孙勇 吴宁宁 宋鹏 殷治梅 辛见军

摘要：本文主要介绍了一种油田电动钻机用箱式发电机组的设计开发过程，结合油田上使用环境和工况，对箱式机组展开设计布置，最后通过油田实际钻井试验对机组的设计进行了验证，论证了该款机组设计的合理性及可行性。

Abstract： This paper mainly introduces the design and development process of a kind of oil field electric drill box diesel generator set， combined with the oil field operating environment and working conditions， the design layout of the box type generator set， finally through the actual drilling test of the oil field to verify the design of the unit， demonstrated the rationality and feasibility of the design of the unit.

关键词：油田;电动钻机;箱式发电机组

Key words： oil field;electric drilling rig;container-generating set

中图分类号：TE924                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0182-04

0  引言

油田钻井工作环境恶劣，工况复杂多变，在钻井过程中遇到的地质情况也千差万别，电动钻机因其安全高效的特点已逐步取代机械钻机成为油田钻井行业主流[1]。

目前，国内油田电动钻机配套用柴油发电机组主要为美国Cat-3512B系列、Cummins-KTA50系列以及日本三菱MOG1500系列，其中Cat-3512B系列发电机组市场份额占有率超过70%，处于主导地位。

自2019下半年以来，中石油、中石化等企业响应国家号召，提出提高国产设备使用率、保障关键设备供货的可靠性的需求，计划使用国产设备逐步替代现在在油田电动钻机上广泛配套使用的Cat-3512B系列等进口品牌柴油发电机组。

结合市场需求，对标进口品牌发电机组，进行油田电动钻机专用箱式发电机组的设计开发。

1  机组主要技术参数（表1）

2  机组结构及特点

本箱式发电机组内部结构如图1、图2所示。

主要由集装箱1、变频柜2、控制柜3、发电机4、公共底盘5、蓄电池组6、发动机7、隔振器8、通风风机9、箱式散热器10、导风罩11、一级消声器12、沙漠空滤器13、二级消声器14、排气尾管15、推拉门16、定位梁17、爬梯18和输出铜排19等组成。

发动机选用水空中冷结构，高压共轨，燃油消耗率低，四增压器配置，瞬态响应性好，一次性加载能力得到大幅提升，配置沙漠空滤器和燃油三级滤，满足多风沙使用环境和燃油品质差使用要求。

发电机选用大容量电机，带PMG永磁励磁机，数字式电压调节器，绕组要求采用模绕工艺，具备抗整流电源谐波干扰的能力，进气口配防沙子过滤器，加装绕组和轴承温度传感器，随时监控发电机的运行状态。

冷却系统。独立式冷却单元，机组采用箱式散热器，分为高低温层，分别对应发动机的缸套水冷却和中冷水冷却，直接安装在箱式机组内部，通过隔断与发电机组隔离开，发电机组的冷却管路穿过隔断直接连接到箱式散热器上，此种结构外界冷却风直接冷却散热器，通过轴流风机强制排出，冷却效率高，避免箱體内部温升对冷却系统的影响。散热器芯体采用防风沙管片结构，间隙大，不容易堵塞，方便清洗。箱式散热器结构如图3所示。

变频器的设计应用。当今节能减排，降低能源消耗，提高油田钻井效率是趋势[2]。箱式散热器采用电驱动模式强制冷却，基于降低发电机组能耗的考虑，散热器的冷却风扇采用变频控制作为主用控制方式，即依据不同的水温而进行转速的调整以降低能耗，同时为避免由于变频器出现故障而导致箱式散热器的冷却风扇无法动作而影响发电机组使用的情况发生，设计冷却风扇软启动控制方式作为备用控制。其主要控制策略如图4所示。

图4中主电机为箱式散热器电动机;电机冷却风扇为变频控制柜散热风扇;1号2号排风扇为箱式发电机组内部的2个通风风机。由于箱式散热器冷却风扇电动机功率较大，故采用变频控制;其余小电动机均采用直接启动进行控制。

图5、图6分别为变频器和软启动控制原理图。该控制系统采用发电机组发出的电作为电源;变频器及软起动器两端安装电抗器，以减小由于油田负载的特性引起的谐波对变频器及软启动器的干扰。接触器及继电器的控制采用PLC进行控制，对相应输入输出进行PLC逻辑编程，控制逻辑如下：

为实现依据不同水温而进行转速的调整，将发电机组水温转换为该变量状态为4-20mA的电流模拟量作为变频器输入变量，即由机组控制模块通过PT100传感器读取机组水温，通过设置水温传感器曲线，将温度转换为相应4-20mA电流模拟量，再通过输出口将该模拟量输出至变频器。对变频器内部逻辑进行设置，其逻辑设置为当水温低于72℃（包括72℃）时，变频器进行休眠，散热风扇停止转动。当水温高于72℃时，变频器依据水温进行变频输出，具体曲线设置如表2所示。

