新型液氮泵设备的研制与应用

新型液氮泵设备的研制与应用

基于低氮密度、稳定好、易压缩的特点，它在钻井、固井、射孔、混合气候裂隙、混合气候酸化、井井等方面发挥着广泛的作用。近几年来,国内油田开发有了新的发展和变化,一方面是天然气和煤层气井的氮气作业工作量大幅度增加,对施工的排量和压力提出更大更高的要求,工艺的变化对施工设备提出了更精确和更安全的要求。另一方面,早期引进的热回收式液氮泵车一般排量较小、操作控制系统技术落后,已不能适应大排量氮气作业的要求。而直燃式液氮蒸发技术近年来获得了很大发展,尤其在安全性、可靠性和工作效能等方面采用了新的技术。油气井作业采用的大排量液氮蒸发装置中大多数为直燃式。目前各油田使用的液氮设备主要依靠进口,价格昂贵、配件供应和服务维修不及时。为此,四机赛瓦石油钻采设备有限公司(SJS)研制开发了适用于国内油田的自动化程度高、可与压裂机组配套的大排量直燃式液氮泵车。1液氮泵车工作原理该液氮泵车主要由牵引卡车、动力系统、增压离心泵、高压三缸柱塞泵、直燃式液氮蒸发系统、液氮储罐和控制系统等几部分组成,能够独立进行液氮储运、泵注及转换工作。如图1所示。液氮泵车工作原理为:液氮从储罐流经各阀体、过滤器进入液氮泵,增压后排出低温高压液氮,经过直燃式蒸发器吸收热量转化为常温高压氮气后用于施工。该设备采用发动机带传动箱直接驱动液氮泵,低压灌注离心泵、蒸发器风扇、液氮泵润滑等由液压泵提供动力,工作稳定可靠。其中直燃式蒸发器的工作原理为:柴油被增压后喷进燃烧室并充分雾化,经过辅助燃烧系统点燃已雾化的柴油,燃烧的火焰对高压盘管进行加热,盘管里的液氮吸收热量后变成常温氮气。可根据排出温度自动调节蒸发器火力,保持排出氮气温度稳定。2主要技术和特点1系统运行工况整车尺寸:12m×2.5m×4m;底盘:北奔底盘8×4;车台发动机:卡特C18;变速箱:艾利逊6610M;蒸发器蒸发能力:800KSCFH/15000PSI;系统最大工作压力:15000psi(103.4MPa);最大施工排量:600KSCFH(283m3/min);排出温度:10～40℃;液氮储罐容积:有效容积7m3。2液氮泵及直燃式蒸发器①具有结构更合理、性能更优越、排量更大、操作更方便等优点。②结构紧凑,安全装置可靠,运移性好,且能单独作业而不需要另配辅助设备。③液氮储罐保温结构采用双层高真空多层缠绕绝热的形式,使保温性能和使用寿命得到可靠保证。④采用发动机通过变速箱直接驱动三缸液氮泵,动力输出性能更好;变速箱为高压液氮泵在不同速度下的运行提供保证。⑤增压离心泵将液氮压力增加到80～120psi,以确保输出到液氮泵的供液吸入端的压力为正压;防止液氮气化,使液氮泵运行更平稳。⑥液氮泵冷端泵腔采用夹层结构,使高压活塞环泄露少量液氮进入夹层,然后返回储罐或排空,从而为泵腔保冷;同时也改善了高压活塞环的条件,使外密封仅在低压下工作。⑦配备1台高效直燃式蒸发器,采用先进的仪器和控制系统,用以确保设备的安全可靠性和操作的简单性。⑧最高工作压力为103.4MPa,可与大部分型号的压裂机组匹配,共同作业。3关键设备的安装3.1研制nba100型液氮泵,特点资高压液氮泵和蒸发器是液氮设备上最核心的部件,目前国内还没有厂家可以生产,完全依赖于进口。SJS公司将利用多年生产高压三缸泵的经验和技术积累,自主研发NPA1000型液氮泵。具有如下特点:①额定连续负荷为1000HP。泵的工作负荷限度与设计负荷限度相比,具有50%安全系数。②曲轴箱内部曲轴负荷平衡机构。使泵运转更加平稳,延长泵的寿命,并消除其他有关组件的振动负荷。③选用低摩擦滚柱轴承。其机械性能比市场上供应的其它液氮泵的轴承的性能更好。④齿轮减速箱直接安装在泵上,这使得发动机能以最佳速度运行,同时操作人员能全程控制泵的速度。3.2燃烧自动传感及燃烧系统蒸发器为直燃式,以柴油为燃料。直燃式蒸发器的安全性和可靠性一直是用户关心的问题,SJS公司将改进和优化直燃式蒸发器,提高蒸发器的安全性和自动化控制程度,使其具有如下功能:①采用双点火系统,如果一个点火系统发生故障,另一个系统可保证正常工作,减少停机时间。②燃烧室配置燃烧火焰感应装置,一旦工作中燃烧室火焰意外熄灭,将自动停止喷油,从而防止未燃烧柴油滞留在燃烧室内,再点火时发生爆炸;同时控制台显示火焰感应信号并能及时报警。③8个燃烧喷嘴系统提供很宽的温度范围,这使操作人员容易选择蒸发液氮所需的温度范围,也可以通过调节燃油压力更准确地调节温度范围。④风扇速度调节系统允许供应准确的空气流量使燃烧器高效燃烧,该系统保证使供给喷嘴的所有燃油完全彻底燃烧。⑤专门设计的燃烧室内筒和燃油板允许高能风扇给的一定量空气从燃烧室内筒与外筒之间流过并进入蒸发器,与燃烧产生的气体混合而将火焰熄灭,然后进入蒸发器内的液氮管束室;该空气冷却系统对于确保燃油彻底燃烧,避免烧坏液氮管束,保障蒸发器工作安全是必不可少的。4监控器1控制系统设计液氮泵车控制系统主要由发动机控制系统、传动箱控制系统、增压泵控制系统、液氮泵控制系统、报警系统、数据采集系统、蒸发器风扇控制系统、蒸发器温度手自动控制系统、照明系统和传感器系统组成。可实现设备的启动、排空、灌注、加热、排量和档位控制、温度控制、远程流程控制,数据显示和采集。控制系统采用模块化设计,其主要功能如下:①远程流程控制。②施工压力和温度预制。③超压和低温保护。④蒸发器手/自动温度控制:手/自动双系统相互备用,可靠性更高,自动控制根据排出口温度的反馈,自动调节蒸发器火力,保持排出氮气温度稳定。⑤报警系统:显示发动机、传动箱、液氮泵、灌注泵、蒸发器、液压系统和液氮车大气含氧量的报警。⑥数据采集接口:配置RS232通讯采集和原始信号数据采集接口,可采集施工压力、排出流量和温度。2安全、远程控制①控制台按功能模块化设计,控制逻辑清晰。②集中控制:显示、操作机构布置在控制台附近,方便一个人操作控制。③远程流程控制:液氮泵车属于低温高压型设备,其安全性尤为重要,流程控制可有效避免高压、低温引起的人身安全和设备损坏隐患。④网络兼容性:可通过E-NET接入压裂设备或固井设备网内,依据作业的特殊工艺要求,实现多台设备间的协同工作。5试验数据分析设备试验主要包括功能试验和性能试验。前者查看设备是否各部件都能正常工作,后者用来查看设备是否能达到设计的性能要求。通过厂内针阀调节排出口压力和调节发动机转速及变速箱档位,进行试验,得到表1所示数据。试验数据表明设备作业能达到设计要求。试验过程中发动机、传动箱、