氣體鉆井模擬裝置帶壓容器的改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)

王鶴

（大慶油田裝備制造集團(tuán) 容器制造分公司，黑龍江 大慶163400）

0 引言

大慶油田徐深區(qū)塊、鶯深區(qū)塊等深部地層蘊(yùn)含豐富的天然氣資源，是大慶油田天然氣的主力產(chǎn)區(qū)。為了提高天然氣的勘探開發(fā)效率，從2005年開始應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)，總體效果較好，但在鉆遇水層后容易發(fā)生鉆頭泥包和卡鉆等事故。為了解決這一難題，設(shè)計(jì)組裝了一套小型氣體鉆井?dāng)y巖攜水模擬裝置，雖然能夠部分滿足氣體鉆井工藝模擬需求，但是裝置是由鋼材和鐵皮制成，遇水易腐蝕，導(dǎo)致零部件更換頻繁，鋼材的不透明性也給試驗(yàn)操作帶來很大難度和安全隱患。因此，通過開展儲罐材質(zhì)優(yōu)選、安裝泄壓裝置和可視化技術(shù)研究，最終組裝成一套改進(jìn)型的氣體鉆井模擬裝置，既節(jié)約了制作原材料的成本，還實(shí)現(xiàn)了裝置的可視化，降低了操作中的安全風(fēng)險(xiǎn)，使整體運(yùn)行時(shí)間大幅度縮短，節(jié)約了電力消耗成本，為氣體鉆井工藝技術(shù)研究提供了可靠的評價(jià)方法。

1 原模擬裝置構(gòu)成與功能介紹

1.1 模擬裝置構(gòu)成

如圖1所示，原氣體鉆井?dāng)y巖攜水模擬裝置的主體部分為一個(gè)封閉的帶頂蓋的中空鋼筒（壁厚以滿足承壓為準(zhǔn)，且直徑固定），中間固定著一根用以模擬鉆頭和鉆具的空心鋼管，該鋼管可在馬達(dá)的帶動(dòng)下以一定速度旋轉(zhuǎn)；鋼管的進(jìn)氣口與一臺空氣壓縮機(jī)連接，主體部分上部有一開口為排氣端，與排氣管線連接；在進(jìn)氣管線中部、主體鋼筒的中部和底部各有一個(gè)開口，均通過管線與一個(gè)鐵皮制成的箱體相連，3個(gè)箱體分別用于存放SAP（吸水樹脂，用于吸附地層出水、保持巖屑干燥）、水和巖屑粉（井底巖屑磨成的粉末）。

1.2 模擬裝置功能介紹

氣體鉆井?dāng)y巖攜水模擬裝置實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后，在氣體壓力作用下，盛有SAP的箱體會(huì)隨著氣流通過進(jìn)氣管線進(jìn)入到主體鋼筒底部，與高壓氣源帶入的巖屑粉和水混合，然后在氣體壓力作用下通過排氣口和排氣管線進(jìn)入到回收箱。通過該實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：1）模擬在地層不同出水量條件下的巖屑黏結(jié)情況；2）模擬不同出水量情況下要使巖屑不發(fā)生黏結(jié)所需的SAP添加量；3）通過觀察回收箱中巖屑的黏結(jié)情況，可以確定各種工況條件下的氣體鉆井工藝參數(shù)。

