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塔河油田邊遠(yuǎn)單井新能源供電可行性研究

馬國銳 呂秀芹（中國石化西北油田分公司采油一廠）

中國石化西北油田分公司塔河油田作業(yè)區(qū)塊位于新疆塔里木盆地塔中、塔北、巴楚及塔西南山前等地，作業(yè)環(huán)境惡劣，井位分布廣泛，存在數(shù)量眾多的邊遠(yuǎn)單井。這些邊遠(yuǎn)單井普遍存在著產(chǎn)量低、分布散、環(huán)境惡劣、地質(zhì)情況復(fù)雜、油氣豐度低等特點(diǎn)，在該類井場鋪設(shè)常規(guī)輸電管線存在工期長、施工復(fù)雜、長距離運(yùn)輸電能損耗等問題，經(jīng)濟(jì)效益低下。研究出太陽能光伏供電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)與風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，適用于塔河油田邊遠(yuǎn)單井供電，可以有效解決該類問題。

邊遠(yuǎn)單井；新能源；可行性

引言

為了實(shí)現(xiàn)千萬噸級油氣田的目標(biāo)，塔河油田邊遠(yuǎn)井逐年增多。邊遠(yuǎn)單井由于其自身特性，存在著輸電供電難、經(jīng)濟(jì)效益低的問題。在當(dāng)前世界油價低迷的環(huán)境下，成本控制更加緊迫。

中國石化西北油田分公司塔河油田生產(chǎn)區(qū)塊位于塔里木盆地北端，天山南面，地理位置獨(dú)特。新疆該片區(qū)域夏季干燥，冬季嚴(yán)寒，有著得天獨(dú)厚的地理特性，晝夜溫差大，年降水稀少，太陽輻射豐富，蒸發(fā)量大，全年的日照時間為2778.1 h，全年太陽總輻射135217 cal/cm2，全年日照率為63%；塔河油田工區(qū)風(fēng)力較大，但常常伴隨風(fēng)沙，全年風(fēng)速為1.6 m/s，通過統(tǒng)計，平均每年各月大風(fēng)天數(shù)為13.9 d，部分地區(qū)的大風(fēng)天每年可達(dá)300次以上[1]。塔河油田有著豐富的太陽能和風(fēng)能，善加利用這兩類新能源，可以有效地解決邊遠(yuǎn)單井供電問題，最終達(dá)到少投入、多產(chǎn)出的目的，實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

1　新能源可行性分析與實(shí)例

塔河油田邊遠(yuǎn)單井所需用電負(fù)荷構(gòu)成十分簡單，由機(jī)抽動力系統(tǒng)和基本生活用電（電腦、照明等）2部分組成，其中，基本生活用電約為2 kW，在塔河油田常規(guī)使用的抽油機(jī)類型為游梁式抽油機(jī)，10型和14型游梁式抽油機(jī)為其中應(yīng)用較為廣泛的機(jī)型，其配套電動機(jī)功率分別為22 kW和37 kW，依此取機(jī)抽動力系統(tǒng)約為25 kW，考慮冬夏用電負(fù)荷的不同，邊遠(yuǎn)單井所需日耗電量約為25～30 kW。

1.1太陽能

太陽能是目前地球上分布最為廣泛、資源量最為巨大的清潔可再生能源，世界各國都視開發(fā)利用太陽能為解決能源危機(jī)的主要手段之一。塔河油田位于新疆塔里木盆地，全年太陽總輻射135217 cal/cm2，有著豐富的光照資源。

1.1.1系統(tǒng)組成與工作原理

應(yīng)用于塔河油田邊遠(yuǎn)單井的太陽能光伏供電系統(tǒng)其基本組成為：發(fā)電部分利用多晶硅電池板矩陣完成光-電的轉(zhuǎn)換；調(diào)控部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)不同部分的銜接、組合、充放電的調(diào)配；蓄電部分負(fù)責(zé)儲存轉(zhuǎn)換的電能，同時補(bǔ)充不足的電量；供電部分負(fù)責(zé)為單井負(fù)荷提供穩(wěn)定電能；監(jiān)測部分負(fù)責(zé)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，如圖1所示。

圖1　太陽能光伏供電系統(tǒng)基本組成

由多晶硅電池板組成的光伏陣列可以靈活地調(diào)整電池板塊數(shù)量，形成集成供電，滿足塔河油田邊遠(yuǎn)單井所需25～30 kW的日耗電量；并網(wǎng)逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電源轉(zhuǎn)化成常規(guī)交流電源，而雙向逆變器主要是根據(jù)負(fù)載的要求調(diào)節(jié)蓄電池組的充放電轉(zhuǎn)換；控制器主要是用來協(xié)調(diào)電池板、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池組等不同系統(tǒng)部分的運(yùn)行，為邊遠(yuǎn)單井運(yùn)作提供持續(xù)穩(wěn)定的電源，其中，柴油發(fā)電機(jī)主要是作為系統(tǒng)的補(bǔ)充電源；監(jiān)測系統(tǒng)是用于實(shí)時反饋現(xiàn)場的太陽輻射量、風(fēng)速等環(huán)境數(shù)據(jù)，便于管理中心進(jìn)行調(diào)控。

