随着技术的进步，电动钻机正日益受到重视，它们具有更加安全、更加有效的特征，并且能够更好地适应不同的地质条件和地下环境。本研究通过对一种新型的电动钻机，采用柴油发电机进行实际测试，来探究它们的工作能力和实际运行状态。新疆的这个地区处在一个极端的环境中，夏天非常炎热，冬天非常寒冷，昼夜温度变化很快，这里的地质构造特别适合进行台地式的深层开采。这里的ZJ70D钻机均采用了4台柴油主发电机组和1台辅助发电机组供电。钻井深度达6700m，钻井工况复杂，具有代表性。
一、井场主要重负载设备
电动钻机的配套设备以电气设备为主，柴油发电机组提供动力，电力由SCR/MCC电控房集中分配给各用电设备[1]。井场的主要用电设备包括:绞车、转盘、泥浆泵，驱动方式均为直流电机驱动。绞车是钻机的起升设备，主要用于起下钻具、下套管、控制钻压、进送钻具等功能;转盘用来承托旋转钻杆，进而提供扭矩和转速;泥浆泵的作用是压送及循环泥浆液。各设备的参数见表1。 
ZJ70D钻机系统包含四台主要柴油发电机组以及一台辅助发电机组供电，在整个作业期间，主发电机组将为整个井场稳定地提供电能。因此柴油机拥有最新的高效能、双级制冷、电子控制的高压共轨、米勒循环、闭式呼吸系统等，这些都是当前最具竞争力的柴油发电机组，并且能够达到EPATier2的环保要求。机组拥有先进的沙漠过滤系统和高效的冷却系统，它们被精心设计并安置在可连接的机房中，发电机动力系统详细的技术指标可以在表2中查看。
二、采用HSE管理体系
HSE管理体系的形成和发展是石油天然气勘探开发工作多年经验积累的成果，HSE标准对油田井场作业的安全性起着极其关键的作用，而这种作业的特殊性也使得柴油发电机组的运行需求更加苛刻。由于整个井场基本上是电动机负载，它们都是感性负载特性，消耗无功功率较大效率较低所以，如果不进行无功补偿，那么机组的最佳运行的功率因数大约在50%~60%，进行无功补偿，机组的功率因数在80%以上。通过对四台柴油机的研究，我们发现它们具有良好的稳定性和互换性。在使用中我们发现每台机组的带载功率范围大概为400~500kW，而当需要增加到650~750kW时，其连续工作的时间反而变得更长，而在通常情况下，每台机组的带载范围只在60%~70%。
三、电动钻机配套发电机组工作原理及过程
在设计井深6701m的地质条件下，我们采用三个不同的钻探步骤，在这三个步骤中，我们将会逐步探测到地质情况，并安装好油气层套管。
第一次开钻，也被称为一开，其范围为地下0m~1500m[2]。在一开中，由于其具有较高的钻探速率，一天就能完成近500m的进尺，而且每次钻进的机组设备的数量也会因地制宜，一般需要一到二台，并且会留有一或二台备用。在一开某天的钻进500米时单台机组的带载情况如图1所示。
在图1中，我们可以看到，在某一个24小时区间内各时间段一台机组的功率情况，这一过程通常包括：接单根、启泵、停泵、钻具循环等，在两台泥浆泵同时开启达到设定泵冲时，功率达到最大。有功功率在600KW左右，在循环作业时，这一数值会降至约410KW。从而使得当前的钻井工艺和机组功率状态得到了准确的描述。
图2展示了一个复杂的钻井过程，其中包括两个连续的接单根步骤。首先，泥浆泵停止运行，接着，钻头开始下钻，然后泥浆泵开始运行，转盘带动钻杆旋转，实现纯钻井；完成一根后，需要将钻杆抬起，这时所需功率最大，一般需要650kW以上，然后再继续接单根、下钻、钻进。
第二次开钻，也被称为二开，其范围为1500~6653m，其施工周期更为漫长，而且需要应对的环境条件也更加复杂，负载也会随之逐渐增大。二开的施工速率极高，一天可以完成300~500m的施工，三台机组同步并网运行，一台作为备份。完成二开之后，开始执行钻井工程[3]。
