鉆機(jī)油改電技術(shù)改造.doc

鉆機(jī)油改電技術(shù)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(jī)驅(qū)動鉆機(jī)存在的問題，結(jié)合吐哈、玉門油田作業(yè)鉆機(jī)所用柴油機(jī)消耗柴油的實(shí)際情況，提出利用高壓電動機(jī)驅(qū)動鉆機(jī)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(jī)、無級調(diào)速偶合器、優(yōu)質(zhì)高壓補(bǔ)償電容器、可調(diào)的微機(jī)保護(hù)裝置、液態(tài)電阻軟啟動器等高新技術(shù)設(shè)備，提高了鉆機(jī)工作的可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。在投入現(xiàn)場使用后表明，改造后的鉆機(jī)不但經(jīng)濟(jì)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(jī)驅(qū)動鉆機(jī)的電動化技術(shù)改造探索了一條成熟的改造道路。一、項(xiàng)目背景ZJ50J鉆機(jī)是八十年代蘭州石油化工機(jī)械廠研制生產(chǎn)的中型鉆機(jī)，長期以來一直是我國的主力鉆機(jī)，在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。隨著驅(qū)動鉆機(jī)的PZ12V190柴油機(jī)大修次數(shù)的增加，該鉆機(jī)與上世紀(jì)九十年代研發(fā)生產(chǎn)的電驅(qū)動、復(fù)合式驅(qū)動鉆機(jī)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(qiáng)度大、環(huán)境污染大、不能滿足現(xiàn)代鉆井HSE工作要求等。原吐哈油田有ZJ50J鉆機(jī)13套，為上世紀(jì)80年代投產(chǎn)鉆機(jī)，已使用了10多年，大修過多次，設(shè)備日益老化，其驅(qū)動方式在使用中存在的缺點(diǎn)是：1.可靠性差：柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出故障；2.鉆井成本高：每部鉆機(jī)每年消耗柴油約115噸，機(jī)油15噸，隨著油價的不斷盤升，導(dǎo)致鉆井成本高；3.環(huán)境污染大:柴油機(jī)跑、冒、滴、漏嚴(yán)重，對環(huán)境造成很大的污染；4.不能調(diào)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(xiàn)有的ZJ50J鉆機(jī)進(jìn)行油改電的設(shè)想。原吐哈鉆井公司成立了課題攻關(guān)小組，先后選派主管項(xiàng)目的工程師到蘭州石油化工機(jī)械廠、寶雞石油機(jī)械廠、江蘇大眾電機(jī)廠、天水機(jī)床廠、西安儀表廠、湖北襄樊電機(jī)廠、山西永濟(jì)電機(jī)廠等7個單位對油改電項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)查論證，制定了三套改造方案，于2003年3月先后兩次向局領(lǐng)導(dǎo)、公司領(lǐng)導(dǎo)、科技處等部門進(jìn)行了方案匯報。2003年5月，鉆井公司批準(zhǔn)了優(yōu)選后的技術(shù)改造方案，2003年8月下旬開始設(shè)備的外購和電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計與制造，2003年11月在50551鉆井隊(duì)進(jìn)行安裝、調(diào)試和試運(yùn)行，取得成功。該技術(shù)先后在多口井使用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。二、改造方案1.方案描述1.1 機(jī)械傳動：將原來驅(qū)動鉆機(jī)的三臺柴油機(jī)更換為三臺800KW的高壓電動機(jī)，分別經(jīng)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(jī)、液力減速偶合器中心高與原柴油機(jī)中心高高度一致，確保沒有油田電網(wǎng)區(qū)域作業(yè)時，快速恢復(fù)原來的柴油機(jī)聯(lián)結(jié)、驅(qū)動方式。1.2 拆除壓風(fēng)機(jī)：在其位置上安裝1臺37KW/400A的電動機(jī)+減速器，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，起應(yīng)急作用（可以提起鉆具或轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤活動鉆具，以防卡鉆）。