新型鉆井氣動(dòng) 高壓充氣裝置研發(fā)成功
時(shí)間：2017-10-11 09:51
來源：
作者:陳大偉 趙華
石油鉆井泵是鉆井循環(huán)系統(tǒng)的心臟，鉆井泵通過空氣包來吸收和釋放鉆井液的能量，減小泵的排量和壓力波動(dòng)，提高鉆井泵及鉆井工作的可靠性?？諝獍某錃鈮毫统錃饬恐苯佑绊懣諝獍淖饔眯Ч?，必須經(jīng)常對其壓力進(jìn)行檢查，壓力降低需要及時(shí)補(bǔ)充壓力。針對原來在用空氣包高壓充氣機(jī)存在的問題，研制新型鉆井用氣動(dòng)高壓充氣裝置，取得了很好的應(yīng)用效果。
新型鉆井用氣動(dòng)高壓充氣裝置
目 前， 鉆 井 隊(duì) 在 用 空 氣 包 高壓充氣機(jī)為立式、水冷、三級級差式、 電 動(dòng) 充 氣 機(jī)， 圖 1 為 現(xiàn) 用 的Z-0.27/150 型空氣包電動(dòng)高壓充氣機(jī)實(shí)物圖?，F(xiàn)用鉆井泵空氣包電動(dòng)高壓充氣機(jī)在安全角度、成本因素、操作要求、使用約束四方面存在問題，且受使用約束，即空壓機(jī)使用環(huán)境溫度要低于 40℃，高于 -20℃；不能在粉塵污染的環(huán)境使用；不能在靠近易燃易爆區(qū)域使用；機(jī)器安裝與地面傾斜角不得超過 5° ；對環(huán)境要求較高，井場環(huán)境惡劣對其使用壽命影響很大。綜上，研制一種安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、易于維修、性價(jià)比高的充氣裝置代替原電動(dòng)高壓充氣機(jī)是十分必要，且具有實(shí)用意義。
研發(fā)新型充氣裝置
主要針對井隊(duì)在用的空氣包電動(dòng)高壓充氣機(jī)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維修、重量大、運(yùn)移不便、購置維護(hù)成本高等諸多弊端，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、攜帶方便、成本低廉、使用安全的高壓充氣裝置代替現(xiàn)有的電動(dòng)高壓充氣機(jī)。通過對鉆井現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行分析：空氣包氣囊充氣壓力為 3~4MPa，最高不超過 4.5Mpa，不屬于超高壓范圍，用普通的空氣壓縮機(jī)就能實(shí)現(xiàn)此壓力輸出；鉆井隊(duì)現(xiàn)場均配有兩臺(tái)（一臺(tái)自動(dòng)壓風(fēng)機(jī)一臺(tái)電動(dòng)壓風(fēng)機(jī)）或兩臺(tái)以上（一臺(tái)自動(dòng)壓風(fēng)機(jī)多臺(tái)電動(dòng)壓風(fēng)機(jī)）大型空氣壓縮機(jī)，單臺(tái)壓風(fēng)機(jī)排氣量在每分鐘6 立 方 以 上， 排 氣 壓 力 0.8MPa,供氣量遠(yuǎn)大于鉆井現(xiàn)場的實(shí)際用氣量；機(jī)房、鉆臺(tái)氣路鋪設(shè)廣泛，井場用氣十分便利，無需重復(fù)投資帶動(dòng)壓縮機(jī)工作的原動(dòng)機(jī)部分（如柴油 機(jī) 或 電 動(dòng) 機(jī)）， 只 需 要 將 現(xiàn) 場0.8MPa 的壓縮氣體進(jìn)行增壓即可滿足鉆井泵空氣包氣囊 4MPa 壓力的充氣要求；鉆井現(xiàn)場所用氣源已經(jīng)過干燥處理，無需在裝置中進(jìn)行二次干燥。所以完全可以利用鉆井現(xiàn)場自有的壓縮空氣做為驅(qū)動(dòng)氣源和增壓氣源，設(shè)計(jì)一種大面積往復(fù)運(yùn)動(dòng)活塞利用壓縮沖程將低壓氣轉(zhuǎn)變?yōu)轭~定壓力的高壓氣流的增壓裝置，取代現(xiàn)有的 Z-0.27/150 型電動(dòng)充氣機(jī)，實(shí)現(xiàn)降本增效的目標(biāo)。
新裝置工作原理設(shè)計(jì)
確定了新型空氣包充氣裝置采用鉆井現(xiàn)場自有的壓縮空氣做為驅(qū)動(dòng)氣源和增壓氣源，設(shè)計(jì)出一種由驅(qū)動(dòng)裝置、增壓裝置、減壓閥、單向閥、換向閥等組成的新型增壓裝置，其原理為對大徑活塞施加一個(gè) 低壓，當(dāng)此壓力作用于一個(gè)小面積活塞上時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)高壓。通過大面積活塞的壓縮沖程將低壓氣轉(zhuǎn)變?yōu)轭~定壓力的高壓氣流，通過氣控?fù)Q向閥使增壓泵能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)壓力為 0.3~0.8Mpa 的驅(qū)動(dòng)氣源進(jìn)入驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，通過換向閥實(shí)現(xiàn)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)增壓裝置工作。該裝置裝有彈簧止回閥，用于控制增壓后的氣體進(jìn)出通道，當(dāng)增壓裝置的活塞桿處于吸入沖程時(shí)，進(jìn)口控制閥打開，出口控制閥通過彈簧保持關(guān)閉時(shí)，將低壓供氣引入泵內(nèi)；增壓沖程時(shí)，進(jìn)口控制閥關(guān)閉，出口控制閥打開，增壓裝置的活塞桿通過出口控制閥壓縮增壓后的氣體流出，將 0.3~0.8Mpa 低壓氣轉(zhuǎn)變?yōu)?3~8Mpa 額定壓力的高壓氣流，充裝到鉆井泵空氣包氣囊內(nèi)。
