网电储能修井机与柴油修井机经济性对比分析

苑承波，吴开磊，陈 楠，张 超

（渤海装备中成装备制造公司，天津 300280）

0 引言

随着油田生产区域城市化进程的不断加快，社会和居民以及企业自身对设备“节能、环保、低碳、降噪”的要求越来越高，用网电修井作业设备取代柴油机驱动设备已是大势所趋。但是，各修井公司因网电修井作业受设备投入、修井周期、能源动力价格和设备维护保养费用等因素的影响，不能够合理判断是否运用网电修井设备进行作业。为进一步明确网电储能修井机运用的决策依据，通过经济性评价方法和现场测试的方式，对网电储能修井机和柴油修井机的能耗、维护保养、成本等进行经济性对比分析。

1 网电储能修井机电源补偿系统工作原理

网电储能修井机在常规电动修井机的基础上引入超级电容技术，利用修井作业间歇性动力需求的特点和超级电容快充快放的特性，在修井一个循环的2/3时间内，为修井机的超级电容充电，1/3的时间内快速放电，与井场变压器一起为修井机电机供电，达到修井机的功率要求，就能够在现有的电网资源条件下，满足电动修井机作业，再通过不断循环，完成整个修井作业过程。

2 网电储能修井机应用经济性影响因素

修井设备利用网电的目的是节能减排、环保降噪。判断修井设备是否采用网电，需综合考虑网电修井设备投入、网电工程建设投入、修井周期、燃油动力价格和设备维护保养费用等因素。

2.1 网电修井设备投入

网电修井设备投入，使用方如果一次性购置设备，可按固定资产折旧方式使用设备，如果以租赁方式使用，在折旧的基础上增加附加费用。

2.2 网电工程建设投入

网电储能修井机，直接将电缆与井场抽油机配电柜连接，无需其他工程建设投入。

2.3 修井周期

网电储能修井机，直接接入井场抽油机配电柜400 V交流电源，避免了接高压电存在的安全隐患、采油厂不再需要协调高压电工，作业大队电工即可完成此项工作，能缩短至少1 d的作业准备时间。

2.4 能源动力价格

电能，各地区电价不一样，有的是油田内部供电，有的是地方给井场供电。油田内部供电是按变压器容量收取，地方给井场供电是按电表收取。

柴油，最近随着国际原油价格的持续上涨，国内成品柴油价格不断上涨，随之而来的就是修井的成本越来越高。

2.5 设备维护保养费用

网电储能修井机的电机和变频器等主要部件寿命长、易损件少、不需要消耗油品，减少了生产消耗。没有柴油机所需的三滤等配件，维护保养费用低。

3 油电消耗等效关系

修井机经动力系统，利用绞车、井架、游车大钩和其他工具起下管柱，现以管柱起下所消耗的能量为依据，由管柱起下所消耗的能量，通过反推的方式，建立柴油修井机与网电储能修井机之间的能耗折算关系。设提升同等重量的管柱需要能量为G。

3.1 柴油修井机耗能

柴油修井机是通过柴油机做功，将化学能转换为机械能，然后再通过变速箱、角传动箱、绞车、滑轮组等传动链提升管柱。由设备的主要参数可知，传动链传动总效率约为=0.75。根据能量守恒可列出等式（1）。

式中G——提升管柱耗能，kW·h

Q——柴油消耗量，t

k——燃油消耗率修正系数，取值1.0～1.2

q——柴油机燃油消耗率，g/（kW·h）

因柴油机性能数据是按燃油消耗量标定，则柴油机燃油消耗率见式（2）。

式中B——每小时的燃油消耗量，kg/h

Pe——有效功率，kW

将柴油机燃油消耗率代入可得式（3）。

3.2 网电储能修井机耗能

网电储能修井机是通过网电+储能驱动，将电能转换为机械能，然后再通过变速箱、角传动箱、绞车、滑轮组等传动链提升管柱。使用网电时，变压器运行效率为0.99，电机效率为0.9～0.95。根据能量守恒可列出式（4）。

式中W——电力消耗量，kW·h

3.3 柴油修井机与网电储能修井机能耗等效关系

结合式（3）和（4），在柴油修井机与网电储能修井机作业时，上提同一重量管柱的情况下，柴油机和电机输出的能量是一样的，得出油电消耗等效关系见式（5）和式（6）。

整理得到：

以60 t修井机为例，柴油机为东方康明斯ISL9.5-385E51A，在额定转速下，有效功率为282 kW，标定燃油消耗量57 kg/h，代入式（6）得 Q=2.02 t。即实际用电 1万 kW·h时，相当于消耗柴油2.02 t。

