0 引言

目前，国内修井机多采用柴油作为动力，由于成品油价格高，市场价格浮动较大，造成修井作业成本高，而且柴油动力修井机存在污染排放量大、能量转化率低和工作噪声高等环保问题。尤其在新两法颁布后，国内各大油田“以电代油”的需求日益迫切。

常规电动修井机一般采用交流变频技术，先后出现过2种形式：①接入低压电源的电动修井机。该修井机现场应用难度小、安全性较好，但受井场变压器(一般为50 kVA/400 V)限制，电机功率匹配小，起下速度慢，解卡能力低，无法达到常规修井机的工作能力和作业时效，如果配备较大功率的电机，就会打破电网供电平衡, 造成变压器过载，影响临近抽油机正常工作，甚至造成电网故障。②接入高压电网的电动修井机。该修井机一般为10 kV/6 kV供电，虽然可以不受井场配电限制，但是需要配备单独的高压移动变电站，这一方面增加了设备投入和搬安工作量，另一方面每次作业必须经油田供电部门批准，并由专业电工接入和拆除，等待时间过长，安全风险大^[1]。

针对上述2种电动修井机存在的不足，中油集团渤海石油装备制造有限公司与中国石油华北油田分公司合作，共同研制了XJ900DB新型网电修井机。该修井机将变频调速和超级电容储能技术相结合，在现有抽油机低压配电条件下(50 kVA/400 V)，以超级电容器作为储能元件，利用修井机工作间歇充电，起升时适时放电，补偿修井机输出功率，并采用变频调速和机械换挡，实现绞车宽恒功率输出。这样既保证了其与常规修井机工作效率和作业能力相同，又可以安全、方便地实现修井机“电代油”。该修井机在华北油田应用中取得了良好的效果。

1 修井机功率补偿系统 1.1 功率变换系统

从广义上讲，任何一个电力系统都可以看成是电能从电网到负载的功率转换，它们之间通过一个功率处理器连接，因此电网、功率处理器和负载构成了一个功率变换系统。功率处理器是一个能够将一种电气量(电压或电流)转换成另外一种电气量的电器元件或元件组合，可以是变压器、电容器、电动机和变频器等。

在常规电力系统中，电网的功率输出会直接受负载变化的影响，反之亦然。在电网配电一定的条件下，负载的突然变化会使电网的电压或电流发生巨大变化，造成电网不稳定。这主要是因为功率变换系统中缺少储能元件，电网无法满足负载的变化。电机功率配置大的常规电动修井机接入井场电网后出现变压器过载或临近井抽油机停止工作，往往是这种功率变换系统的特性所造成的。解决这一问题需要在常规电力系统中集成储能装置，当负载波动时，由储能系统提供所需电力。

1.2 超级电容器

超级电容器(Ultracapacitor)又称为法拉第电容器，因其有2个浸没在电解质中并由隔膜分离的集电层，又称双电层电容器。由于其电极采用多孔材质，储电能力远远超过普通电容器，故称超级电容器。它具有功率密度大、充/放电速度快、效率高、寿命长和无污染等优点。作为储能元件，超级电容器在能量变换方面具有非常明显的优势，已在轨道交通、风力发电、公交车辆和军事装备等方面得到广泛应用。

表 1给出了超级电容器、电化学电池与其他类型电容器的主要特性。从表可以看出，超级电容器功率密度是电化学电池的20~40倍，循环工作次数长于电化学电池3个数量级，工作寿命也高出电容器和电化学电池，是电池工作寿命的3倍。但超级电容器储电量小，持续电量少，能量密度只有电化学电池的1/100~1/10。随着技术的不断进步，超级电容器的工作性能会进一步提高，因此超级电容器是一种拥有较大发展潜力的储能元件^[2]。

1.3 超级电容储能系统

超级电容储能系统由多组超级电容器和电路组成，超级电容器通过串、并联能够储备足够的能量。这种储能系统放电速度快，可以及时响应负载的波动，但是作为直流电源的超级电容储能系统电压变化大，无法形成长时间的稳定电流，还不能直接接入功率变换系统，只有通过一种电压源型变流器接到直流母线上才具有稳定的工作性能。这种变流器采用双向直流输入/输出，既能接受直流母线的电能(充电)，又能向直流母线回馈电能(放电)，通过系统电路控制超级电容储能系统充电和放电，就能够实现网电修井机稳定的功率补偿。

