張濤，王來智，張楊根，馬國梁，陳江浩

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002；2.中油測井技術(shù)中心，西安 710075）

0 引言

中國石油2022年6月5日發(fā)布《中國石油綠色低碳發(fā)展行動計劃3.0》，按照“清潔替代、戰(zhàn)略接替、綠色轉(zhuǎn)型”三步走總體部署，力爭2025年左右實現(xiàn)碳達(dá)峰，2050年實現(xiàn)“近零”排放。電能源正朝著低碳化、綠色化方向快速發(fā)展，石油裝備制造在油田開發(fā)過程中應(yīng)盡快完成“電代油”新能源技術(shù)，提升傳統(tǒng)油田設(shè)備工作勢在必行。

測井車作為傳統(tǒng)油田設(shè)備，主要用于完成測取地質(zhì)參數(shù)和繪制測井曲線的工作。目前國內(nèi)外測井車大部分采用原車底盤柴油機(jī)為測井絞車液壓系統(tǒng)提供動力；少部分測井車采用原車底盤柴油機(jī)為絞車發(fā)電機(jī)提供動力，再由發(fā)電機(jī)為交流變頻電動機(jī)提供電能來驅(qū)動測井絞車工作。測井車在整個作業(yè)過程中，不僅柴油能源消耗量比較大，而且對作業(yè)的周圍環(huán)境造成了相當(dāng)嚴(yán)重的污染。唯有完成“電代油”新能源技術(shù)才是正確之道。

楊宇馳等[1]通過對儲能電池技術(shù)的研究，描述了近年來電化學(xué)儲能技術(shù)飛速發(fā)展，度電成本持續(xù)走低，應(yīng)用場景多點開花，而電池儲能作為電化學(xué)儲能技術(shù)的核心，成本低、長壽命、高效。李建輝等[2]提出將儲能電池應(yīng)用于集裝箱優(yōu)化配置。本文采用電池儲能為測井車絞車提供動力，分析計算了測井車在測井和射孔兩種不同作業(yè)工況下正常作業(yè)一天總的耗電量，選擇了合適的儲能電池組，實現(xiàn)了電池儲能電驅(qū)動技術(shù)在測井車領(lǐng)域的應(yīng)用，解決了目前油田設(shè)備測井車實現(xiàn)低碳、節(jié)能、降噪、降成本的問題。

1 模型的建立

1.1 電池儲能電驅(qū)動測井車三維布置模型

電池儲能電驅(qū)動測井車由原車底盤、儲能電池組、絞車總成、氣路系統(tǒng)及水冷系統(tǒng)等組成，儲能電池組為絞車作業(yè)提供動力。整車三維布置模型通過三維軟件UG來完成，具體如圖1所示。

圖1 電池儲能電驅(qū)動測井車三維布置模型

電池儲能電驅(qū)動測井車整車電氣控制原理圖如圖2所示，儲能動力電池組通過轉(zhuǎn)換器直接到直流母線，兩者傳遞為雙向，也可以采用外接電源方式，直流母線控制分為三路，一路通過電動機(jī)控制器來給絞車電動機(jī)提供動力電能，第二路通過轉(zhuǎn)換器直接為照明及低壓用電器提供動力電能，第三路通過逆變器為地面儀器、空調(diào)及大功率用電器設(shè)備提供動力電能。

圖2 電池儲能電驅(qū)測井車電氣原理框圖

為了保持原測井車結(jié)構(gòu)和布置不發(fā)生重大結(jié)構(gòu)變化，將儲能電池組分布置于測井車車體下部周圍邊箱之中，如圖3所示，既保持了用戶的使用習(xí)慣，又使整個測井車在技術(shù)性能上得到了重大提升。

圖3 儲能電池組布置模型

1.2 測井絞車單元工況計算

以7000 m絞車測井工況進(jìn)行計算，忽略電纜在液體中的浮力和液體對電纜的阻力，計算每一層電纜相對絞車滾筒的參數(shù)如表1所示。

表1 測井絞車滾筒工況參數(shù)

