車載氣舉排液裝置技術(shù)方案研究

李超　周斌　張勃飛　商艷紅　宋滿華　董火平

摘要：深層頁巖氣開采對壓縮機(jī)組功率需求提高，撬裝氣舉排液裝置機(jī)動性、經(jīng)濟(jì)性和安全性不足問題逐漸凸顯，其移運吊裝過程中對道路要求和吊裝設(shè)備要求較高，提出車載氣舉排液裝置，將壓縮機(jī)組集成在車輛上裝，通過計算校核車輛質(zhì)心、載荷分布，副車架靜強(qiáng)度、模態(tài)分析，優(yōu)化車輛上裝部件位置，使車輛載荷分布合理。較撬裝氣舉排液裝置，車載氣舉排液裝置更符合頁巖氣井開采需求，具備市場應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：氣舉排液;車載;質(zhì)心;載荷分布

0 ?引言

隨著氣井生產(chǎn)年限的延長，氣井井口壓力逐步降低，生產(chǎn)能力逐步下降，部分氣井?dāng)y液能力降低，導(dǎo)致井筒積液不斷增多，甚至造成積液停產(chǎn)。氣舉排液工藝是將天然氣通過壓縮機(jī)增壓后將高壓天然氣注入氣井的油套環(huán)空或油管內(nèi)，使井筒內(nèi)氣、液混相，降低井筒液柱密度，從而降低井底回壓，增大生產(chǎn)壓差，提高氣液的流速，增加采出氣的攜液能力，排出井內(nèi)積液，實現(xiàn)氣井連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)[1][2]。氣舉排液作業(yè)周期短，較泡排、優(yōu)選管柱、潛液泵等其它排液工藝有較強(qiáng)的適應(yīng)性，適應(yīng)于氣液比和產(chǎn)量變化范圍大、出砂、高腐蝕性的井，一般采用天然氣或氮氣作為氣舉介質(zhì)。

1 ?國內(nèi)氣舉排液工藝特點

國內(nèi)頁巖氣井垂深在3000m左右，為滿足直排和氣舉閥分段排液工程需求，氣舉氣體壓力需不低于30MPa。國內(nèi)頁巖氣富集區(qū)多處于地表復(fù)雜的山區(qū)和丘陵，井場道路行駛受到限制，其經(jīng)濟(jì)性和安全性問題日益突出。因此在滿足氣舉排液作業(yè)需求的前提下，研究車載氣舉排液裝置是十分必要的。

2 ?總體技術(shù)方案和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體技術(shù)方案

車載氣舉排液裝置主要包括底盤、副車架、壓縮機(jī)組、發(fā)動機(jī)、空冷器、工藝氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。壓縮機(jī)組、發(fā)動機(jī)、空冷器、工藝氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部件集成于副車架上，再通過連接板與底盤連接。壓縮機(jī)組由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，壓縮機(jī)組和發(fā)動機(jī)采用柔性聯(lián)軸器連接。工藝氣采用空冷，壓縮機(jī)組配有工藝氣過濾、緩沖和流量調(diào)節(jié)裝置。壓縮機(jī)組能夠自動啟動，停機(jī)、加載、卸載和排污，對振動、壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和故障報警停機(jī)。增壓后的頁巖氣經(jīng)高壓硬管線輸出至采氣井口。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 壓縮機(jī)氣缸參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

壓縮機(jī)是氣舉排液主要部件之一，采用三級往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，排氣量可在較廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。其技術(shù)難點在于壓縮機(jī)在滿足排氣壓力要求前提下，尺寸滿足車輛道路運輸要求，長度控制在車輛寬度范圍內(nèi)。壓縮機(jī)采用倒級差氣缸型式，縮減一級、和二三級倒級差缸的中體連接處尺寸，減少氣缸鏡面尺寸，壓縮機(jī)長度尺寸控制在2500mm以內(nèi)。

2.2.2 緊湊型車載集成技術(shù)

根據(jù)頁巖氣工區(qū)作業(yè)安全規(guī)范、道路狀況，以及相關(guān)道路行駛標(biāo)準(zhǔn)，從移運性、通過性和技術(shù)成熟度等方面綜合對比分析采用二類底盤集成方案和采用拖掛底盤集成方案，最終選用二類底盤集成方案。

上裝增壓系統(tǒng)包括壓縮機(jī)組、發(fā)動機(jī)、空冷器、工藝氣管線、洗滌罐、緩沖罐和控制系統(tǒng)等，整體采用模塊設(shè)計理念，進(jìn)行區(qū)域劃分設(shè)計，同時，考慮裝置尺寸滿足公路運輸要求，寬度控制在2500mm以內(nèi)，高度控制在4000mm以內(nèi)，同時需要重量輕、設(shè)備維修方便、車載上裝平穩(wěn)。

上裝增壓系統(tǒng)外接口有進(jìn)氣口、排氣口、洗滌罐排污口、中體排污口、中體放空口、安全閥放空口、高壓放氣口共7個，布置時需要綜合考慮管線連接方便、減少巡檢跨越次數(shù)、高壓安全泄放、防止天然氣濃度聚集、冷卻水補(bǔ)充口連接便捷，各管口布置在副車架兩側(cè)下面，避免與底盤副車架發(fā)生干涉。

2.2.3 整機(jī)獨立動力技術(shù)