1.1.2應(yīng)用實(shí)例

AT22井位于塔河油田主力區(qū)塊以南，屬于塔河阿探片區(qū)，該井距離塔河油田采油一廠52 km，交通狀況惡劣，是一口具有代表性的邊遠(yuǎn)單井。通過長期的準(zhǔn)備，AT22井場光伏發(fā)電系統(tǒng)于2012年3月正式投運(yùn)，系統(tǒng)運(yùn)行至今，生產(chǎn)工作運(yùn)轉(zhuǎn)正常，年最大日發(fā)電量達(dá)到240 kWh，最高負(fù)荷能力達(dá)到40 kW，滿足了現(xiàn)場的用電負(fù)荷需求[2]。

1.2風(fēng)能

風(fēng)能是一種良好的可再生綠色新能源，雖然存在不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，但與其他資源相比更加清潔便利。塔河油田工區(qū)處于新疆風(fēng)區(qū)范圍，常年伴有大風(fēng)，平均風(fēng)速可達(dá)1.6 m/s，據(jù)統(tǒng)計，平均每年大風(fēng)天數(shù)達(dá)到170 d，部分大風(fēng)地區(qū)甚至高達(dá)300 d以上，擁有豐富的風(fēng)能資源。

1.2.1系統(tǒng)組成與工作原理

邊遠(yuǎn)單井的風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)其基本組成為：風(fēng)力發(fā)電部分；調(diào)節(jié)儲能部分，包含控制器、逆變器、蓄電池、整流器以及相關(guān)附屬部件；供電部分：負(fù)責(zé)為單井負(fù)荷提供穩(wěn)定電能，如圖2所示。

圖2　風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)基本組成

機(jī)抽井除了日常的保養(yǎng)和維修外，正常生產(chǎn)過程中處于不間斷的工作狀態(tài)，因而對供電電源的穩(wěn)定性提出了較高的要求，為了解決風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定的問題，需要配備相應(yīng)的電能存儲單元，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)：風(fēng)力通過風(fēng)輪帶動低速永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成不穩(wěn)定的交流電源，經(jīng)過整流器的調(diào)整，形成穩(wěn)定的直流電源，此時，若風(fēng)能充足，則轉(zhuǎn)化的直流電一方面通過逆變器向用電機(jī)組供電，另一方面向蓄電池充電，若風(fēng)能波動較大，無法形成足夠的電流，則由蓄電池處于主供電位置，帶動用電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2.2應(yīng)用實(shí)例

車26井位于勝利油田分公司河口采油廠，地處渤海灣北部，屬于常年伴風(fēng)區(qū)域，風(fēng)能較為豐富[3]。該井屬于預(yù)探井，井場偏遠(yuǎn)，未接入供電管網(wǎng)，具有邊遠(yuǎn)單井的特征。截至目前，車26井風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)投運(yùn)3年，風(fēng)力發(fā)電量滿足該井不間斷工作及相關(guān)配套設(shè)備，期間未發(fā)生嚴(yán)重停電影響生產(chǎn)事故，說明風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于邊遠(yuǎn)單井的可行性。

1.3風(fēng)光互補(bǔ)

塔河油田地處南疆塔里木盆地北端，晝夜溫差大，雖然有著豐富的太陽能和風(fēng)能資源，但是該地部分區(qū)域天氣變化反復(fù)無常，時常出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)沙天氣，影響能源的高效利用。光能和風(fēng)能在塔河油田局部地區(qū)成互補(bǔ)趨勢，太陽光照強(qiáng)烈的天氣下風(fēng)力往往較小，無法形成持續(xù)供能，而風(fēng)力較大時會伴隨沙塵天氣，影響太陽能的采集與轉(zhuǎn)化。在此類地區(qū)，使用單一的新能源供電效果不理想，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)是解決該類地區(qū)邊遠(yuǎn)單井供電的首選。

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)其基本組成為：發(fā)電部分：太陽能電池板矩陣與風(fēng)力發(fā)電機(jī)；調(diào)控部分：太陽能調(diào)控器、風(fēng)能調(diào)控器與雙向調(diào)控器；蓄電部分：蓄電池組；供電部分：提供穩(wěn)定工作電流，如圖3所示。通過太陽能電池板矩陣與風(fēng)力發(fā)電機(jī)將光能與風(fēng)能轉(zhuǎn)化成交流電源，由太陽能調(diào)控器與風(fēng)能調(diào)控器調(diào)整電流匯總至雙向調(diào)控器處，經(jīng)過電路控制與檢測后，根據(jù)程序安排，輸出為平穩(wěn)的工作電流供用電機(jī)組使用，過剩電流輸入蓄電池轉(zhuǎn)作備用電源。此時，太陽能與風(fēng)能形成互補(bǔ)，確保位于天氣頻繁變化區(qū)域的邊遠(yuǎn)單井生產(chǎn)正常進(jìn)行。