1.3 電控系統(tǒng)：將油田10KV的高壓電直接引入高壓進(jìn)線房，高壓進(jìn)線房裝有高壓進(jìn)線柜、CT柜、PT柜等；高壓電控房裝有高壓電機(jī)啟動器柜、變壓器、低壓出線柜等；控制屏控制三臺高壓電機(jī)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(diào)速器的輸出轉(zhuǎn)速等。1.4 原ZJ50J鉆機(jī)電動化改造前的傳動示意圖11.5 ZJ50J鉆機(jī)電動化改造后的傳動示意圖2.相關(guān)的改造參數(shù) 技術(shù)參數(shù)項(xiàng) 目總功率(KW)最大扭矩(NM)泵沖數(shù)(r/min)大鉤提升速度(m/s)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速(r/min)大鉤提升載荷(T)改造前19876429950.151.4155-135300改造后240071251190.171.6459-2123503.鉆機(jī)油改電特點(diǎn)3.1 放棄此前國內(nèi)外鉆機(jī)眾多的驅(qū)動方式，采用多臺高壓電動機(jī)加調(diào)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(qū)動鉆機(jī)。3.2 直接采用10KV或6KV的高壓電動機(jī)，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(diào)速液力偶合器。一是保護(hù)了電動機(jī)，避免其過載、堵轉(zhuǎn)而燒壞；二是每臺電動機(jī)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(jī)。既可以用于新制造鉆機(jī)，也可以用于對現(xiàn)在使用的多臺柴油機(jī)驅(qū)動，通過鏈條或皮帶并車的鉆機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造和技術(shù)升級；六是到?jīng)]有電網(wǎng)的地方作業(yè)時，可以極其方便快捷地把電動機(jī)換成柴油機(jī)，恢復(fù)原驅(qū)動形式。3.4 采用可靠并且可調(diào)的微機(jī)保護(hù)裝置，對人身、高壓電機(jī)和電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)。3.5 采用優(yōu)質(zhì)高壓補(bǔ)償電容器對電機(jī)進(jìn)行直接無功就地補(bǔ)償，節(jié)能效果顯著。3.6 自保功能齊全，基本實(shí)現(xiàn)無人看護(hù)，并且無跑、冒、滴、漏，降低了工人的勞動強(qiáng)度，減少了環(huán)境污染，符合HSE的規(guī)范要求。 3.7調(diào)速正車裝置與高壓電機(jī)及鉆機(jī)傳動系統(tǒng)互相匹配，確保調(diào)速正車裝置系統(tǒng)正常工作時在高效區(qū)。4.新技術(shù)的應(yīng)用情況4.1在國內(nèi)油田首次直接將10KV高壓電引入電動機(jī)，并且用高壓電機(jī)作為驅(qū)動鉆機(jī)的動力源，簡化了電路，提高了效率；4.2國內(nèi)油田首次使用移動式高壓電控系統(tǒng)，給高壓電機(jī)供電并對其進(jìn)行控制和保護(hù)；4.3首次使用無級調(diào)速正車裝置對鉆機(jī)進(jìn)行無級調(diào)速，調(diào)配多臺高壓電機(jī)使之出力均衡，具有吸震和緩沖的作用，降低了高壓電機(jī)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(wǎng)沖擊小，可頻繁啟動、適應(yīng)環(huán)境溫度寬；4.5對三臺高壓電機(jī)采用微機(jī)保護(hù)，設(shè)置有速斷、過電流、過負(fù)荷、低電壓、零序等保護(hù)功能，確保人身、電機(jī)、電網(wǎng)的安全；4.6對三臺電機(jī)支撐軸承選用世界名牌軸承SKF軸承，進(jìn)一步提高電動機(jī)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，控制電源維持衡壓，提高繼電保護(hù)的可靠行；4.8電機(jī)的啟動與保護(hù)共用一套保護(hù)，啟動保護(hù)按能保證電機(jī)安全的最小時間確定，啟動正常后電機(jī)的保護(hù)按過流保護(hù)定值確定，即躲開了啟動電流，又保護(hù)了電機(jī)的正常運(yùn)行。