液氮泵／流體泵組合設(shè)備的選型計(jì)算及應(yīng)用前景

趙維斌，付軍剛，張小平

謝 平 ， 李 啟 新 （中石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安710021）

為了適應(yīng)油氣田施工工藝的不斷發(fā)展，大型專業(yè)技術(shù)服務(wù)公司有針對性地研制了許多復(fù)合型、專業(yè)性設(shè)備，如精密小型壓裂加砂設(shè)備、小功率雙機(jī)雙泵設(shè)備、CO2加砂設(shè)備及液氮泵／流體泵組合設(shè)備等。這些設(shè)備節(jié)約了施工成本、降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了施工的精確性，非常實(shí)用。

液氮泵／流體泵組合設(shè)備在北美地區(qū)應(yīng)用較多，在國內(nèi)該裝備的功能由液氮泵車與壓裂泵車共同實(shí)現(xiàn)，但兩個(gè)設(shè)備差異性較大，精確度無法實(shí)現(xiàn)，造成施工失敗。因此根據(jù)現(xiàn)場施工工藝要求，提出液氮泵／流體泵組合設(shè)備的可行性方案，并進(jìn)行計(jì)算與分析。

1 設(shè)備組合方案

液氮泵與流體泵共用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，作為動(dòng)力來源，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過靜水力變速箱的2個(gè)動(dòng)力輸出端分別帶動(dòng)2個(gè)雙聯(lián)主液壓油泵1、2、6、7，另一個(gè)動(dòng)力輸出端帶動(dòng)1組雙聯(lián)油泵3、4和1個(gè)單聯(lián)泵5。2個(gè)雙聯(lián)主液壓油泵中的油泵2、7共同驅(qū)動(dòng)液氮泵，油泵1、6共同驅(qū)動(dòng)流體泵。

雙聯(lián)泵中的一級(jí)泵3驅(qū)動(dòng)流體泵動(dòng)力端的潤滑油泵馬達(dá)，二級(jí)泵4驅(qū)動(dòng)液氮泵的動(dòng)力端潤滑油泵馬達(dá)，同時(shí)也為主液壓泵的控制部分提供動(dòng)力，單聯(lián)泵5為增壓泵提供動(dòng)力，增壓泵給液氮泵供液。

主液壓泵1、2、6、7在操作臺(tái)上進(jìn)行控制，可以由流體、氮?dú)馀懦鱿到y(tǒng)中的超壓保護(hù)裝置及低溫保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)停泵，并且可以任意控制流體泵和液氮泵的排量，實(shí)現(xiàn)精確控制。

圖1 組合基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 液氮泵／流體泵的選型及特性曲線

2.1 液氮泵的選型及特性曲線

2．1．1 液氮泵的選型及結(jié)構(gòu)分析

鑒于泵組合整體尺寸不宜過大，實(shí)現(xiàn)一車裝，特種作業(yè)施工對液氮排量要求不大，考慮精確控制，使用熱回收式原理蒸發(fā)液氮，選用180K的液氮泵，額定功率為142kW。液氮泵結(jié)構(gòu)如圖2所示，該液氮泵是往復(fù)式變?nèi)荼?；?dòng)力端由3個(gè)獨(dú)立且相同的強(qiáng)制注油潤滑式泵組構(gòu)成，并由1個(gè)共用軸驅(qū)動(dòng)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)部件都具有曲軸箱、十字頭活塞、連桿、鍵式連接到驅(qū)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)偏心輪。

2．1．2 液氮三缸柱塞泵特性曲線

液氮泵排出的最高工作壓力根據(jù)冷端柱塞的不同而不同，其大小由連桿負(fù)荷決定。選用直徑41．28mm、沖程33mm的冷端。

冷端柱塞直徑：d＝41．28 （mm）。

柱塞面積：F＝3．14×41．282／4＝1337．67 （mm2）。

每一轉(zhuǎn)的排量：Q＝1×33×1337．673×10－6＝0．13 （L）。

圖2 液氮泵結(jié)構(gòu)圖

液氮泵壓力可以控制在70MPa以內(nèi)，轉(zhuǎn)速在0～900r／min以內(nèi)，排量0～117 L／min，氮?dú)馀帕靠梢赃_(dá)到2878．2scfm（常溫常壓狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)公升值，約81．5m3／min）。

