喻著成 梁子留 叶生莫
摘要：针对原柴油机驱动钻机存在的问题，结合吐哈、玉门油田作业钻机所用柴油机消耗柴油的实际情况，提出利用高压电动机驱动钻机的改造方案。该方案既充分利用了油田丰富的电力资源，节约了国家紧缺的能源，节省了钻井成本，又增加了高压电机、无级调速偶合器、优质高压补偿电容器、可调的微机保护装置、液态电阻软启动器等高新技术设备，提高了钻机工作的可靠性、先进性、经济性和安全性。在投入现场使用后表明，改造后的钻机不但经济效益显著，环境污染少，而且钻井速度明显提高，为以后各个油田柴油机驱动钻机的电动化技术改造探索了一条成熟的改造道路。
一、项目背景
ZJ50J钻机是八十年代兰州石油化工机械厂研制生产的中型钻机，长期以来一直是我国的主力钻机，在石油勘探开发领域发挥了巨大作用。随着驱动钻机的PZ12V190柴油机大修次数的增加，该钻机与上世纪九十年代研发生产的电驱动、复合式驱动钻机相比，逐渐暴露出一些弊端：钻井成本高、工作效率低下、动力匹配不合理、职工劳动强度大、环境污染大、不能满足现代钻井HSE工作要求等。
原吐哈油田有ZJ50J钻机13套，为上世纪80年代投产钻机，已使用了10多年，大修过多次，设备日益老化，其驱动方式在使用中存在的缺点是：1.可靠性差：柴油机结构复杂，容易出故障；2.钻井成本高：每部钻机每年消耗柴油约115吨，机油15吨，随着油价的不断盘升，导致钻井成本高；3.环境污染大:柴油机跑、冒、滴、漏严重，对环境造成很大的污染；4.不能调速:无法完全满足固井、定向井、水平井等特殊钻井工艺要求。
2002年2月，吐哈指挥部提出了对现有的ZJ50J钻机进行油改电的设想。原吐哈钻井公司成立了课题攻关小组，先后选派主管项目的工程师到兰州石油化工机械厂、宝鸡石油机械厂、江苏大众电机厂、天水机床厂、西安仪表厂、湖北襄樊电机厂、山西永济电机厂等7个
单位对油改电项目进行了调查论证，制定了三套改造方案，于2003年3月先后两次向局领导、公司领导、科技处等部门进行了方案汇报。
2003年5月，钻井公司批准了优选后的技术改造方案，2003年8月下旬开始设备的外购和电气控制系统的设计与制造，2003年11月在50551钻井队进行安装、调试和试运行，取得成功。该技术先后在多口井使用，取得了显著的经济效益和社会效益。
二、改造方案
1.方案描述
1.1 机械传动：将原来驱动钻机的三台柴油机更换为三台800KW的高压电动机，分别经三台液力减速偶合器、球笼式万向轴与原减速器对接，高压电机、液力减速偶合器中心高与原柴油机中心高高度一致，确保没有油田电网区域作业时，快速恢复原来的柴油机联结、驱动方式。
1.2 拆除压风机：在其位置上安装1台37KW/400A的电动机+减速器，当电网出现故障时，起应急作用（可以提起钻具或转动转盘活动钻具，以防卡钻）。
1.3 电控系统：将油田10KV的高压电直接引入高压进线房，高压进线房装有高压进线柜、CT柜、PT柜等；高压电控房装有高压电机启动器柜、变压器、低压出线柜等；控制屏控制三台高压电机的启动、停止、紧急停车；显示屏显示电流、电压、频率、功率和无级调速器的输出转速等。
1.4 原ZJ50J钻机电动化改造前的传动示意图1
1.5 ZJ50J钻机电动化改造后的传动示意图
2.相关的改造参数
技术参数 项 目 | 总功率 (KW) | 最大扭矩 (N．M) | 泵冲数 (r/min) | 大钩提升 速度(m/s) | 转盘转 速(r/min) | 大钩提升 载荷(T) |
改造前 | 1987 | 6429 | 95 | 0.15—1.41 | 55--135 | 300 |
改造后 | 2400 | 7125 | 119 | 0.17—1.64 | 59--212 | 350 播放路 |
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3.钻机油改电特点