1.4 功率补偿系统工作原理

修井机是一种承担间歇性负载的工程机械，其作业过程可以分为起升和下放2个阶段，起出抽油杆(油管)的每个工作循环分为3个步骤，即起升、卸扣和单根下放，下放阶段各工作步骤刚好相反。因设备条件和工人熟练程度不同，各作业工序耗时不等，每个工作循环耗时一般为56~66 s^[3]。通过实测修井机发动机的功率输出，得到修井机起下过程各工作步骤动力输出曲线，如图 1所示。

由图 1可以看出，起升时修井机最大峰值功率为P_max，下放为P_min，卸扣时有一个小的峰值输出，是为液压钳提供液压动力，整个工作循环的平均功率为P_j，卸扣和下放时间约为起升时间的2倍，是一种典型的间歇式循环作业。

采用超级电容功率补偿系统为修井机补偿动力，其基本过程为：在修井机起升时，因电网功率P_s不足，母线电压降低，超级电容器组通过变流器放电，补充功率为P_DCH，它们共同为绞车电机提供动力P_Load(见图 2a)；在修井机工作间歇，即卸扣和下放单根时，修井机动力输出在平均功率P_j以下，电网利用工作间歇为超级电容器充电，充电功率为P_CH(见图 2b)。因超级电容器充放电速度快，且充电时间长于放电时间，所以保证了每次充电可以在起下间歇完成，井场电网可以得到有效的补偿。图 2是网电修井机功率补偿系统工作原理图。

在网电修井机峰值输出时，超级电容器与电网同时为修井机提供动力，因此该系统实际上起到功率补偿和功率消峰2个作用。在现有油田井场低压配电条件(50 kVA/400 V)下，可以直接通过抽油机供电系统供电，修井机提升、解卡能力不会因电力不足而下降，工作效率可以得到保证，功率需求较大时也不会对电网造成冲击。

超级电容器的容量需要根据井场配电情况合理匹配，在不考虑内阻的情况下，充电能量E_CH和放电能量E_DCH分别为^[4]：

(1)

(2)

式中：P_CH(t)为超级电容器在变流器输入端的系统充电功率；P_DCH(t)为超级电容器在变流器输入端的系统放电功率；t_CH为充电时间；t_DCH为放电时间。

2 整机设计 2.1 主要技术参数

通过匹配优化网电修井机电机配置和超级电容补偿功率，根据常规XJ900修井机和井场供电条件，确定整机主要技术参数如下：修井深度4 000 m( in外加厚油管)，最大钩载900 kN，额定钩载600 kN，井架高度21 m，游动系统4×3，快绳拉力180 kN，游钩速度0.0~1.5 m/s，网电电压380 V，井场变压器容量≥50 kVA，主电机功率110 kW/AC 400 V，超级电容补偿功率80 kW，底盘驱动形式6×6。

2.2 结构设计

XJ900DB新型网电修井机由底盘、动力传动模块、井架起升模块、液气路模块以及辅件等构成，如图 3所示^[5]。

2.2.1 底盘

选用6×6专用底盘车，配置336HP大功率国Ⅴ柴油机，大梁整体强度高，以保证修井机的越野性能，底盘发动机仅用于车辆行驶、搬安运输，不参与修井作业，但可以为网电修井机的故障停机提供备用动力，确保井控安全，快速撤离井场。

2.2.2 动力传动模块

动力传动模块由动力单元和传动单元组成，其中动力单元由变频电机、控制柜和超级电容柜组成修井机的功率变换系统。控制柜由开关电路、变频器和变流器组成。工作过程中，系统采集修井机工作信号，控制超级电容器组自动充放电。超级电容器选用48 V 165 F超级电容模组，通过串、并联方式形成阵列式结构，最大补偿功率为80 kW^[6]。

传动单元包括变速箱、角传动箱、绞车和天车等部件。选用多挡远控变速箱，优化传动比，绞车能够宽恒功率动力输出^[7]。设置解卡、提升和快速下放3种工况，由司钻台远程控制，方便司钻根据作业情况选择起下速度。绞车快绳拉力为180 kN，天车采用4×3绳系。经设计计算得游车大钩载荷随速度变化曲线，如图 4所示。最大钩载不小于900 kN，游车大钩最大速度为1.5 m/s，其作业能力与常规动力修井机相当。

