動化改造前的傳動示意圖11.5 ZJ50J鉆機電動化改造后的傳動示意圖2.相關的改造參數 技術參數項 目總功率(KW)最大扭矩(NM)泵沖數(r/min)大鉤提升速度(m/s)轉盤轉速(r/min)大鉤提升載荷(T)改造前19876429950.151.4155-135300改造后240071251190.171.6459

6、-2123503.鉆機油改電特點3.1 放棄此前國內外鉆機眾多的驅動方式，采用多臺高壓電動機加調速液力偶合器，通過皮帶或鏈條并車，高壓電控系統(tǒng)控制，聯(lián)合驅動鉆機。3.2 直接采用10KV或6KV的高壓電動機，省去一臺大型變壓器，不但節(jié)約了投資，還便于搬家、安裝。3.3采用了調速液力偶合器。一是保護了電動機，避免其過載、堵轉而燒壞；二是每臺電動機出力均衡；三是起到緩沖、吸振、柔性傳遞的作用；四是采用高壓電控系統(tǒng)集中控制，自保功能全，安全性、可靠性高，操作簡便；五是可用于多種類型的鉆機。既可以用于新制造鉆機，也可以用于對現在使用的多臺柴油機驅動，通過鏈條或皮帶并車的鉆機進行技術改造和技術升級；六是

7、到沒有電網的地方作業(yè)時，可以極其方便快捷地把電動機換成柴油機，恢復原驅動形式。3.4 采用可靠并且可調的微機保護裝置，對人身、高壓電機和電網進行保護。3.5 采用優(yōu)質高壓補償電容器對電機進行直接無功就地補償，節(jié)能效果顯著。3.6 自保功能齊全，基本實現無人看護，并且無跑、冒、滴、漏，降低了工人的勞動強度，減少了環(huán)境污染，符合HSE的規(guī)范要求。 3.7調速正車裝置與高壓電機及鉆機傳動系統(tǒng)互相匹配，確保調速正車裝置系統(tǒng)正常工作時在高效區(qū)。4.新技術的應用情況4.1在國內油田首次直接將10KV高壓電引入電動機，并且用高壓電機作為驅動鉆機的動力源，簡化了電路，提高了效率；4.2國內油田首次使用移動式高

8、壓電控系統(tǒng)，給高壓電機供電并對其進行控制和保護；4.3首次使用無級調速正車裝置對鉆機進行無級調速，調配多臺高壓電機使之出力均衡，具有吸震和緩沖的作用，降低了高壓電機的傳動硬特性，提高了傳動系統(tǒng)和泥漿泵的使用壽命；4.4 利用了液態(tài)電阻啟動器，啟動電流低于額定電流的3倍，對電網沖擊小，可頻繁啟動、適應環(huán)境溫度寬；4.5對三臺高壓電機采用微機保護，設置有速斷、過電流、過負荷、低電壓、零序等保護功能，確保人身、電機、電網的安全；4.6對三臺電機支撐軸承選用世界名牌軸承SKF軸承，進一步提高電動機的工作可靠性；4.7加裝了UPS不間斷電源，220V交流控制電源系統(tǒng)發(fā)生短路故障、電壓降低時，控制電源維持

9、衡壓，提高繼電保護的可靠行；4.8電機的啟動與保護共用一套保護，啟動保護按能保證電機安全的最小時間確定，啟動正常后電機的保護按過流保護定值確定，即躲開了啟動電流，又保護了電機的正常運行。三、鉆機油改電后現場使用情況及應用前景2003年11月3日，對50551鉆井隊的ZJ50J鉆機（1990年蘭石制造的ZJ45鉆機）進行電動化改造，11月6日在50551鉆井隊承鉆的鄯5-130井上試用。2004年共改造鉆機3部，到2004年11月2日已順利地完成了12口井的鉆井作業(yè)。這12口井的技術指標見下表：序號隊號井號實際井深開鉆時間完井時間臺月月速度鉆速耗電量150551鄯5-13031701.18268

10、68.3458.68250551陵16-26029000.76381612.8337.2350551陵17-26330100.91330810.245.6450551陵4-2524600.63390511.4429.4550551陵25329600.82361010.2238.4650551陵7-8128351.0327526.9544.50750547鄯6-14131850.9135009.6533.72850547鄯19-535901.3127407.5950.94950547溫砂30328050.75374010.5130.661050637溫8-21225950.53489619.51

11、21.661150637陵檢2533302.0616175.3499.121250637溫砂30428150.72391010.9127.542003年12月至2004年6月，50551鉆井隊一直在丘陵區(qū)塊進行鉆井作業(yè)，在該區(qū)塊已完成5口井，平均鉆井月速度為3478.2米，平均機械鉆速為10.33米。2003年我公司在丘陵區(qū)塊共打了27口同類型的井，平均月速度為2587米，平均機械鉆速為6.96米。通過計算可知，鉆井月速度提高了891.2米，即34.45%，機械鉆速提高了3.37米,即48.42%。50547鉆井隊鉆機電動化改造后打的第一口井是鄯6-141井，創(chuàng)造了鄯善區(qū)塊鉆井歷史最高月速度紀

