0 引 言

油气勘探作业伴随易燃易爆、有毒有害介质,现场高温高压环境下生产过程存在较大的安全风险。目前录井作业现场所用电动脱气器都还处于交流380 V供电作业方式,该供电方式主要存在4个不利因素:一是交流380 V工作电压“危险”;二是电机体积大安装不方便;三是搅拌棒维修不便;四是电机本身无智能化保护装置。取代电动脱气器“危险”电压,是摆在录井技术人员面前的一道难题。随着石油勘探开发技术的进步,按照中国石油天然气集团有限公司及西部钻探《生产安全升级管理实施方案》要求,钻井作业现场已经实现了安全电压供电,这不但为录井设备更新和改造提供了有利条件,也促进了录井现场安全电压供电方式的实现,从而保证了作业人员的人身安全,也消除了设备和设施因工作电压高所带来的隐患^[1]。

1 安全电压脱气器的设计要点

设计原则:(1)防爆型^[2],安全电压供电方式^[3];(2)模块化,安装方便快捷;(3)轻量化,整体支架重量轻且耐腐性强、易保养;(4)符合录井现场设备运行规范^[4]。

1.1 整体设计

该脱气器主要由8部分组成,分别为双横支架、竖立柱、固定平台、集气筒导轨架、法兰盘、电机、集气桶、丝杆^[5]。

结构设计如图1所示:1为双横支架;2为竖立柱;3为固定平台(与竖立柱焊接);4为集气筒导轨架;5为法兰盘;6为电机(轴头直径14 mm×长40 mm);7为集气桶;8为丝杆。整体采用不锈钢材质,具有耐腐性强、整体轻量、组装方便快捷等优点。

1.2 电机系统设计

该系统主要由两部分组成^[6]:一是电机机械部分,二是电机控制部分^[7]。电机是脱气器最主要设备,要求必须是防爆型,不产生火花,具有传统电机的优点,且耐颠簸震动,噪音低、体积小、功率大、效率高、寿命长、维修保养简单。

1.2.1 电机机械设计

如图2所示,该安全电压电机直径127 mm、高205 mm,轴头直径14 mm、长40 mm,由电机主体和控制器组成,符合国家“防爆”标准^[8],是一种典型的机电一体化产品。电机的定子绕组多做成三相对称星形接法,与三相异步电动机相似。如表1所示,供电电压由交流380 V改为直流24 V,打破传统用电方式,符合国家安全电压规范,可实现设备本质安全;电机转速由1 350 r/min提高至1 500 r/min,提高了工作效率;质量由12 kg下降至7 kg,减轻了脱气器整体质量;具备供电作业无危险、体积小、安装便捷等优点。电机的转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电机转子的极性,在电机内装有位置传感器^[9]。

1.2.2 电机控制器设计

控制器设计为按照控制电路的接线和改变电路中电阻值来实现电机的启动、调速、制动和反向的指令装置,由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。它是发布命令的“指挥机构”,具有协调和指挥整个电机系统工作的操作功能^[10]。

电机控制器结构如图3所示,由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接收电机的启动、停止、制动信号^[11],以控制电机的启动、停止和制动;接收位置传感器信号和正反转信号^[12],用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接收速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速。另外,具有判断电机故障作用(如电机电压过高、过低,搅拌棒堵卡等状态下,能自动停止运转,排除故障后重新启动运转正常等保护功能),及延长电机使用寿命等优点^[13]。

1.3 搅拌棒装置设计

搅拌棒装置是一种抱式脱气器搅拌器,包括搅拌棒和连接轴套。在搅拌棒的上端固定有连接轴套,连接轴套内设有开口朝上的电机轴孔;在连接轴套上部设有前后贯穿的切口,切口呈“』”形并将连接轴套上部分隔成左侧的弹片和右侧的固定片;在切口两侧的弹片和固定片上固定安装能通过弹片形变将电机的动力输出轴夹紧固定在电机轴孔内的紧固件。通过电机带动搅拌棒装置搅拌钻井液,在搅拌过程中将钻井液中的天然气、溶解气和游离气脱出来。由于脱出的气体具有很强的腐蚀性,容易锈蚀电机轴与搅拌棒之间的连接部分,尤其是目前最常采用的键槽连接方式或法兰盘连接方式,一旦被腐蚀,极容易锈死,导致电动脱气器无法维护保养。

