高壓大排量洗井車(chē)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

趙 勇，周 瑞，李樹(shù)平，張 振

（1.渤海裝備鋼管銷(xiāo)售公司，河北滄州 062650；2.南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210032；3.華油鋼管有限公司，河北滄州 062650；4.渤海裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北任丘 062550）

0 引言

目前，各油田注水作業(yè)較多，現(xiàn)有注水井洗井車(chē)普遍存在洗井液處理不理想、洗井時(shí)間長(zhǎng)、添加藥劑污染地層土壤等缺點(diǎn)。因此，在進(jìn)行了大量的用戶走訪及市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，于2019年開(kāi)始進(jìn)行高壓大排量洗井車(chē)的研制。希望研制出一種氣候適用性強(qiáng)，集油田注水井洗井、污水凈化處理回注、污油回收于一體的環(huán)保作業(yè)車(chē)，可以實(shí)現(xiàn)帶壓循環(huán)封閉保護(hù)性無(wú)損洗井，并具備自動(dòng)控制和在線自清洗功能，以提高洗井作業(yè)的自動(dòng)化和智能化技術(shù)水平，并完成該項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用。

1 簡(jiǎn)介

為了摒除現(xiàn)有注水井洗井車(chē)洗井液凈化效果不理想、洗井循環(huán)復(fù)雜、洗井時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)和不足，利用設(shè)計(jì)制造油田專(zhuān)用車(chē)多年的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)油田專(zhuān)用車(chē)行業(yè)的了解，以及先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要運(yùn)用CAXA 三維設(shè)計(jì)軟件及ANSYS 有限元分析軟件對(duì)各主要零部件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的高壓大排量洗井車(chē)，是車(chē)載式油田注水井循環(huán)清洗回注的環(huán)保水處理設(shè)備，具有帶壓循環(huán)洗井、在線反沖洗功能，操作方便，性能優(yōu)越。該車(chē)型采用氣浮斜板除油技術(shù)、快速過(guò)濾器、旋流除砂技術(shù)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、井口返出高壓液減壓系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制、安全防護(hù)技術(shù)、在線反沖洗能力以及反沖洗液體回收工藝、PLC 控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制特性、大洗井壓力和洗井流量的工藝，可將洗井液中的泥沙、污油、鐵銹和水四相直接分離，分離出泥沙、含油污水、銹蝕物及其他污染物，再將經(jīng)過(guò)處理的液體重新注入水井中，再次進(jìn)行密閉洗井作業(yè)。

2 主要研究?jī)?nèi)容

2.1 氣浮斜板除油技術(shù)

氣浮斜板除油技術(shù)是通過(guò)在氣浮沉降箱底部安裝EDUR氣液多相泵，該多相泵制造出氣泡并吸入大量空氣。多相泵向氣浮沉降箱內(nèi)部注入氣液，氣液與洗井過(guò)程中的液體完全混合，期間油水雜質(zhì)附著在氣液中的氣泡上，并上浮至表層，再通過(guò)鏈條式斜板刮油裝置將上浮至表層的污油、懸浮污染物收集至污油回收箱，同時(shí)將處理后的清水通過(guò)管網(wǎng)注入清潔水箱。氣浮在油田水處理工藝中，在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先于其他處理工藝，除油和懸浮物的效果比較明顯，除油率可達(dá)95%以上，從而降低了后續(xù)過(guò)濾器的工作負(fù)荷。

2.2 快速過(guò)濾器技術(shù)及旋流除砂技術(shù)

快速過(guò)濾器技術(shù)及旋流除砂技術(shù)研究中使用的過(guò)濾系統(tǒng)采用3 個(gè)纖維球過(guò)濾罐，經(jīng)氣浮沉降箱處理過(guò)的洗井液同時(shí)進(jìn)入3 個(gè)過(guò)濾罐，過(guò)濾面積大，可實(shí)現(xiàn)快速過(guò)濾，且3 個(gè)過(guò)濾單元，任何一處反沖洗時(shí)，另外兩處可正常工作。過(guò)濾系統(tǒng)采用改性纖維球、核桃殼作為過(guò)濾材料，過(guò)濾材料可與污油水快速結(jié)合，在反沖洗時(shí)也可快速分離，系統(tǒng)采用氣動(dòng)機(jī)械對(duì)改性纖維球收壓、疏松，氣動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。

