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摘 要：天然气作为清洁能源其低廉的价格让燃气发电技术得到发展和推广。油田企业钻井工程中主要消耗柴油，但高成本、噪音大、排放污染严重，如能将钻机从柴油驱动改为电力驱动或燃气发电驱动，不仅可以降低企业生产成本、提高经济效益，还能减少污染、降低噪音，节能减排，同时带来了良好的社会效益和经济收益。
关键词：天然气发电；钻井工程；经济收益
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）27-0056-01
1 天然气的优势
钻井工程作为石油与天然气开采业中的能耗重点环节，迫切需要降低能耗、减少污染物排放。据统计，钻井动力设备的燃油消耗占钻井成本的30%以上。在煤、燃料油和天然气三大化石能源之中，天然气具有明显的环保和价格优势，使用天然气部分或者全部替代柴油将起到很好的降本增效作用，同时有效降低温室气体的排放量。
2 应用技术的筛选
经过考察，决定比对双燃料发动机技术和天然气发电驱动技术。双燃料发动机技术是将原有的柴油机改制而成。柴油机原机及供油系统不做任何变动，仅增加一套供气装置。供气系统主要包括燃气供给系统、燃气控制系统两大部分。天然气发电驱动技术是采用一组600GJZ1-PwT天然气发电机组（出口电压为600 V）进行发电。该设备通过余热回收实现能源利用率达到72%，替代钻井场现有柴油发电机组给钻机系统提供电源，能够保护大气环境，不用考虑操作繁琐等问题。
2.1 动力系统的安全可靠性
2.1.1 双燃料发动机技术的安全保障措施
①双燃料发动机具有更优的低速扭矩性能，转速波动小、响应快，适应井场负荷频繁变化的要求，使发动机的动力输出性能和配套钻井机械的加速性能得到提高。②配备电子保护功能，增强发动机控制保护功能。具有超速保护、油压低停车，缸、排温高报警及自动切换成柴油模式；采用进口控制器，可靠精确，使系统实时处于最优状态。③配备电磁阀防止燃气供应故障。出现气量不足时，自动切断天然气供给，并切换到纯柴油工作状态。
2.1.2 天然气发电技术的安全保障措施
①天然气发电机组本身的运行特征更适应钻井冲击负荷的要求，保证钻井的供电安全。②现场柴油发电机组保留1台与天然气机组并车，作为天然气发电机组的备用。当气源不能保证或天然气机组出现问题时，启动柴油发电机组，以保证供电可靠性及安全性。③配备有强大的控制系统。每台发电机组配备1台就地控制柜及1台机组断路器柜，每2台发电机组还设置1台远程控制柜，共3台远程控制柜，保证运行安全平稳。④配备有ESM机组控制系统。可实现空燃比自动控制、自动并网、自动调整功率因数、自动负荷分配、自动加载、自动卸载等功能。机组既可并网运行又可并机运行，电气系统实现强弱电分离操作安全方便，更便于构建大型自动化电站。⑤无功补偿与谐波治理。在电动钻井系统中配置无功补偿与谐波治理系统，整体系统配置放在一个集装箱内，解决无功补偿与谐波干扰问题。发电机组配置考虑其输出无功功率完全达到替代的柴油发电机组无功输出要求。⑥监控功能：方便远程数据监控功能，可大大提高电站的自动化管理水平。
2.2 燃气系统的安全可靠性
2.2.1 双燃料发动机技术的安全用气措施
①采用特有的爆震实时监测技术。出现爆震时，自动切断燃气供应，迅速转换到全柴油工作模式。②安装有瓦斯阻火器和专用防爆器，以此避免因回火等原因引起的发动机故障，保障发动机安全运转。③安装有安全阀，紧急情况下，按下“紧急停机”按钮，燃气电磁阀、柴油电磁阀均立即关闭，且柴油执行器立即拉动柴油泵齿条复位，在最短时间内使机组停机，最大限度保护机组以及现场人员安全。
