设备 | 连续管残液吹扫装置研制

摘 要：连续管管内残液的安全、高效吹扫,可在连续管作业结束后,有效降低车载滚筒载重,减少长途运输风险,同时,避免冬季作业管内残液冻堵带来的遇阻及憋压风险,为后续连续管作业井下复杂分析提供可靠保障。为实现有效吹扫和设备本质安全,基于柴动高压压缩机与储气罐的联动作业流程设计方案,研制了一种连续管残液吹扫装置。通过开展室内和现场试验,验证了装置的各级压力、转速、最高工作排量、额定储气压力、额定储气量、有效吹扫时间等性能参数,同时,实现了对装置性能和吹扫效率的分析评价。该装置的研制为连续管管内残液的安全、高效吹扫提供了切实可行的方法。

关键词：连续管 残液吹扫装置 最高工作排量 额定储气压力 有效吹扫时间

连续管现场作业结束后,管内残液吹扫通常主要依赖制氮车或液氮泵车完成,但制氮车或液氮泵车作业成本较高,且不能在同一井场长期固定配属,频繁调用交通风险又比较高,因此,无法满足日益增多的丛式井、大平台连续管作业施工需求。本文从连续管管内吹扫装置技术调研、撬装式连续管管内残液吹扫装置研发、相关辅助单元配套、连续管管内残液吹扫装置现场试验等方面,详细阐述了连续管残液吹扫装置研制过程。该连续管残液吹扫装置可为通过压缩空气完成连续管管内残液高效吹扫提供可靠保障【1】,同时,还可实现现场条件下连续管管内残液吹扫工艺的安全、平稳运行和长时间、低成本实施。

1 工艺要求

吹扫装置在施工效率符合吹扫2″、5 200 m连续管管内残液时间不大于1 h的技术前提下,应能确保连续管内出现异常高压时,装置的耐压本质安全和紧急停机本质安全。压缩机油配套全合成高压压缩机专用油,可确保低温环境下高压压缩机的正常运转。此外,整个装置的撬装尺寸和质量还要满足便于井间转移或运输的要求。

装置配套的冷却系统需确保排出口气体温升不会对压缩机寿命造成较大影响;配套的压缩机排空安全阀需确保整机压力超过15 MPa时,压力可正常泄放,不对压缩机及内部高压流程配件造成损坏;配套的储气罐安全阀需确保储气罐压力大于最高工作压力的1.05倍时罐内压力的正常泄放;配备的仪器仪表应可实时观察各级压力变化;配套的PLC控制系统与油站联动,用于柴油机启停、紧急停机、压缩机启停、压缩机及柴油机各项参数调节及显示等;配套的高压管汇需确保压缩机可安全升压超过15 MPa,且可有效隔离或连通设备与连续油管。

2 方案论证

2.1 整体结构分析论证

吹扫装置整机结构见图1(a)～图1(b)。

图1 吹扫装置整机结构

方案论证结论认为,吹扫装置采用额定排气压力25 MPa、排气量20 m3/min的直排式动力源虽能满足连续油管吹扫作业,但设备体积大、作业风险高、运输不方便,而通过在装置中增加蓄能缓冲装置,预将压缩空气充入连续油管,再通过排出压力不低于7 MPa的压缩系统进一步吹扫,可实现2″、5 200 m连续油管的高效吹扫。

2.2 高压压缩机吹扫时间分析论证

假设吹扫的连续管为2″连续油管,内径为0.042 88 m,连续油管长度为5 200 m,通过范宁公式计算驱替磨阻,并结合驱替排量计算吹扫时间,如表1所示。

表1 压缩机吹扫连续油管时间分析

分析可知:当排出压力不低于7 MPa时【2】,压缩系统用于吹扫2″、5 200m连续油管时间不大于1 h;但若要提高整个吹扫过程的时效性,并保证在连续油管内出现异常高压时高压压缩机及内部高压管阀件能处于本质安全状态,需将最高工作压力提升至15 MPa。

2.3 预吹扫效果分析论证

2.3.1 储气罐压力设计

假设储气罐内储气压力为P,根据伯努力定理可得到式(1)。

(1)

