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石油钻机节能与储能改造技术的研究

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摘要:为了顺应节能降耗、绿色发展的时代趋势,实现石油钻机向低能耗、低排放发展的要求,梳理了国内石油钻机节能与储能改造常用做法,并从提速提效、节能环保等绿色运行要求上详细介绍了钻机网电改造、势能回收与储能改造、油气双燃料改造、油改气的关键技术以及实施效果,以期为日后相关研究提供参考。

关键词:石油钻机;节能环保;储能;提速增效

随着国际油价的剧烈波动,国内能源供应日益紧张,践行“节能降耗、绿色发展”理念成为时代发展的趋势,而节能减排、降耗增效也成为石油企业低成本、实现可持续发展的途径之一。在石油钻井工程中,钻井设备作业时的能源消耗占据了绝大部分。然而,节能新技术、新设备在钻机上的运用不仅受到了外部经济环境、成本投资的影响,也受到了设备更新换代周期的限制。因此,对现有钻机进行节能与储能技术改造,对降低企业生产的能耗有着重要的作用,同时,这也逐渐受到了石油企业的高度关注[1]。为此,笔者从网电钻机改造、势能回收、油气双燃料技术改造、“油改气”技术改造等方面介绍了中石化四机石油机械有限公司在石油钻机节能与储能改造方面进行的技术研究与探索实践情况,以降低生产成本,减少环境污染。目前,这些节能新技术、新设备已成功被应用于一些钻井生产中,取得了良好的经济效益和社会效益,值得大力。

1钻机网电改造

当前,机械钻机或复合驱动钻机在许多油田仍然占有较大的比例,其采用传统的柴油机并车驱动,柴油发电机组发电供电。由于柴油机(特别是服役年限长、大修过的柴油机)普遍存在可靠性差、油耗高、噪声大、跑冒滴漏等现象,对钻井经济效益、劳动强度和环境污染有重要影响。因此,钻机“油改电”成为石油钻井工程发展的必然趋势。

1.1电动钻机网电改造

电动钻机网电改造就是利用油区的高压网电,让高压网电经变压器、无功功率补偿装置、滤波装置等进行处理,并将处理后输出的交流电输入原配的电控系统(VFD、SCR)驱动绞车、转盘和泥浆泵等设备的电机工作,实现钻井作业。电动钻机网电改造时,除了留一台柴油发电机组作为应急备用外,其余的柴油发电机组全部由网电变压器装置替换。为了适应不同钻井工况对绞车、泥浆泵和转盘的转速要求,可利用电控系统(VFD、SCR)调控电机的转速。由于沿用了原有钻机的井架、底座、游吊系统、泥浆泵组和泥浆净化系统等,钻机结构基本没有大的变化,具有改造简单、投资少、见效快的特点。

1.2机械钻机网电改造

机械钻机网电改造就是利用油区的高压网电,让高压网电经变压器、无功功率补偿装置、滤波装置等进行处理,并将处理后输出的交流电输入原配的电控系统(VFD、SCR)驱动交流电机带动并车箱驱动绞车、转盘和泥浆泵等设备工作,实现钻井作业。机械钻机网电改造时,除了留一两台柴油机作为应急备用外,其余的柴油发电机全部由与柴油机功率相匹配的交流电机代替。增加(10(6)kV/600(400)V)的干式变压器、高低压开关及保护柜、动态消谐与功率补偿装置、软启动装置等处理高压网电,处理后输出的交流电驱动交流电动机,电动机与并车箱通过联轴器、调速液力偶合器、离合器连接,带动并车箱运转。

1.3钻机网电改造的应用效果

从四机厂对江汉石油工程公司对焦石70222井队ZJ70D钻机、焦石50013井队ZJ50LDB钻机实施网电改造的效果来看,这样做相比柴油发电机组每月节约能耗费用26.2万元,节能减排、降噪效果明显。

