網(wǎng)電儲能修井機(jī)開發(fā)與應(yīng)用

1、網(wǎng)電儲能修井機(jī)開發(fā)與應(yīng)用陳瑛 【摘要】 In order to overcome the shortcomings of electric workover rig in oilfield,a vehicular e-lectric energy storage workover rig is proposed in this paper.By using vehicular chassis and capac-itor storage technology,it could save energy,reduce consumption and save transport costs com

2、-pared with traditional rigs.The workover rig is tested in oilfield by actual operation.The results show that the vehicular electric energy storage workover rig could improve the working efficien-cy,complete well sealing operation when the grid electric power is shut down and eliminate poten-tial sa

3、fety problems.% 為解決目前油田網(wǎng)電修井機(jī)存在的問題，提出了一種車載式網(wǎng)電儲能修井機(jī)。采用 車載式底盤和電容儲能技術(shù)，相比較于目前撬式網(wǎng)電修井機(jī)，在降低運(yùn)輸費(fèi)用的同 時(shí)能夠節(jié)能減耗?，F(xiàn)場試驗(yàn)和分析表明：車載網(wǎng)電儲能修井機(jī)能夠提高作業(yè)工作效 率，在電網(wǎng)停電時(shí)有足夠的電能完成封井作業(yè)，消除安全隱患?！酒诳Q】石油礦場機(jī)械 【年(卷)，期】2014(000)011 【總頁數(shù)】4頁(P74-77) 【關(guān)鍵詞】修井機(jī);儲能;車載;網(wǎng)電 【作者】陳瑛 【作者單位】勝利石油管理局設(shè)備管理處，山東東營257001【正文語種】中文 【中圖分類】TE935網(wǎng)電修井機(jī)具有能耗低、零排放、噪聲小、維護(hù)

4、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為未來修井 機(jī)發(fā)展的方向1。但其仍具有以下缺點(diǎn)：使用受井場變壓器容量限制，且運(yùn)輸 費(fèi)用高，準(zhǔn)備工作時(shí)間長、效率低；電網(wǎng)停電時(shí)，無法進(jìn)行正常工作和封井作業(yè)， 存在安全隱患；在剎車和下放作業(yè)時(shí)發(fā)出大量電能，造成浪費(fèi)。為了解決上述問題，本文提出了一種車載式網(wǎng)電儲能修井機(jī)，能夠降低運(yùn)輸費(fèi)用， 克服井場變壓器的容量限制，有效地回收剎車和下放作業(yè)時(shí)發(fā)出的大量電能，提高 作業(yè)工作效率，并在電網(wǎng)停電時(shí)有足夠的電能完成封井作業(yè)，消除安全隱患。車載網(wǎng)電儲能修井機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，整機(jī)分為電力儲能模塊、變頻調(diào)速模塊、配 套機(jī)械液壓模塊、絞車及盤式剎車模塊、底盤及井架5大模塊。車載網(wǎng)電儲能修 井機(jī)模

5、塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.1電力儲能及控制技術(shù)電力儲能模塊中設(shè)有儲能電容，儲能電容的能量通過能量管理裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；電 機(jī)倒發(fā)電回饋的能量經(jīng)過直流母線存儲于儲能電容中，未能全部吸收的能量由電氣 控制柜內(nèi)的能耗電阻吸收。1.2變頻調(diào)速及能耗制動(dòng)技術(shù)獨(dú)立絞車變頻傳動(dòng)系統(tǒng)采用一對一控制交流電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)性能滿足絞車傳動(dòng)要求， 實(shí)現(xiàn)絞車傳動(dòng)與剎車的連鎖控制功能。綜合控制柜內(nèi)設(shè)有1路電源進(jìn)線電操斷路器，接入井場變壓器提供的380 V電源。 同時(shí)安裝1臺160 kW變頻器帶制動(dòng)單元，用于控制絞車電機(jī)。絞車變頻器具有 過載保護(hù)功能。絞車變頻傳動(dòng)系統(tǒng)使用無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，將逆變器與電 動(dòng)機(jī)結(jié)合