4 柴油修井机与网电储能修井机经济性测试对比分析

4.1 柴油修井机与网电储能修井机能耗测试

（1）燃油消耗测试（摘自华北油田二厂岔河集岔80-59井现场实测）。岔80-59井，检泵作业。此井共起下油管386根，起下抽油杆402根，管柱共计788根，累计油耗为320 L，平均每根管柱耗油量为0.41 L。按0#柴油价格6.5元人民币/L，单根管柱消耗的燃油费用为2.66元人民币/根。

（2）网电消耗测试（摘自华北油田二厂岔河集岔80-59井现场实测）。此井同样为检泵作业，共起下油管386根，起下抽油杆402根，管柱共计788根，累计耗电量为336 kW·h，平均每根耗电量为0.426 kW·h。目前华北油田执行峰谷电价，峰时0.8元人民币/（kW·h），谷时0.4元人民币/（kW·h）。按照峰谷期间作业时间相同进行计算，平均电价为0.6元人民币/（kW·h），可以推算出，利用网电储能修井机，单根管柱消耗的电量费用0.256元人民币/根。

4.2 燃油消耗及网电消耗测试分析对比

（1）通过以上计算可以得出，利用网电储能修井机较柴油修井机，提升同等负荷的情况下，单根管柱可节省费用2.4元人民币。

（2）单纯对比燃油消耗及电量消耗，以燃油消耗作为基数进行运算，单根管柱的能源节约率90%。

（3）由以上对比数据可以推导出，柴油修井机提升单根管柱消耗燃油的成本是网电储能修井机提升单根管柱消耗电量成本的10.39倍。

（4）柴油修井机提升1根管柱消耗燃油费用为2.66元人民币，将此费用应用于网电储能修井机，至少可以提升10.39根管柱。

（5）按照修井作业习惯，年出勤率为300 d计算，平均每天提放320根管柱进行测算，每年共可提放96 000根管柱。利用网电储能修井机，单纯对比燃油及耗电费用，单台年度可节省费用230 400元人民币。

4.3 燃油修井机及网电储能修井机维护保养分析对比

（1）柴油修井机柴油机年维护保养费用（表1）。根据各采油厂设备部门统计数据，60 t修井机的柴油机每年需日常维护、维修配件，每作业（500～800）h就要更换柴油机润滑油及机油滤清器、空气滤清器、柴油滤清器1次，表1是国内油田设备管理单位统计的60 t修井机用柴油机年维护费用。

表1 柴油修井机柴油机年维护保养费用

（2）网电储能修井机电控系统维护、保养费用。变频电机需维护、保养的项点比较少，电控系统免维护，参照网电钻机、网电修井机的使用经验，电控系统年维护保养材料费用臆3000元人民币。

4.4 柴油修井机与网电储能修井机年消耗费用对比

按照年出勤率为300 d，每天提放320根管柱进行测算，每年共可提放96 000根管柱。

（1）柴油修井机年消耗费用264 930元人民币。

（2）网电储能修井机年消耗费用27 576元人民币。

（3）网电储能修井机年能源消耗节约率89.6%。

（4）网电储能修井机较柴油修井机传动系统，传递效率高，故障率低，维修成本低。采用液压盘刹作为滚筒刹车，刹车片更换周期长，材料成本低。

4.5 柴油修井机与网电储能修井机的使用成本对比（表2）

表2 柴油修井机与网电储能修井机的使用成本对比万元人民币

从表2可见，网电储能修井机比柴油修井机年度使用费用可节省23.7万元人民币。参照柴油驱动修井机，设备的有效使用年限为15 a。

（1）与柴油修井机机投资成本持平年限计算。持平年限=3.88 a。

（2）单台网电储能修井机15 a可减少成本计算。动力超级电容模组厂家承诺使用寿命为逸10 a，按照8 a进行计算，15 a内更换一组动力超级电容模组，单套动力超级电容模组价格为25万元人民币。单台网电储能修井机15 a内可以为用户减少成本238.5万元人民币。

目前的超级电容模组已在城市电动公交车、新能源汽车、地铁、风力发电等各领域进行广泛应用，各方面性能及稳定性已得到认证，同时介于网电储能修井机现场应用的工况（快充快放），动力超级电容模组本体电量一直可以维持自身总容量的80%以上，更加延长了动力超级电容模组的使用寿命。

5 结论

经中石油技术检测中心现场测定，网电储能修井机加装超级电容补偿系统，与柴油修井机相比综合节能率>74.7%。网电储能修井机通过“以电代油”的方式，有效解决了传统石油修井机能耗高、污染排放严重的问题，修井作业成本和维护保养费用降低，修井作业的利润空间增加，企业经济效益提高。