高壓大排量水力射孔泵機(jī)組研制

姜博宇

（大慶油田裝備制造研究院，黑龍江大慶 163312）①

自20世紀(jì)40年代以來，國(guó)外開展了水力噴射射孔裝置的試驗(yàn)，美國(guó)、加拿大率先把水力噴射技術(shù)應(yīng)用于油水井的射孔作業(yè)。該技術(shù)主要有2種模式：套管沖孔＋高壓水力噴射切割巖石射孔；套管鉆孔開窗＋水力地層徑向鉆孔射孔［1－2］。20世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)開始研究此項(xiàng)目，經(jīng)過多年的開發(fā)，還沒有比較成熟的技術(shù)。目前，大慶油田正在進(jìn)行高壓水射流技術(shù)的研發(fā)，要求更高壓力和更大排量，而使用的進(jìn)口設(shè)備已不能滿足水力射孔作業(yè)的需要［3－4］。

針對(duì)上述問題，研究設(shè)計(jì)了高壓大排量水力射孔機(jī)組，滿足了高壓水射流技術(shù)研究的需要。該套設(shè)備結(jié)構(gòu)合理、操作靈活，能夠使油井實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、增注。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

高壓大排量水力射孔機(jī)組是由撬裝底座、柴油機(jī)、液力變矩器、三缸柱塞泵、燃油系統(tǒng)、不銹鋼水箱、過濾器、控制系統(tǒng)以及高低壓管匯、閥門、儀表等組成［5］。如圖1。

1）動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)選用448kW 大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，可提供充足的動(dòng)力。三缸柱塞泵的型號(hào)為Y600S型，柱塞直徑為?88.9mm，能滿足壓力和排量的要求。選用最大輸入功率469kW的BY620C型全電控液力變矩器，最大轉(zhuǎn)矩16000 N·m的傳動(dòng)軸，與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和三缸柱塞泵配套。

2）水箱過濾系統(tǒng)采用全不銹鋼結(jié)構(gòu)，防止設(shè)備銹蝕而帶來雜質(zhì)。為供水泵安裝欄式過濾器和Y 形過濾器，阻止大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入機(jī)組。

3）電氣控制系統(tǒng)包括本地控制和遠(yuǎn)程操作2套系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)組在較大壓力工作時(shí)，采用遠(yuǎn)控箱操作，能讓操作人員避開危險(xiǎn)區(qū)域。

4）潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)用于液力變矩器及三缸泵的各重要摩擦副的強(qiáng)制潤(rùn)滑和冷卻，以保證各運(yùn)動(dòng)副能正常工作。

圖1 高壓大排量水力射孔泵機(jī)組

進(jìn)行水力射孔作業(yè)時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過液力變矩器將動(dòng)力傳遞給三缸柱塞泵。三缸柱塞泵通過進(jìn)水管匯吸入清水并增壓，再通過高壓管匯注入井下進(jìn)行水力射孔作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)能對(duì)整個(gè)作業(yè)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制［6］。

2 技術(shù)創(chuàng)新

2.1 遠(yuǎn)程控制

施工過程中，高壓水力射孔作業(yè)的工作壓力約為50 MPa，如果出現(xiàn)高壓管線滲漏或管線接頭損壞，將對(duì)施工人員造成嚴(yán)重傷害［7－8］。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)控電纜、遠(yuǎn)控箱、傳感器、PLC 控制器和軟件系統(tǒng)等組成，操作人員能在遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場(chǎng)50 m的地方控制柴油機(jī)啟動(dòng)和停止，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)油壓力、水溫、油溫、液力變矩器的潤(rùn)滑油壓、三缸柱塞泵的壓力等，且可以根據(jù)需要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速、電控?fù)Q擋、壓力設(shè)定、超壓保護(hù)以及緊急停機(jī)等。

3.2 全程自動(dòng)監(jiān)控

早期進(jìn)口的高壓泵機(jī)組的供水模式采用手動(dòng)控制，并且需要安排專人負(fù)責(zé)供水或者停止，造成了施工的不連續(xù)性，增加了工人的勞動(dòng)量［9－10］。為此，秉承人性化的設(shè)計(jì)理念，采用PLC 控制技術(shù)、應(yīng)用傳感技術(shù)、配套軟件編程，研制了具有全程監(jiān)控、自動(dòng)開啟以及關(guān)閉功能的供水系統(tǒng)。