車載裝置上裝增壓系統(tǒng)配置有獨立發(fā)動機(jī)，同時為壓縮機(jī)和空冷器提供動力?？绽淦鞑捎靡L(fēng)式減速機(jī)傳動空冷器。發(fā)動機(jī)主軸尾端飛輪作為主動皮帶輪，中間通過漲緊輪調(diào)節(jié)皮帶松緊，從動輪通過軸承座、傳動軸、減速機(jī)傳遞動力并改變扭矩傳遞方向，將發(fā)動機(jī)水平扭矩轉(zhuǎn)換為垂直扭矩，減速機(jī)輸出軸驅(qū)動葉輪，實現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)。

2.2.4 減震降噪技術(shù)

壓縮機(jī)在氣舉排液工作狀態(tài)下，活塞、氣缸呈周期性的吸氣、排氣運動，引起壓縮機(jī)進(jìn)出口管路及工藝氣管線內(nèi)氣體流速、密度和壓力呈脈動狀態(tài)，氣流脈動、管線結(jié)構(gòu)以及壓縮機(jī)本體機(jī)械振動。根據(jù)API 618（第五版）標(biāo)準(zhǔn)方法3進(jìn)行氣流脈動和機(jī)械振動分析，API 618和API 684標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行扭振分析，調(diào)整的壓縮機(jī)組工藝氣管線布置和支撐設(shè)計、布置，將壓縮機(jī)組的壓力脈動、脈動力、工藝氣系統(tǒng)設(shè)備振動及壓縮機(jī)組扭轉(zhuǎn)振動均控制在允許的范圍內(nèi)。

3 ?車輛移運性能分析

在車輛改裝設(shè)計過程，對汽車進(jìn)行總體布置，需要進(jìn)行車輛載荷分布計算，車輛行駛穩(wěn)定性分析。

3.1 車輛載荷分布計算

根據(jù)整車力矩平衡[3][4]，有：

F后·L=F·X;F前=G-F后

式中：G為整車總重量，kg;F前為前橋軸荷，kg;F后為后橋軸荷，kg;L為整車軸距，mm;X為整車質(zhì)心距前橋距離，mm。

根據(jù)車輛上裝部件重量分布，通過分析計算，計算得出前橋和后橋載荷，驗證車輛前后橋載荷分布合理性。

3.2 車輛行駛穩(wěn)定性分析

整車滿載后，質(zhì)心高度應(yīng)當(dāng)符合縱向、橫向穩(wěn)定性要求。

3.2.1 縱向穩(wěn)定性

整車縱向穩(wěn)定性滿足L/H>0.6的要求。

式中，L為質(zhì)心距離后橋中心距離，mm;

H為質(zhì)心高度，mm。

通過計算，車輛上坡、下坡均滿足縱向穩(wěn)定性。

3.2.2 橫向穩(wěn)定性

整車橫向穩(wěn)定性應(yīng)滿足B/2H>0.6的要求。

式中：B為載車輪距，mm;H為質(zhì)心高度，mm。

通過計算，車輛滿足橫向穩(wěn)定性。

3.3 副車架靜力學(xué)分析

副車架承受底盤自重及上裝部件質(zhì)量分布載荷，副車架整體在支腿油缸處設(shè)置固定約束。后橋中心處變形量最大，為3.25mm，通常情況下副車架的彎曲撓度小于10mm，該副車架在當(dāng)前條件下滿足性能要求。后支腿油缸座處應(yīng)力最大，為128.92MPa，車架材料為Q345，其屈服強(qiáng)度為345MPa。因此，副車架設(shè)計滿足性能要求。

3.4 副車架模態(tài)分析

模態(tài)分析反映了副車架在實際工況下的振動特性。在實際工況下，發(fā)動機(jī)和壓縮機(jī)是主要激勵源，發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速不超過1500r/min，在800～1200r/min或1000～1500r/min速度范圍內(nèi)連續(xù)運行，存在共振的可能性，在發(fā)動機(jī)底座和壓縮機(jī)底座部位增加橡膠緩沖墊能夠在一定程度上降低振幅。

4 ?結(jié)論及建議

①車載氣舉排液裝置具備工藝流程簡單、移運性好、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點，是氣舉排液的優(yōu)選裝備。②通過車輛質(zhì)心位置及軸荷分布計算，能確保車輛部件安裝位置合理，車輛行駛安全穩(wěn)定。③通過對車載氣舉排液裝置總體方案和關(guān)鍵部件設(shè)計，車輛整體性能分析，驗證車載氣舉排液裝置具備技術(shù)適應(yīng)性，能夠滿足氣舉排液作業(yè)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王述銀.車載式天然氣壓縮機(jī)排水采氣應(yīng)用技術(shù)[J].新疆石油科技，2017.

[2]張耀剛.撬裝壓縮機(jī)氣舉排水采氣工藝技術(shù)研究[C].第七屆寧夏青年科學(xué)家論壇論文集，2011.

[3]楊緒紅.客車載重量、軸荷分布計算和運用[J].城市車輛，2006.

[4]劉華.Excel在車輛質(zhì)心與軸荷分配計算中的應(yīng)用[J].技術(shù)論壇，2011.

[5]曾慶恒.采氣工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999.

基金項目：中國石油化工集團(tuán)有限公司科技部項目“35MPa氣舉壓縮機(jī)研制”（JP18031）。

作者簡介：李超（1985-），2012年畢業(yè)于長江大學(xué)機(jī)械設(shè)計及其理論專業(yè)，現(xiàn)從事石油裝備設(shè)計工作。