软启动控制。为防止由于变频器故障而导致散热风扇无法工作，故设计备用软启动旁路控制。考虑到直接启动电动机时启动电流冲击较大，可以达到额定电流的6～8倍，若机组正常带载过程中变频器出现故障，直接启动散热风扇电动机将影响发电机组的正常带载，故采用软启动措施，减少启动电流，约为直接启动的四分之一。

机组水温高时箱式散热器冷却风机满负荷运行，水温低时风机低功率运行，尤其是冬季时节，环境温度低，该套系统可节省可观燃料。以本箱式发电机组为例，箱式散热器轴流风机额定功率55kW，冬季气温低时运行功率20kW左右，冬季按照3个月时间来计算，每天运行20h，可节省燃油16t，创造间接经济效益9万元左右。

模块化设计。机组采用标准集装箱结构箱体，考虑国内二级公路及挂车尺寸，集装箱外形尺寸定为12192mm×3000mm×3000mm，方便运输，结构紧凑占地面积小，有效降低油田上用地紧张的困境，降低油田打井整体的投资成本[3]。集装箱外侧底侧梁处设置定位梁，多台机组可通过此结构并排紧挨使用，机组的进排风均设置在箱体两端，并排紧挨使用不影响机组的通风散热。箱体的维修门采用推拉门结构，并排紧挨使用时可组成内部通道，方便人员巡视检修。机组大修时拆卸掉推拉门，可用叉车直接将发电机组挑出，维修便利。维修性及人性化设计：机组宽度3000mm，留出足够的箱内空间，箱体推拉门设计，方便维修和维保，控制屏布置在电机尾端和推拉门通道上，方面观察操作。

油田钻井过程中以柴油机-交流发电机为原动力机组，通过可控硅（SCR）给鉆机提供直流电源驱动绞车、转盘、泥浆泵工作[4]。以油田钻井上常用的70钻机及配套的绞车、转盘、泥浆泵等设备为例，需要4台1200kW箱式柴油发电机组并联运行提供动力（3用1备）和1台520kW辅助发电机组提供生活用电。

机组在油田的安装布置如图7所示，4台箱式机组并排使用，中间2台拆除掉集装箱上的推拉门，4台机组内部组成通道，维保人员可以从第1台机组巡查到第4台机组，用户的SCR房布置在机组的后侧，4台机组的集中监控柜安装在SCR房内，便于用户对4台机组的运行状态进行集中监控。

3  机组井上作业

2020年7月份，机组开始在新疆某油田上作业，连续工作5个月，累计运行3453h，发电量1045458kW.h，中途除了发动机正常保养外，机组无故障，无报警，机组经受住了新疆地区的酷暑和严寒，经受住了油田钻井的恶劣工况，受到用户的一致好评，机组燃油消耗率低至195g/（kW.h），低于竞品燃油耗，长期运行能为用户节省不少资金投入。机组井上运行照片如图8所示，机组运行参数如图9、图10所示。

4  机组改进

陆地油田钻井一般情况下位于人烟稀少的戈壁滩、荒漠等偏远地区，对机组噪声不做强制性要求，从用户角度出发，改善油田钻井工作环境，机组进行噪声处理。机组进风处设置消声降噪百叶，如图11所示。箱体内部及推拉门内侧粘贴吸音棉，用镀锌多孔板固定，最大限度降低机组噪声。

为满足油田电动钻机配套发电机组租赁市场，机组控制系统增加云监控与自动锁车功能。

5  结束语

S1-ZX箱式发电机组在新疆某油田上进行配套电动钻机钻井试验，用户反馈良好：箱式散热器运行可靠，满足高低温及风沙环境下使用;变频器节能省燃料;机组内部空间宽敞，维护保养及运输方便;机组电气设计能够抗油田钻井工况中谐波干扰。

电动钻机配套的柴油发电机组长期被国外产品垄断，S1-ZX箱式发电机组的配套成功，创造出了良好的经济效益和社会效益，将有助于打开并逐步拓展油田电动钻机专用发电机组市场，提高油田钻机设备中国产化设备的比例，逐渐把国外进口产品替换掉。

后续将会根据市场反馈持续改进S1-ZX箱式发电机组，从人机工程学角度出发，方便用户操作、维护保养机组。

参考文献：

[1]王衍超.油田电动钻机配套发电机组工况分析[J].柴油机，2017.

[2]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]梁刚.800kW陆用箱式低浓度瓦斯发电机组研制[J].内燃机与配件，2019.

[4]裴海英.石油钻井电动钻机节能创效浅谈[J].化工管理，2019.