2.2.2天然气发电技术的安全用气措施
①罐车与燃气机组距离保持在30 m以上。从罐车停放点敷设一条输送总管线输送天然气至发电机房处，接发电机组进气支管。②设置流量计和防爆电动蝶阀对天然气输送进行计量和控制。③在距离机组燃气进气调压阀前1 m内，天然气温度≤40 ℃。
2.3 改造费用比较
以替代某一钻井队50DB钻机为例，共有3台额定功率为1 200 kW柴油发电机组，额定电压为600 V，额定频率为50 Hz。启钻时负荷约为600 kW，钻机提钻时瞬时最大负荷约为2 000 kW。工作条件为：启钻时开一台柴油发电机组，另两台作为备用；采用双泵高负荷运行时，两台柴油发电机组投入工作，备用一台。①双燃料发动机技术改造费用：主要由两部分组成，一是增加撬装式LNG储存供气系统的费用，二是发动机的双燃料改造费用。共计约为180万元。②天然气发电技术改造费用：本项目共安装6台600GJZ1-PwT天然气发电机组，配套冷却系统、进气系统、电气系统和必要辅助生产设施组成（不含余热系统、租地费用）。设备及主材部分投资1 197万元。
2.4 经济效益预测对比
以50钻机为例，保守计算单台发动机平均负荷为500 kW，纯柴油工况时柴油消耗105 kg。钻井周期为45 d，燃油总量为200 t。
双燃料发动机技术：使用柴油替代率为60%的双燃料发动机时，每小时柴油消耗42 kg，同时耗天然气81.9 m3，考虑到折旧等费用，一口井利润可达54.79万元。
3 现场试验成果
2013年4月在一个不带顶驱的钻机上试验天然气发电技术。该钻机动力由2台190柴油发动机提供，电力主要由1台400 kW柴油发电机组提供。正常打钻时，钻井平台设备用电累计负荷为430 kW左右，正常运行时负荷为200～300 kW左右。使用了1台标定功率600 kW静音型集装箱式全自动天然气发电机组。4月18日15点30分正常带载运行，直到26日19点30分左右，气罐所存燃气用光后设备停机。共计使用9 944.8 m3天然气，平均日用气量为1 363.9 m3。所替代的400 kW柴油发电机组之前统计的日用油量为0.8～1.1 t，每天的油气差价达2 444～3 870.5元。
2013年6月在电动钻机上开展天然气发电技术试验。该钻机配备有顶部驱动装置、2台190柴油发动机、2台400 kW沃尔沃柴油发电机组（1开1备）、1台520 kW卡特柴油发电机组（开动顶驱时使用）。试验自6月14日上午开始，至6月19日10点累计消耗天然气8 177 Nm3，平均日用气量为：1 603.6 m3。卡特柴油发电机组运行5天统计数据，共用油约4.6 t，平均日用油量为0.92 t。柴油供应价格为8 400元/t，加上运输费用及燃油供应管理费用等，价格达到9 000元/t。LNG天然气供应价格为3.4元/m3（包括天然气的运输、设备管理、罐车与气化撬的使用费用）。平均每天油气差价为2 828元。
此次试机满足了钻机正常负荷使用、安全生产和体现经济效益的要求。同时，在改善现场操作的噪声污染，减少排烟污染等方面成效明显，值得推广应用。
4 存在的问题
①在设备现场安装时由于结构太紧凑导致耗时多达一天，还出现了部分螺栓固定不紧的问题，存有潜在危害。②卧式散热器设计在房顶。添加防冻液时需多人协助作业。由于连接管接较多而串水管紧固螺栓配备不齐，出现渗漏现象。③安装燃气管线时发现其密封垫圈规格不标准，而管线不具备外层保护，易发生泄漏现象。④在合闸试用时出现缺相，造成固定式硫化氢控制面板烧损。⑤供气设施尺寸较大，不利于井场标准化布置和小井场以及山区等井场的应用。
参考文献：
[1] 陈赓良，王开岳.天然气综合利用[M].北京：石油工业出版社，2004，（4）.
