1、:./.全液压驱动泡沫排液车设计马太清蒋 锐刘有平侯勇俊孟 军徐睿晗杜玥林(.四川宝石机械专用车有限公司四川 广汉 .西南石油大学 机电工程学院四川 成都.中石油川庆钻探工程公司设备处四川 成都 .西南油气田分公司川东北气矿四川 达州)摘 要:为实现泡排车在施工过程中对泡沫助排剂压力和流量的智能控制并改变传统的“带传动手动变速箱”的机械传动方式在泵注过程中存在的传动部件易损坏和可靠性不高的现象设计了一种全液压驱动泡沫排液车 该设计中车载柴油机通过变速箱的取力装置直接驱动变量泵然后通过液压驱动定量马达旋转驱动注液泵运行同时采用电液比例控制和 技术对注液泵输出流量和输出压力进行控制 通过 井次泡沫
2、排水采气作业的实际应用表明该全液压驱动泡沫排液车作业效率高、能耗显著减小、运行成本低、噪音小、操作轻便关键词:泡沫排液车作业系统全液压驱动 自动控制中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):“”.:引 言在油气开发过程中低产量产水井的占比越来越多 由于该类型的油气井携液能力差常出现气井井筒积液和油套压差大等现象因而对气井正常的生产作业有较大影响 泡沫排水采气作为开发产水气田的一项重要措施其主要原理是从井口向井底注入某种能够遇水起泡的表面活性剂:泡沫助排剂待井底积水与泡沫助排剂接触以后借助天然气流的搅动生成大量低密度含水泡沫并随气流从井底飘到地面使井筒积液排出实现了维持气井稳产的目的常用的泡
3、沫助排剂分为液体和固体两类液体起泡剂主要采用车载注液泵井口加注或站内管线加注、平衡罐加注的方法固体起泡剂主要采用人工井口投放或自动井口投放的方法 车载注液泵井口加注即采用泡排车井口加注此方式机动灵活井场无需配置其它固定设备能够充分发挥泵注设备的利用率 操作人员可在间隙生产或间隙加注起泡剂特别适用于无动力电源的产水气井使用 目前排液车注液泵的驱动方式主要采用从主车取力的“带传动手动变速箱”机械传动方式在传递较大的扭矩时轴及轴承上受力很大容易引起轴的变形而导致产品不能正常运行此外此传动方式自动化程度低现场操作繁琐 粟超等提出了一种汽油发电机驱动注液泵的泡排车此方式虽然避机械研究与应用 年第 期(第
4、 卷总第 期)设计与开发收稿日期:基金项目:中国石油天然气集团公司重大科技项目:型电驱压裂撬与柴油驱动压裂机组在线监控系统的集成及现场试验(编号:)作者简介:马太清()女四川开江人高级工程师主要从事油气田固压装备方面的研制工作免了从主车取力但需配置车载发电机且对注液泵的流量和压力控制仍不方便 笔者针对现有机械传动和电驱动泡沫排液车的上述不足提出了利用车载发动机的全液压驱动泡沫排液车通过采用电液比例控制和 技术、以及 控制方法解决了液压驱动系统性能匹配、控制系统设计等关键技术实现了注液泵压力和流量的自动控制 所开发的全液压驱动泡沫排液车的应用对提高油气开发效率、降低开发成本有较为显著的价值 整车
5、布置与主要性能参数液压驱动泡沫排液车采用 越野特种工程车底盘车身为非承载式箱形结构分为驾驶乘座室和设备工作室驾驶乘座室与设备工作室由隔墙分开隔墙右侧设一单开门便于人员通过和工具传递隔墙上部设一推拉式钢化玻璃的后视观察窗观察窗下边离地板高度与前仓控制台上端齐平方便观察工作室内设备运行情况后围中部设置双开门尾部设置有一翻转式踏板为方便现场作业及设备维护该门上部为钢化玻璃确保后视时的良好的视线其右侧门下部设一翻转式小门能向车后方翻转 打开密封性能良好关闭时可上锁驾驶乘座室布置有 个乘座椅、个操作椅和 个控制台行走主车取力系统布置在右前侧的厢体下部液压系统、泵注系统、助排剂添加系统均布置在设备工作室内
6、其整车布置结构简图如图 所示图 整车布置结构简图.底盘车.变速箱取力系统.液压系统.控制系统.泵注系统.助排剂添加系统 该车主要性能参数有:注液泵排量范围为./压力范围为.液压系统额定工作压力为 作业工艺原理与系统主要构成全液压驱动泡沫排液车施工作业的工艺原理为:车载柴油机的输出动力通过变速箱的取力装置驱动变量泵变量泵输出的高压油通过液压管线驱动定量马达旋转从而驱动注液泵注液泵将存储在泡排剂箱中的泡排剂吸入并加压后通过高压管汇、井口装置注入井筒 泡排剂到达井下与水和天然气混合产生大量稳定的含水气泡(即泡沫)泡沫密度低、摩阻小、很容易返回井口泡沫返回井口时井下的积水被携带到地面泡沫返回地面以后通