6、為一體，進(jìn)行精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制，并能使得轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)之間互 不影響2。交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩可表示為式中：L。為漏磁系數(shù)；此為定子磁鏈；Wr為轉(zhuǎn)子磁鏈；。為磁通角。由式（1）可知，如果要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，可以通過改變磁通角0來實(shí)現(xiàn)。直接轉(zhuǎn)矩控制原理如圖2所示。由圖2可知：磁鏈給定與轉(zhuǎn)矩給定通過計(jì)算分別 輸出磁鏈信號與轉(zhuǎn)矩信號，同時(shí)配合電機(jī)定子磁鏈軌跡位置來為逆變器提供開關(guān)信 號，逆變器輸出相應(yīng)的電壓矢量作用于電機(jī)，從而改變磁通角0,以此達(dá)到控制電 機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。采用DTC技術(shù)，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，并非致力于取得電機(jī)在電壓電流上 的正弦波，此外其控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際情況，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的

7、自動(dòng)調(diào)節(jié)。 另外采用無速度傳感器技術(shù)，省去了測速編碼器，保證了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。變頻柜的調(diào)節(jié)回路采用速度、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)的全數(shù)字調(diào)速方案。所有的調(diào)節(jié)與保護(hù)參 數(shù)均為維護(hù)人員易于理解和掌握的數(shù)字量設(shè)置，不存在模擬控制復(fù)雜、困難的調(diào)試 與維護(hù)過程，更無模擬控制所固有的參數(shù)飄移、故障率高等影響系統(tǒng)安全與可靠性 的不穩(wěn)定因素。當(dāng)絞車變頻傳動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，系統(tǒng)將安全自動(dòng)斷電停機(jī)。當(dāng)電機(jī)在外力作用下減速、反轉(zhuǎn)時(shí)（包括被拖動(dòng)），電機(jī)即以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，能量 反饋回直流回路，由電容吸收，當(dāng)直流電壓過高，制動(dòng)單元的功率管導(dǎo)通，電流流 過制動(dòng)電阻消耗多于電能，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，母線電壓也降低；母線電壓降至常值， 制動(dòng)單元的

8、功率管關(guān)斷，制動(dòng)電阻無電流流過；采樣母線電壓值，制動(dòng)單元重復(fù) ON / OFF過程，平衡母線電壓，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。能耗制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平滑，能隨時(shí)改變制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以使生產(chǎn)設(shè)備可靠停止， 最適合用于經(jīng)常啟動(dòng)、頻繁逆轉(zhuǎn)并要求迅速停車的生產(chǎn)設(shè)備。制動(dòng)電阻與制動(dòng)單元一對一地組成1個(gè)能耗制動(dòng)回路，在游車下放過程中可實(shí)現(xiàn)絞車電機(jī)的速度平穩(wěn)控制，可實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)和懸停。無溫度過高、冒煙等現(xiàn)象。1.3配套機(jī)械液壓模塊技術(shù)傳動(dòng)系統(tǒng)只有1套液壓控制的兩擋動(dòng)力換擋變速箱，由液壓離合器控制換擋。傳 動(dòng)系統(tǒng)簡單可靠，且傳動(dòng)效率高，可進(jìn)一步提高節(jié)能效果。車載網(wǎng)電電力儲能修井 機(jī)采用液壓系統(tǒng)對盤式剎車、動(dòng)力換擋變速箱、井