根据图3，一天钻尺进度在300m的作业需要三台发动机的并网运行，每台发动机的24h平均有功功率约为408kW，而实际的深入作业有功功率约为480kW。
当井的深度和地形发生改变时，钻探的速度会显著降低。如图4所示，一天钻探150m的时间内，每台发电设备的24小时的平均工作能力约为512kW，而纯发电设备的工作能力约为500kW。在深入三叠纪地层时，我们发现钻井速度变得非常缓慢，每天的钻尺仅有几米。
根据图5，一台机组的24h平均功率约456kW，而当完成全部的钻井任务后，其峰值功率可达到500kW以上。此外，当深入各种地质条件下，需要对钻头进行更换，以完成整个钻井作业。在开始钻井时，我们会根据钻压、转速、泵冲等来决定需要使用的发电机组数量。当负荷逐渐增加时，我们相应增加一台。
在钻井过程中，泥浆泵停止工作，主要负荷是绞车。尽管总功率有所下降，但突加突减负荷变化更大，特别是在起下钻当中。绞车的运行有四个档位：Ⅰ档+低速，Ⅱ档+低速，Ⅰ档+高速，Ⅱ档+高速。不同的档位会导致突然增加的负荷也不同，在高速时，突然增加的负荷会更大。
当Ⅰ档的高速起钻时，两台机组的功率曲线如图6所示，显示了它们的变化情况：当负荷由原本的100kW急剧上升至680kW时，其变化幅度介于500~600kW之间。
当Ⅱ档高速起钻时，图7显示了一个显著的变化，一台机组的功率瞬时超过1000KW. 
当面临瞬时响应或极端的负载要求时，机组需要迅速反映，确保其运行状态处于最佳状态，避免发生意外，从而保证钻机的安全运行，并减少潜在的损失。而且，目前通过使用先进的电控高压共轨技术[4]，柴油发动机具有极佳的控制准确性与反应迅捷性。如ECU在检测到突然增压的情况下，将其切换至增压控制模式，这样，喷射的燃料就能够快速增多。在负载突增982kW的情况下，柴油机的反馈情况如图8所示。在增压的情况下，ECU能够快速采取行动，使得燃料的增压能力快速增强，并开始进行调速，这个过程大概需要2.5s，而且转速的下降幅度也只是达到了48（r·min-1），从而达到了发电机负载特性的需求。
第三次开钻，通常也被称为三开，其最佳的井深范围为6653m~6701m，因为这时的地层状态十分复杂，进而导致整个钻探流程的时间跨度很长，一天仅仅只有几米进尺。，而且各设备的操控状态也必须和二采一致。三采完成之后，可以安全完成固井工作[5]。
结束语:
综上所述，在进行电动钻机配套发电机组作业时，需要特别关注其带载能力范围。当进行钻井作业时，使用高效的柴油发电机输出功率不高于90%~100%，并且满载输出使用不频繁，会延长发电机组的使用寿命，一般情况下最好保持使用时长在6到7小时。同时，经过实际测试，确认这种新型的柴油发电机组可以满足我们的作业要求同时，并能为我们的配套柴油发电机组的设计和共轨系统的校准提供了依据，以及在不同的钻井工况条件下机组的功率大致范围作为参考。
参考文献：
[1]王衍超,胡志峰,胡军,等.油田电动钻机配套发电机组工况分析[J].柴油机,2017,39(6):3.DOI:CNKI:SUN:CYJI.0.2017-06-009.
[2]马祥,高林.改进的电动钻机柴油发电机组调速系统研究[J].现代电子技术,2012,35(6):3.DOI:10.3969/j.issn.1004-373X.2012.06.055.
[3]闫宏亮,李晓伟,李斌斌.电动钻机动力系统柴油发电机组交互振荡的研究[J].电气制造,2021(002):016.
[4]孙勇,吴宁宁,宋鹏,等.一种油田电动钻机用箱式发电机组的设计[J].内燃机与配件,2021.
[5]胡志峰,付化利,周生伟,等.高可靠性电动钻机用柴油机的开发研制2013年6月13日[J].石油科技论坛,2013.