KY100/30Q大流量鉆井用空壓機(jī)組的研制

黃小兵 明章杰

(1.攀枝花學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川攀枝花 617000;2.四川宏華石油設(shè)備有限公司成都研發(fā)部，成都 610036)

氣體鉆井具有鉆速快、鉆井周期短、有效保護(hù)和發(fā)現(xiàn)油氣層、克服井漏、防止水敏性泥頁(yè)巖坍塌、延長(zhǎng)鉆頭使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，為裂縫性、低壓油氣藏勘探開(kāi)發(fā)提供了重要的技術(shù)手段，在國(guó)內(nèi)有著較大的需求和廣闊的發(fā)展空間［1－4］。

空壓機(jī)是氣體鉆井的核心設(shè)備，螺桿式空氣壓縮機(jī)是氣體鉆井作業(yè)應(yīng)用最多的一種，主要采用柴油機(jī)作為動(dòng)力源，單臺(tái)空壓機(jī)的產(chǎn)氣量小，氣體鉆井中需配置多臺(tái)，且主要依賴進(jìn)口。因此，設(shè)備成本高、體積大及售后服務(wù)不及時(shí)等問(wèn)題在一定程度上制約著我國(guó)氣體鉆井技術(shù)的發(fā)展。

1 國(guó)內(nèi)氣體鉆井用空壓機(jī)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)氣體鉆井用空壓機(jī)主要從美國(guó)阿特拉斯·科普柯(Atlas Copco)公司和壽力公司(SULLAIR CORPORATION)引進(jìn)，總量超過(guò)500臺(tái)，這些空壓機(jī)輸出壓力在2～3 MPa，排量為25～40 m3/min。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)氣體鉆井專用空氣壓縮機(jī)的廠家主要有天津凱德實(shí)業(yè)有限公司和成都天然氣壓縮機(jī)廠，天津凱德實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的空氣壓縮機(jī)主要由美國(guó)壽力1500/350雙級(jí)螺桿空壓機(jī)、Caterpillar 3412E柴油發(fā)動(dòng)機(jī)撬裝而成，成都天然氣壓縮機(jī)廠生產(chǎn)的空氣壓縮機(jī)主要由阿特拉斯·科普柯Xrv12空壓機(jī)、Caterpillar C15柴油發(fā)動(dòng)機(jī)撬裝而成。目前，浙江開(kāi)山壓縮機(jī)股份有限公司已開(kāi)發(fā)出可用于氣體鉆井的高壓大流量螺桿壓縮機(jī)。Atlas Copco大型空壓機(jī)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 Atlas Copco大型空壓機(jī)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

在氣體鉆井中，需要的氣體注入量一般在100～200 m3/min，甚至更高，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)直接提供這種大流量的氣體鉆井專用的空氣壓縮機(jī)裝置。通常的做法是:采用4～10臺(tái)螺桿空氣壓縮機(jī)并聯(lián)工作，以達(dá)到氣體鉆井對(duì)氣體流量的要求。因此，氣體鉆井中使用的氣體設(shè)備數(shù)量多、移運(yùn)難度大、設(shè)備占地面積大，導(dǎo)致氣體鉆井成本高。開(kāi)發(fā)大流量空壓機(jī)不僅可減少空壓設(shè)備數(shù)量和占用井場(chǎng)的面積，還可減小設(shè)備移運(yùn)難度、降低氣體鉆井作業(yè)成本。

2 總體方案及技術(shù)參數(shù)

2.1 總體方案

KY100/30Q大流量鉆井用空壓機(jī)組采用變頻電機(jī)取代柴油機(jī)作為螺桿空氣壓縮機(jī)的動(dòng)力，由于電機(jī)的噪聲小、振動(dòng)小、重量輕，也就省去了柴油機(jī)的隔聲罩、消聲器、油箱及冷卻等裝置，從而簡(jiǎn)化整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)，減小整個(gè)裝置的振動(dòng)、重量及噪聲，采用變頻電機(jī)也使整個(gè)裝置的壓縮空氣流量容易實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)，更好滿足氣體鉆井的工藝要求。同時(shí)，利用模塊化的設(shè)計(jì)思想，把3臺(tái)螺桿空氣壓縮機(jī)并行集中撬裝成一臺(tái)空壓機(jī)組(圖1)，以提高單臺(tái)空壓機(jī)組的產(chǎn)氣量，減少氣體鉆井中使用空壓機(jī)組的數(shù)量，減少氣體設(shè)備的占地面積。

圖1 KY100/30Q大流量鉆井用空壓機(jī)組方案

2.2 技術(shù)參數(shù)

