电代油设备在石油钻井中的效能分析
时间：2023-06-19 11:30:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈茂骁
（中国石油川庆钻探公司川西钻探公司，四川遂宁 629001）
传统钻机主要使用柴油发电机组作为钻井动力设备，存在耗能高、二氧化碳排放污染较大、噪声污染严重等问题。随着国家提出的“碳中和”和“碳达峰”双碳目标，川西钻探公司积极倡导和发展绿色钻井，充分利用地方网电富裕容量优势，大力推广以电能替代柴油的钻井电代油项目。对于柴油发电机而言，大功率的钻井设备通过高效的无功补偿装置，有效提高了钻机效率，经济效益显著，降低了噪声和空气污染，且供能稳定可靠。川西钻探公司引进该项目已多年，通过运行实施积累了大量的运行经验和数据，本文通过对相关数据和电价影响因素的分析，以提出钻井队用电建议和电代油项目盈利条件等[1]。
钻机电代油装置是将配电网末端变电站预先在工厂内制造装配，包括变压器、高压间隔和低压间隔、控制设备、内部接线、计量、补偿、避雷器等辅助设备配置在一个公用外壳或一组外壳内的一种成套变电站配电设备，其既有普通箱式变的完整功能又符合石油钻机异地搬迁的可移动和灵活转运特性，是一种油电改网电的供配电节能产品，是石油、天然气陆地及海上钻探生产供电、不断变换供电场所的理想产品。一般来说，电代油设备应具有以下6 个特点：
（1）可以根据场地的要求和检修方便，对高、低压室和变压器室进行“目”字形或“品”字形布置。
（2）供电方式有终端型、环网型、双电源供电等多种方式，进出线方式也可采用架空或电缆进线等；
运行安全可靠，维护方便，以及可移拖动等。
（3）根据环境的要求可选择多种颜色和材质的外壳，使箱变与周围环境和谐统一。
（4）具有成套性强、结构紧凑，占地面积小、选址灵活、对环境适应性强，可以大大减少土地资源的浪费及投资方建设变配电站的经济支出。
（5）可以根据用户的要求选择各种高低压配置的开关，满足用户的需求。
（6）具有安装简单、方便、快捷的特点，并可根据使用场所的不同随时移动或转运。
目前川西钻探公司共有电代油设备12 套，其中大容量3200 kV·A 共7 套，3300 kV·A 和2630 kV·A 各1 套，小容量630 kV·A 有3 套。大容量设备主要用于钻机整体电代油项目实施，项目前期线路投资10～40 万元，该投资受现行油价、钻机型号、钻井设计井深、10 kV 主配电线缆（95 mm2以上）与井场距离、高压线路容量、距离等因素影响，通过综合评估其可行性后予以实施[2]。而小容量设备主要用于井场与网电10 kV 配电线缆较近，线径35 mm2即可实施，投资小、效益较好，主要用于井场罐区、生活用电、照明用电等场合。
电价主要受季节、用电时间和计价方式3 个因素的影响。
2.1 季节因素
对于川西钻探公司来说，受到影响的季节因素为，每年6—10 月份为丰水期，1—4 月份和12 月份为枯水期，5 月份和11月份为平水期，丰水期电价下浮25%，枯水期电价上浮50%。对于用电钻井队而言，钻井作业生产应主要安排在丰水或平水季节，枯水季节重点保养维修维护设备或进行设备的搬迁安装和拆除作业。
2.2 用电时间
用电时间划分为7：00～11：00 和19：00～23：00 为高峰期，电价上浮33.5%；
23：00～次日7：00 为低谷期，电价下浮50%；
11：00～19：00 为平谷期，电价维持基准价格。
该电价影响因素适用于全年，为节约用电消耗，及降低井队能耗成本，结合钻井队实际情况，有如下指导建议：
（1）井队在保证生产和安全等前提下，可选择性的生产工作应避开两个高峰期，即7：00～11：00 和19：00～23：00；
将可能导致停止钻进的日常工作尽可能安排在白天，如设备日常维护、保养、维修等工作，并且晚上视野差、不安全因素多。在钻进期间，每天耗电量2×104～4×104kW·h，每小时平均耗电量为1250 kW·h。如果将1 h 的设备保养安排在白天，则至少节约电费计算（仅与基准电价做比较分析）1250×（0.76-0.38）=475 元。单井周期按300 d 计算，则可节省支出=14.25 万元。即采用错峰生产单井可节约电费14.25 万元。
（2）相对于夜间，日间天电价均较高，而白天宿舍无人，可以关闭宿舍所有用电。以一个井队30 栋宿舍计算，1 个生产夜班班组白天需要休息，最多占用5 栋宿舍，另再以5 栋为不可控需要打开用电设备计算，即白天可关闭20 栋宿舍用电，防止空调、热水器、电视等用电设备在无人状况下打开使用，仅以7：00～18：00 计算。每栋宿舍2 个房间，每个房间包括空调1.5 kW、热水器1 kW、电视0.2 kW、电脑0.3 kW 等，计算功率值均取实际产品中较小值，最后以每个房间3 kW（即每栋6 kW）计算：节约生活用电费用=综合电价×单栋房间功率×（4×（1+电价上浮率）+7）×20×用电系数。其中，综合电价取值1.2元，为综合考虑各种电价影响因素后所得值（包括外包公司的服务费0.5 元）；
用电系数取0.7，即考虑有宿舍无电脑，用电设备实际综合耗电等因素。通过计算，每天可节约生活用电费用为1244 元。白天每关闭1 栋宿舍用电，可节约电费62.2 元。以钻井周期300 d 计算，300×1244=37.32 万元，这样单井可节约总生活用电费37.32 万元。