3.1 放弃此前国内外钻机众多的驱动方式，采用多台高压电动机加调速液力偶合器，通过皮带或链条并车，高压电控系统控制，联合驱动钻机。
3.2 直接采用10KV或6KV的高压电动机，省去一台大型变压器，不但节约了投资，还便于搬家、安装。
3.3采用了调速液力偶合器。一是保护了电动机，避免其过载、堵转而烧坏；二是每台电动机出力均衡；三是起到缓冲、吸振、柔性传递的作用；四是采用高压电控系统集中控制，自保功能全，安全性、可靠性高，操作简便；五是可用于多种类型的钻机。既可以用于新制造钻机，也可以用于对现在使用的多台柴油机驱动，通过链条或皮带并车的钻机进行技术改造和技术升级；六是到没有电网的地方作业时，可以极其方便快捷地把电动机换成柴油机，恢复原驱动形式。
3.4 采用可靠并且可调的微机保护装置，对人身、高压电机和电网进行保护。
3.5 采用优质高压补偿电容器对电机进行直接无功就地补偿，节能效果显著。
3.6 自保功能齐全，基本实现无人看护，并且无跑、冒、滴、漏，降低了工人的劳动强度，减少了环境污染，符合HSE的规范要求。
3.7调速正车装置与高压电机及钻机传动系统互相匹配，确保调速正车装置系统正常工作时在高效区。
4.新技术的应用情况
4.1在国内油田首次直接将10KV高压电引入电动机，并且用高压电机作为驱动钻机的动力源，简化了电路，提高了效率；
4.2国内油田首次使用移动式高压电控系统，给高压电机供电并对其进行控制和保护；
4.3首次使用无级调速正车装置对钻机进行无级调速，调配多台高压电机使之出力均衡，具有吸震和缓冲的作用，降低了高压电机的传动硬特性，提高了传动系统和泥浆泵的使用寿命；
4.4 利用了液态电阻启动器，启动电流低于额定电流的3倍，对电网冲击小，可频繁启动、适应环境温度宽；
4.5对三台高压电机采用微机保护，设置有速断、过电流、过负荷、低电压、零序等保护功能，确保人身、电机、电网的安全；
4.6对三台电机支撑轴承选用世界名牌轴承—SKF轴承，进一步提高电动机的工作可靠性；
4.7加装了UPS不间断电源，220V交流控制电源系统发生短路故障、电压降低时，控制电源维持衡压，提高继电保护的可靠行；
4.8电机的启动与保护共用一套保护，启动保护按能保证电机安全的最小时间确定，启动正常后电机的保护按过流保护定值确定，即躲开了启动电流，又保护了电机的正常运行。
三、钻机油改电后现场使用情况及应用前景
2003年11月3日，对50551钻井队的ZJ50J钻机（1990年兰石制造的ZJ45钻机）进行电动化改造，11月6日在50551钻井队承钻的鄯5-130井上试用。2004年共改造钻机3部，到2004年11月2日已顺利地完成了12口井的钻井作业。
这12口井的技术指标见下表：
序号 | 队号 | 井号 | 实际井深 | 开钻时间 | 完井时间 | 台月 | 月速度 | 钻速 | 耗电量 |
1 | 50551 | 鄯5-130 | 变压器油箱3170 | 2003.11.6 | 2003.12.12 | 1.18 | 2686 | 8.34 | 58.68 |
2 | 50551 | 陵16-260 | 2900 | 2003.12.17 | 2004.1.3 | 0.76 | 3816 | 12.83 | 37.2 |
3 | 50551 | 陵17-263 | 3010 | 2004.1.16 | 2004.2.10 | 0.91 | 3308 | 10.2 | 45.6 |
4 | 50551 | 陵4-25 | 2460 | 2004.2.17 | 2004.3.2 | 0.63 | 3905 | 11.44 | 29.4 |
5 | 50551 | 陵253 | 2960 | 2004.3.13 | 2004.4.5 | 0.82 | 3610 | 10.22 | 38.4 |