2钻机势能回收与储能改造

针对钻机作业时大量的势能通过制动系统以热能的形式消耗掉,没有效利用的问题,引入飞轮储能调峰运行系统,吸收钻机起钻、下钻具工况时的势能及绞车非工作条件下动力机组轻载时的富余功率,采用储能装置先储存起来,在起钻、解卡等需要消耗大功率的工况时释放,从而使柴油机组长时间处于一种相对平稳的运行状态,以达到节能减排的目的[2]。新型钻机势能回收与储能改造方案是:充分利用钻杆和游车大钩的势能,将电磁刹车替换成既能够刹车制动,又能够回收能量发电的制动电机。刹车制动时,制动电机发出的电能驱动飞轮储能电机实现升速储能,完成势能的回收、储存。当提升空游车或起钻时,飞轮储能电机降速发电,驱动调峰电机带动绞车提升,实现储存能量的利用。下钻时,钻杆与游车大钩下放产生的势能通过制动电机回收并转换成电能,驱动飞轮储能电机升速储能。利用上一次回收的能量进行下一次的提升空游车,从而实现部分柴油机停运。由于必须运行的柴油机数量减少,就会产生节约燃油的情况。随着钻杆数量的不断增加,下钻势能会越来越大,当下一次的提升空游车不能完全耗尽上一次下钻回收的能量时,制动电机就会将多余的能量转化成电能,供给钻机的电力系统,从而减少整个井场的柴油机运行数量。在起钻过程中,由于在钻杆分段提出、拆卸过程中需反复下降空游车等操作,柴油机待机运行的部分功率就可充分利用。因此,引入大容量飞轮储能机组,先将待机功率输入飞轮储能机组储存,待提升钻杆时,再将飞轮储能机组储存功率投放,从而实现单台柴油机完成全过程的起钻作业。

3钻机油气双燃料技术改造

针对钻机作业时产生大量井口气的工况或CNG、LNG、丙烷气等获取方便的作业区块,为了有效利用上述气体减少燃油消耗,特引入动态燃气混合3500发动机(DGB)改造方案。在不改变发动机主要结构、部件和外形尺寸,不影响并车性能及原机可靠性和工厂保修的前提下,改造发动机的燃气进气系统,通过外装燃气加热器、燃气关断阀和调压阀等,直接控制燃气,并闭环自动控制,自动调节适应燃气质量的变化,不需要客户输入燃气质量和进行气体分析;配备燃气系统故障监视综合传感器模块(ISM),可监控燃烧并与发动机控制模块ECM通讯,控制调整和保护发动机在最佳状态下运行,也可以自动关闭燃气系统转换到全柴油状态。当设备转移工地和燃气供应改变,不需要对发动机进行标定和调整。采用动态燃气混合发动机替代常规柴油机,可使用CNG、LNG、井口气、丙烷气。当负载率在40%~85%时,最高替代率可达70%;燃料成本可降低20%~30%,经济环保。从江苏油田的ZJ70D钻机改造实践效果来看,对于7000m电动钻机井队,每个井队配套3台燃油发电机,平均每天消耗柴油1.5~2.2t,每台发电机一年维修、保养费用5万余元,如果全部采用燃气发电机发电,以每个井队一年平均施工2口井计算,一年节约综合燃料成本至少在100万元以上,颗粒物排放减少95%,CO排放减少30%,CO2排放减少17%,效果显著。

4电动钻机“油改气”技术

利用天然气发电机组替代燃油发电机组,增加升压变压器,将燃气机组额定电压AC400V升至井队额定电压AC600V;机组经升压变压器升压后,与井队原有柴油发电机组经手动切换开关接至SCR房进线柜,燃气机组与原有柴油发电机组可切换,以保障井队供电2018注册送白菜网站。同时,针对天然气发电机组运行时偏软的负荷特性,以及功率因数太低的问题,在井场增设无功功率补偿装置,提高功率因数,降低无功功率,并优化管理天然气发电机组的使用,确保单套机组的有功功率不低于200kW,使其既能充分发挥设备性能,又能满足负荷突变时的功率储备要求,减少天然气发电机组运转组数,减少天然气消耗,降低生产费用。从中原70135ZY井队在新疆进行的ZJ70D钻机实践效果来看,钻机油改气后天然气消耗成本最高能降至燃油消耗的35%左右,运营成本明显降低。由于需要增加升压变压器等相关装置,井队一次设备投入成本高,因此,单井的综合运营成本下降效果受到影响,但是,在区块集中或丛式井钻井作业时效果突出,效益最大。

5发展前景展望

随着钻机技术水平的不断发展,工业电网的完善,以及绿色能源的引用,以节能与储能技术为基础,研制“节能、环保、高效”的新型石油钻机,是必然的发展趋势,也是国产钻机提升技术水平,提高国际竞争力的必经之路。

参考文献:

[1]苏华.钻机的网电改造和发展前景[J].中国化工贸易,2013,5(A02):151.

[2]张超平.基于飞轮储能的钻机节能减排技术应用研究[J].石油天然气学报,2013,35(8):156-158.

[3]孙庆祜,沈铁,闯家峰,等.浅谈石油钻机节能技术[J].科技资讯,2011(25):114.

[4]王伟亮.浅析石油钻井工程的设备节能[J].化学工程与装备,2013(3):110-111.

作者:高迅 单位:中石化四机石油机械有限公司

石油与天然气地质杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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