式中:P——储气罐内储气压力,Pa;

ρ——管内流体密度,kg/m3;

U1——储气罐内空气流速,m/s;

P0——标准大气压,Pa;

U——空气吹扫流速,m/s;

∑Pf——直管段沿程阻力损失之和,Pa;

∑Pj——局部阻力损失之和,Pa。

在实际情况中,储气罐内的空气流速U1可近似取0 m/s(工程计算当中,近似计算方法经常被采用)【3】,则式(1)可简化为式(2)。

P=P0+ρU2/2+∑Pf+∑Pj

(2)

∑Pf可由式(3)计算得出,即

(3)

式中:λ——摩擦系数,无量纲;

L——有效吹扫管线长度,m;

d——吹扫管线内径,m。

其中,λ可由式(4)计算得出,即

λ=0.11(Δe/d+68/Re)

(4)

式中:Δe——管道内壁的当量粗糙度,m;

Re——雷诺数,无量纲。

Re可由式(5)计算得出,即

Re=Ud/γ

(5)

式中:γ——运动粘度系数。

∑Pj可由式(6)计算得出,即

∑Pj=ξ1ρU2/2+ξ2ρU2/2+

ξ3ρU2/2+ξ4ρU2/2

(6)

式中:ξ1——气体入管线局部损失系数;

ξ2——弯头局部压力损失系数;

ξ3——三通局部压力损失系数;

ξ4——闸阀局部压力损失系数。

取P0=1.013×105 Pa,U=57.7 m/s,L=3 700 m(5 200 m连续油管中充满液体的管段长度),d=0.042 88 m,ρ=1.2 kg/m3,ξ1=0.5,ξ2=0.75,ξ3=1.5,ξ4=0.2,Δe=0.06,γ=0.000 015,由上述公式可计算得出P=4.02×106 Pa,故储气罐压力设计为4 MPa。

2.3.2 储气罐预吹扫效果论证分析

假设吹扫的连续管为2″连续油管,内径为0.042 88 m,连续油管长度为5 200 m,储气罐压力设计为4 MPa,储气罐容积设计为1 m3,计算并绘制储气罐压力与磨阻关系曲线以及储气罐压力与驱替排量关系曲线,分别如图2和图3所示。

图2 储气罐压力与磨阻关系曲线

图3 储气罐压力与驱替排量关系曲线

从储气罐压力与磨阻关系曲线可知,当储气罐压力稳定在1.0～1.6 MPa时,驱替管内液体的磨阻趋于最小值,管内残液预吹扫达到最佳状态。

从储气罐压力与驱替排量关系曲线可知,当储气罐压力稳定在1.0～1.6 MPa时,储气罐不仅可向连续油管内预充压,实现驱替管内残液流动,且驱替排量趋于稳定,可为高压压缩机进一步吹扫提供基础条件。

2.4 技术参数要求

高压压缩机公称容积流量≥5.0 m3/min,吸气压力≤0.1 MPa (绝),最高排气压力≥15 MPa;安全阀开启压力≥15.5 MPa;单向阀压力等级≥15 MPa;针阀压力等级≥15 MPa;球阀压力等级≥15 MPa;吸气温度≤40 ℃;四级压力等级分别设计为≤0.3,1,4和15 MPa,满足排出压力对各级增压压力的要求。与之匹配的柴油机转速≥2 400 r/min,额定扭矩≥527 N·m;离合器允许输入转速≥2 500 r/min,允许输入扭矩≥750 N·m;储气罐工作容积不大于1 m3(在确保预吹扫效果的同时,尽可能缩小整机尺寸),工作压力≤4 MPa,设计温度为-19～100 ℃。

