钻井动力用天然气机研究及优化

1、钻井动力用天然气机研究及优化论文摘要：在油田中，利用天然气代替柴油作为发动机燃料，不仅原料提供方便，缓解柴油资源短缺问题，而且大幅降低燃料本钱，减排效果理想，以气代油，成为油田迫切的希望。本文通过对一台12V190天然气机模拟现场应用的试验根底上，系统地研究了钻井动力用天然气机各工况运行情况及性能参数，分析了试验中出现的异常情况，充分验证了钻井动力用天然气机的可行性。通过试验总结提出了改良措施，确定了适合钻井动力用天然气机的优化配置及型式。论文关键词：天然气机,动力性,性能试验,优化配置牟德强孙佳俊刘庆雷1前言现在，油田钻井使用柴油本钱高，油田内部支持以气代油节能减排，降本增效。同时，从油田反

2、映使用双燃料机组情况来看，减排和节支效果不太理想，更倾向于用纯天然气机组。开发钻井动力用天然气机的目的是在满足钻井动力性要求的情况下，利用天然气作燃料，最大限度地降低钻井本钱，实现节能减排、清洁生产。如果钻井动力用天然气机经验证性能可完全取代柴油机，那么会在油田进行全面普及，将开创油田钻井新局面，使油田经济效益和社会效益双丰收。本文通过对一台12V190天然气机的性能比照试验，模拟钻井动力性能需求变化，系统研究了各工况机组参数变化，验证了钻井动力用天然气机的可行性。通过优化配置和改善燃气控制、调速等系统，初步确定和设计出适合钻井动力用的天然气机根本配置及型式。2正文2.1柴油机井队应用现状大局

3、部井队配置3台柴油机，驱动2台泥浆泵、一台发电机、转盘和压缩机，适合于三开;钻井作业。12V190柴油机配置现在多采用2台1000kW加上1台882kW，认为阶梯型功率配置节能。1500r/min的柴油机实际使用转速空车时在1350r/min，带载后的转速在12501300r/min。作业中突加负荷转速最低一般降到1130r/min，最大转速下降量为160r/min。据考察，柴油机运行点常在外特性线上。负荷突增幅度最大的工况为提钻，此时柴油机不带注水泵，只带电机，柴油机从200kW突加450kW,到达了650kW。在竖井架和撤井架时用单台柴油机工作在1000r/min。因此，通过对钻井时柴油机

4、应用现状的了解，针对12V190天然气机进行了模拟试验。2.212V190天然气机有关参数和配置表1发动机有关技术参数和配置 型号 T12V190Z D 型式 四冲程、V形、增压中冷 气缸数 12 气缸直径，mm 190 活塞行程，mm 210 总排量，L 71.45 活塞平均速度，m/s 7 活塞压缩比 起动方式 24V直流电机起动或气马达起动 点火方式 火花塞电点火 点火次序 1-8-5-10-3-7-6-11-2-9-4-12 点火系统 Altronic CD200的数字点火系统 燃气控制系统 EGS控制系统 2.3试验过程1不同转速情况下，机组所能到达的最高功率，以及在最高功率时对应的

5、增压器转速和缸排温。备注：图中数据为机组试车中调整后的性能参数。试验过程中，转速1150r/min-1450r/min时，最低功率650kW,最高功率750kW，各工况功率的提升主要受增压器喘振影响，增压器喘振时转速范围470005000r/min左右，最高功率时增压器压比在1.8-2.0。1200r/min-1450r/min点火提前角为42度，1150r/min点火提前角降为38度，主要因为1200r/min1450r/min时，排温较高以控制排温为主，而1150r/min时缸温较高，因此减小点火提前角，以控制缸温为主。2相同扭矩4350N.m情况下，缸排温随转速变化的各工况情况。从特征曲