[2] 韩祥鹏，张宏博.钻井用柴油/天然气双燃料发动机的研究[J].内燃机与动力装置，2011，（1）.
[3] 张建寿.天然气发电的前景以及目前存在的问题与解决方案[J].科技与企业，2013，（19）.
关键词：天然气发电；钻井工程；经济收益
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）27-0056-01
1 天然气的优势
钻井工程作为石油与天然气开采业中的能耗重点环节，迫切需要降低能耗、减少污染物排放。据统计，钻井动力设备的燃油消耗占钻井成本的30%以上。在煤、燃料油和天然气三大化石能源之中，天然气具有明显的环保和价格优势，使用天然气部分或者全部替代柴油将起到很好的降本增效作用，同时有效降低温室气体的排放量。
2 应用技术的筛选
经过考察，决定比对双燃料发动机技术和天然气发电驱动技术。双燃料发动机技术是将原有的柴油机改制而成。柴油机原机及供油系统不做任何变动，仅增加一套供气装置。供气系统主要包括燃气供给系统、燃气控制系统两大部分。天然气发电驱动技术是采用一组600GJZ1-PwT天然气发电机组（出口电压为600 V）进行发电。该设备通过余热回收实现能源利用率达到72%，替代钻井场现有柴油发电机组给钻机系统提供电源，能够保护大气环境，不用考虑操作繁琐等问题。
2.1 动力系统的安全可靠性
2.1.1 双燃料发动机技术的安全保障措施
①双燃料发动机具有更优的低速扭矩性能，转速波动小、响应快，适应井场负荷频繁变化的要求，使发动机的动力输出性能和配套钻井机械的加速性能得到提高。②配备电子保护功能，增强发动机控制保护功能。具有超速保护、油压低停车，缸、排温高报警及自动切换成柴油模式；采用进口控制器，可靠精确，使系统实时处于最优状态。③配备电磁阀防止燃气供应故障。出现气量不足时，自动切断天然气供给，并切换到纯柴油工作状态。
2.1.2 天然气发电技术的安全保障措施
①天然气发电机组本身的运行特征更适应钻井冲击负荷的要求，保证钻井的供电安全。②现场柴油发电机组保留1台与天然气机组并车，作为天然气发电机组的备用。当气源不能保证或天然气机组出现问题时，启动柴油发电机组，以保证供电可靠性及安全性。③配备有强大的控制系统。每台发电机组配备1台就地控制柜及1台机组断路器柜，每2台发电机组还设置1台远程控制柜，共3台远程控制柜，保证运行安全平稳。④配备有ESM机组控制系统。可实现空燃比自动控制、自动并网、自动调整功率因数、自动负荷分配、自动加载、自动卸载等功能。机组既可并网运行又可并机运行，电气系统实现强弱电分离操作安全方便，更便于构建大型自动化电站。⑤无功补偿与谐波治理。在电动钻井系统中配置无功补偿与谐波治理系统，整体系统配置放在一个集装箱内，解决无功补偿与谐波干扰问题。发电机组配置考虑其输出无功功率完全达到替代的柴油发电机组无功输出要求。⑥监控功能：方便远程数据监控功能，可大大提高电站的自动化管理水平。
2.2 燃气系统的安全可靠性
2.2.1 双燃料发动机技术的安全用气措施
①采用特有的爆震实时监测技术。出现爆震时，自动切断燃气供应，迅速转换到全柴油工作模式。②安装有瓦斯阻火器和专用防爆器，以此避免因回火等原因引起的发动机故障，保障发动机安全运转。③安装有安全阀，紧急情况下，按下“紧急停机”按钮，燃气电磁阀、柴油电磁阀均立即关闭，且柴油执行器立即拉动柴油泵齿条复位，在最短时间内使机组停机，最大限度保护机组以及现场人员安全。
2.2.2天然气发电技术的安全用气措施
①罐车与燃气机组距离保持在30 m以上。从罐车停放点敷设一条输送总管线输送天然气至发电机房处，接发电机组进气支管。②设置流量计和防爆电动蝶阀对天然气输送进行计量和控制。③在距离机组燃气进气调压阀前1 m内，天然气温度≤40 ℃。
