新型液氮泵設(shè)備的研制與應(yīng)用

新型液氮泵設(shè)備的研制與應(yīng)用

基于低氮密度、穩(wěn)定好、易壓縮的特點，它在鉆井、固井、射孔、混合氣候裂隙、混合氣候酸化、井井等方面發(fā)揮著廣泛的作用。近幾年來,國內(nèi)油田開發(fā)有了新的發(fā)展和變化,一方面是天然氣和煤層氣井的氮氣作業(yè)工作量大幅度增加,對施工的排量和壓力提出更大更高的要求,工藝的變化對施工設(shè)備提出了更精確和更安全的要求。另一方面,早期引進(jìn)的熱回收式液氮泵車一般排量較小、操作控制系統(tǒng)技術(shù)落后,已不能適應(yīng)大排量氮氣作業(yè)的要求。而直燃式液氮蒸發(fā)技術(shù)近年來獲得了很大發(fā)展,尤其在安全性、可靠性和工作效能等方面采用了新的技術(shù)。油氣井作業(yè)采用的大排量液氮蒸發(fā)裝置中大多數(shù)為直燃式。目前各油田使用的液氮設(shè)備主要依靠進(jìn)口,價格昂貴、配件供應(yīng)和服務(wù)維修不及時。為此,四機賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司(SJS)研制開發(fā)了適用于國內(nèi)油田的自動化程度高、可與壓裂機組配套的大排量直燃式液氮泵車。1液氮泵車工作原理該液氮泵車主要由牽引卡車、動力系統(tǒng)、增壓離心泵、高壓三缸柱塞泵、直燃式液氮蒸發(fā)系統(tǒng)、液氮儲罐和控制系統(tǒng)等幾部分組成,能夠獨立進(jìn)行液氮儲運、泵注及轉(zhuǎn)換工作。如圖1所示。液氮泵車工作原理為:液氮從儲罐流經(jīng)各閥體、過濾器進(jìn)入液氮泵,增壓后排出低溫高壓液氮,經(jīng)過直燃式蒸發(fā)器吸收熱量轉(zhuǎn)化為常溫高壓氮氣后用于施工。該設(shè)備采用發(fā)動機帶傳動箱直接驅(qū)動液氮泵,低壓灌注離心泵、蒸發(fā)器風(fēng)扇、液氮泵潤滑等由液壓泵提供動力,工作穩(wěn)定可靠。其中直燃式蒸發(fā)器的工作原理為:柴油被增壓后噴進(jìn)燃燒室并充分霧化,經(jīng)過輔助燃燒系統(tǒng)點燃已霧化的柴油,燃燒的火焰對高壓盤管進(jìn)行加熱,盤管里的液氮吸收熱量后變成常溫氮氣。可根據(jù)排出溫度自動調(diào)節(jié)蒸發(fā)器火力,保持排出氮氣溫度穩(wěn)定。2主要技術(shù)和特點1系統(tǒng)運行工況整車尺寸:12m×2.5m×4m;底盤:北奔底盤8×4;車臺發(fā)動機:卡特C18;變速箱:艾利遜6610M;蒸發(fā)器蒸發(fā)能力:800KSCFH/15000PSI;系統(tǒng)最大工作壓力:15000psi(103.4MPa);最大施工排量:600KSCFH(283m3/min);排出溫度:10～40℃;液氮儲罐容積:有效容積7m3。2液氮泵及直燃式蒸發(fā)器①具有結(jié)構(gòu)更合理、性能更優(yōu)越、排量更大、操作更方便等優(yōu)點。②結(jié)構(gòu)緊湊,安全裝置可靠,運移性好,且能單獨作業(yè)而不需要另配輔助設(shè)備。③液氮儲罐保溫結(jié)構(gòu)采用雙層高真空多層纏繞絕熱的形式,使保溫性能和使用壽命得到可靠保證。④采用發(fā)動機通過變速箱直接驅(qū)動三缸液氮泵,動力輸出性能更好;變速箱為高壓液氮泵在不同速度下的運行提供保證。⑤增壓離心泵將液氮壓力增加到80～120psi,以確保輸出到液氮泵的供液吸入端的壓力為正壓;防止液氮氣化,使液氮泵運行更平穩(wěn)。⑥液氮泵冷端泵腔采用夾層結(jié)構(gòu),使高壓活塞環(huán)泄露少量液氮進(jìn)入夾層,然后返回儲罐或排空,從而為泵腔保冷;同時也改善了高壓活塞環(huán)的條件,使外密封僅在低壓下工作。⑦配備1臺高效直燃式蒸發(fā)器,采用先進(jìn)的儀器和控制系統(tǒng),用以確保設(shè)備的安全可靠性和操作的簡單性。⑧最高工作壓力為103.4MPa,可與大部分型號的壓裂機組匹配,共同作業(yè)。3關(guān)鍵設(shè)備的安裝3.1研制nba100型液氮泵,特點資高壓液氮泵和蒸發(fā)器是液氮設(shè)備上最核心的部件,目前國內(nèi)還沒有廠家可以生產(chǎn),完全依賴于進(jìn)口。SJS公司將利用多年生產(chǎn)高壓三缸泵的經(jīng)驗和技術(shù)積累,自主研發(fā)NPA1000型液氮泵。具有如下特點:①額定連續(xù)負(fù)荷為1000HP。泵的工作負(fù)荷限度與設(shè)計負(fù)荷限度相比,具有50%安全系數(shù)。②曲軸箱內(nèi)部曲軸負(fù)荷平衡機構(gòu)。使泵運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn),延長泵的壽命,并消除其他有關(guān)組件的振動負(fù)荷。