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摘要：為了順應節能降耗、綠色發展的時代趨勢，實現石油鉆機向低能耗、低排放發展的要求，梳理了國內石油鉆機節能與儲能改造常用做法，并從提速提效、節能環保等綠色運行要求上詳細介紹了鉆機網電改造、勢能回收與儲能改造、油氣雙燃料改造、油改氣的關鍵技術以及實施效果，以期為日后相關研究提供參考。

關鍵詞：石油鉆機；節能環保；儲能；提速增效

隨著國際油價的劇烈波動，國內能源供應日益緊張，踐行“節能降耗、綠色發展”理念成為時展的趨勢，而節能減排、降耗增效也成為石油企業低成本、實現可持續發展的途徑之一。在石油鉆井工程中，鉆井設備作業時的能源消耗占據了絕大部分。然而，節能新技術、新設備在鉆機上的運用不僅受到了外部經濟環境、成本投資的影響，也受到了設備更新換代周期的限制。因此，對現有鉆機進行節能與儲能技術改造，對降低企業生產的能耗有著重要的作用，同時，這也逐漸受到了石油企業的高度關注[1]。為此，筆者從網電鉆機改造、勢能回收、油氣雙燃料技術改造、“油改氣”技術改造等方面介紹了中石化四機石油機械有限公司在石油鉆機節能與儲能改造方面進行的技術研究與探索實踐情況，以降低生產成本，減少環境污染。目前，這些節能新技術、新設備已成功被應用于一些鉆井生產中，取得了良好的經濟效益和社會效益，值得大力推廣。

1鉆機網電改造

當前，機械鉆機或復合驅動鉆機在許多油田仍然占有較大的比例，其采用傳統的柴油機并車驅動，柴油發電機組發電供電。由于柴油機（特別是服役年限長、大修過的柴油機）普遍存在可靠性差、油耗高、噪聲大、跑冒滴漏等現象，對鉆井經濟效益、勞動強度和環境污染有重要影響。因此，鉆機“油改電”成為石油鉆井工程發展的必然趨勢。

1.1電動鉆機網電改造

電動鉆機網電改造就是利用油區的高壓網電，讓高壓網電經變壓器、無功功率補償裝置、濾波裝置等進行處理，并將處理后輸出的交流電輸入原配的電控系統（VFD、SCR）驅動絞車、轉盤和泥漿泵等設備的電機工作，實現鉆井作業。電動鉆機網電改造時，除了留一臺柴油發電機組作為應急備用外，其余的柴油發電機組全部由網電變壓器裝置替換。為了適應不同鉆井工況對絞車、泥漿泵和轉盤的轉速要求，可利用電控系統（VFD、SCR）調控電機的轉速。由于沿用了原有鉆機的井架、底座、游吊系統、泥漿泵組和泥漿凈化系統等，鉆機結構基本沒有大的變化，具有改造簡單、投資少、見效快的特點。

1.2機械鉆機網電改造

機械鉆機網電改造就是利用油區的高壓網電，讓高壓網電經變壓器、無功功率補償裝置、濾波裝置等進行處理，并將處理后輸出的交流電輸入原配的電控系統（VFD、SCR）驅動交流電機帶動并車箱驅動絞車、轉盤和泥漿泵等設備工作，實現鉆井作業。機械鉆機網電改造時，除了留一兩臺柴油機作為應急備用外，其余的柴油發電機全部由與柴油機功率相匹配的交流電機代替。增加（10（6）kV/600（400）V）的干式變壓器、高低壓開關及保護柜、動態消諧與功率補償裝置、軟啟動裝置等處理高壓網電，處理后輸出的交流電驅動交流電動機，電動機與并車箱通過聯軸器、調速液力偶合器、離合器連接，帶動并車箱運轉。

1.3鉆機網電改造的應用效果

從四機廠對江漢石油工程公司對焦石70222井隊ZJ70D鉆機、焦石50013井隊ZJ50LDB鉆機實施網電改造的效果來看，這樣做相比柴油發電機組每月節約能耗費用26.2萬元，節能減排、降噪效果明顯。