圖3　風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)基本組成

2　方案及效益分析

對于邊遠(yuǎn)單井的生產(chǎn)，由于地理環(huán)境及現(xiàn)場條件的局限性，供電方式是使用柴油機(jī)組或天然氣機(jī)組供電，在此選取柴油機(jī)組供電系統(tǒng)、太陽能光伏供電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)與風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)4種進(jìn)行方案及效益對比。

將4種供電系統(tǒng)進(jìn)行方案細(xì)化對比，分別從供電可靠性、人工勞動量、節(jié)能環(huán)保3個方面進(jìn)行闡述，如表1所示。

表1　邊遠(yuǎn)單井4種供電系統(tǒng)方案細(xì)化對比

將4種供電系統(tǒng)費(fèi)用組成分為設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行養(yǎng)護(hù)費(fèi)用2部分。

設(shè)備投資費(fèi)用：

1）柴油機(jī)組供電系統(tǒng)：65 kW柴油發(fā)電機(jī)年均租賃費(fèi)用約為6萬元。

2）太陽能光伏供電系統(tǒng)：考慮折舊的因素，蓄電池8年折舊年限、電池板等其他設(shè)備按12年折舊年限計算，估算年折舊費(fèi)用約為12萬元。

3）風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)：考慮折舊的因素，蓄電池8年折舊年限、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等配套設(shè)備按10折舊年限計算，估算年折舊費(fèi)用約為5萬元。

4）風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)：采用某知名企業(yè)的投資估算，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)折算年均投資為7.6萬元。

運(yùn)行養(yǎng)護(hù)費(fèi)用：

1）柴油機(jī)組供電系統(tǒng)：65 kW柴油發(fā)電機(jī)年均消耗柴油量為60 000 L，根據(jù)現(xiàn)在市場價格，費(fèi)用約為40萬元，同時，柴油機(jī)組需要留守人員值班，人工費(fèi)用按每年12萬元計算，考慮維護(hù)等因素，該系統(tǒng)年均運(yùn)行費(fèi)用為53萬元。

2）太陽能光伏供電系統(tǒng)：光伏電池板清潔與系統(tǒng)維護(hù)等費(fèi)用呈年遞增趨勢，取12年平均值，該系統(tǒng)年均運(yùn)行費(fèi)用為2萬元。

3）風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組清潔養(yǎng)護(hù)與系統(tǒng)保養(yǎng)等費(fèi)用呈年遞增趨勢，取10年平均值，該系統(tǒng)年均運(yùn)行費(fèi)用為3萬元。

4）風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)：光伏電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的清潔養(yǎng)護(hù)和系統(tǒng)維護(hù)等費(fèi)用年均3萬元。

將4種供電系統(tǒng)費(fèi)用組成進(jìn)行對比，如表2所示。通過兩張表的對比可以看出，在滿足邊遠(yuǎn)單井用電需求的前提下，太陽能光伏供電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)和風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)都有著很好的長效經(jīng)濟(jì)效益，并且在人工勞動量和節(jié)能環(huán)保方面也有著相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，適合選取作為塔河油田邊遠(yuǎn)單井的供電系統(tǒng)組成。

表2　邊遠(yuǎn)單井4種供電系統(tǒng)方案費(fèi)用組成對比

3　結(jié)論

通過論證，太陽能光伏供電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)與風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)3種新能源供電系統(tǒng)適用于塔河油田邊遠(yuǎn)單井供電，但針對不同單井，應(yīng)具體分析現(xiàn)場環(huán)境，優(yōu)選方案：

1）長期處于太陽光照充足，降雨降雪量少，風(fēng)沙天氣少的邊遠(yuǎn)單井優(yōu)選太陽能光伏供電系統(tǒng)。

2）長期處于大風(fēng)天氣，常伴有風(fēng)沙的邊遠(yuǎn)單井優(yōu)選風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)。

3）大風(fēng)伴風(fēng)沙天氣與晴朗無風(fēng)天氣交替頻繁的邊遠(yuǎn)單井優(yōu)選風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)。通過建立不同新能源供電系統(tǒng)，可逐步形成新的供電網(wǎng)絡(luò)，為油田企業(yè)創(chuàng)效增效提供新的契機(jī)。

[1]關(guān)俊嶺.西北地區(qū)油田偏遠(yuǎn)井場光伏發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能與減排，2013，4（3）：23-26.

[2]岳吉祥，孫殿新.風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動直線電動機(jī)電潛泵應(yīng)用研究[J].石油機(jī)械，2015（7）:84-86．

[3]孫楠，邢德山，杜海玲.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J].山西電力，2010（4）:55-56．

（編輯王艷）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.001

馬國銳，2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），從事采油生產(chǎn)管理工作，E-mail：atree1988@163.com，地址：新疆輪臺中國石化西北油田分公司采油一廠，841600。

2015-12-14