2.2.3 液气路模块

采用独立的辅助电机为液气路提供动力，由控制柜供电，分别驱动液压泵和空压机。液气路工作原理和各执行元件选型与常规动力修井机相同，符合现场操作人员的认知，并最大程度地满足现有操作习惯^[8-9]。

2.2.4 辅件

指重表、死绳固定器和液压小绞车等辅件与常规修井机相同，配备电缆滚筒1部，可容纳重型橡塑电缆100 m，直接接入井场变压器配电柜，能够满足多数井场接入要求。

3 现场试验与应用 3.1 现场作业条件

华北油田修井作业以中深油水井为主，井深2 000~4 000 m，冀中探区泵挂深度一般为1 500~3 500 m，适合使用额定钩载为600 kN的修井机，以检泵、酸化压裂、补孔和水井分注等作业工艺为主。

抽油机井多为“单变对单井”的形式，即1台50 kVA/400 V变压器为一部抽油机供电；部分为加密井、丛式井，采用“单变对多井”形式，对变压器进行扩容，一般为110~200 kVA/400 V。

3.2 现场试验情况 3.2.1 检泵井作业

2017年1月在华北油田采油一厂文31-10井进行检泵作业，井深2 454 m，泵挂1 593 m。接入50 kVA/400 V井场变压器，起下油管164根、抽油杆180根，最大钩载140 kN，作业效率与常规动力修井机相当，耗电405 kW·h。

3.2.2 措施井作业

同期在华北油田采油一厂雁60-平4井进行补孔作业，井深3 390 m，垂深2 604.53 m，分别在深度2 930~2 940 m、2 980~2 992 m和3 030~3 040 m井段补孔作业，井场变压器容量为125 kVA/400 V，同时为雁60-平3井供电，抽油机电机功率45 kW。作业过程中，起下油管320根，最大钩载280 kN，游钩速度达到1.2 m/s，作业过程中同井场的雁60-平3井正常工作，耗电513 kW·h。

3.3 现场应用情况

样机试验完成后，2017年6月设备正式投入使用。据统计，到2017年9月中旬已完成各种油水井施工作业12井次，起下油管20 348根、抽油杆3 390根，共耗电13 039.2 kW·h，节省作业用燃油7.67 t，节省能耗费用2.88万元。

从现场试验到投入使用，XJ900DB新型网电修井机经历了华北地区寒冷(-16 ℃)和酷热(41 ℃)的气候，在风雪雨雾各种气象条件下作业，整机工作稳定，性能可靠，电网供电和超级电容器模组充放电正常，没有出现影响电网及其他用电设备的现象。

3.4 应用效果

XJ900DB新型网电修井机采用网电作为修井动力，可以大幅度降低修井能耗。现以雁60-平4井措施施工为例进行说明。

通井工序起下管柱3 200 m，耗电513 kW·h，如采用相同型号柴油动力修井机作业则油耗约为300 L，通过能耗折算^[10]，比常规修井机节能86%。

网电单价按0.85元/(kW·h)计，使用电费为436元。柴油单价按5.2元/L计，采用同型号柴油动力修井机燃料费为1 560元，比常规修井机节能72%。

除节约上述费用外，电动机不需要定期更换易损件和油品，维护成本大幅度降低。以年为单位综合测算，该修井机比常规动力修井机降低作业成本20%以上。

此外，以网电清洁能源为动力，修井作业时无污染排放，实测噪声仅为80.7 dB(A)，减排降噪效果明显。华北地区雾霾严重，油井多处于耕地或村庄附近，尤其雄安新区建设启动，油田减排和环保压力日益增大，推广应用新型网电修井机，对绿色油田建设大有裨益。

4 结论

(1) 超级电容功率补偿、变频调速以及宽恒功率动力输出是解决低压网电修井机起下速度慢，解卡能力低的关键。

(2) 超级电容功率补偿系统的应用，解决了高压接入网电修井机开工等待时间长以及安全风险高的问题，能够安全、方便地实现“电代油”。

(3) 超级电容储能新型网电修井机节能环保效果明显，具有较高的推广应用价值。