KY100/30Q大流量鉆井用空壓機(jī)組的技術(shù)參數(shù)為:

(1)額定流量:106.2 m3/min;

(2)額定壓力:3.0 MPa;

(3)額定功率:1400 kW;

(4)驅(qū)動(dòng)方式:變頻電動(dòng);

(5)外觀尺寸:小于或等于8.5 m×2.8 m×3.0 m。

KY100/30Q大流量鉆井用空壓機(jī)組在配合電動(dòng)鉆機(jī)實(shí)施氣體鉆井作業(yè)時(shí)，只需配置2臺(tái)(凈占地面積約50 m2)就可滿足注氣量要求。

3 關(guān)鍵零部件

(1)螺桿機(jī)頭

KY100/30Q大流量鉆井用空壓機(jī)組選用ATLAS ORX 12螺桿機(jī)頭，其工作特性曲線見(jiàn)圖2。

圖2 ORX 12螺桿機(jī)頭工作特性曲線

(2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

KY100/30Q大流量鉆井用空壓機(jī)組采用3臺(tái)變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)分別作為3臺(tái)螺桿機(jī)頭的動(dòng)力，各驅(qū)動(dòng)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。電機(jī)自帶冷卻風(fēng)機(jī)，強(qiáng)迫風(fēng)冷，絕緣等級(jí):H級(jí);工作制:S1;防護(hù)等級(jí):IP44(主體)、IP55(接線盒);絕緣等級(jí):H。適應(yīng)氣體鉆井作業(yè)工況及環(huán)境，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作特性曲線見(jiàn)圖3。

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作特性曲線

采用變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)可以配合泥漿泵的變頻控制器對(duì)其中任一臺(tái)電機(jī)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿機(jī)頭產(chǎn)氣量的調(diào)節(jié)，以更好地滿足氣體鉆井工藝對(duì)注氣量的要求。

(3)控制柜

KY100/30Q大流量鉆井用空壓機(jī)組控制柜采用RS－485通訊接口，可集成，可靠性高，性價(jià)比高，采用LCD中英文顯示，對(duì)電機(jī)具有短路、堵轉(zhuǎn)、缺相、過(guò)載、不平衡等全方位保護(hù)功能，可對(duì)電機(jī)進(jìn)行起停和運(yùn)行控制，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行防逆轉(zhuǎn)保護(hù)，對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行檢測(cè)與控制保護(hù)，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷率控制壓力平衡，同時(shí)具有遠(yuǎn)程/機(jī)旁選擇控制以及聯(lián)動(dòng)/獨(dú)立選擇運(yùn)行。

(4)噪聲控制及其他

為了有效控制KY100/30Q大流量鉆井用空壓機(jī)組的噪聲，撬座四周設(shè)計(jì)了隔聲門板及頂部隔聲棚，門板加裝密封條，罩內(nèi)做吸聲處理并有較牢固的護(hù)面層。盡量減少管道彎頭，管道之間光滑過(guò)渡，彎頭半徑盡量取大值。在空冷器風(fēng)機(jī)入口端設(shè)計(jì)有一定形狀的整流罩，并適當(dāng)增加風(fēng)機(jī)葉輪與冷卻器的軸向間距。此外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與螺桿機(jī)頭采用法蘭聯(lián)結(jié)，確保軸向?qū)χ屑皞鬟f扭矩以降低對(duì)撬座加工精度的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

KY100/30Q大流量鉆井用空壓機(jī)組把3臺(tái)螺桿空氣壓縮機(jī)集中撬裝成一個(gè)整體，3臺(tái)變頻電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，獨(dú)立控制，具有產(chǎn)氣量大、流量精確可調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行噪聲小等特點(diǎn)，可減少氣體鉆井中使用氣體設(shè)備的數(shù)量，減少設(shè)備的占地面積，降低設(shè)備的運(yùn)移難度，降低氣體鉆井成本。

［1］黃小兵，熊建新.氣體鉆井鉆具沖蝕磨損試驗(yàn)裝置［J］.石油機(jī)械，2008，36(9):1-3.

［2］黃小兵，陳次昌.LK30/2.5QZ氣體鉆井用空壓裝置噪聲控制［J］.石油鉆探技術(shù)，2008，36(5):37-39.

［3］竇金永，韓玉安.國(guó)內(nèi)氣體鉆井設(shè)備現(xiàn)狀［J］.西部探礦工程，2010(12):15-24.

［4］李軍，柳貢慧.氣體循環(huán)鉆井工藝系統(tǒng)研究［J］.鉆采工藝，2010，33(3):48-50.