2.3 改造费用比较
以替代某一钻井队50DB钻机为例，共有3台额定功率为1 200 kW柴油发电机组，额定电压为600 V，额定频率为50 Hz。启钻时负荷约为600 kW，钻机提钻时瞬时最大负荷约为2 000 kW。工作条件为：启钻时开一台柴油发电机组，另两台作为备用；采用双泵高负荷运行时，两台柴油发电机组投入工作，备用一台。①双燃料发动机技术改造费用：主要由两部分组成，一是增加撬装式LNG储存供气系统的费用，二是发动机的双燃料改造费用。共计约为180万元。②天然气发电技术改造费用：本项目共安装6台600GJZ1-PwT天然气发电机组，配套冷却系统、进气系统、电气系统和必要辅助生产设施组成（不含余热系统、租地费用）。设备及主材部分投资1 197万元。
2.4 经济效益预测对比
以50钻机为例，保守计算单台发动机平均负荷为500 kW，纯柴油工况时柴油消耗105 kg。钻井周期为45 d，燃油总量为200 t。
双燃料发动机技术：使用柴油替代率为60%的双燃料发动机时，每小时柴油消耗42 kg，同时耗天然气81.9 m3，考虑到折旧等费用，一口井利润可达54.79万元。
3 现场试验成果
2013年4月在一个不带顶驱的钻机上试验天然气发电技术。该钻机动力由2台190柴油发动机提供，电力主要由1台400 kW柴油发电机组提供。正常打钻时，钻井平台设备用电累计负荷为430 kW左右，正常运行时负荷为200～300 kW左右。使用了1台标定功率600 kW静音型集装箱式全自动天然气发电机组。4月18日15点30分正常带载运行，直到26日19点30分左右，气罐所存燃气用光后设备停机。共计使用9 944.8 m3天然气，平均日用气量为1 363.9 m3。所替代的400 kW柴油发电机组之前统计的日用油量为0.8～1.1 t，每天的油气差价达2 444～3 870.5元。
2013年6月在电动钻机上开展天然气发电技术试验。该钻机配备有顶部驱动装置、2台190柴油发动机、2台400 kW沃尔沃柴油发电机组（1开1备）、1台520 kW卡特柴油发电机组（开动顶驱时使用）。试验自6月14日上午开始，至6月19日10点累计消耗天然气8 177 Nm3，平均日用气量为：1 603.6 m3。卡特柴油发电机组运行5天统计数据，共用油约4.6 t，平均日用油量为0.92 t。柴油供应价格为8 400元/t，加上运输费用及燃油供应管理费用等，价格达到9 000元/t。LNG天然气供应价格为3.4元/m3（包括天然气的运输、设备管理、罐车与气化撬的使用费用）。平均每天油气差价为2 828元。
此次试机满足了钻机正常负荷使用、安全生产和体现经济效益的要求。同时，在改善现场操作的噪声污染，减少排烟污染等方面成效明显，值得推广应用。
4 存在的问题
①在设备现场安装时由于结构太紧凑导致耗时多达一天，还出现了部分螺栓固定不紧的问题，存有潜在危害。②卧式散热器设计在房顶。添加防冻液时需多人协助作业。由于连接管接较多而串水管紧固螺栓配备不齐，出现渗漏现象。③安装燃气管线时发现其密封垫圈规格不标准，而管线不具备外层保护，易发生泄漏现象。④在合闸试用时出现缺相，造成固定式硫化氢控制面板烧损。⑤供气设施尺寸较大，不利于井场标准化布置和小井场以及山区等井场的应用。
参考文献：
[1] 陈赓良，王开岳.天然气综合利用[M].北京：石油工业出版社，2004，（4）.
[2] 韩祥鹏，张宏博.钻井用柴油/天然气双燃料发动机的研究[J].内燃机与动力装置，2011，（1）.
[3] 张建寿.天然气发电的前景以及目前存在的问题与解决方案[J].科技与企业，2013，（19）.