2 原模擬裝置缺點(diǎn)分析與改進(jìn)思路研究

2.1 缺點(diǎn)分析

在試驗(yàn)初期，氣體鉆井?dāng)y巖攜水裝置能夠滿足試驗(yàn)需求，但隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增多和研究深入，發(fā)現(xiàn)裝置存在以下幾個(gè)需要改進(jìn)和優(yōu)化的地方：1）主體鋼筒和盛放物料的罐體材質(zhì)不耐腐蝕。在使用一段時(shí)間后鋼筒和箱體內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重，有大量鐵銹生成，箱體有的部位甚至因腐蝕而發(fā)生穿孔，箱體內(nèi)部的物料在高壓氣源作用下發(fā)生泄漏，致使實(shí)驗(yàn)場所被巖屑粉或水污染，甚至?xí)斐扇松韨Α?）主體鋼筒不透明。無法在模擬裝置運(yùn)行的過程中觀察到鋼筒內(nèi)部巖屑的黏結(jié)情況，只能在試驗(yàn)結(jié)束后打開回收箱才能觀察到，或者在試驗(yàn)運(yùn)行一段時(shí)間后，關(guān)掉電源打開主體鋼筒上部頂蓋進(jìn)行觀察。這樣會(huì)大量增加試驗(yàn)工作量和運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)裝置重新啟動(dòng)后要等鋼筒內(nèi)部壓力上升到一定值后才能添加物料，勢必會(huì)延長空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，造成能耗增加。3）盛放物料的罐體不透明，無法隨時(shí)觀察物料的消耗情況，只能通過回收箱中混合物料的狀態(tài)進(jìn)行判斷，這給試驗(yàn)操作帶來很多不便，還增加較多額外工作量。

2.2 裝置改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為了解決原模擬裝置存在的缺點(diǎn)，經(jīng)過對石油石化行業(yè)相關(guān)設(shè)備的調(diào)研，結(jié)合空氣壓縮機(jī)排量和模擬裝置內(nèi)部壓力等重要參數(shù)，形成以下裝置改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)思路[1]：1）防腐蝕解決方案。方案一選用不銹鋼材質(zhì)替換主體鋼筒和3個(gè)儲料罐，雖然能解決主體部件的腐蝕問題，但制作成本較高；方案二選用有機(jī)玻璃作為主體鋼筒和儲料罐的制作材料，能解決鋼材的腐蝕問題。2）可視化解決方案。方案一是在主體鋼筒和儲料罐的側(cè)面開窗，縱向安裝5 cm寬、與主體等高的玻璃或有機(jī)玻璃，這種方法能部分解決可視化的問題，但對開窗施工和銜接部位的密封要求較高；方案二主體鋼筒和儲料罐全部采用有機(jī)玻璃進(jìn)行制作。3）安全保障措施。綜合考慮防腐蝕和可視化解決方案，選用有機(jī)玻璃制作主體鋼筒和儲料罐能很好地解決防腐和可視化的技術(shù)難題，但有機(jī)玻璃的承壓能力比金屬低。因此，必須對有機(jī)玻璃的壁厚方面進(jìn)行測試，保證其能承受裝置中最大壓力。同時(shí)，在主體鋼筒和儲料罐的頂部安裝泄壓閥。

3 裝置的改進(jìn)與優(yōu)化研究

通過對原模擬裝置缺點(diǎn)的分析和優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，確定了使用有機(jī)玻璃替代鋼材的方案，但需要對有機(jī)玻璃的厚度和強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行確定，并對泄壓裝置進(jìn)行優(yōu)選。

有機(jī)玻璃是一種化學(xué)名稱為聚甲基丙烯酸甲酯的高分子透明材料，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的高分子化合物，具有質(zhì)量輕、力學(xué)強(qiáng)度高、高度透明和易于加工的特點(diǎn)，抗拉伸和抗沖擊能力比普通玻璃高7～18倍，在商業(yè)、輕工、建筑、化工等方面都具有重要作用[2]。

3.1 有機(jī)玻璃相關(guān)參數(shù)確定

通過對原模擬裝置運(yùn)行過程中主體鋼筒內(nèi)部和儲料罐中的壓力進(jìn)行測試后得知，主體鋼筒內(nèi)部的氣體壓力為0.6～0.8 MPa，儲料罐中的壓力為0.3～0.4 MPa。

3.1.1 模擬主筒

根據(jù)表1有機(jī)玻璃筒技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)，結(jié)合主體有機(jī)玻璃筒的內(nèi)徑（200 mm）和高度（3000 mm），以及有機(jī)玻璃的成本（厚度越大，制作成本越高），選定主體模擬筒的厚度為20 mm。按照規(guī)格制作好主筒后，采用空氣壓縮機(jī)對主筒充氣進(jìn)行抗壓能力測試，當(dāng)壓力達(dá)到1 MPa時(shí)，有機(jī)玻璃主筒沒有發(fā)生任何形變、破裂和穿孔現(xiàn)象[3]。