根據(jù)實際計算推導(dǎo)得出電纜繞n層時筒身直徑公式為

井下電纜長度Hi=電纜總長度L-滾筒纏繞長度Li；電纜質(zhì)量Gi（n）=井下電纜長度Hi×0.516×9.85；滾筒轉(zhuǎn)矩Mi=負(fù)荷Pi（n）×D（n）/2。 （2）

由表1 可知，絞車正常工作時，滾筒承受的最大轉(zhuǎn)矩M1imax＝12105.4 N·m，此時，電纜下井深度在5714 m 左右；絞車處理事故時，滾筒承受的最大轉(zhuǎn)矩M2imax＝21624.6 N·m，此時電纜下井深度為4273 m左右。

1.2.1 測井絞車三維結(jié)構(gòu)模型

測井絞車結(jié)構(gòu)由電動機(jī)、減速器及絞車滾筒裝配組成，電動機(jī)最終驅(qū)動絞車滾筒旋轉(zhuǎn)，采用減速器的速比來調(diào)整絞車滾筒的旋轉(zhuǎn)速度，如圖4所示。

圖4 測井絞車三維結(jié)構(gòu)模型

在實際測井作業(yè)中，絞車在測井區(qū)段以外一般采用高速提升或下放，而在測井區(qū)段內(nèi)采用低速提升或下放。

經(jīng)計算可知，當(dāng)電纜下井深度達(dá)到7500 m時，滾筒筒身上還有近2層電纜，此時滾筒纏繞直徑Dmin=499.7 mm=0.4997 m；當(dāng)滾筒纏繞滿電纜時，滾筒纏繞直徑Dmax=1269.57 mm=1.26957 m。

根據(jù)測井作業(yè)要求，測井線速度為20～9500 m/h，20 m/h是在滾筒小徑Dmin位置要求的電纜線速度，9500 m/h是在滾筒大徑Dmax位置要求的電纜線速度。

滾筒最低轉(zhuǎn)速：

滾筒最高轉(zhuǎn)速:

1.2.2 電動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍計算

測井絞車的傳動路線采用型號為丹佛斯EMPMI300-T310-2200+RES1電動機(jī)和力士樂EGFT8150F減速器，電動機(jī)輸出軸與減速器相連，減速器直接驅(qū)動絞車滾筒。

由圖5所示，電動機(jī)在正常工作時，輸出最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min，額定轉(zhuǎn)速2200 r/min，最大轉(zhuǎn)矩390 N·m。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速2898 r/min時，轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到350 N·m；當(dāng)出現(xiàn)極端情況下，電動機(jī)轉(zhuǎn)速小到8.76 r/min時，轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到峰值695 N·m。

圖5 電動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線圖

減速器：輸入最高轉(zhuǎn)速為3500 r/min；速比i減速機(jī)=73。電動機(jī)到絞車滾筒的傳動比為i=i減速器=73。電動機(jī)最小轉(zhuǎn)速：

電動機(jī)最大轉(zhuǎn)速：

電動機(jī)轉(zhuǎn)速nmax=2898.1 r/min＜3500 r/min（減速器輸入最高轉(zhuǎn)速），由于減速器要求輸入轉(zhuǎn)速最大3500 r/min，所以必須對電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行限速。

測井絞車在處理現(xiàn)場事故時，絞車滾筒承受的最大轉(zhuǎn)矩為M2imax=21624.6 N·m，根據(jù)圖5電動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線可得出：

因此電動機(jī)的特性滿足絞車不同工況的作業(yè)要求。

2 測井車儲能電池組計算

2.1 絞車滾筒最大功率計算

根據(jù)表1測井絞車滾筒工況參數(shù)計算得出：絞車正常工作時，絞車滾筒承受的最大轉(zhuǎn)矩為M1imax=12105.4 N·m，此時電纜下井深度在5714 m左右，絞車滾筒轉(zhuǎn)速nmax=39.7 r/min，絞車滾筒最高轉(zhuǎn)速時功率最大：

