小缸套高泵冲钻井模式分析与应用.pdf

2 0 1 3年 第 4 2卷 第 5期第 9 3页 石油 矿场 机 械 OI L F I ELD EQUI P MENT 文 章 编 号 1 O 01 - 3 4 8 2 2 01 3 0 5 0 09 3 0 3 小缸套 高泵冲钻井模 式分析 与应 用 雷先 革 ， 李 明 ， 王希军 ， 于万钧。 ， 于世超。 ， 王 珉。 ， 梁海泉妇， 刘天文 1 ． 长江大学 石油工程学院 ， 武汉 4 3 0 1 0 0 ； 2 ． 渤海钻探工程有限公司 ， 天津 3 0 0 4 5 7 ； 3 ． 杭州 大潮石化设备有 限公司， 杭州 3 1 0 0 1 7 ； 4 ． 塔里 木油 田 a ． 第二勘探公司 ； b ． 第三勘探公司 ， 新疆 库尔勒 8 4 1 0 0 0 摘 要 机械 钻机 通 常是 通过调 整 柴 油机 转速 来 改 变钻 井泵 泵 冲 。对 柴 油机 的 负荷 特 性和 机 泵参 数 的 匹配情 况进 行 了分析 ， 指 出当前普遍 应 用的“ 大缸 套 低 泵 冲” 钻 井模 式存 在 的 不合 理 之 处 。提 出 “ 小缸套 高泵冲” 钻 井模 式 的理念 ， 并通 过现 场 实践进 行 了验证 。 关键 词 钻 井 ； 泵压 ； 泵冲 ； 缸 套 ； 柴油机 转速 ； 燃 油 消耗 率 中 图分类 号 TE 9 2 6 文 献标 识码 B 钻井 生产 成本 的 3 0 ％是燃 料成 本 ， 其 中的 7 0 能量 又是 被钻 井泵所 消耗 。由 于当前钻 井 王 兕场 在 钻井泵和柴油机的使用上存在一些误 区， 使得柴油 机工作不正常 ， 造成柴油机油耗增加、 磨损加剧、 寿 命缩短等诸多问题 。对机械钻机的传动系统进行进 一 步分析研究 ， 结合机械钻机钻进 时负荷 的变化规 律 ， 优 化柴 油机 和钻 井 泵 参 数 匹 配 ， 提 出 了“ 小 缸套 高泵冲” 钻井模式。对保障设备的正常运行 、 降低柴 油消耗 、 减 少成 本支 出 ， 减 少废 气排 放等 方 面具有 一 定 指 导意 义 。 l 钻井柴油机负荷特性分析 柴油 机 工 况是 指 柴 油机 运 行 或工 作 的状 况 ， 例 如转速的高低 ， 负荷的大小等 ， 通常是由运行特征参 数来说 明。柴油机输 出的转矩 等于它驱动 时的负 荷 ， 因此 ， 转 矩 和转速 就是 柴 油机运 转过 程 中工 况变 化 的 主要参 数 。下 面以机 械钻 机常 用 的 1 9 0型柴油 机 为例 进行 分析 l_ 2 ] 。 1 ． 1 柴油机 推 进特性 分 析 柴 油 机 的性 能 参数 随转 速 变化 的关 系 ， 通 常用 柴 油机 推进 特性 曲线 如 图 1 来表 述 。由 图 1可 以 看 出 1 柴 油机 的 转 速 与功 率 大 致 成 正 比例关 系 。 转速由 1 1 2 5 r ／ mi n提高到 1 2 5 0 r ／ rai n时 ， 输出功 率 由 5 4 0 k W 提 高 到 7 2 0 k W 。 2 柴油机燃油消耗率与转速大致成反比例关 系。转速越高单位油耗越低 。转速在 1 0 0 0 r ／ rai n 时 ， 燃 油消耗 率 大约 为2 1 2 g ／ k W h ， 转 速提 高 到 1 2 5 0 r ／ mi n时 ， 消耗 率大 为 2 0 4 g ／ k W h 。 3 柴油机 的排气烟度 随着转速 升高而降低 。 在 9 0 0 r ／ rai n时 ， 排 气烟 度为 2 ． 1 F S U， 在 转 速达 到 1 3 0 0 r ／ rai n时 ， 排气 烟度 降为 1 ． 5 F S U 。 赵 赠 霜 j 盂 童 0 2 2 0 至 2 1 4 2 08 瓣 糕2 0 2 转速／ r ml n 图 1 1 9 0型柴油机推进特性 曲线 1 ． 2 柴 油机 负荷 特性 分析 在一定转速下， 柴油机主要性能参数 随负荷变 化的规律通常用负荷特性曲线来表示 ， 如图 2 所示。 