2鉆機勢能回收與儲能改造

針對鉆機作業時大量的勢能通過制動系統以熱能的形式消耗掉，沒有效利用的問題，引入飛輪儲能調峰運行系統，吸收鉆機起鉆、下鉆具工況時的勢能及絞車非工作條件下動力機組輕載時的富余功率，采用儲能裝置先儲存起來，在起鉆、解卡等需要消耗大功率的工況時釋放，從而使柴油機組長時間處于一種相對平穩的運行狀態，以達到節能減排的目的[2]。新型鉆機勢能回收與儲能改造方案是：充分利用鉆桿和游車大鉤的勢能，將電磁剎車替換成既能夠剎車制動，又能夠回收能量發電的制動電機。剎車制動時，制動電機發出的電能驅動飛輪儲能電機實現升速儲能，完成勢能的回收、儲存。當提升空游車或起鉆時，飛輪儲能電機降速發電，驅動調峰電機帶動絞車提升，實現儲存能量的利用。下鉆時，鉆桿與游車大鉤下放產生的勢能通過制動電機回收并轉換成電能，驅動飛輪儲能電機升速儲能。利用上一次回收的能量進行下一次的提升空游車，從而實現部分柴油機停運。由于必須運行的柴油機數量減少，就會產生節約燃油的情況。隨著鉆桿數量的不斷增加，下鉆勢能會越來越大，當下一次的提升空游車不能完全耗盡上一次下鉆回收的能量時，制動電機就會將多余的能量轉化成電能，供給鉆機的電力系統，從而減少整個井場的柴油機運行數量。在起鉆過程中，由于在鉆桿分段提出、拆卸過程中需反復下降空游車等操作，柴油機待機運行的部分功率就可充分利用。因此，引入大容量飛輪儲能機組，先將待機功率輸入飛輪儲能機組儲存，待提升鉆桿時，再將飛輪儲能機組儲存功率投放，從而實現單臺柴油機完成全過程的起鉆作業。

3鉆機油氣雙燃料技術改造

針對鉆機作業時產生大量井口氣的工況或CNG、LNG、丙烷氣等獲取方便的作業區塊，為了有效利用上述氣體減少燃油消耗，特引入動態燃氣混合3500發動機（DGB）改造方案。在不改變發動機主要結構、部件和外形尺寸，不影響并車性能及原機可靠性和工廠保修的前提下，改造發動機的燃氣進氣系統，通過外裝燃氣加熱器、燃氣關斷閥和調壓閥等，直接控制燃氣，并閉環自動控制，自動調節適應燃氣質量的變化，不需要客戶輸入燃氣質量和進行氣體分析；配備燃氣系統故障監視綜合傳感器模塊（ISM），可監控燃燒并與發動機控制模塊ECM通訊，控制調整和保護發動機在最佳狀態下運行，也可以自動關閉燃氣系統轉換到全柴油狀態。當設備轉移工地和燃氣供應改變，不需要對發動機進行標定和調整。采用動態燃氣混合發動機替代常規柴油機，可使用CNG、LNG、井口氣、丙烷氣。當負載率在40%～85%時，最高替代率可達70%；燃料成本可降低20%～30%，經濟環保。從江蘇油田的ZJ70D鉆機改造實踐效果來看，對于7000m電動鉆機井隊，每個井隊配套3臺燃油發電機，平均每天消耗柴油1.5～2.2t，每臺發電機一年維修、保養費用5萬余元，如果全部采用燃氣發電機發電，以每個井隊一年平均施工2口井計算，一年節約綜合燃料成本至少在100萬元以上，顆粒物排放減少95%，CO排放減少30%，CO2排放減少17%，效果顯著。

4電動鉆機“油改氣”技術

利用天然氣發電機組替代燃油發電機組，增加升壓變壓器，將燃氣機組額定電壓AC400V升至井隊額定電壓AC600V；機組經升壓變壓器升壓后，與井隊原有柴油發電機組經手動切換開關接至SCR房進線柜，燃氣機組與原有柴油發電機組可切換，以保障井隊供電安全。同時，針對天然氣發電機組運行時偏軟的負荷特性，以及功率因數太低的問題，在井場增設無功功率補償裝置，提高功率因數，降低無功功率，并優化管理天然氣發電機組的使用，確保單套機組的有功功率不低于200kW，使其既能充分發揮設備性能，又能滿足負荷突變時的功率儲備要求，減少天然氣發電機組運轉組數，減少天然氣消耗，降低生產費用。從中原70135ZY井隊在新疆進行的ZJ70D鉆機實踐效果來看，鉆機油改氣后天然氣消耗成本最高能降至燃油消耗的35%左右，運營成本明顯降低。由于需要增加升壓變壓器等相關裝置，井隊一次設備投入成本高，因此，單井的綜合運營成本下降效果受到影響，但是，在區塊集中或叢式井鉆井作業時效果突出，效益最大。

5發展前景展望

隨著鉆機技術水平的不斷發展，工業電網的完善，以及綠色能源的推廣引用，以節能與儲能技術為基礎，研制“節能、環保、高效”的新型石油鉆機，是必然的發展趨勢，也是國產鉆機提升技術水平，提高國際競爭力的必經之路。

參考文獻：

［1］蘇華.鉆機的網電改造和發展前景［J］.中國化工貿易，2013，5（A02）：151.

［2］張超平.基于飛輪儲能的鉆機節能減排技術應用研究［J］.石油天然氣學報，2013，35（8）：156-158.

［3］孫慶祜，沈鐵，闖家峰，等.淺談石油鉆機節能技術［J］.科技資訊，2011（25）：114.

［4］王偉亮.淺析石油鉆井工程的設備節能［J］.化學工程與裝備，2013（3）：110-111.

作者：高迅 單位：中石化四機石油機械有限公司