工作流程：結(jié)合工作流程圖 2對該氣動(dòng)充氣裝置做進(jìn)一步的描述：低壓氣體通過低壓進(jìn)氣管 1 分成兩路，一路經(jīng)過減壓閥 2 形成驅(qū)動(dòng)氣PL，一路作為低壓供氣源 PA，兩路氣分別接入氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置 4 和增壓裝置 5，驅(qū)動(dòng)氣 PL 經(jīng)過換向閥 7推動(dòng)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，低壓供氣 PA經(jīng)進(jìn)氣單向閥 6 由低壓進(jìn)氣口進(jìn)入提供增壓氣源，增壓后高壓氣體 PB經(jīng)排氣單向閥 10 充至氣包氣囊。氣體驅(qū)動(dòng)裝置和增壓裝置采用鋁合金并氧化處理，額定進(jìn)口空氣壓力0.3~0.8Mpa，增壓比為 10:1，輸出壓力 3~8Mpa，驅(qū)動(dòng)活塞直徑為160mm，裝置總重量 17Kg，壓縮空氣進(jìn)口和高壓輸出口分別設(shè)計(jì)低壓進(jìn)氣壓力表 3 和高壓排氣壓力表8，進(jìn)氣口安裝減壓閥 2，通過調(diào)節(jié)減壓閥進(jìn)氣壓力，輸出壓力相應(yīng)得到無極調(diào)整，滿足不同鉆井設(shè)備使用要求。
新裝置操作與應(yīng)用效果
新 裝 置 見 圖 3 所 示， 結(jié) 構(gòu) 簡單使用方便，充氣壓力的控制由減壓閥負(fù)責(zé)，如鉆井泵空氣包充氣壓力為 4MPa, 則只需要通過減壓閥將驅(qū)動(dòng)氣體按 10 比 1 縮小設(shè)定為0.4MPa 即可。使用時(shí)檢查裝置外觀無損后，只需要在進(jìn)氣口接上井場氣管線，排氣口連接輸出管線至空氣包即可。自動(dòng)停機(jī)原理：當(dāng)充氣壓力達(dá)到設(shè)定值上限時(shí)，即驅(qū)動(dòng)部分與輸出部分壓力達(dá)到平衡，往復(fù)氣缸停止工作。項(xiàng)目提出后，順利加工制作了 6 套氣控充氣裝置，于 2014 年 08 月陸續(xù)在 32558 隊(duì)、32563 隊(duì)、40173 隊(duì)、70183 隊(duì)等隊(duì)現(xiàn)場使用對比，氣控充氣裝置比原來電動(dòng)充氣機(jī)在設(shè)備使用前準(zhǔn)備檢查工作、充氣過程人員占用、操作維護(hù)上完全占有優(yōu)勢，經(jīng)現(xiàn)場試 驗(yàn) 空 氣 包 充 氣 壓 力 從 0~4MPa用時(shí)約 25 分鐘，完全滿足現(xiàn)場實(shí)際需要。
新裝置操作安全。使用鉆井現(xiàn)場自有的壓縮空氣做為驅(qū)動(dòng)氣源和增壓氣源，無電弧及火花，完全滿足鉆井現(xiàn)場易燃、易爆等區(qū)域的使用，起到設(shè)備本質(zhì)安全化的目的。體積小，重量輕，僅 17KG 一人就可安全搬運(yùn)。 新裝置的性價(jià)比較高。與其他空氣壓縮機(jī)相比，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、密封元件少、不易損壞，制作成本僅四千元。采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，無電能、潤滑油、活性碳消耗，節(jié)能環(huán)保，大幅節(jié)約使用、維保成本。新裝置使用較為方便，操作簡單。使用前只需檢查外觀是否完好，進(jìn)排氣接口有無變形，使用時(shí)只需接上進(jìn)排氣管線，通過調(diào)節(jié)減壓閥驅(qū)動(dòng)氣壓力控制充氣包充氣壓力，當(dāng)充氣壓力達(dá)到設(shè)定值自動(dòng)停機(jī)。長期不用時(shí)，清潔裝置衛(wèi)生，不用油封，無特別注意事項(xiàng)。氣控充氣裝置對使用環(huán)境無具體要求，可在高溫、嚴(yán)寒、粉塵、易燃、易爆區(qū)域使用。
總之， 氣控充氣裝置構(gòu)造簡單、成本低廉、 安全可靠、 使用攜帶方便、無需接電、無油料消耗、大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度， 節(jié)能環(huán)保， 社會(huì)效益明顯。下步要對井隊(duì)現(xiàn)有機(jī)況較差的空氣包電動(dòng)高壓充氣機(jī)逐步進(jìn)行淘汰，換用新設(shè)計(jì)的氣控高壓充氣裝置，提高鉆井設(shè)備本質(zhì)化安全，綠色環(huán)保，節(jié)能降耗。
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