12、錄；50637鉆井隊鉆機電動化改造后打的第一口井是溫8-212井，創(chuàng)造了溫西區(qū)塊鉆井歷史最高月速度記錄。改造后，總功率由1987KW增加到的2400KW，扭矩由6429N·m增大到9538N·m，進一步提高了鉆機的鉆井速度和處理事故的能力；泵的沖數由95沖/分，提高到119沖/分，基本達到額定沖數，提高了泵的排量和壓力；轉盤的轉速為59-212rpm；大鉤提升速度為0.17-1.64m/s；電機啟動時的電流為140A，啟動時間為15秒， 對電網基本無沖擊，電機無發(fā)熱現象，平均功率因數為0.87， 噪音由原來的110分貝減小到71分貝， 振動明顯減小, 未出現過故障，完全滿足

13、使用要求。在50551鉆井隊鉆機改造成功后，公司對“油改電”技術進行了推廣應用，先后在50547、50637、70547、70559、70511、60147、50618、50552等鉆井隊進行了應用，效果非常好。由于目前各油田大部分鉆機依然采用柴油機驅動方式，而且各油田隨著工業(yè)電網的不斷發(fā)展，油田電網密布，不存在電力不足的因素。而石油資源愈加緊張，油價飛漲。因此，為了提高鉆機工作的可靠性、先進性和經濟性，降低鉆井成本和工人的勞動強度，降低噪音、減少污染，對使用柴油機驅動的鉆機進行“油改電”技術改造已成必然趨勢，推廣應用前景非常廣泛。四、經濟效益分析(以ZJ50鉆機為例)1. 改造前柴油機驅動鉆

14、機時，一年需要的運行費用(按10個工作月計算)： 1.1 油料費用根據這近幾年的統(tǒng)計，ZJ50鉆機每個工作臺月平均消耗柴油115噸，機油1.2噸（包括發(fā)電機）。根據柴油和機油目前的價格，柴油0.7萬元/噸，機油1.73萬元/噸，一個臺月需要油料費：115噸×0.7萬元/噸+1.2噸×1.73萬元=82.576萬元1.2 維修費大修費：一部大修過的柴油機平均使用兩年就要大修一次，大修費是15.8萬元。日常維護費用：包括更換空氣濾清器、機油濾子、柴油濾子、增壓器、高壓油泵、水箱、風扇短軸等。根據器材供應中心近兩年購進的柴油機配件總數的統(tǒng)計，平均每臺柴油機每年的維修費用約為2.6

15、4萬元，所以，三部柴油機和一部發(fā)電機一個工作月需要維修費共計(一年按10個工作月計算)：15.8萬元/20臺月×4臺+2.64萬元×4臺/10臺月=4.22萬元。1.3 人工費12V190柴油機無自保功能，需要專人看管，一個隊需配6名司機，一名工人一年的全部費用約12萬元，一個工作臺月的人工費為：6人×12萬元/10臺月.人=7.2萬元則ZJ50鉆機采用柴油機驅動的方式，一個臺月所需運行費用為：82.576萬元4.22萬元7.2萬元94萬元并且柴油機的送修和更換柴油機的運輸費、吊裝費以及柴油機出現故障影響井隊生產造成的損失等都沒有計算。2. 采用電動機驅動時，一個

16、工作臺月需要的運行費用約為2.1 電量消耗（包括井場、生活用電）根據近幾年的統(tǒng)計，ZJ50L鉆機每個工作臺月平均消耗電量在60萬度左右。按目前玉門地區(qū)電價0.64元計算，則一個臺月，所需電費為：60萬度×0.64元/度=38.4萬元2.2 維修費三相交流異步電動機的軸承等關鍵配件為進口件，電器元件都選用國內名牌產品，所以整個系統(tǒng)工作可靠性高，有多種自保功能，基本上達到了免維護、免看管，維修費用很低，每年約為10萬元。每臺月維修費約1萬元。2.3 人工費電動機是免維護的，并且電器系統(tǒng)對電動機和電路實行多種自保。如：欠壓保護、過流保護、超溫保護、速斷保護、接地保護、過負荷保護等，所以不需

17、專人看管，一個隊配兩名電工即可。一個工作臺月的人工費為：2人×12萬元/10臺月.人=2.4萬元。則采用電動機驅動時一個臺月所需的費用約為：38.4萬元+1+2.4萬元=41.8萬元通過以上分析，一部ZJ50L鉆機將柴油機驅動改為電動機驅動，一個工作臺月可節(jié)約運行費約為：94萬元41.8萬元52.2萬元。注：改造后，鉆井速度顯著提高所創(chuàng)造的效益未計算在內。一部ZJ50L鉆機改造費約360萬元，改造后每臺月節(jié)約費用52萬元，因此，改造投入生產后約7個臺月就可以收回投資。同樣，根據上述計算分析可以計算出一部ZJ70鉆機使用“油改電”技術后，每臺月可以節(jié)約運行費約60萬元。根據50551、50547、50637、70547、70559、70511、60147、50618、50552鉆井隊先后“油改電”使用統(tǒng)計，8支井隊先后使用“油改電”裝置約210臺月，共節(jié)約資金約6300多萬元。六、結論1. 鉆機油改電技術，大大地提高了機械鉆機的先進性、可靠性和安全性，并為國家節(jié)約了大量緊缺的石油資源,大大地降低了鉆井成本，經濟效益和社會效益顯著。2. 電動機功率大、轉速高、超載能力強，泥漿泵排量大、泵壓高，并且轉盤轉速高、扭矩大，顯著地提高了鉆井速度(ZJ50L鉆機油改電后機械鉆速提高了34.45%）。3. 高壓電機工作可靠、操作控制方便、自保功