6、线2中可以看出，随转速的提高排温逐渐升高，缸温1150r/min至1200r/min呈下降趋势，然后趋于稳定，在1400r/min工况缸排温都明显下降，主要是因为此时功率到达750kw，节气门开度增大，缸内稀薄燃烧。在1450r/min工况，缸排温明显上升。3各工况过量空气系数及节气门开度情况试验过程中，机组转速由1450r/min逐渐降低到1150r/min运行。1450r/min时节气门开度为18，过量空气系数为1.59，但在1400r/min时出现变化，节气门开度为20，过量空气系数为1.57，节气门开度增大而过量空气系数减小，主要是因为在1400r/min时发现16缸缸温低做功差便将左

7、混合器空燃比调大，混合气浓度加大造成的；1350r/min时过量空气系数为1.57不变，而节气门开度减小到17，主要是因为此时受增压器影响功率只加载到680kw，相比1400r/min750kw时降低70kw,节气门开度便减小；1300r/min、1250r/min、1200r/min这三个工况运行稳定，节气门均为20，过量空气系数1.55，功率720kw；1150r/min节气门开度不变20，功率为750kw，此时燃烧更加充分，因此过量空气系数增大为1.57。执行器开度范围在650，现场试验中正常运行时执行器开度最大只能到达20，节气门只翻开1/2开度；过量空气系数在1.55-1.59，再降

8、低混合气浓度，发动机运行不稳定，瞬时转速波动大，在现有的负载特性下转速容易跌到1150r/min附近。4改良后的钻井动力用12V190天然气机通过模拟比照试验，对配钻井动力用天然气机进行了改良和优化，型式如图4。图4改良后的钻井动力用12V190天然气机改良后的钻井动力用12V190天然气机，不仅在机械配置方面进一步优化，而且采用AltronicCD200的数字点火系和EGS燃气控制系统，提高响应速度和现场适应性。1试验中，转速范围1150r/min-1450r/min，机组宽转速负载工作运行在高功率时，增压器工作在喘振区，限制了机组加载功率，但各工况运行最高功率均能到达650kW以上，可以满

9、足井队现场的动力应用；2试验过程中，节气门开度一直保持在最大开度的二分之一左右，但突加负载转速下降时节气门却能够翻开到最大开度，运行中节气门开度翻开不够理想可能与混合气浓度有关，因此，钻井动力用天然气机燃气控制系统必须实时响应快，空燃比调节精确；3点火提前角不变的情况下，随着转速的提高，天然气机的排温不断升高，排温过高会使机组的气阀、缸盖以及增压器的使用寿命大大降低，影响整机的稳定性和可靠性，因此钻井动力用天然气机需优化配置，降低排温，如采取加大凸轮轴气门重叠角、使用预燃室火花塞等措施；4随着工况的变化，缸排温也不断变化，因此实际应用中采用数字点火系统，进行单缸温度调整和突加负荷后的整体点火滞

10、后调节，防止爆震情况发生以及由于单缸缸排温异常而影响整机性能；5通过模拟试验和现场情况比照，调速系统需能够对负荷突增做出快速响应，瞬时转速下降率不超过15%，转速调节范围应覆盖10001400r/min；6由于天然气热值高，活塞压缩比选用范围最正确在89:1，同时，根据模拟比照试验凸轮轴气门重叠角范围4050，增压器匹配要选用其高效率区间转速范围在4000050000r/min的型号；7根据现场应用情况，钻井动力用天然气机要采用气动预供油系统和气启动系统。3总结本文通过对12V190天燃气机的模拟比照试验，分析研究了天然气机做动力应用钻井的现状以及对燃气控制系统、调速系统等配置的要求，并根据模拟试验改良和优化了T12V190天然气机，确定了活塞压缩比、凸轮轴气门重叠角、增压器转速等最正确范围，为钻井动力用天然气机的研究、优化及应用推广提供了依据，奠定了根底。参考文献1 郭宝玉. 遥远井开采的地面配套工程技术. 油气田地面工程, 2004, (05)2 王忠诗. 12V190ZDT-2型天然气发动机的增