石油鉆機供氣系統(tǒng)分析計算及選型配置

蔣合艷，郭軍光，郭小艷，許永雷，周小峰

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞 721002）

1 引言

石油鉆機供氣系統(tǒng)是油田鉆機配套使用的輔助設備。主要由空氣壓縮機、干燥機、儲氣罐、過濾器、管線等組成，可輸出無油、無水、無塵的潔凈的壓縮空氣，滿足石油鉆機設備的用氣需求。

石油鉆機壓縮空氣主要用于啟動柴油機、控制用氣、驅(qū)動風動工具等。因每臺石油鉆機配套的氣動設備不同，使用工況不同，所需的壓縮空氣流量就會有差異；以往石油鉆機上配套的供氣系統(tǒng)均憑經(jīng)驗選取，當壓縮機流量選取保守時，可能會出現(xiàn)用氣量不足的問題，一方面影響鉆井效率；另一方面影響離合器類保壓設備的傳遞力矩，存在安全隱患，當壓縮機流量選取過于充裕時，會增加成本。因此分析各用氣設備的使用工況，合理的選擇供氣設備顯得十分必要。

2 最大用氣工況分析及最大耗氣量的確定

ZJ70DB型常規(guī)陸地鉆機配套的氣動設備主要包括柴油機、風動旋扣器、風動絞車、各離合器和控制閥件用氣，而對供氣系統(tǒng)壓縮機選型有影響的主要為耗氣量大，用氣時間長的設備。根據(jù)鉆井氣動設備工作情況，氣量需求最大和工作時間最長的工況主要存在于用5T風動絞車接鉆桿工況。5T風動絞車接鉆桿和提升鉆桿工況分析如表1所示，由表1可知，耗氣量最大的工況是表1中“1”至“5”連續(xù)工作的工況，后續(xù)計算的耗氣量以“1”至“5”的平均耗氣量計算，為14 m3/min，最長連續(xù)用氣時間為“1”至“5”步的時間總和，為5.84 min。表1中數(shù)值根據(jù)70DB型鉆機配套設備的設計參數(shù)計算得出。

因石油鉆機各用氣設備之間的氣量、工作氣壓和工作時間周期差異較大，為了提高壓縮機的使用壽命和合理的利用能源，一般供氣系統(tǒng)至少會配置2臺壓縮機，各壓縮機之間通過壓力梯度來實現(xiàn)順序控制，同時，壓縮機的加載和卸載壓力均可根據(jù)用氣情況自行設定。

3 供氣系統(tǒng)選型計算

3.1 干燥機形式的確定

因常規(guī)陸地鉆機要求滿足的環(huán)境溫度多數(shù)都是-20～-50 ℃，又因微熱再生式干燥機壓力露點能達到零下-20～-70 ℃和微熱再生式干燥機自身再生耗氣量小于無熱再生式干燥機，所以，本文按微熱再生式干燥機選型計算。

3.2 壓縮機額定流量選型計算公式的確定

為了降低進入干燥機的壓縮空氣的溫度，減少干燥機的負荷和減少大用氣設備用氣時造成管道壓力波動，所以，干燥機與壓縮機之間和大用氣設備附近均會設置緩沖罐；因石油鉆機用氣設備工作相對頻繁，氣罐及管道氣體隨溫度變化相對較小，下文計算中不考慮溫度影響。根據(jù)能量守恒定律，在設備一個工作周期內(nèi)，壓縮機、儲氣罐和設備耗氣量之間的關系可表示為

