中石化中原石油工程公司钻井二公司 河南濮阳 457001
摘要：国内石油钻探设备，主体上分为机械驱动钻机和电驱动钻机两种，机械驱动钻机以柴油机为动力源，通过机械传动装置驱动绞车、泥浆泵等设备运转；电驱动钻机以柴油发电机组作为动力源，发电机组产生的电能通过电传动装置驱动钻井设备，这两种钻机都必须消耗柴油。而“电代油”技术是利用市电作为石油钻机的能源，是未来发展的必然趋势，一方面能避免废气污染，特别是消除柴油机巨大的噪音污染，有利于钻井工身心健康，二是市电驱动具有良好的经济和社会效益，有利于缓解经营压力。
关键词：石油钻井；钻井机械；市电；网电设备；电带油
一、市电应用方案设计
根据电网和负荷的实际情况，针对机械钻机和电动钻机分别研究设计利用工业电网的方案。电动钻机、机械钻机是利用油田现有的6kV、10kV或国家电网的10kV或35kV工业电网作为动力源，通过变压器只给钻机的电器设备供电，即在钻机上不再使用柴油发电机组。
电动钻机使用箱变3150kVA的高压房把6/10kV变600V直接供电动钻机使用。
机械钻机的网电设备是将原来机房驱动并车传动装置的三台或四台柴油机其中的两台分别用两台1000kW的变频电动机代替（另外机位柴油机作为备用），再利用箱变2500kVA的高压房把6kV/10Kv/35kV变600V，输入VFD电控房，然后一部分驱动两台变频电动机，一部分通过600/400V降压后输入MCC房供井场其他用电。
二、高压房的配置
高压房主要功能是将10kV电源降压至600V，并对电能质量处理，使钻机用电满足电网要求。高压房组要由房体、10kV高压开关柜、电力变压器、无功补偿和有源滤波装置、低压开关柜等组成。
（1）房体。尺寸（L×W×Hmm）：7000×3000×2960mm，材料为碳钢，房体安装有高压开关柜、变压器、低压开关柜、无功补偿柜、有源滤波柜、空调，以及低压电缆、高压电缆、应急荧光灯、干粉灭火器、检修插座、加热器、排风扇等辅助材料和设备。
（2）高压开关柜。高压开关柜包括1个PT进线柜及1个变压器进线柜。PT进线柜：将来自于工业电网的10kV电源接入PT柜，并对电网电压进行测量及显示。PT进线柜主要由柜体上部的母线间隔及仪表室、一个中置式PT手车及下部的控制变压器组成。变压器进线柜：柜内主要安装一台VS1-12630A/31.5220VAC的真空断路器，一个综合保护装置。变压器进线柜主要由上部的母线隔间及仪表室，中置式真空断路器和下部的高压出线隔间组成。
（3）变压器。高压房配置一台10/6kV变600V干式变压器，将来自工业电网的10kV或油网的6kV电源降压变成AC600V，为钻机提供电源。变压器室需安装有电磁锁及门位器，在接地刀没有合闸的情况下，电磁锁锁住变压器室门，变压器室无法打开，同样，在变压器室门没有关闭的情况，变压器进线柜将不能合闸。在变压器室内还安装有排风扇，由变压器温控器自动控制，对变压器进行冷却。
（4）低压开关柜。柜内安装1台额定电流为3200A的空气断路器，进线端连接变压器副边，出线端连接至高压电控房出线排，为钻机电控系统提供600V电源。断路器出线端还连接有有源补偿和有源滤波的接入点，在断路器出线端上分别接4个互感器（A、C相各2只）。空气断路器参数为：额定电流/3200A，极限分断能力（690V）/65kA。
（5）动态无功补偿柜。无功补偿系统能够及时解决系统无功补偿问题，能够有效地对系统的无功量进行跟踪补偿，通过晶闸管的快速投切方式，从而达到功率因数自动补偿目的，保证系统在任何工况下，电功率因素不低于0.9。
（6）有源电力滤波柜。有源滤波系统生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波，达到实时补偿谐波电流的目的。
三、电控房的配置
电控房用于接收来自高压房的AC600V、50Hz的电能，通过传动及控制系统提供给主驱动系统；AC600V通过电控房内变压器变为AC400V、50Hz的电能，为电气传动、控制系统以及井队自备的VFD房提供AC400V、50Hz电源。