3.3 功能界面

1）超壓保護(hù)界面在液晶觸摸屏中預(yù)設(shè)超壓保護(hù)的工作壓力，PLC 會(huì)比較三缸柱塞泵壓力傳感器采到的壓力信號(hào)。當(dāng)工作壓力超過上位機(jī)的設(shè)定壓力時(shí)，PLC 通過開關(guān)量輸出端口發(fā)出指令，使液力變矩器置于空擋、柴油機(jī)緊急停機(jī)，以保護(hù)人身和設(shè)備的安全。超壓保護(hù)界面如圖2。

圖2 超壓保護(hù)界面

2）液位保護(hù)界面在開始施工之前，水罐內(nèi)為無水狀態(tài)，點(diǎn)擊開始供水按鈕，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向儲(chǔ)水罐內(nèi)注水至0.5 m 時(shí)結(jié)束。當(dāng)操作人員掛上液力變矩器的擋位，提高柴油機(jī)油門的轉(zhuǎn)速時(shí)，三缸柱塞泵開始工作，控制系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)液位狀態(tài)，使水罐不被吸空或有水溢出，保證施工的連續(xù)性。液位保護(hù)界面如圖3。

圖3 液位保護(hù)界面

3）實(shí)時(shí)曲線與歷史曲線上位機(jī)界面能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示和歷史曲線調(diào)用，并根據(jù)工作需要導(dǎo)出數(shù)據(jù)到U 盤。實(shí)時(shí)曲線與歷史曲線界面如圖4。

圖4 實(shí)時(shí)曲線與歷史曲線界面

4）施工流程上位機(jī)組態(tài)的畫面實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行參數(shù)，且提供形象的工作流程畫面，方便用戶對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。施工流程界面如圖5。

圖5 施工流程界面

5）數(shù)據(jù)導(dǎo)出用戶可以在觸摸屏界面中對(duì)不同時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，能有效地對(duì)施工過程進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

高壓大排量水力射孔機(jī)組的樣機(jī)于2011－10—11分別在大慶油田的采油三廠北2－丁4－P23井和采油五廠杏9－丁1－343井做了深穿透水力射孔作業(yè)試驗(yàn)。在作業(yè)過程中，整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，工作狀態(tài)良好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，各項(xiàng)性能指標(biāo)基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 高壓大排量水力射孔機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出：高壓大排量水力射孔機(jī)組較好地完成了設(shè)計(jì)要求，且可以滿足最高注入壓力為85 MPa、額定注水壓力為50 MPa、額定注入流量為300 L／min；同時(shí)，加裝的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)也通過測(cè)試。

5 結(jié)論

1）高壓大排量水力射孔機(jī)組是水力射孔的專用設(shè)備，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壓力和排量的要求。

2）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有機(jī)械和電控的超壓保護(hù)功能，使操作人員能在安全區(qū)域監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行情況。

3）自動(dòng)供水系統(tǒng)更加具有人性化，可以進(jìn)行全程的監(jiān)控，提高了機(jī)組作業(yè)的工作效率。

4）該機(jī)組操作簡(jiǎn)便、安全可靠，各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可為大慶油田進(jìn)行高壓水射流技術(shù)研究提供技術(shù)支持。

［1］趙旭升.水力深穿透射孔一次射多層技術(shù)應(yīng)用［J］.油氣井測(cè)試，2006，15（5）：64－65.

［2］許弟龍，席長(zhǎng)豐，張小紅，等.水力深穿透射孔系統(tǒng)及應(yīng)用情況分析［J］.油氣井測(cè)試，2005，14（5）：48－50.

［3］田守嶒，李根生，黃中偉，等.水力噴射壓裂機(jī)理與技術(shù)研究進(jìn)展［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：58－62.

［4］馬衛(wèi)國(guó).水力深穿透射孔技術(shù)開發(fā)底水油藏?cái)?shù)值模擬研究［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，26（3）：97－99.

［5］崔會(huì)賀，姚光宇，徐勝?gòu)?qiáng).水力噴射定向射孔與壓裂聯(lián)作技術(shù)在水平井壓裂中的應(yīng)用［J］.特種油氣藏，2007，14（3）：85－87.

［6］熊建華，李根生，黃中偉，等.高壓水射流深穿透射孔試驗(yàn)研究［J］.流體機(jī)械，2011，39（5）：1－4.

［7］張毅，李根生，熊偉等.高壓水射流深穿透射孔增產(chǎn)機(jī)理研究［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，28（2）：38－41.

［8］李根生，沈忠厚.高壓水射流理論及其在石油工程中應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.石油勘探與開發(fā)，2005，32（1）：96－99.

［9］王步娥，舒曉暉，尚緒蘭，等.水力噴射射孔技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2005，33（3）：51－54.

［10］黃中偉，李根生，牛繼磊，等.水力射孔參數(shù)對(duì)油水井壓裂影響的數(shù)值試驗(yàn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，34（2）：1－3.