式中Q總壓——壓縮機總的排氣量（m3/min）

V總罐——供氣系統(tǒng)所配氣罐總?cè)莘e（m3）

Q耗——單位時間內(nèi)最大用氣設備的最大耗氣量（m3/min），Q耗=14 m3/min

Q總耗——單位時間內(nèi)用氣設備的總耗氣量（m3/min）

p1——氣罐初始壓力（bar），等于壓縮機所設定的最高卸載壓力

p2——氣罐允許的最低工作壓力（bar），根據(jù)5T風動絞車廠家推薦，此處取0.5 MPa

?——空氣干燥機的再生耗氣量，參考文獻[1]，按10%計算

β——為壓縮機打風量公差允許，按5%計算

t——最大用氣工況的連續(xù)使用時間（min），t=5.84 min

k1——漏損系數(shù)，k1=1.15～1.5，參考文獻[1]，取1.2

k2——備用系數(shù)，k2=1.3～1.6，因此處以最大平均耗氣量計算的，計算時取小值，取1.3

k3——利用系數(shù)，參考文獻[2]，取0.7

結(jié)合壓縮機在油田現(xiàn)場實際工作工況，假設第一臺空壓機在t1時間后投入使用，第二臺空壓機在t2時間投入使用，第n臺空壓機在tn時間投入使用，則

表1 5T風動絞車接鉆桿工況分析表

假設連續(xù)用氣總時間為設定t，則第一臺空壓機提供的空氣量為

第二臺空壓機提供的空氣量為

......

第n臺空壓機提供的空氣量為

由（1）（2）（9）得

式中Q壓——所需壓縮機的排氣量（m3/min）

p1啟——第一臺壓縮機的設定啟動壓力（bar）

p2啟——第二臺壓縮機的設定啟動壓力（bar）

pn啟——第n臺壓縮機的設定啟動壓力（bar）

t0——壓縮機的啟動響應時間，由壓縮機廠家推薦，取0.25（min）

其中，p1啟＞p2啟＞......＞pn啟，上述式（10）中未定義符號與上述式（1）相同。

3.2 儲氣罐容積和壓縮機額定流量的確定

為了降低進入干燥機的壓縮空氣的溫度，減小干燥機的負荷，壓縮機之后干燥機之前會設置一個儲氣罐；同時，為了避免因鉆臺大用氣設備用氣導致供氣管路的壓力波動，影響控制用氣的穩(wěn)定，集中用氣處的鉆臺底座內(nèi)會設置另一個儲氣罐?？紤]安裝因素，依據(jù)以往經(jīng)驗，房體內(nèi)的儲氣罐容積一般為1～4 m3，儲氣罐數(shù)量一般為1～2臺，鉆臺底座儲氣罐總?cè)莘e一般為6 m3，供氣系統(tǒng)所配氣罐總?cè)莘e為7～10 m3。

因壓縮機的價格相對儲氣罐較貴，所以起初盡量選小壓縮機臺數(shù)，選大儲氣罐容積，假設上式（10）中n為2，V總罐為10 m3，因用氣設備的最高工作壓力為8 bar，參考文獻[6]，壓縮機的額定壓力選定為10 bar，假設第一臺壓縮機的啟動壓力為9 bar，第二臺壓縮機的啟動壓力為8bar，第一臺壓縮機的卸載壓力為10 bar，將上述假設值代入公式（10），可得Q壓≥5.2（m3/min），根據(jù)壽力樣本，Q壓流量圓整為5.6 m3/min。然后，參考文獻[6]，確定安裝于壓縮機后的儲氣罐（濕罐）的容積，即

V1——房內(nèi)所配濕罐容積（m3）

安裝在房內(nèi)的儲氣罐總?cè)莘e

式中V房總——房內(nèi)所配氣罐總?cè)莘e（m3）

V底——鉆臺底座所配氣罐總?cè)莘e（m3）

因氣源房高度和寬度尺寸常為3 m，無足夠空間安裝4 m3氣罐，同時，為了減少制造成本，在滿足式（11）中的條件時，房內(nèi)一般設置2個容積相同的罐，即

式中V1——房內(nèi)所配濕罐容積（m3）

V2——房內(nèi)所配干罐容積（m3）

一個裝于壓縮機之后，降低進入干燥機的壓縮空氣的溫度，減少干燥機的負荷并儲存氣體，當濕罐使用，一個安裝于干燥機之后，儲存氣體當干罐使用。

同時，公式（10）中的儲氣罐總?cè)莘e、壓縮機加卸載壓力的設置值，可兼顧經(jīng)濟因素和安裝因素兩個方面，根據(jù)實際所需來靈活的配置。

3.3 干燥機壓力露點、實際處理量及數(shù)量的確定

因常規(guī)陸地鉆機要求滿足的環(huán)境溫度多數(shù)為-20～-50 ℃，并結(jié)合參考文獻[3]、[4]可知，干燥機的壓力露點選定為-40 ℃。