三、鉆機(jī)油改電后現(xiàn)場使用情況及應(yīng)用前景2003年11月3日，對50551鉆井隊(duì)的ZJ50J鉆機(jī)（1990年蘭石制造的ZJ45鉆機(jī)）進(jìn)行電動化改造，11月6日在50551鉆井隊(duì)承鉆的鄯5-130井上試用。2004年共改造鉆機(jī)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(shù)指標(biāo)見下表：序號隊(duì)號井號實(shí)際井深開鉆時間完井時間臺月月速度鉆速耗電量150551鄯511.62003.12.121.1826868.3458.68250551陵16-26029002003.12.172004.1.30.76381612.8337.2350551陵17-26330102004.1.162004.2.100.91330810.245.6450551陵4-2524602004.2.172004.3.20.63390511.4429.4550551陵25329602004.3.132004.4.50.82361010.2238.4650551陵7-8128352004.4.92004.5.101.0327526.9544.50750547鄯66.102004.7.70.9135009.6533.72850547鄯19-535902004.7.142004.8.231.3127407.5950.94950547溫砂30328052004.9.52004.9.270.75374010.5130.661050637溫8-21225952004.6.102004.6.260.53489619.5121.661150637陵檢2533302004.7.92004.9.92.0616175.3499.121250637溫砂30428152004.10.122004.11.20.72391010.9127.542003年12月至2004年6月，50551鉆井隊(duì)一直在丘陵區(qū)塊進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)械鉆速提高了3.37米,即48.42%。50547鉆井隊(duì)鉆機(jī)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(jì)錄；50637鉆井隊(duì)鉆機(jī)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6429Nm增大到9538Nm，進(jìn)一步提高了鉆機(jī)的鉆井速度和處理事故的能力；泵的沖數(shù)由95沖/分，提高到119沖/分，基本達(dá)到額定沖數(shù)，提高了泵的排量和壓力；轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速為59-212rpm；大鉤提升速度為0.17-1.64m/s；電機(jī)啟動時的電流為140A，啟動時間為15秒， 對電網(wǎng)基本無沖擊，電機(jī)無發(fā)熱現(xiàn)象，平均功率因數(shù)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(xiàn)過故障，完全滿足使用要求。在50551鉆井隊(duì)鉆機(jī)改造成功后，公司對“油改電”技術(shù)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，先后在50547、50637、70547、70559、70511、60147、50618、50552等鉆井隊(duì)進(jìn)行了應(yīng)用，效果非常好。由于目前各油田大部分鉆機(jī)依然采用柴油機(jī)驅(qū)動方式，而且各油田隨著工業(yè)電網(wǎng)的不斷發(fā)展，油田電網(wǎng)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(jī)工作的可靠性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，降低鉆井成本和工人的勞動強(qiáng)度，降低噪音、減少污染，對使用柴油機(jī)驅(qū)動的鉆機(jī)進(jìn)行“油改電”技術(shù)改造已成必然趨勢，推廣應(yīng)用前景非常廣泛。四、經(jīng)濟(jì)效益分析(以ZJ50鉆機(jī)為例)1. 改造前柴油機(jī)驅(qū)動鉆機(jī)時，一年需要的運(yùn)行費(fèi)用(按10個工作月計算)： 1.1 油料費(fèi)用根據(jù)這近幾年的統(tǒng)計，ZJ50鉆機(jī)每個工作臺月平均消耗柴油115噸，機(jī)油1.2噸（包括發(fā)電機(jī)）。