3 设备选型

3.1 吹扫装置原理设计

高压压缩机正常工作后,关闭2号球阀,打开1号球阀【4】,使压缩空气缓慢充入储气罐;储气罐压力达到最高工作压力时,打开2号球阀,因储气罐快速送入连续管的气量大于压缩机缓慢送入储气罐的气量,故压缩机自动切出,不再向储气罐充气,之后,储气罐开始向连续油管内持续送气,进行预吹扫作业;当储气罐压力下降至上述稳定压力时,关闭1号球阀隔离储气罐,压缩机重新切入,直接向连续油管内送气进行吹扫作业,直至工作结束。吹扫作业期间,柴油机自动运行,若内部流程及压缩机内部压力超过最高排气压力,可通过安全阀紧急泄压; 同时,通过排空电磁阀与油站、PLC控制箱联动,泄压并紧急停机。吹扫作业结束后,关闭2号球阀,打开1号球阀,通过控压针阀放空储气罐内压缩空气,并放空储气罐、单流阀、2号球阀三者之间的管线压力;通过排空电磁阀卸掉压缩机内部压力;通过排空针阀泄掉压缩机至单流阀之间的管线压力【5】;通过2号球阀与连续油管之间的2″ 1502旋塞泄掉2″ 1502流程及连续油管内的剩余压力。整机吹扫原理如图4 所示,其中,红色线条为高压吹扫空气管线,绿色线条为低压控制管线或控制信号线。

图4 吹扫装置流程原理

3.2 吹扫装置结构设计

吹扫装置整体结构设计如图5所示,其中,高压压缩机由气缸、活塞、吸气阀、进气阀组成,完成吸气-压缩-排气-膨胀的工作循环。在正常运转的情况下,气体由消声滤清器进入一级气缸压缩,一级排出的气体经过一级冷却器冷却后,进入二级气缸压缩,按上述原理,依次经过二、三、四级气缸,直至气体经过四级冷却器,由排气总管排出至2″ 1502排出口。同时,根据吹扫装置整机尺寸(长≤3 800 mm,宽≤2 100 mm,高≤1 800 mm),对储气罐通用尺寸进行了适应性的修改,在确保储气罐容量的前提下,便于储气罐在整机撬架内的安装和操作,并报压力容器检验机构备案。

图5 连续油管吹扫装置结构布置

具体尺寸修改如图6所示。

图6 储气罐尺寸改造示意

3.3 关键参数选型

3.3.1 吹扫装置压缩机主要参数和柴油机主要参数优选

吹扫装置压缩机主要参数和柴油机主要参数优选见表2。

表2 吹扫装置压缩机主要参数和柴油机主要参数优选

3.3.2 吹扫装置离合器参数、储气罐参数及防爆部件参数

吹扫装置离合器参数、储气罐参数及防爆部件参数见表3。

表3 吹扫装置离合器参数、储气罐参数及防爆部件参数

3.3.3 吹扫装置辅助系统配套

吹扫装置配套了内部高压管阀件(最高工作压力满足压缩机最高工作压力要求)、冷却系统(满足出口温度与吸入温度温差不大于10 ℃的要求)、润滑系统(满足气缸、活塞等主要部件润滑要求)、自动调节系统(满足仪器仪表参数自动调节要求)【6】、控制系统(与自动调节系统配合,通过液压站实现各部分结构自动控制)、安全系统(满足系统超压后的安全保护)等辅助单元,具体如图7所示。

图7 吹扫装置辅助系统配套

3.3.4 PLC控制系统设计配套

PLC控制系统可实现压缩机、离合器及柴油机之间的自动协同工作。该系统启动时,微电脑会检测各级压力、冷却温度效果、油压等指标,正常则继续工作,不正常则报警并显示原因。运转期间,若压力超过高限,软件可通过油站实现紧急自动停机。停机时,微电脑控制柴油机转速下降到500～800 r/min之间,油站在微电脑控制下,分离离合器,使压缩机停止转动、柴油机停机。监控软件的主要功能为监控各项关键参数。吹扫装置关键参数的实时采集如图8所示。