干燥機實際處理量，結(jié)合壓縮機流量并根據(jù)廠家樣本選取，干燥機數(shù)量需結(jié)合用氣設備實際用氣情況確定，因微熱再生式干燥機干燥再生的工作周期長，當最大用氣量只是短時連續(xù)用氣，且連續(xù)用氣時間遠小于干燥機的工作周期時，壓縮機的使用可考慮為一備一用的情況，干燥機的處理量滿足處理一臺壓縮機的排氣量即可，當最大用氣量連續(xù)用氣時間接近于或大于干燥機的工作周期時，干燥機的處理量需與壓縮機的實際流量對應。

3.4 過濾器數(shù)量及實際處理量的確定

石油鉆機配套的風動工具用氣品質(zhì)較低，儀表用氣品質(zhì)較高，應按照較高的標準選擇壓縮空氣的凈化設備。參考文獻[4]、[5]可知，干燥機前需設置一個預過濾器和除油過濾器，干燥機之后需設置一個除塵過濾器，過濾器的處理量結(jié)合壓縮機流量并根據(jù)廠家樣本選取。

3.5 供氣系統(tǒng)管徑確定

參考文獻[2]、[8]可推導出供氣系統(tǒng)管徑計算公式如下

式中Q——壓縮機排出的容積流量或氣動設備耗氣量（ANR，m3/min）

V——壓縮氣體在管道內(nèi)的推薦流速，取8～15m/s

p——壓縮氣體在管道內(nèi)的壓力，bar

Pa——標準大氣壓（bar），Pa=1bar

D——管路公稱通徑，mm

經(jīng)計算得：D=55 mm，參照管線規(guī)格，圓整為65 mm。

3.6 管路壓降的確定

由圖1計算管路壓降，具體過程為已知管長，管徑，空氣流量，工作壓力，由已知參數(shù)，先在“管道直徑的列線圖”中的A、B、D、E直線中找到與實際對應的A1、B1、D1、E1等各點，其次，連接A1點與B1點并延長與C直線交于C1點，其次，連接C1點與D1點并延長與直線F交于F1點，然后，連接E1點與F1點并延長與G直線交于G1點，G1點對應的值即為管道的壓力降，由圖3可知，管道壓力降為0.0085 MPa。

整個鉆機供氣系統(tǒng)的壓力降為

式中p干——氣體流經(jīng)干燥機的壓力降，制造廠家推薦取0.02 MPa

p過——氣體流經(jīng)過濾器的壓力降總和，參考文獻，取0.073 MPa

p管——壓縮氣體在管道內(nèi)的壓力

p輔——管接頭等氣路輔件的總壓降，一般值很少，計算時，可忽略

參考文獻[8]，并結(jié)合鉆機壓縮機最大排氣壓力（1.0 MPa）和常規(guī)陸地鉆機配套氣動設備的最大工作氣壓（0.8 MPa），管道壓力降為0.11 MPa，滿足使用要求。

圖1 管道直徑的列線圖

4 結(jié)論

本文通過分析石油鉆機最大耗氣量使用工況，結(jié)合參考文獻及以往設計經(jīng)驗，推導出壓縮機流量選型計算公式，確定了常規(guī)石油鉆機配套壓縮機的流量及數(shù)量、明確了干燥過濾凈化方案，并計算出配套管道管徑及壓降，為后續(xù)供氣系統(tǒng)設計提供參考。