3.1.2 儲料罐

模擬裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)儲料罐中的最大氣壓為0.4 MPa，結(jié)合儲料罐的內(nèi)徑（150 mm）和高度（300 mm），根據(jù)表1所示的有機(jī)玻璃筒技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)，并考慮制作成本，確定制作儲料罐的有機(jī)玻璃厚度為10 mm。抗壓測試結(jié)果顯示，當(dāng)儲料罐中氣體壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)，有機(jī)玻璃沒有發(fā)生任何形變、破裂等現(xiàn)象。

表1 有機(jī)玻璃筒技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)

3.2 可視化技術(shù)研究

因?yàn)檫x用有機(jī)玻璃替代原主體鋼筒的金屬制作材料，可以實(shí)現(xiàn)全方位、無死角地觀察到主筒內(nèi)部模擬鉆具的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，還能觀察到巖屑與水混合后在模擬鉆具上的黏附情況；儲料罐采用有機(jī)玻璃制作后，也能隨時(shí)觀測到罐中水、巖屑、SAP的消耗情況，然后根據(jù)消耗情況決定物料的添加時(shí)機(jī)。既減少了不必要的工作量，也降低了裝置拆卸過程中的危險(xiǎn)系數(shù)。

3.3 安全保障措施研究

雖然有機(jī)玻璃主筒和有機(jī)玻璃儲料罐能夠承受住最高壓力，但為了提高整體裝置的安全性，采用在有機(jī)玻璃筒外安裝加固裝置和泄壓閥的方式，以降低突然憋壓造成的壓力過載。

3.3.1 外部加固裝置

經(jīng)過調(diào)研和比對，最終形成圖2所示的加固方案：1）在有機(jī)玻璃筒外表面沿垂直方向橫向相隔200 mm的距離等間距安裝10 mm寬、0.5 mm厚的不銹鋼條，不銹鋼條的兩端均打孔，可以通過螺栓和螺帽進(jìn)行松緊調(diào)試和加固；2）在橫向不銹鋼條的外部，在有機(jī)玻璃筒的四周縱向均勻安裝4根10 mm寬、0.5 mm厚的不銹鋼條；3）通過點(diǎn)焊對橫向、縱向不銹鋼條的交叉處進(jìn)行焊接，既能防止不銹鋼條松動(dòng)和脫落，又能保證有機(jī)玻璃筒向外的作用力能夠均勻地分布在不銹鋼片組成的保護(hù)網(wǎng)上[4]。

圖2 有機(jī)玻璃筒加固裝置示意圖

3.3.2 自動(dòng)排氣裝置

為進(jìn)一步提高有機(jī)玻璃主筒和有機(jī)玻璃儲料罐的安全性，預(yù)防因管線堵塞造成憋壓，超過有機(jī)玻璃的承壓上限發(fā)生主筒和罐體的破裂等現(xiàn)象，分別在主筒和儲料罐的頂部安裝一個(gè)自動(dòng)排氣閥。有機(jī)玻璃主筒上排氣閥選擇壓力閾值為1.2 MPa，儲料罐上的排氣閥壓力閾值為0.8 MPa。當(dāng)管線堵塞，裝置中壓力超過有機(jī)玻璃承載壓力時(shí)，排氣閥自動(dòng)打開進(jìn)行排氣泄壓，壓力降至安全壓力后，自動(dòng)關(guān)閉。

同時(shí)，為了防止主筒和儲料罐內(nèi)部的物料隨著泄壓氣體排出罐體污染試驗(yàn)場所，在排氣閥進(jìn)氣端安裝一個(gè)半圓形的過濾篩網(wǎng)，凸起部分朝外進(jìn)行焊接。篩網(wǎng)孔徑為325目，小于儲料罐中物料的最小尺寸；選擇半圓形的篩網(wǎng)可以防止物料在表面堆積并堵塞進(jìn)氣口。

4 新裝置優(yōu)點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 新模擬裝置優(yōu)點(diǎn)