6 | 50551 | 陵7-81 | 2835 | 2004.4.9 | 2004.5.10 | 1.03 | 2752 | 6.95 | 44.50 |
7 | 50547 | 鄯6-141 | 半透明纸 3185 | 2004.6.10 | 2004.7.7 | 0.91 | 3500 | 9.65 | 33.72 |
8 | 50547 | 鄯19-5 | 3590 | 2004.7.14 | 2004.8.23 | 1.31 | 2740 | 7.59 | 50.94 |
9 | 50547 | 温砂303 | 2805 | 2004.9.5 | 2004.9.27 | 0.75 | 3740 | 10.51 | 30.66 |
10 | 50637 | 温8-212 | 2595 | 2004.6.10 | 2004.6.26 | 0.53 | 4896 | 19.51 | 21.66 |
11 | 50637 | 陵检25 | 3330 | 2004.7.9 | 2004.9.9 | 2.06 | 泰斯花粉阻隔剂1617 | 5.34 | 开关信号99.12 |
12 | 50637 | 温砂304 | 2815 | 2004.10.12 | 2004.11.2 | 0.72 | 3910 | 10.91 | 27.54 |
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2003年12月至2004年6月，50551钻井队一直在丘陵区块进行钻井作业，在该区块已完成5口井，平均钻井月速度为3478.2米，平均机械钻速为10.33米。2003年我公司在丘陵区块共打了27口同类型的井，平均月速度为2587米，平均机械钻速为6.96米。通过计算可知，钻井月速度提高了891.2米，即34.45%，机械钻速提高了3.37米,即48.42%。
50547钻井队钻机电动化改造后打的第一口井是鄯6-141井，创造了鄯善区块钻井历史最高月速度纪录；50637钻井队钻机电动化改造后打的第一口井是温8-212井，创造了温西区块钻井历史最高月速度记录。
改造后，总功率由1987KW增加到的2400KW，扭矩由6429N·m增大到9538N·m，进一步提高了钻机的钻井速度和处理事故的能力；泵的冲数由95冲/分，提高到119冲/分，基本达到额定冲数，提高了泵的排量和压力；转盘的转速为59-212rpm；大钩提升速度为0.17-1.64m/s；电机启动时的电流为140A，启动时间为15秒， 对电网基本无冲击，电机无发热现象，平均功率因数为0.87， 噪音由原来的110分贝减小到71分贝， 振动明显减小, 未出现过故障，完全满足使用要求。
在50551钻井队钻机改造成功后，公司对“油改电”技术进行了推广应用，先后在50547、50
637、70547、70559、70511、60147、50618、50552等钻井队进行了应用，效果非常好。
由于目前各油田大部分钻机依然采用柴油机驱动方式，而且各油田随着工业电网的不断发展，油田电网密布，不存在电力不足的因素。而石油资源愈加紧张，油价飞涨。因此，为了提高钻机工作的可靠性、先进性和经济性，降低钻井成本和工人的劳动强度，降低噪音、减少污染，对使用柴油机驱动的钻机进行“油改电”技术改造已成必然趋势，推广应用前景非常广泛。
四、经济效益分析(以ZJ50钻机为例)
1. 改造前柴油机驱动钻机时，一年需要的运行费用(按10个工作月计算)：
精油加工设备
1.1 油料费用
根据这近几年的统计，ZJ50钻机每个工作台月平均消耗柴油115吨，机油1.2吨（包括发电机）。根据柴油和机油目前的价格，柴油0.7万元/吨，机油1.73万元/吨，一个台月需要油料费：
115吨×0.7万元/吨+1.2吨×1.73万元=82.576万元
1.2 维修费