9、口動(dòng)力鉗和液壓支腿等實(shí)現(xiàn)集中 控制和驅(qū)動(dòng)。液壓系統(tǒng)主要用于修井機(jī)行駛中的轉(zhuǎn)向助力；安裝調(diào)試中的車架升降調(diào)平、井架的 起降伸縮；修井作業(yè)中的井口液壓機(jī)具應(yīng)用控制等。系統(tǒng)控制集中設(shè)在載車司鉆操 作臺附近，重要執(zhí)行部件的操作控制設(shè)定多重安全保護(hù)功能。1.4絞車及盤式剎車模塊液控盤式剎車作為絞車主剎車，盤式剎車的制動(dòng)力矩容量大，可通過改變液壓系統(tǒng) 壓力來改變剎車力矩，具有較大的力矩調(diào)整范圍、易于實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控和自動(dòng)化、結(jié) 構(gòu)緊湊、安裝尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。選用補(bǔ)償余量更大、傳遞轉(zhuǎn)矩更大的BJS球籠式聯(lián) 軸器，額定轉(zhuǎn)矩最大可達(dá)530 k Nm,主要適應(yīng)于角度不超過5,許用長度伸縮 量4 mm12 mm,中型、重型

10、載荷工況的設(shè)備傳動(dòng)。網(wǎng)電修井機(jī)在設(shè)計(jì)初期，絞車主電機(jī)采用頂置式冷卻風(fēng)機(jī)，體積大，噪聲大，容易 進(jìn)入顆粒雜質(zhì)，目前全部采用軸流式冷卻風(fēng)機(jī)，在降低噪聲的同時(shí)減小了體積。主 電機(jī)加裝PT100溫度傳感器，當(dāng)溫度上升到40C時(shí)開啟冷卻風(fēng)機(jī)，進(jìn)一步降低運(yùn) 轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲。為滿足作業(yè)現(xiàn)場對接卡、斷電后封井、收回設(shè)備的要求，絞車變速箱 加裝了液壓馬達(dá)。1.5車載網(wǎng)電電力儲能修井機(jī)底盤和井架技術(shù)底盤主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、車架、駕駛室、車橋及懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、 制動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、輪胎、傳動(dòng)系統(tǒng)等。發(fā)動(dòng)機(jī)配備油門、熄火控制機(jī)構(gòu)，可靠 方便。配備冷啟動(dòng)裝置（進(jìn)氣預(yù)熱，-250C），帶水箱、風(fēng)扇、進(jìn)出水口連接

11、管、消聲器（消音器出口為旋轉(zhuǎn)式，加防火帽）、空濾器、空壓機(jī)、熱交換器、轉(zhuǎn) 向油泵、啟動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)（功率為2 k W、28 V、70 A）;排放歐B標(biāo)準(zhǔn)。采 用平頭單座全金屬結(jié)構(gòu)駕駛室，視野開闊。井架及游動(dòng)系統(tǒng)為桅型、兩節(jié)式，采用液缸起升、液缸伸縮；前傾角可通過調(diào)節(jié)絲 杠調(diào)節(jié)3-4；天車為整體盒式結(jié)構(gòu)，滑輪采用鑄鋼件，并經(jīng)動(dòng)平衡測試；繩槽 圓弧按API 8C要求與相應(yīng)鋼絲繩設(shè)計(jì)；繩輪座上設(shè)有防止大繩跳槽的擋繩器；天 車軸經(jīng)熱處理和探傷檢查；天車平臺上設(shè)有護(hù)欄。如圖3所示，車載網(wǎng)電儲能修井機(jī)包括底盤車體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液 壓系統(tǒng)、絞車和井架單元，底盤車體包括底盤車、底盤車發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤車

12、發(fā)動(dòng)機(jī)變 速箱、底盤車駕駛室和操作控制室；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)安裝于底 盤車上；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括井架單元、萬向軸和變速箱；電氣控制系統(tǒng)包括電氣控制柜、 儲能電容，制動(dòng)電阻、能量管理裝置和電動(dòng)機(jī)；液壓系統(tǒng)包括液壓控制箱、液壓系 統(tǒng)輔助電動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、油箱；絞車安裝于變速箱的一側(cè)，井架單元固 定于底盤車上。底盤車發(fā)動(dòng)機(jī)與底盤車發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱連接，底盤車發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱輸出端與取力器連 接，取力器另一端與萬向軸連接，萬向軸通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與液壓泵連接，液壓泵同時(shí) 與液壓系統(tǒng)輔助電機(jī)連接，變速箱輸入軸采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)或液壓馬達(dá)拖動(dòng)，變速箱 輸出軸與絞車連接。利用液壓系統(tǒng)輔助電機(jī)帶動(dòng)液壓泵工作，或