根據(jù)柴油和機(jī)油目前的價格，柴油0.7萬元/噸，機(jī)油1.73萬元/噸，一個臺月需要油料費(fèi)：115噸0.7萬元/噸+1.2噸1.73萬元=82.576萬元1.2 維修費(fèi)大修費(fèi)：一部大修過的柴油機(jī)平均使用兩年就要大修一次，大修費(fèi)是15.8萬元。日常維護(hù)費(fèi)用：包括更換空氣濾清器、機(jī)油濾子、柴油濾子、增壓器、高壓油泵、水箱、風(fēng)扇短軸等。根據(jù)器材供應(yīng)中心近兩年購進(jìn)的柴油機(jī)配件總數(shù)的統(tǒng)計，平均每臺柴油機(jī)每年的維修費(fèi)用約為2.64萬元，所以，三部柴油機(jī)和一部發(fā)電機(jī)一個工作月需要維修費(fèi)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(fèi)12V190柴油機(jī)無自保功能，需要專人看管，一個隊(duì)需配6名司機(jī)，一名工人一年的全部費(fèi)用約12萬元，一個工作臺月的人工費(fèi)為：6人12萬元/10臺月.人=7.2萬元則ZJ50鉆機(jī)采用柴油機(jī)驅(qū)動的方式，一個臺月所需運(yùn)行費(fèi)用為：82.576萬元4.22萬元7.2萬元94萬元并且柴油機(jī)的送修和更換柴油機(jī)的運(yùn)輸費(fèi)、吊裝費(fèi)以及柴油機(jī)出現(xiàn)故障影響井隊(duì)生產(chǎn)造成的損失等都沒有計算。2. 采用電動機(jī)驅(qū)動時，一個工作臺月需要的運(yùn)行費(fèi)用約為2.1 電量消耗（包括井場、生活用電）根據(jù)近幾年的統(tǒng)計，ZJ50L鉆機(jī)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(fèi)為：60萬度0.64元/度=38.4萬元2.2 維修費(fèi)三相交流異步電動機(jī)的軸承等關(guān)鍵配件為進(jìn)口件，電器元件都選用國內(nèi)名牌產(chǎn)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(dá)到了免維護(hù)、免看管，維修費(fèi)用很低，每年約為10萬元。每臺月維修費(fèi)約1萬元。2.3 人工費(fèi)電動機(jī)是免維護(hù)的，并且電器系統(tǒng)對電動機(jī)和電路實(shí)行多種自保。如：欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、超溫保護(hù)、速斷保護(hù)、接地保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等，所以不需專人看管，一個隊(duì)配兩名電工即可。一個工作臺月的人工費(fèi)為：2人12萬元/10臺月.人=2.4萬元。則采用電動機(jī)驅(qū)動時一個臺月所需的費(fèi)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(jī)將柴油機(jī)驅(qū)動改為電動機(jī)驅(qū)動，一個工作臺月可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)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(nèi)。一部ZJ50L鉆機(jī)改造費(fèi)約360萬元，改造后每臺月節(jié)約費(fèi)用52萬元，因此，改造投入生產(chǎn)后約7個臺月就可以收回投資。同樣，根據(jù)上述計算分析可以計算出一部ZJ70鉆機(jī)使用“油改電”技術(shù)后，每臺月可以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)約60萬元。根據(jù)50551、50547、50637、70547、70559、70511、60147、50618、50552鉆井隊(duì)先后“油改電”使用統(tǒng)計，8支井隊(duì)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(jié)論1. 鉆機(jī)油改電技術(shù)，大大地提高了機(jī)械鉆機(jī)的先進(jìn)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(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。2. 電動機(jī)功率大、轉(zhuǎn)速高、超載能力強(qiáng)，泥漿泵排量大、泵壓高，并且轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速高、扭矩大，顯著地提高了鉆井速度(ZJ50L鉆機(jī)油改電后機(jī)械鉆速提高了34.45%）。3. 高壓電機(jī)工作可靠、操作控制