针对上述锈蚀问题,搅拌棒装置设计结构如图4所示。(1)搅拌器固定轴套是直径60 mm、高70 mm的圆柱体;在圆柱体上面中间位置设有开口槽宽5 mm、深度45 mm;在前半开轴套深度45 mm处从左向右设有65°开口槽宽5 mm,从右向左同样设有65°开口槽宽5 mm,形成对应2个“』”型;在搅拌器固定轴套圆柱体下部正中间设有螺距1.5 mm、深度15 mm螺纹。(2)搅拌棒是圆柱状,直径18 mm、长280 mm,两端加工螺距1.5 mm、深度15 mm螺纹;搅拌棒上端通过螺纹+焊接固定在搅拌器固定轴套下部。(3)搅拌棒叶片为“H”型,长140 mm、宽30 mm,正中间设有15 mm×15 mm正方形螺杆孔固定于搅拌棒下部。(4)固定螺丝孔位于搅拌器固定轴套后半开的固定轴套和前半开轴套侧面;左右两侧的后固定轴套上设有螺纹孔,对应的前半开轴套上设有通孔,在对应的通孔和螺纹孔内通过直径6 mm、长40 mm内六方螺栓固定电机轴承,形成抱式固定。(5)电机轴孔位于搅拌器固定轴套圆柱体上面,中间位置设有直径40 mm、深度50 mm轴孔。(6)定位槽位于电机轴孔内,方形销槽4 mm×4 mm、深度50 mm与电机定位销对应,确保电机与搅拌棒连接牢固,保证录井人员在录井现场易对其进行更换和保养。由于这种紧固连接方式的接触面更大,即使存在钻井液和化学药品腐蚀,也不会完全被锈死;而且其拆卸方便,耗时短,降低了对其他脱气器配件的影响^[14,15]。

2 室内测试

将组装好的安全电压脱气器安装在室内缓冲罐上,连接电源进行室内测试。

(1)测量不同高度脱气器水中运转转速正常。从表2数据分析,在相同介质中,测量深度不同,转速仅有微弱变化,平均为1 521.5 r/min,性能指标达到设计要求,电机转速从1 350 r/min提高到1 500 r/min时,脱气效率可提高11%。

(2)如图5所示,测量不同高度脱气器水中运转安全电压供电正常。从表2数据分析,在相同介质中,测量深度不同,电压没有变化,平均值为24.6 V,性能指标符合±1%偏差要求,确保了脱气器工作电压稳定,同时实现了设备本质安全,保障了作业人员的人身安全。

3 现场效率验证

安全电压脱气器在吐哈油田录井现场投入使用如图6所示,运行安全、稳定,单人可操作完成,方便快捷,降低了生产成本,减少了维护费用和安装时间,保证作业人员的人身安全,符合综合录井仪安装技术规范,提高了录井服务质量。

3.1 不同类型脱气器效率对比

在YB 11-17井进行了传统脱气器与安全电压脱气器效率分析对比。从图7a分析可知,全烃由0.402 7%升至0.495 2%,C₁由0.008 5%升至0.011 5%,C₂由0.006 2%升至0.007 5%,C₃由0.001 2%升至0.001 5%,组分曲线整体呈上升趋势,电机转速由1 350 r/min提高至1 500 r/min,脱气效率提高11%,从而为发现油气显示和评价油气藏提供了更准确的科学依据。

3.2 工作效率验证

在L 213井对安全电压脱气器进行了工作效率试验。从图7b分析判断,在井深2 040.38 m处发现油气显示,全烃由17.325 6%升至 99.897 8%,C₁由 1.261 5%升至9.956 7%,C₂由0.362 7%升至7.875 2%,C₃由0.216 1%升至6.043 6%,iC₄由0.046 9%升至2.045 7%,nC₄由0.042 1%升至1.897 4%,iC₅由0.037 8%升至1.064 5%,nC₅由0.012 4%升至0.079 0%,组分曲线整体呈台阶趋势。安全电压脱气器的工作效率试验获得成功,脱气器脱气效率满足要求。

4 应用效果

通过表3数据可知,安全电压脱气器在18口井次录井现场应用中,正常运转714 d,共17 136 h,在整个录井周期运转中零故障,全井油气发现率100%。该脱气器的工作寿命得到肯定。

该设备整体设计方案具有创新性及安装、拆卸、存放、运输方便,组装快捷等优点。作业过程中,可靠性高,稳定性好,适应性强,维修与保养简单,耐颠簸震动,运转噪音低,震动小,寿命长,得到了甲方监督和录井现场技术人员的高度认可,满足各种录井现场作业要求,应用前景广阔。

5 结 论

安全电压脱气器的设计及应用,解决了现场录井技术服务生产难题,符合国家安全电压规定,改变了传统供电作业方式,实现录井仪全部输出供电无危险电压;符合国家“防爆”标准,该设备采用了自控判断故障电机,实现了电机故障自动保护,延长脱气器工作使用寿命。

现场使用表明,安全电压脱气器可以满足各种缓冲罐安装要求,实现了单人安装、拆卸,解决了录井现场安装体积大、仪器房空间小、不易存放和运输困难等难题;有效降低了劳动强度,安全管理得到了提升,实现了中国石油天然气集团有限公司及西部钻探《生产安全升级管理实施方案》要求。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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