7、过消泡处理从而实现排水采气的目的全液压驱动泡沫排液车作业系统主要由行走主车取力系统、液压系统、注液系统、助排剂添加系统、控制系统等组成如图 所示 作业时发动机、液压系统、助排剂添加系统的参数控制均集中于控制台由一人操作控制系统自动化程度高操作方便可靠图 作业系统主要组成.行走主车取力系统全液压驱动泡沫排液车在驱动注液泵工作时要求具有较大的功率储备在连续转速区间都应该满足注液泵的动力需求 因此需选取一款速比性能优良的取力器充分发挥发动机的动力特性保证发动机功率、转速与它所驱动的注液泵要求的功率、转速相适应同时使它在燃油经济性较高的区域工作 取力系统主要性能参数如表 所列取力器选用与汽车底盘变速器
8、匹配的型号为/取力器速比为.输出最大扭矩为 输出旋向与发动机输出旋向相反远程气控操纵表 主车取力系统主要性能参数发动机转速/(/)转矩/()输出功率/取力器速比发动机的燃油经济性 ./.泵注系统泵注系统主要由注液泵、吸入管线、高压排出及泄压管汇组成 泵注介质主要为泡排药剂 根据作业要求药剂可加水兑成一定比例的溶液 工作时胶管与进液管汇连接当吸液管路中的球阀打开后溶液即可进入注液泵 注液泵的高压输出端装有设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用压力传感器、安全阀、压力表及单向阀以观察和控制输出压力输出口由车配高压软管与作业井口或容器连通 高压管路系统设泄压装置在拆卸高压软管时防止管内
9、残液带压外泄(喷溅)同时安全阀装旁通管线用于将液体排出车外.液压系统设计液压马达的工作压力跟负载有关流量与排量和转速有关 选择的马达其额定压力应大于或等于工作压力所选注液泵输入轴扭为 输入转速为 /液压系统压力初步设定为 核准液压马达排量的计算公式为:()()()式中:为马达输出轴转矩为马达额定输出压力为马达排量/为液压系统流量/为马达转速大小为注液泵的输入转速/为变量泵转速大小为取力器输出转速/为变量泵排量/为马达的容积效率取 为变量泵的容积效率取 由式()计算得马达排量 /初选马达的排量为./马达旋向为顺时针由式()可得液压系统流量./变量泵转速/./由式()可得变量泵排量 /液压系统由一
10、台负载敏感泵为马达提供动力经过比例换向阀控制马达的转速(调速范围 /)以达到控制水泵的输出流量的目的泵驱动液压系统原理图如图 所示图 泵驱动液压系统原理图.柱塞泵.高压过滤器.比例换向阀.溢流阀.溢流阀.马达.回油过滤器.温度传感器.空滤器.加热器.冷却器 马达进油口装有溢流阀液压系统额定压力设为 以达到控制注液泵的最高输出压力的目的马达进油口还装有单向阀以防止马达由外力引起的反转 油箱上配有温度传感器、空滤器、液位计、加热器等辅件系统设计有冷却器通过温度传感器的反馈信号实现自动加热或冷却.助排剂添加系统助排剂添加系统由吸入管汇、泡排剂箱、流量计、过滤器球阀液位计及远程显示系统等组成主要计量溶
11、剂的泵注量同时吸收高压管汇卸压后残流的液体 通过低压管汇的流量计与溶剂箱的液位计形成自主添加系统供给注液泵低压管汇可实现组分不同的泡排药剂计量、添加以及连续泵注作业.控制系统控制系统分为四部分:主车发动机转速控制闭式液压系统压力、排量的控制液压油温的监测泵注系统压力、排量控制以及超压保护的监控电源、照明系统控制 基本框架如图 所示图 控制系统基本框架 关键技术.液压系统性能匹配研究液压系统与底盘取力系统匹配性能研究是全液压驱动排液车的关键技术之一 一台性能优越的排液车各子系统之间动态匹配要合理 液压系统性能匹配主要包含液压系统与底盘取力系统之间的匹配液压系统与执行机构之间的匹配以及各系统内部元
12、器件的匹配底盘取力系统液压泵匹配技术是指当排液车工作时液压系统主泵根据负载的变化调节自身向系统输出的流量使排液车正常工作而发动机则根据负载变化需求调节自身功率输出使之与液压泵功率需求相匹配以期实现功率最大效率的使用液压系统负载匹配技术是指排液车工作过程中液压系统能根据不同工作状态向变量柱塞、定量马达等提供相应所需的液压油使得液压系统压力能与负载相适应实现不同工况、不同负载时系统压力与负载压力实时匹配使得排液车能高效节能地完成工作由于液压系统内部压力冲击的出现使得大量油机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发液在液压系统中溢流阀减压保护元件处溢流回到油箱溢流时会产生大量的热能造成能量