2.3 计价方式
计价方式主要分为一般工业用电（一步制电价）和大工业用电（二步制电价）两种[3]。
（1）一步制电价基准电价为0.76 元/（kW·h），即用电总费用计算如下：用电总费用=0.76×平谷用电量+0.76×1.335×高峰用电量+0.76×0.5×低谷用电量。
（2）二步制电价为1 kW 装机容量初始费用26 元/kW，钻井队装机容量为3200 kW，即每月需要交纳83 200 元初始费用，后基准电价为0.53 元/（kW·h），即用电总费用=83 200+0.53×平谷用电量+0.53×1.335×高峰用电量+0.53×0.5×低谷用电量。
每种计价方式结合每天高低平3 个阶段电价变化幅度，可计算出其全天综合电价=基准电价×=0.945×基准电价。
综合电价c=0.945z，其中z 为基准电价。因此，一步制电价综合电价=0.945×0.76=0.72 元，二步制电价综合电价=0.945×0.53=0.50 元。
两种计价方式对电代油单个项目盈利有着不同的影响。对于川西钻探公司来讲，一步制电价每多用一度电，相对于柴油机发电，都可以产生实际经济效益；
实际电代油建设中，地方电网多以二步制电价实施工业用电，如目前每月初始电费为83 200元，由钻井队承担，电代油项目月盈利则需满足以下条件：
以1×104kW·h 电折算2.6 t 柴油、每吨柴油5000 元计算，则月用电费用=月用电量×2.6×5000，大于83 200+月用电量×0.5×10 000。
通过计算，月用电量大于10.4×104kW·h 时才能盈利，即日耗电量低于3466 kW·h，电代油项目开始亏损。所以井队主要生产任务结束后，如完井后守井期间，应尽快停止使用电代油设备，使用小功率柴油发电机替代。即，则电代油月盈亏x＞。其中，x 为钻井单月用电量，y 为二步制电价中每月初始电费；
a 为1 万度电折算柴油系数，一般取2.2～2.8，具体根据本单位电代油考核系数确定；
b 为柴油单价，c 为二步制用电综合电价。
首先对大深001-X4 井整个钻井周期的单井用电量进行数据分析，得到表1 所示的统计数据。该井设计井深5570 m，共5开，用电时长337 d，总耗电量470×104kW·h，其中单日最大用电量、单日最小用电量、平均用电量分别为1.21×104kW·h、3.96×104kW·h 和1.23×104kW·h。
表1 大深001-X4 用电统计
大深001-X4 单井用电曲线如图1 所示，可以看出共有7 次用电低谷期，分别为5 次固井和2 次处理井下复杂。通过5 次固井可以将钻井5 开明显区分开，从图中可以看到二开和三开期间，钻进单日耗电量可达到3.9×104kW·h，前3 开耗电量338×104kW·h，约占总耗电量72%。
图1 大深001-X4 单井电代油用电曲线
然后对双鱼001-1 井整个钻井周期的单日用电量进行数据分析，得到表2 所示统计数据。该井设计井深5850 m，共5开，用电时长328 d，总耗电量379×104kW·h，其中单日最大用电量、单日最小用电量、平均用电量分别为3.92×104kW·h、0.16×104kW·h 和1.23×104kW·h。
表2 双鱼001-1 用电统计
双鱼001-1 单井用电曲线如图2 所示，可以看出共5 次用电低谷期，分别为5 次固井。通过5 次固井可以将钻井5 开明显区分开，从图中可以看到二开和三开期间，钻进单日耗电量可达到3.9×104kW·h，前3 开耗电量251.55×104kW·h，占总耗电量66%。
图2 双鱼001-1 单井电代油用电曲线
通过对钻机类型相同、设计井深相近的两口井电代油单井用电量分析，由于大深001-X4 井存在2 次处理井下复杂，导致整个钻井周期耗电量增加，单前3 开在占整个钻井周期57.6%情况下耗电量仍然达到72%，而双鱼001-1 井前3 开占钻井周期46.4%时耗电量达到71.6%，所以电代油设备使用在这期间效益最高[4]。
（1）通过用电时间对电价影响分析，提出井队用电指导意见。井队在保证生产和安全等前提下，可选择性的生产工作应避开两个高峰期；
将可能导致停止钻进的日常工作尽可能安排在白天，如设备日常保养，并以1 h 工作合理安排为计算，可至少节约成本475 元；
白天宿舍无人，可以关闭宿舍所有用电，白天每合理关闭一栋宿舍用电，每天可节约电费62.2 元。
（2）通过电价计价方式推导出综合电价c=0.945z，一步制和二步制电价综合单价分别为0.72 元和0.50元。在二步制电价中，以每吨柴油5000 元计算，当日均耗电量低于3466 kW·h 时电代油项目开始亏损，并推导出电代油单月盈亏。
（3）通过对大深001-X4 井、双鱼001-1 井日用电数值分析，从统计曲线中分析每开钻井用电情况，电代油设备使用效益最高期为前3 开钻井期间，单日耗电量大，最大可达到3.9×104kW·h，在占钻井周期46.4%～57.6%情况下，耗电量达到整井耗电量64.4%～71.2%，因此电代油安装投产越早经济效益越好。
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