研發(fā)新型旋流除砂系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩級(jí)旋流除砂系統(tǒng)，最大處理流量36 m3/h,其中首級(jí)除砂系統(tǒng)采用大流量旋流除砂器，經(jīng)過(guò)處理的液體經(jīng)過(guò)首級(jí)除砂器的出口進(jìn)入次級(jí)旋流除砂系統(tǒng)，次級(jí)除砂系統(tǒng)采用2 個(gè)小流量旋流除砂器，次級(jí)除砂系統(tǒng)可出去經(jīng)過(guò)首級(jí)除砂系統(tǒng)處理后液體中的微小顆粒物,每個(gè)旋流器最大流量18 m3/h，用于去除液體中殘余的較小的泥砂，除砂率99.8%。

2.3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制特性研究中，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，由底盤(pán)液泵取力器帶動(dòng)齒輪泵，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)鏈輪控制刮板及攪拌機(jī)構(gòu)工作，攪拌機(jī)構(gòu)對(duì)濾料進(jìn)行反洗再生。該系統(tǒng)通過(guò)節(jié)流閥控制刮板的的運(yùn)動(dòng)速度，使運(yùn)動(dòng)速度與分離出來(lái)的浮渣量相匹配，可以有效防止浮渣分離不徹底的現(xiàn)象發(fā)生。

2.4 井口返出高壓液減壓系統(tǒng)控制技術(shù)

井口返出高壓液減壓系統(tǒng)控制技術(shù)以及安全防護(hù)技術(shù)的研究中，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。在減壓系統(tǒng)設(shè)置兩套減壓閥，可對(duì)返水進(jìn)行減壓處理，使返水壓力滿足本車(chē)要求。無(wú)需洗井前提前停注。人員操作全部集中于低壓區(qū)工作，且?guī)нh(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，極大提高了安全防護(hù)系數(shù)。

2.5 在線反沖洗能力以及反沖洗液體回收工藝

在線反沖洗能力以及反沖洗液體回收工藝的研究中，用壓差控制器及PLC 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制反沖洗過(guò)程。

傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用全功率取力器，通過(guò)全功率取力器可使行走與作業(yè)轉(zhuǎn)換通過(guò)駕駛室的三通氣開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

PLC 控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用的電氣系統(tǒng)為過(guò)濾器PLC 控制系統(tǒng)、二次儀表顯示、三缸泵輸出壓力傳輸顯示裝置、入口壓力、減壓后壓力傳輸顯示裝置、入口和出口流量顯示裝置、照明系統(tǒng)的用電，并且能夠?qū)崿F(xiàn)超壓自動(dòng)熄火。在過(guò)濾器PLC 控制系統(tǒng)中進(jìn)、出水壓力達(dá)到某一個(gè)差值時(shí)，壓差開(kāi)關(guān)給PLC 一個(gè)信號(hào)，PLC執(zhí)行反沖洗程序，反沖洗過(guò)程實(shí)現(xiàn)一個(gè)過(guò)濾罐反沖洗，另外兩個(gè)過(guò)濾罐可正常工作的功能。選用西門(mén)子S7-300 中型PLC 作為核心控制元件。該P(yáng)LC 處理模塊響應(yīng)速度為0.01～0.05 μs，控制對(duì)象點(diǎn)數(shù)最大可在256～1024 點(diǎn)，且S7-300 為模塊化設(shè)計(jì)，上述特點(diǎn)可充分保證它在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)快速操作反應(yīng)。

2.6 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制特性設(shè)計(jì)

氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制特性設(shè)計(jì)，采用氣壓機(jī)構(gòu)來(lái)控制纖維濾料的壓縮和疏松，以達(dá)到高精度的過(guò)濾和良好的反沖效果。由于纖維濾料采用機(jī)械壓實(shí)，所以不存在反沖洗后初期過(guò)濾精度降低的問(wèn)題。反沖洗過(guò)程中，利用氣動(dòng)控制閥和壓力差來(lái)控制出水和反沖水的分配，以達(dá)到不需反沖水池和反沖水泵的在線自我反沖洗目的。利用氣動(dòng)原理，管線閥門(mén)操作均采用氣動(dòng)元件完成，極大提高了操作性。

2.7 提高適應(yīng)氣候能力的工藝性研究

提高適應(yīng)氣候能力的工藝性研究，針對(duì)國(guó)內(nèi)低溫情況，將輸油管外加保溫罩，并且通過(guò)設(shè)置盤(pán)管，盤(pán)管中通過(guò)冷卻水，將底盤(pán)車(chē)的尾氣對(duì)盤(pán)管進(jìn)行加熱，再將加熱后的水對(duì)輸油管進(jìn)行加熱，避免冬季污油凍結(jié)容易堵塞管道。

3 取得的主要成果

完成了一臺(tái)適用于油田注水井洗井的集水處理和洗井作業(yè)于一體的車(chē)載設(shè)備系統(tǒng)樣車(chē)研制及其操作系統(tǒng)研發(fā)。實(shí)現(xiàn)了高壓大排量注水洗井的使用要求，該車(chē)完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，具有帶壓循環(huán)洗井、在線反沖洗功能，操作方便，性能優(yōu)越。具有可靠性、先進(jìn)性、實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)。該車(chē)配備了旋流除砂器、磁過(guò)濾器、氣浮沉降箱和快速過(guò)濾器，可以有效去除洗井液中的泥砂、鐵銹、污油、懸浮物及其他污染物，將泥砂、鐵銹、污油和水四相直接分離。該車(chē)采用氣浮沉降箱去除油污，超越了國(guó)內(nèi)外其他同類(lèi)產(chǎn)品的除油系統(tǒng)，同類(lèi)產(chǎn)品的除油系統(tǒng)通過(guò)油珠的刮碰聚集進(jìn)行污油收集，除油效果不太理想；氣浮沉降箱通過(guò)溶氣泵使油污快速上浮，并利用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈?zhǔn)焦伟逑到y(tǒng)強(qiáng)力去除污油的，相比其他同類(lèi)產(chǎn)品靠污油的自我聚結(jié)能力去除油污效果更好。該產(chǎn)品的過(guò)濾系統(tǒng)采用3 個(gè)纖維球過(guò)濾器組成的快速過(guò)濾器，比其他同類(lèi)產(chǎn)品的核桃殼與纖維球過(guò)濾器結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，過(guò)濾速度更快，簡(jiǎn)化了洗井流程，比其他同類(lèi)產(chǎn)品縮短洗井時(shí)間2 h。同時(shí)，該產(chǎn)品相比其他同類(lèi)產(chǎn)品擁有了在線反沖洗功能，同時(shí)洗井時(shí)不需加藥劑，避免對(duì)地層土壤造成污染，屬于保護(hù)性無(wú)損洗井。通過(guò)對(duì)華北油田西柳10-109 井洗井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)對(duì)回水和注水取樣對(duì)比，明顯看出取樣所含油污和雜質(zhì)逐漸減少，經(jīng)纖維球過(guò)濾器過(guò)濾后的水樣已經(jīng)非常清澈，洗井效果顯著。

4 結(jié)論

該項(xiàng)目自2019年5月生產(chǎn)出第一臺(tái)樣機(jī)以來(lái)，先后多次在華北油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況及洗井效果受到使用單位的一致好評(píng)。通過(guò)洗井作業(yè)，使注水井套管內(nèi)的腐蝕物、雜質(zhì)等臟物被沖洗出來(lái)，避免注水井及油層被臟物堵塞，使注水作業(yè)能夠順利進(jìn)行，維持底層壓力，提高油井產(chǎn)量，為用戶增加經(jīng)濟(jì)效益。目前各油田洗井作業(yè)項(xiàng)目很多，對(duì)該型車(chē)配套需求增加，有巨大的市場(chǎng)空間。