③選用低摩擦滾柱軸承。其機械性能比市場上供應(yīng)的其它液氮泵的軸承的性能更好。④齒輪減速箱直接安裝在泵上,這使得發(fā)動機能以最佳速度運行,同時操作人員能全程控制泵的速度。3.2燃燒自動傳感及燃燒系統(tǒng)蒸發(fā)器為直燃式,以柴油為燃料。直燃式蒸發(fā)器的安全性和可靠性一直是用戶關(guān)心的問題,SJS公司將改進(jìn)和優(yōu)化直燃式蒸發(fā)器,提高蒸發(fā)器的安全性和自動化控制程度,使其具有如下功能:①采用雙點火系統(tǒng),如果一個點火系統(tǒng)發(fā)生故障,另一個系統(tǒng)可保證正常工作,減少停機時間。②燃燒室配置燃燒火焰感應(yīng)裝置,一旦工作中燃燒室火焰意外熄滅,將自動停止噴油,從而防止未燃燒柴油滯留在燃燒室內(nèi),再點火時發(fā)生爆炸;同時控制臺顯示火焰感應(yīng)信號并能及時報警。③8個燃燒噴嘴系統(tǒng)提供很寬的溫度范圍,這使操作人員容易選擇蒸發(fā)液氮所需的溫度范圍,也可以通過調(diào)節(jié)燃油壓力更準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)溫度范圍。④風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)允許供應(yīng)準(zhǔn)確的空氣流量使燃燒器高效燃燒,該系統(tǒng)保證使供給噴嘴的所有燃油完全徹底燃燒。⑤專門設(shè)計的燃燒室內(nèi)筒和燃油板允許高能風(fēng)扇給的一定量空氣從燃燒室內(nèi)筒與外筒之間流過并進(jìn)入蒸發(fā)器,與燃燒產(chǎn)生的氣體混合而將火焰熄滅,然后進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的液氮管束室;該空氣冷卻系統(tǒng)對于確保燃油徹底燃燒,避免燒壞液氮管束,保障蒸發(fā)器工作安全是必不可少的。4監(jiān)控器1控制系統(tǒng)設(shè)計液氮泵車控制系統(tǒng)主要由發(fā)動機控制系統(tǒng)、傳動箱控制系統(tǒng)、增壓泵控制系統(tǒng)、液氮泵控制系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、蒸發(fā)器風(fēng)扇控制系統(tǒng)、蒸發(fā)器溫度手自動控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)組成?？蓪崿F(xiàn)設(shè)備的啟動、排空、灌注、加熱、排量和檔位控制、溫度控制、遠(yuǎn)程流程控制,數(shù)據(jù)顯示和采集。控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,其主要功能如下:①遠(yuǎn)程流程控制。②施工壓力和溫度預(yù)制。③超壓和低溫保護(hù)。④蒸發(fā)器手/自動溫度控制:手/自動雙系統(tǒng)相互備用,可靠性更高,自動控制根據(jù)排出口溫度的反饋,自動調(diào)節(jié)蒸發(fā)器火力,保持排出氮氣溫度穩(wěn)定。⑤報警系統(tǒng):顯示發(fā)動機、傳動箱、液氮泵、灌注泵、蒸發(fā)器、液壓系統(tǒng)和液氮車大氣含氧量的報警。⑥數(shù)據(jù)采集接口:配置RS232通訊采集和原始信號數(shù)據(jù)采集接口,可采集施工壓力、排出流量和溫度。2安全、遠(yuǎn)程控制①控制臺按功能模塊化設(shè)計,控制邏輯清晰。②集中控制:顯示、操作機構(gòu)布置在控制臺附近,方便一個人操作控制。③遠(yuǎn)程流程控制:液氮泵車屬于低溫高壓型設(shè)備,其安全性尤為重要,流程控制可有效避免高壓、低溫引起的人身安全和設(shè)備損壞隱患。④網(wǎng)絡(luò)兼容性:可通過E-NET接入壓裂設(shè)備或固井設(shè)備網(wǎng)內(nèi),依據(jù)作業(yè)的特殊工藝要求,實現(xiàn)多臺設(shè)備間的協(xié)同工作。5試驗數(shù)據(jù)分析設(shè)備試驗主要包括功能試驗和性能試驗。前者查看設(shè)備是否各部件都能正常工作,后者用來查看設(shè)備是否能達(dá)到設(shè)計的性能要求。通過廠內(nèi)針閥調(diào)節(jié)排出口壓力和調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速及變速箱檔位,進(jìn)行試驗,得到表1所示數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)表明設(shè)備作業(yè)能達(dá)到設(shè)計要求。試驗過程中發(fā)動機、傳動箱、