电控房内主要包括800kVA变压器、传动系统、MCC系统、PLC系统、空调系统及辅助设备。
传动系统包括两台开关柜、两台整流柜、两台逆变柜，主要功能是把600VAC交流电源传输至两台6脉波整流柜转化成直电源，再由SIEMENSS120逆变单元把整流出来的直流电源逆变为频率、电压可控的交流电源去驱动交流变频电机。开关柜主要功能是把600V电源经变压器变成400V电源供钻机MCC/SCR系统使用。
PLC系统包括PLC控制系统及一台工控机，主要功能是实现对变频系统及其它控制设备的远程控制，数据参数的集中显示及相关的报警显示。
空调系统通过强制吹风把房内传动系统等产生的热量带走，保持传动和电控系统能在正常的温度范围内正常工作。辅助设备包括一套插座、一套烟雾报警器、一套温湿度传感器、一套荧光灯等。
四、司钻房操作箱及脚踏开关的研制
司钻房操作箱面板上安装有若干按钮、选择开关、指示灯、手轮、模拟显示表等，并配备脚踏开关接口。司钻操作箱内的ET200从站通过总线网络与电控房的PLC主站实现通讯，另外配套一只脚踏开关，安装于司钻控制房方便司钻操作的位置，可实现电机转速的控制。变频电机及撬座配备两台1000kW的变频电机，安装到原2、3号柴油机的底座上，并将电机输出端通过万向轴和减速箱连接，并车装置其他部位保持不变，由两台电机驱动并车装置进行钻井施工，实现钻机整体网电驱动，紧急情况下启动1号柴油机应急。
功能要求：（1）采用电代油专用变频电机，各项参数满足钻井工艺要求；（2）电机防护等级：电机主体IP44；接线盒IP55，电机接线箱出线电缆采用密封格兰；（3）电机主接线箱材料采用不锈钢，并用不锈钢隔板将接线箱分割为主动力部分和信号线（温度检测信号）接线端子部分。电机定子动力引出线采用接线箱内铜排引出方式；（4）冷却风机为顶置式风机，进线口（风机接线盒侧）为螺纹方式，通过格兰将风机电缆引至电机主接线箱内；（5）防凝加热器，并将其电缆由机体内直接引至电机主接线箱内；（6）急停开关、风压开关安装于主接线箱外，通过格兰将其电缆引回至电机主接线箱内；（7）电机每相绕组配套一只Pt100温度检测元件；（8）在电机接线盒侧地脚留有一个M16×40的接地螺栓，主接线箱接地线引至该接地桩上，保证电机外壳良好接地，电机撬座后侧配有5方水箱，电机运转时需加满水，起到减震作用。
五、现场网电应用改造方案
原来的机械钻机只能局部使用市电，用电负荷在600kW左右，而并车传动装置仍然需要柴油机驱动，消耗燃油。所以，需进行机械钻机全电动模式的改造。具体方案：将原来机房3台或4台驱动并车传动装置的柴油机其中的2台由2台1000kW的变频电动机代替，另外1或2台台柴油机应急用，这样就实现了机械钻机全电动模式。改造完成后，整部钻机的用电负荷在1800kW左右，网电应用量可提高200%。
结束语
（1）国家电网10kV网电线路富余容量较大，能够满足电动钻机或的用电负荷，但使用网电需办理手续烦琐且办理时间较长，需提前做好前期工作；同时也承担较高的架线费用，提前认真核算成本，确保效益的最大化。
（2）“电代油”技术，若机械钻机由于口井用电量小，且频繁搬家架线，耗费架线成本，影响了效益；机械钻机改全电动钻机在大港、冀东油田应用网电，由于冀东油田电价较高，影响了网电使用的效益。
（3）使用柴油发电机组每万度电产生2.22吨的碳和0.028吨氮氧化物，以及高达110分贝的噪音。使用市电驱动没有废气排放和噪音污染。
参考文献：
[1]马伟东.钻机“电代油”技术及经济效益分析[J].设备管理与维修，2018（16）：8-10.
[2]曾祥春，吴俊，黄刚等.低油价下石油钻井电代油运用前景分析[J].中国石油和化工标准与质量，2016，36（11）：53+62.
[3]李玉全，贾洋，陈立彬等.石油钻机电代油改造的研究与应用[J].设备管理与维修，2015（S1）：128-131.
作者简介：
邓铁山（1973.10-），男，汉族，湖南祁阳，大学本科，中级工程师，研究方向：矿场机械。