石油钻机网电拖动系统应用中的问题分析

石油钻机网电拖动系统应用中的问题分析

张星星 侯海龙 白君

中石化胜利石油工程有限公司渤海钻井总公司

【摘要】

近年来，伴随着电力电子技术的快速发展和自动化控制水平的迅速提高，由电能作为动力源驱动石油钻机系统已成为一种发展趋势，在这个基础上运用钻机网电拖动系统的优势结合区域化的特点能最大限度的把环保、安全、经济做到很好的平衡。目前网电钻机技术已相对成熟，应用也越来越广泛，各钻井公司也都从中尝到甜头。然而在这项技术的普及和发展中也伴随着一系列的问题有待解决。

关键字：网电拖动；稳定；无功补偿；谐波；调速

目前所使用的网电拖动系统有两种模式，一种是用箱式变压器替代柴油发电机组，将高压电（6kV/10kV）变成400V/600V，为全井耗电设备提供电力。第二种网电系统为机械改网电，是用电动机替代原有的柴油机和柴油机偶合器机组作为动力，带动绞车和泥浆泵工作，根据电动机的不同又分为交流网电和直流网电两类。

一：网电应用的外围条件限制

当前井队网电的使用，是在井位确定以后由公司与井位所属采油厂协调，考虑电网容量、地理条件、配套钻机情况等因素后再考虑是否接入。目前公司钻机类型已经涵盖了由机械—半电动—到全电动的所有类型钻机，网电的使用理论上可以覆盖全部的钻机种类，但是由于所配套的网电设备数量有限，不同类型的钻机所需网电设备不同，以及各油区电网容量各不相同，往往出现电网容量足够但没有网电设备，或者有网电设备单电网容量不足的现象。另外，现场提供的高压线路并不是专线接入，每条线路的剩余容量较小，而现场设备功率较高，当相同区域同时有2只或者2只以上的井队需要时，就无法满足了。

二：设备稳定性和安全性问题

由于高线输电线路的源头由采油厂提供（一般都是与现有的抽油机线路公用），这样电网异常、供电不足的情况时有发生，这些都是井队自己无法控制的。所以，在使用网电钻机时，也一定要制定相应的应急预案，保证井队原有的柴油发电机组或者柴油机随时能正常运转，若是钻井周期较长则必须制定相应的制度，间隔一段时间就得跑合设备，设备的正常保养不能断，从而确保钻井生产的安全有序进行。

当前网电系统的输电线路还存在着较大的安全隐患，主要表现在：

（1）变压器电缆与接入高压端的线杆周围没有相应保护装置，线杆上高压端与地面的垂直安全距离过小，部分仅3米左右；根据我国《电力设施保护条例实施细则》等相关标准规定，10KV以下架空线路和地面的最小垂直距离应为5.5米，架空电力线路保护区的范围为导线边线向外侧延伸所形成的两平行线内的区域，在一般地区1-10KV导线边线延伸距离为1.5米^[1]。

（2）在现场无法架设线杆的情况下，直接将120mm²绝缘线缆（长度甚至上百米）直接引入井场的计量柜线杆，而且高压电缆随意堆放路边，忽略安全距离，并且四周缺少相应防护和指示标语，有的10KV电缆甚至出现破损现象。根据《实施细则》规定，高压电力电缆绝缘电阻值应不小于400兆欧。

三：无功补偿与谐波抑制

石油钻井设备中大量电力电子装置和非线性负载（如变频器，荧光灯、变压器、电焊机等）的广泛应用，使得电力系统电压及电流波形产生畸变，产生大量的谐波，再加上部分电机的频繁启动和停止，造成了其整个设备的功率因数较小。其中谐波对公用电网的危害相当多，拉低设备的工作效率，引起部分设备和线缆的过热，绝缘老化、寿命缩短，继电保护和自动装置误动作，各仪表计量不准确等，甚至引发严重事故，还会对井场的部分通讯设备、转盘或顶驱变频器控制等造成干扰，出现莫名原因的非正常工作。