由圖6電動機(jī)功率特性曲線圖可以得知，當(dāng)電動機(jī)處于正常工作狀態(tài)下，最高轉(zhuǎn)速為nmax=2898.1 r/min，電動機(jī)功率P=90 kW＞50.3 kW，因此電動機(jī)滿足測井現(xiàn)場工況需求。

圖6 電動機(jī)功率特性曲線圖

2.2 測井車總耗電量計算

油田測井車按照測井和射孔兩種不同作業(yè)工況計算每天正常作業(yè)總耗電量。

對單次作業(yè)時長和每天作業(yè)時長進(jìn)行統(tǒng)計，如表2所示。

表2 時長統(tǒng)計表

測井絞車在上提過程做功：

由于電做功W電=3.6×106N·m ,效率η=0.82，因此

測井車作業(yè)時絞車電纜帶動測井儀器在油井中做下放和提升運動，由于儲能電池組與母線是雙向傳遞的，儲能電池組同時具有能量回收功能，因此儀器下放過程回收的能量可以用于制動和反復(fù)井下位置校準(zhǔn)作業(yè)能量消耗，絞車系統(tǒng)作業(yè)用電量只計算井下儀器上提過程的能量消耗。

根據(jù)表3得出測井車每天射孔3次耗電量最大達(dá)到222.888 kW·h。電池儲能能力按照放電80%達(dá)到用電最大電量計算儲能電池組總?cè)萘浚?/p>

表3 測井車作業(yè)一天總耗電量

2.3 儲能電池組的選擇

儲能電池組供電電路，為了保障供電可靠性和安全性采用兩路電池組并聯(lián)供電模式，保障每一組都能提供可靠的供電電壓達(dá)到絞車變頻調(diào)速電動機(jī)系統(tǒng)，供電原理如圖7所示。

圖7 儲能電池組供電原理圖

選用700 V/120 kW/286 kW·h磷酸鐵鋰動力電池組，磷酸鐵鋰電池[3]占據(jù)市場份額大，且原材料豐富，不會造成環(huán)境污染。采用液冷方式，滿足戶外IP67防護(hù)等級要求。電池單體采用高密度電芯，體積小，質(zhì)量輕，滿足測井工況10 a壽命使用要求，劉軍等[4]通過一種改進(jìn)的自適應(yīng)滑動平均濾波算法，有效地延長了其電池的使用壽命。

2.4 儲能電池組的冷卻及加熱

整車儲能電池組是通過兩路電池組并聯(lián)方式提供電能，在充電和放電過程中，電池組都會釋放大量的熱能，假如不能進(jìn)行及時有效的降溫處理，長時間溫度過高就會使儲能電池組性能和壽命下降，影響整車系統(tǒng)的安全性[5]。

目前，儲能電池組的降溫技術(shù)措施主要分為空冷和液冷[6]。本文電池儲能電驅(qū)動測井車儲能系統(tǒng)由40個儲能標(biāo)準(zhǔn)電池箱和2個高壓箱組成，規(guī)格為2P20S，總?cè)萘繛?86 kW·h，標(biāo)稱電壓為700 V/204 A·h。在額定充放電倍率0.5C工況下，儲能電池組最大發(fā)熱量為4.5 kW，考慮20%的傳熱損耗，所需的制冷量為5.62 kW，故選用6 kW的水冷機(jī)組。

當(dāng)儲能電池組溫度過低時就會影響作業(yè)，因此需要將溫度從-20 ℃升至10 ℃，才能夠滿足現(xiàn)場測井工況的應(yīng)用要求。根據(jù)電池和冷卻液比熱容，總熱量72 801 kJ，按1.5 h內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度，所需加熱功率為13.4 kW，考慮傳熱損失，最終選用14 kW的加熱器。

3 結(jié)論

1）油田測井車電池儲能替代油技術(shù)為絞車提供動力的應(yīng)用是可靠的。

2）通過對油田測井車測井和射孔兩種不同作業(yè)工況總耗電量的分析計算證明，儲能電池組可滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

3）新能源電池儲能技術(shù)與油田設(shè)備的結(jié)合研究，為油田設(shè)備動力的進(jìn)一步研發(fā)改進(jìn)提供有力保障。