在對原裝置進(jìn)行一系列改進(jìn)與優(yōu)化后，形成一套全新的攜巖攜水模擬裝置。完成改進(jìn)與組裝后，對裝置進(jìn)行了試運(yùn)行，很好地解決了以前存在的一系列問題，與原裝置相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）模擬裝置易腐蝕問題得到解決。選用有機(jī)玻璃作為主體鋼筒和儲料罐的制作材料，具有高度耐酸堿特性，不易腐蝕，即使在進(jìn)行高濃度鹽水環(huán)境中也沒有發(fā)生任何腐蝕現(xiàn)象。2）實(shí)現(xiàn)了模擬裝置的可視化。主體鋼筒和儲料罐全部采用有機(jī)玻璃制作，能夠觀察到主筒內(nèi)儀器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和模擬鉆具表面巖屑的黏附情況；儲料罐中的物料消耗情況也能夠隨時(shí)進(jìn)行觀測，解決了原來停止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、打開箱體進(jìn)行觀測的難題[5]。3）裝置安全系數(shù)更高。為保證有機(jī)玻璃主筒和儲料罐的安全性，采取了加厚、外部加固和安裝自動(dòng)排氣閥等技術(shù)措施，使主筒和儲料罐的承壓能力大幅度提高，即使發(fā)生管線堵塞，也不會(huì)發(fā)生憋壓引起的一系列安全事故[6]。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

1）節(jié)省成本費(fèi)用。原模擬裝置的主體鋼筒是采用內(nèi)徑為200 mm、外徑為220 mm、長為3000 mm的無縫鋼管，焊接和制作成本為2000 元；儲料罐采用內(nèi)徑150 mm，外徑180 mm的無縫鋼管進(jìn)行密封焊接制作而成，制作成本為800 元/個(gè)。所以原模擬裝置總體成本費(fèi)用為2000+800×3=4400 元。有機(jī)玻璃主筒成本為600 元，3個(gè)有機(jī)玻璃儲料罐成本為650 元。所以節(jié)約制作成本費(fèi)用為4400-（600+650）=3150 元。

2）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)能耗費(fèi)用。為模擬裝置提供氣源的空氣壓縮機(jī)功率為7.5 kW。與原裝置相比，新模擬裝置每次模擬試驗(yàn)?zāi)軠p少運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間40 min，相當(dāng)于節(jié)約5 kW·h電能消耗，按照商業(yè)用電1.2 元/（kW·h）計(jì)算，每次試驗(yàn)節(jié)約電費(fèi)6 元。裝置每天運(yùn)轉(zhuǎn)2次，一月運(yùn)轉(zhuǎn)20 d，每年節(jié)省電費(fèi)為6×2×20×12=2880元。

3）設(shè)備更換費(fèi)用。原裝置每年會(huì)因主體鋼筒和儲料罐的腐蝕問題更換一次，每次增加制作成本4400 元。

所以，改進(jìn)后的攜巖攜水模擬裝置，每年節(jié)約綜合成本為3150+2880+4400=10430 元。新裝置自改進(jìn)后已經(jīng)運(yùn)行11 a，累計(jì)節(jié)約成本114 730 萬元，目前還在為氣體鉆井研究發(fā)揮著重要作用，繼續(xù)為大慶油田“降本增效、提質(zhì)提效”發(fā)揮著重要作用。

5 結(jié)論

1）在對原氣體鉆井?dāng)y巖攜水模擬裝置存在問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定了更換制作原材料、實(shí)現(xiàn)裝置可視化、提高裝置安全性等優(yōu)化措施。2）改進(jìn)與優(yōu)化后的新裝置不僅具有耐腐蝕、透明可視化、安全系數(shù)高的特點(diǎn)，還降低了零部件的更換頻率，節(jié)約了運(yùn)行成本和電力消耗成本。3）對模擬裝置的改進(jìn)與優(yōu)化研究表明，改進(jìn)后的氣體鉆井模擬裝置為氣體鉆井工藝技術(shù)研究提供了可靠的評價(jià)方法，也對石油石化行業(yè)其他模擬評價(jià)裝置的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。