由此可见配备相应的无功补偿和谐波抑制装置势在必行，目前井队所配备设备也基本做到了这点，根据所配的变压器容量，配备了相应的无功补偿单元（如4000kVA网电系统配置的无功补偿容量是1876kVar），针对钻井实际工况，系统主要对5、7次谐波进行抑制，可以自动或者手动投切补偿电容量，能有效吸收、抑制谐波，改善和提高电驱动钻机系统电气性能，提高系统功率因数。

在实际使用中的效果也比较明显，功率因数由之前的0.5~0.6变为现在的0.9左右。但是该装置的稳定性还有待提高，因补偿装置一般是自动投切，有时会出现不工作的情况，而现场又不能及时发现处理，对电网造成了不必要的损失。

四：交流电机调速问题

网电拖动系统的第二种形式，使用电动机组（1000KW、1492r/min三相异步电动机）替代柴油机组，带动绞车和泥浆泵。这种形式的出现，更是扩大了网电的优势。但这种形式的网电系统是最近两年刚开始实行，存在的问题较多，其中电动机组的调速局限性和并车问题尤为突出。此种设备的调速是通过可调速液力偶合器实现^[4]，因为其只能是在一定范围内实现调速，所以注定不能实现钻井现场某些时候的特定需要，例如下钻到底的开泵循环，此时需要泵冲从低到高，逐渐提高排量，但是由于偶合器的局限性，不能实现很低的排量，所以一般都会启用备用柴油机，待排量达到正常需求时，再倒换为电动机组，这样不仅仅是耽误了开泵时间，更重要的是存在着一定的井下安全隐患。另外由于液力偶合器调速精度有限，调节存在时间差，因此在两台电动机组并车时，时间长，功率分配无法保证完全平衡。

为了能够有效解决上述问题，目前我们将交流电动机改为直流电动机，通过直流驱动系统实现电机的无极调速和功率平均分配，从而能够满足钻井的实际需要，这项技术还需广泛推广。

五：人和制度对新事物的适应性

钻井人在一代代传承的过程中新一辈逐渐继承了老钻井人的思想和工作方式，在很多方面存在着定性的思维模式。但新科技要想向前发展就必须对员工的能力有一定的新要求，网电钻机想在国内油田谋求发展的空间就必须把员工与教育相结合，走现代化发展的道路。举一个实例，如在网电系统出现突发故障时，需要快速倒换柴油发电机组，由于网电与原柴油发电机不能同时给井队供电，所以需要专门设计柴油机与变压器之间的互锁装置，以相互感应，避免由于误操作而引发事故的发生。目前这种发电机组和网电系统的互锁也只是在部分设备上得到实现。

钻井公司基层队的电气工程师的技术水平也无法跟上网电钻机的迅速发展，建议加强员工和关键岗位的技能培训。同时电气人才储备严重的匮乏也是技术更新迟缓一个因素。目前公司的电气工程师的水平也只是停留在简单的诊断故障这个层面，对新型电动系统的关键核心技术没有根本掌握。由此这也为我们未来的发展方向有了一个比较明确的指引。

与此同时设备管理各项规章制度的不完善，也制约着新技术的推广。新设备投入使用的同时，相应的操作、维修、保养制度也应该配套产生，但是这些新的规定也不是一朝一夕就可以很好的贯彻落实的。

纵观全文，目前钻机网电拖动系统虽已经得到比较广泛的应用，但是依然存在着一些瑕疵，希望随着技术迭代，都能得到妥善的解决。古往今来, 没有任何事物可以阻止科技进步的脚步, 新型的网电拖动系统凭借其诸多的优势必然会冲破重重阻碍，为达成节能减排，“绿色钻井”，提升本质化安全的目标贡献更多力量。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家经济贸易委员会、中华人民共和国公安部颁布《电力设施保护条例实施细则》1999年3月18日 第5条.

[2]仉志华，丁轶成，陈继明.无功动态补偿及谐波抑制技术在油田配电网上的应用;电气应用;2006年第25卷第8期（35）.

[3]崔维胜.利用价值工程进行网电钻机改造. 科技资讯, 2010,NO.33:102.

[4]董云飞, 戴树涛, 马士平. ZJ70L型钻机全网电拖动技术改造方案[J].石油矿场机械.2008,37(7):84~87.