根據(jù)液氮泵動(dòng)力端輸出功率和冷端計(jì)算參數(shù)繪制出三缸泵特性曲線見圖3。

2.2 流體泵的選型及特性曲線

2．2．1 流體泵的選型

液氮泵／流體泵組合設(shè)備與連續(xù)油管配合進(jìn)行泡沫沖砂、誘噴、吹掃管線等特種作業(yè)的施工連續(xù)性較強(qiáng)，施工壓力低于70MPa，施工排量低于1000L／min。根據(jù)以上要求，可以選擇3ZB70-265臥式三缸柱塞泵 （江漢第四機(jī)械廠型號(hào)），柱塞尺寸3in，額定功率265kW。該流體泵由一個(gè)動(dòng)力端總成、減速箱總成和一個(gè)液力端總成組成。動(dòng)力端外殼為焊接件，主軸為雙鍵偏心結(jié)構(gòu)。液力端為整體式合金鋼鍛件，吸入、排出閥總成結(jié)構(gòu)和尺寸完全一致。

2．2．2 流體泵的特性曲線

三缸泵柱塞直徑為95．25mm，根據(jù)施工工況對流體泵的基本施工參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

柱塞面積：

沖程：

圖3 液氮三缸泵特性曲線

每一轉(zhuǎn)的排量：

式中：F為柱塞面積，mm2；S為沖程，mm；α為容積效率，數(shù)值為1；K為缸數(shù)，數(shù)值為3。

3ZB70-265臥式三缸柱塞泵壓力與排量的特性曲線如圖4所示。該泵的施工壓力從15．1～70MPa，排量范圍在950～136L／min。因此該流體泵既可以在小排量時(shí)達(dá)到高壓力的精確施工，又可以滿足大排量的沖砂、洗井作業(yè)要求。

圖4 3ZB70-265流體泵特性曲線

3 發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率：

式中：P為柴油機(jī)的實(shí)際輸出功率，kW；Pp為流體泵和液氮泵的額定功率之和，407kW；η1為靜水力變速箱傳動(dòng)效率，95%～98%；η2為液壓系統(tǒng)功率，60%～70%；η3為分動(dòng)箱的機(jī)械效率，95% ～98%。

計(jì)算中η1取值95%，η2取值60%，η3取值95%，得出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率：P＝752kW。

發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率：

式中：P1為柴油機(jī)風(fēng)扇所消耗的功率，按額定功率的5%計(jì)算；P2為空壓機(jī)和發(fā)電機(jī)等所消耗的功率，按額定功率的0．2%計(jì)算；P3為潤滑冷卻油泵等所消耗的功率，按額定功率的0．2%計(jì)算。

測算發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率：P0＝795kW。

4 熱回收式的計(jì)算

4.1 蒸發(fā)液氮所需要的熱量

假設(shè)冷端排出的高壓液氮蒸發(fā)為氣氮的過程為定壓過程，以溫度在－196℃的氮?dú)鉃槔?dāng)?shù)獨(dú)獾谋葻釣?．04kJ／（kg·K）時(shí)，液氮蒸發(fā)為氣氮吸收的熱量為225kJ／kg。

當(dāng)冷端排量為120L／min，1L氮?dú)廪D(zhuǎn)換量為0．8083kg，冷端的質(zhì)量排量為120×1×0．8083＝97 （kg／min），計(jì)算得出所需熱量為21825kJ／min；轉(zhuǎn)化功率為363．8kW。

4.2 液氮蒸發(fā)系統(tǒng)

對于車載發(fā)動(dòng)機(jī)而言，選擇液壓油和廢氣直接交換的原理更節(jié)省能量，并且將泵組合的潤滑油冷卻引入到液氮蒸發(fā)系統(tǒng)，可以節(jié)省設(shè)備安裝位置。若是選用較大的液氮泵，可以引入發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液循環(huán)來蒸發(fā)液氮。