13、损失同时因溢流引起的高温会降低液压油的使用寿命损害密封圈等元件的作用效果和使用寿命 通过优化液压系统内部各元器件及各子系统之间的匹配控制特性能有效降低系统内部油液压力的冲击与波动减少系统溢流等这对于实现排液车性能优化、提高使用寿命起到了很大的作用同时对提高排液车的操作性能包括可靠性、操作舒适性、微调特性等都有很高的研究价值和意义.控制系统设计一台性能优越的全液压驱动泡沫排液车通过先进的控制系统以及控制策略可实现动力系统与负载的最佳匹配有助于提高液压系统利用率延长元器件的使用寿命降低维修及保养成本 依据控制系统设计原则结合现场情况对系统可行性和系统整体架构进行分析和设计 通过对现场设备和工艺流程
14、的考察在排液车工作过程中从动力由汽车变速箱侧经取力器引出通过液压传动机构传至变速箱变速后再传给注液泵从而驱动注液泵工作整个工作流程逻辑性比较分明且车辆各设备都处于一个主线上不需要进行设备的分散控制 另外从控制系统的规模来看排液车自动控制系统属于中小型控制系统应尽量节约生产成本但由于仪器仪表较多需要控制的数字量和模拟量信号较多 综合以上选择 控制系统作为排液车的主控系统根据工艺要求将注液泵排量作为被控参数 注液泵设定排量后通过 控制器控制发动机的转速然后通过 算法控制变量泵的开度最后得到注液泵的排量再反馈到 控制器与设定排量进行比较这样就形成了一个闭环自动控制系统 控制系统框图如图 所示图 控制
15、系统框图 控制系统性能可靠能在恶劣的环境下稳定工作 其操作流程简单软硬件编程易学易懂 此外 还能与主车控制总线、上位组态软件等快速结合降低开发难度并缩短开发周期 现场应用情况设计的全液压驱动泡沫排液车先后在西南油气田蜀南气矿七里 井、长庆靖边 井、中石化华北局 等进行了泡沫排水采气作业共计施工作业 井次最高泵注压力 常用泵注压力 最大排量./从作业情况看整车配套完整布局较为合理监控系统较为完善整车监控系统可实时监测发动机的水温、油压、转速液压系统油温、油压注液泵的泵注压力、排量等多项施工参数性能良好 从施工性能指标来看该车的压力、排量、功率等性能指标和监控参数基本能满足泡沫排水采气作业现场使用
16、要求 整车配重合理外形尺寸、轴重及总重均未超限符合标准 和 的上路行驶要求能适应高速公路、山地丘陵井场道路等运输条件 根据使用反馈情况需进一步优化整车布局方便维护与检修还需在山区复杂的油田路况下进行测试以验证底盘性能 结 语与传统的“带传动台上变速箱”传动方式的排液车相比全液压排液车具有以下优点:作业效率提高 设备运营成本降低 以上允许马达和液压泵保持一定距离减少空间上的限制运行过程中实现大范围的无级调速且调速性能不受功率大小的限制实现了集中控制和自动控制设备工作室与设备操作室分开改善了操作的工作环境液压传动实现了无间隙传动具有传动平稳操作省力噪声小等优点参考文献:乐 宏唐建荣葛有琰等.排水采
17、气工艺技术.北京:石油工业出版社.梅宗清梅宗斌杨文武等.大容量气井泡排棒自动投放装置及其应用.钻采工艺():.李 辰付钢旦刘双全等.泡排剂自动加注技术研究与应用.北京:油气田勘探与开发国际会议.马海宾冯朋鑫王宪文等.平衡罐自动加注泡排剂工艺研究与应用.天然气勘探与开发():.田 伟贾友亮陈德见等.气井泡排棒自动投放装置研制及应用.石油矿场机械():.宋汉华宋 劼刘丹丹等.一种远程自动投放球形泡排药剂装置的研制及应用.石油钻采工艺():.王小东段宝玉吴 郁等.远程控制自动投棒系统的研制及应用.石油钻采工艺():.李世伦.天然气工程.北京:石油工业出版社.粟 超文 涛谢军.一种泡沫排水采气工艺专用车:中国.张利平.液压泵及液压马达原理、使用与维护.北京:化学工业出版社.黄志坚.数字与智能液压元件及应用.北京:化学工业出版社.王广雄何联.控制系统设计.北京:清华大学出版社.机动车运行安全技术条件.道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值.设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用