图8 吹扫装置关键参数实时采集

4 试验情况

4.1 室内测试

针对压缩机、柴油机、冷却系统、排污系统、润滑系统、安全系统、控制和仪表系统、吸入管汇、排出管汇以及吹扫装置整机进行功能性测试。

测试期间,储气罐升压至4 MPa所需时间约为7.5 min,满足小于9 min的要求;高压压缩机升压至15.0 MPa,管线及阀门均正常工作,无刺漏及渗漏现象;高压压缩机安全阀在15.5 MPa时正常开启;设备停机后,压缩机排空阀正常排空,排空后单向阀上游压力低于下游压力,说明单向阀止回功能正常;机油压力、1～4级空气压力值(一级为0.2 MPa,二级为0.9 MPa,三级为3.1 MPa,四级为10 MPa)满足各级压力指标要求;排出空气温度约为45 ℃,高于吸入温度约10 ℃,符合技术指标要求。

4.2 现场试验

在靖26-**H2、靖92-*H2、定探*、高桥19-*等4口井,进行了5井次连续管残液吹扫装置现场试验。

现场试验期间,将吹扫装置的吹扫流程分为以下5个阶段:1)连续油管准备;2)吹扫装置与连续油管滚筒侧面高压管汇对接【7】;3)吹扫装置启动;4)吹扫连续油管内部残液;5)吹扫连续油管作业结束。吹扫过程中对装置整机性能进行了验证,并对吹扫效率进行了定量评估。现场试验情况如图9(a)～图9(b)所示。

图9 吹扫装置现场试验

4.3 试验分析评价

4.3.1 装置性能分析评价

由表4所示装置性能关键参数统计分析可知:1)储气罐压力上升至3.4～3.7 MPa之间时,既可满足吹扫初期的启动压力要求,又可避免吹扫开始瞬间 “水击效应”产生回压导致储气罐压力短暂升高,进而避免储气罐超压;2)压缩机散热器的排出口气体较吸入口气体温度升高8～10 ℃,说明降温后的压缩空气不会对压缩机寿命造成较大影响;3)压缩机各级压力趋于稳定,四级压力基本维持在0.18,1.05,3.01和5.20 MPa左右,符合空压机四级压力参数要求。

表4 吹扫装置关键参数统计

4.3.2 吹扫效率分析评价

吹扫效率关键参数统计见表5。

表5 吹扫效率关键参数统计

由表5所示吹扫效率关键参数统计分析可知:1)吹扫期间装置的四级排出压力不大于6 MPa,因此,额定排气压力大于7 MPa的压缩机系统能够满足正常吹扫作业需求;2)储气罐充压时间均不超过6 min,满足小于9 min的要求;3)稳定吹扫阶段,吹扫2″、5 600 m以上连续管管内残液80%以上,时间不大于40 min【8】,因此,作业效率符合吹扫2″、5 200 m连续管管内残液90%以上时间不大于1 h的现场作业需求【9】;4)当柴油机转速调至1 900～2 000 r/min时,吹扫时间更短,效率更高,且柴油机负载维持在满负载的80%～90%之间,不会对柴油机寿命造成影响;5)当柴油机转速调至1 900～2 000 r/min时,吹扫装置排量可稳定在5 m3/min,当连续油管内径为0.042 88 m时,压缩空气在连续油管内的流速最高可达57.7 m/s,因此,大于空气吹扫管线所需的最小流速(通常吹扫流速不宜小于20 m/s)【10】。

5 结论及建议

通过现场试验,同时结合装置性能和吹扫效率分析评价可知,吹扫装置在连续管管内残液吹扫方面,达到了提质增效、安全可靠的效果,具体体现在以下几个方面:

1) 在排量不大于5.0 m3/min、最高排气压力不大于15 MPa的前提下,降低了装置的工作压力和吹扫排量,实现了连续油管管内残液的安全、高效、平稳吹扫;

2) 减轻了连续油管滚筒质量,避免了连续油管管内大量残液引起的行驶晃动风险,进而降低了交通安全风险;

3) 由于吹扫至滑脱后,管内有极少量液体残留,建议在每年白天气温高于0 ℃(若管内为清水)或-5 ℃(若管内为盐水)的温度条件下进行长时间、低成本运行,在提供经济增长点的同时,避免因连续油管冻堵造成的复杂工程状况;

4) 可形成针对连续油管管内残液吹扫装置的专项操作规程,为装置在连续油管辅助作业领域的规模化应用提供技术支撑。