1）液壓油蒸發(fā)系統(tǒng) 蒸發(fā)器選擇一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的雙層同心盤管，盤管中心的管心供液氮通過。高溫的液壓油從盤管的環(huán)形空間通過，熱量用來使液氮?dú)饣?。?dāng)液氮 （－320°F）通過管束循環(huán)時(shí)，就會(huì)蒸發(fā)成為氣氮。氣氮的溫度是由液氮流量與入口液壓油的溫度和流量控制的。氣氮溫度介于15．5～21℃ （60～70°F）之間。

2）廢氣蒸發(fā)系統(tǒng) 在泵注入作業(yè)中，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的熱量直接引入液氮蒸發(fā)系統(tǒng)，以增大液氮的蒸發(fā)量。從正常煙道排出的引擎廢氣被分流到熱交換器與液氮直接接觸，排氣分流閥為手動(dòng)控制，位于控制臺(tái)前面的煙道上，排量可以隨時(shí)調(diào)整，保證氮?dú)獾恼舭l(fā)量。

3）潤滑油交換系統(tǒng) 設(shè)計(jì)筒式潤滑油熱交換系統(tǒng)，可以將液氨與流體泵和液氮泵動(dòng)力端潤滑油的熱量直接交換，并且設(shè)計(jì)管路旁通，若是潤滑系統(tǒng)溫度過低，交換系統(tǒng)關(guān)閉，潤滑油不進(jìn)行熱交換。

4.3 蒸發(fā)系統(tǒng)可以提供的熱功率

根據(jù)表1中提供的熱當(dāng)量，計(jì)算廢氣損失功率：

式中：廢氣損失當(dāng)量取25%；熱利用效率取60%。

冷卻損失功率：

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡比例

式中：冷卻損失當(dāng)量取20%；熱利用效率取60%。

發(fā)動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)化的熱量：511（kW）。

液壓系統(tǒng)液壓油廢熱：P×η1×（1－η2）×60%＝171．5 （kW）。

利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣熱量和液壓油廢熱共455．4kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于120L液氮蒸發(fā)為氣氮所需要的熱量363．8kW，完全滿足液氮蒸發(fā)為氮?dú)馑枰臒崮堋?/p>

5 泵組合的應(yīng)用前景

1）氮?dú)馀菽瓪馀e排液 通過泵組合形成氮?dú)馀菽鸩浇档途擦黧w的密度，減少液柱對地層的回壓，并且利用氮?dú)馀菽瓡憾履康膶?，不?huì)造成地層的二次污染，以達(dá)到快速舉通井筒或降液到預(yù)定深度、實(shí)現(xiàn)誘噴的目的。排液后期，井筒油套循環(huán)建立，形成井筒負(fù)壓，使地層中殘液比較完全地排入井筒，進(jìn)而隨泡沫流體排出地面，達(dá)到排液的最佳效果。

2）氮?dú)馀菽黧w沖砂、解堵 控制液氮泵小排量與流體泵較高排量的注入，利用氮?dú)馀菽唣ち黧w的攜砂能力，及氮?dú)馀菽黧w暫堵地層的特性，快速建立油套環(huán)空循環(huán)，并且防止了入井液漏失，逐步降低井筒流體的密度，減少液柱對地層的回壓，以達(dá)到?jīng)_砂、解堵、舉通井筒的目的。

3）與連續(xù)油管的配合作業(yè) 利用連續(xù)油管帶壓作業(yè)和連續(xù)油管拖動(dòng)作業(yè)的特性完成沖砂解堵、氣舉排液效果更好。泵組合設(shè)備可以精確控制排量，提高連續(xù)油管處理復(fù)雜井的作業(yè)能力。

6 結(jié)論

1）利用現(xiàn)有制氮設(shè)備或者液氮泵設(shè)備從事泡沫排液，存在制氮設(shè)備排量過小、壓力過低和液氮泵排量過大，無法精確控制等因素，造成施工浪費(fèi)，施工效果不明顯。液氮泵／流體泵組合設(shè)備解決了施工精確性和連續(xù)性的問題，滿足泡沫施工連續(xù)性強(qiáng)、壓力等級(jí)相對較高、排量精確控制等要求。

2）選用180K的液氮泵，額定功率為142kW；選擇3ZB70-265臥式三缸柱塞泵，額定功率為265kW；測算出發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為795kW。利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱和液壓油廢熱，完全滿足液氮蒸發(fā)為氮?dú)馑枰臒崮堋?/p>

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