13、者利用盤車發(fā)動(dòng)機(jī)提供源動(dòng)力，通過底 盤車發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱、取力器、萬向軸傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，液壓泵通過液壓管路 與液壓控制箱和油箱相連，為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)工作。電氣控制柜安裝有中央處理單元、電機(jī)調(diào)速裝置、制動(dòng)電阻，中間繼電器及供配電 支路。其中，中央處理單元可采用單片機(jī)、PLC等具有邏輯處理功能的器件，實(shí) 現(xiàn)輸入信號分析處理、控制策略生成等功能。電動(dòng)機(jī)倒發(fā)電回饋的能量由能量管理裝置存儲于儲能電容中，未能全部吸收的能量 由電氣控制柜內(nèi)的制動(dòng)電阻吸收；儲能電容的能量通過能量管理裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。 車載網(wǎng)電電力儲能修井機(jī)解決油田現(xiàn)有電動(dòng)修井機(jī)存在的問題和不足，其關(guān)鍵技術(shù) 為：1）應(yīng)用先進(jìn)電力

14、儲能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)修井機(jī)直接使用井口變壓器供電，無需另配變電 站，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率。2）通過先進(jìn)電力儲能技術(shù)應(yīng)用，回收利用在剎車和下放時(shí)發(fā)出的電能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能 目的。3）采用電機(jī)風(fēng)機(jī)低噪聲技術(shù)，工作噪聲更低，可以實(shí)現(xiàn)油田全區(qū)域修井作業(yè)。4）具有應(yīng)急液壓動(dòng)力，保證停電時(shí)的修井作業(yè)安全。以勝利油田為例，共有油井24 000多口，每年小修作業(yè)量為28 000井次，共需 配備修井設(shè)備800臺左右。1）以機(jī)械式修井機(jī)為例計(jì)算。每井次消耗柴油概算0.2 t，每臺設(shè)備每年維修費(fèi)約2.5萬元。全年油料費(fèi)用：0.2 tx0.75萬元/tx28 000 = 4 200萬元。全年維修費(fèi)用：2.5萬元x800臺=

15、2 000萬元。2）以普通電動(dòng)修井機(jī)為例計(jì)算。每井次耗電平均400 k W-h,每臺設(shè)備每年維修費(fèi)約1.25萬元。全年電費(fèi)：400 x0.8 元 /（k Wh）x28 000 = 896 萬元。全年維修費(fèi)用：1.25萬元x800 = 1 000萬元。3）以儲能電動(dòng)修井機(jī)為例計(jì)算每井次耗電平均300 k W-h,每臺設(shè)備每年維修費(fèi)約1.25萬元。全年電費(fèi)：300 x0.8 元 /（k Wh）x28 000 = 672 萬元。全年維修費(fèi)用：1.25萬元x800 = 1 000萬元車載網(wǎng)電儲能修井機(jī)可以替代目前油田大量使用的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械修井機(jī)和普通型 電動(dòng)修井機(jī)，具有高效、節(jié)能、無尾氣及噪聲污染、無級調(diào)速、使用壽命長、維護(hù) 維修費(fèi)用低的特點(diǎn)，同時(shí)節(jié)省了大量的搬家成本，大幅提高了工作效率，具有顯著 的經(jīng)濟(jì)效益。該新型修井機(jī)的研制成功必將促進(jìn)油田修井作業(yè)設(shè)備的技術(shù)升級和換代，更多體現(xiàn) 以人為本的精神，為油田的節(jié)能