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 2 2 5 作者简介 雷先 革 1 9 6 8 一 ， 男 ， 湖南常德人 ， 高级工程师 ， 主要从事 石油装备管理 工作 。E - ma i l l e i x g 9 1 8 s i n a ． c o rn． 石油 矿 场机 械 5 2 0 赐 4 4 0 IW ． - ，3 6 0 蓬 2 8 山 Q 岳 一 功 ，犟 ／ kW 图 2 柴油 机负荷特性 曲线 由图 2可 以看 出 1 柴 油机燃 油消耗率 与 负荷速 大致成 反 比例 关系 ， 负荷越高燃油消耗率越低。空负荷时燃油消 耗 率 为最 大 ， 随着 负 荷 的增 加 ， 燃 油 消耗 率 下 降 ， 当 负荷增加到 A点位置 约为额定功率的 8 5 ， 燃油 消耗率达到最低值 ， 负荷继续增加时 ， 燃油消耗率反 而升 高 。A 点燃 油消 耗 率虽 然 最 小 ， 但并 不 是 柴 油 机最 经济 的使用 功率 点 ， 因为 此点 所 对 应 的有 效 功 率较 小 。最 经济 的使用 功率点 应是从 坐标 原点做 一 射线 与燃 油 消 耗率 曲线 相 切 的点 B， 此 点 的功 率 与 燃油 消耗率 的 比值最 大 ， 也 就 是说 既 能 获得 较 大 的 功率 ， 又能使燃油消耗率较低， 因此 B点是最经济 的使 用功率 点 ， 即柴油 机负荷 为 9 0 7 2 0 k w 时具 有最 经济燃 油 消耗率 2 0 4 g ／ k W h 。 2 随着负荷增加 ， 供油量增加 ， 排放热量和涡 轮前 平均排 温也 升高 。 3 随着负荷增加， 排气烟度增加， 当接近额定 功率时， 混合气形成和燃烧恶化 ， 燃烧不完全 ， 排气 烟度将急剧增加 ， 此时燃油消耗率和活塞 、 汽缸盖等 热 负荷也 迅速 升高 。 4 当负荷超出柴油机额定功率时 ， 柴油机将 进入超负荷工况， 此时调速器喷油总成会 自动地额 外多供给油量 ， 以克服暂时超载 ， 燃油消耗率将大幅 提升， 同时因油量过多， 柴油燃烧不充分而出现冒黑 烟， 缸套 、 活塞 、 连杆等承受的热负荷和机械负荷加 大， 易造成工作粗暴 和发生拉缸 、 烧瓦等故 障。因 此 ， 严 禁超 载使用 柴油机 。 综上所 述 ， 1 2 5 0 r ／ mi n 、 输 出 7 2 0 k W 为 1 9 0型 柴油机的最佳工作点， 此时柴油机做功效率高、 燃油 消耗率低 ， 运行平稳、 故障率低 、 排放较少。 2 钻井泵使用特性 和机泵参数匹配分析 钻井 泵的排 量和压 力是钻 井泵最 主要 的 2个功 能参 数 ， 也 是重 要 的钻 井 参 数 。 目前 钻 机 常 配 的是 3缸单 作用 往 复式 钻 井 泵 ， 例 如 3 NB 1 3 0 0或 F 1 3 0 0 泵 ， 功率 为 9 5 5 k W 1 3 0 0 h p ， 额定 泵 冲为 1 2 0 mi n 一， 额定工作压力为 3 4 ． 5 MP a ， 常用缸套直径 有 1 5 0、 1 6 0、 l 7 O和 1 8 0 mm 4 种 J 。 根据井身设计要求合理选择不同直径 的缸套与 泵冲组 合来实 现不 同 的排 量 输 出 ， 是 钻 井 作业 过 程 中经常需要做的工作之一。同样的输出排量可以通 过 2 种钻井模式来实现 ， 即“ 大缸套低 泵冲” 钻井模 式和“ 小缸套高泵冲” 钻井模式 ， 虽然 2种模式都能 满 足钻 井作业 的要 求 ， 但其 对 应 的 柴油 机 运 行状 态 却大不一样。由于机械钻机传动系统的传动比是固 定 不变 的 ， 因而泥浆 泵 的 泵 冲与 柴油 机 的转 速是 对 应 的 ， 如表 1 。 表 1 z J 5 O J型钻 机机泵参数 由表 1可 以看 出 同样 是 输 出 3 1 I ／ s排 量 ， 当 采用 1 6 0 mm 缸 套 时 ， 泵 冲为 1 0 0 mi n， 对 应 的柴 油机 转 速 和 输 出 功 率 分 别 为 1 2 5 0 r ／ mi n和 7 2 0 k W， 柴油机处于最佳工作点， 为额定功率的 4 7 ； 而采用 1 8 0 mm缸套时， 泵冲仅为 8 0 mi n - 。 ， 对应的 柴油机转速和输 出功率分别为 1 0 0 0 r ／ mi n和 3 8 0 k W， 柴油机处于低速工作状态， 将导致一系列的不 良后果 钻井泵 低速运 转 ， 采 用强制 润滑 或飞溅 润滑 的动力端 润滑效 果差 ， 易导 致泥浆 泵轴承 早期 磨损 ； 柴油机低速运转， 燃烧不充分， 易积碳 ， 油耗高， 且易 进入超负荷状态 ， 造成 柴油机故 障率 上升、 寿命缩 短。不难看出， “ 小缸套高泵冲” 钻井模式是优于“ 大 缸套低泵冲” 钻井模式 的， 但 由于认识上的不足， 导 致 目前现场大多采用 的是“ 大缸套低 泵冲” 钻井模 第 4 2卷第 5 期 雷先革 ， 等 小缸套高泵冲钻井模式分析与应用 式 ， 多使用 1 8 0 mlT l 和 l 7 0 mm 的缸套 。 3 “ 小缸套高泵 冲” 钻 井模 式分析 通过 几种 钻井 典型 工况 ， 来进 一 步分 析对 比“ 小 缸套高泵冲” 钻井模式与“ 大缸套低泵 冲” 钻井模式 的优 缺点 。 3 ． 1一 开二 开工 况对 比 如 表 2 表 2 一 开 二开 工 况对 比 一 开 工 况 二 开 工 况 参数 1 8 0 mm 1 7 0 m m 1 8 0 mm 1 7 0 mm 缸套 缸套 缸套 缸套 由表 2可 以看 出 一 开钻井 时 ， 选用 1 8 0 mm 缸 套 时需 开 3台柴 油 机 ， 而 选 用 1 7 0缸 套 时 仅 需 开 2 台柴油 机 ； 二开 钻 井 时 ， 选 用 1 8 0 mm 缸 套 时 ， 虽 然 开 了 3台柴 油机 ， 停用 节 能发 电机 ， 启 用 3 0 0 k w 发 电机 ， 但柴油机仍处 于超 载工况 ， 将 造成柴油机 损 坏 ； 而选用 1 7 0 mm缸套时， 在少用 1台发电机的同 时 ， 3台 柴油机 均处 于最 佳 工况 ， 在 节 油 的 同时 机组 运 行更 安全 。 3 ． 2三开钻 井 工况分 析 如表 3 表 3三 开 工 况 对 比 由表 3可 以看 出 三 开钻井 时 ， 选 用 1 8 0 mlT l 缸 套 时 尽管开 了 3台柴 油 机 和 1台 3 0 0 k W 发 电 机 ， 但柴 油机 仍处 于超 载 工 况 ； 选 用 1 7 O缸 套 时需 开 3 台柴油机 ， 工作正常 ； 而选用 1 6 o缸套时仅需开 2台 柴油 机和 1台 3 0 0 k W 发 电机 ， 少 用 l台大 功 率 柴 油机 ， 综合油耗和运行费用最低 。 基于 以上 分析 ， 提 出“ 小缸 套高泵 冲” 钻井模 式 ， 即在 钻井液 排量 不 改 变 的前 提 条件 下 ， 优选 较 小 直 径的缸套尺寸和较高的钻井泵泵冲。 使柴油机在接 近额定转速下运转 ， 以达到柴油机和钻井泵最佳的 运转工况和经济钻井 的目的。具体做法是 将原来 常用的 1 8 0 mm 和 1 7 0 1 T i m缸套各降 1级， 改为使 用 l 7 0 mr n和 1 6 0 mm 缸套 ， 以确 保 柴 油 机 工 作 在 1 2 5 0 r ／ mi n的最佳 工况 。 “ 小缸套 高泵 冲” 钻井模 式推 荐方案 如表 4 。 表 4 小缸套高泵冲钻井模式机泵参数 4 应 用 为 了验证上述钻井模式的效果 ， 选择了同类型 Z J 5 0 J型钻机 ， 分别按照“ 小缸 套高泵 冲” 钻 井模 式 和“ 大缸 套低 泵 冲” 模 式进行 钻井 ， 通过 对 1 1口井 进 行相同工况下的对 比证实， 采用“ 小缸套高泵冲” 钻 井模式进行钻井 ， 其综合油耗平均节省约 1 o ， 单 队年节 约 柴油 消耗 约 1 0 0 t ， 节 能效 果 显 著 ， 且 柴油 机的运行费用和故障率也有所下降。 5 结 语 柴油机和钻井泵是钻机的核心设备 ， 它们的科 学使用在整个钻井生产工艺过程 中都具重要意义 。 在满足钻井液设计排量要求的前提下 ， 应该优先选 用“ 小缸套高泵冲” 钻井模式进行作业 ， 确保柴油机 工作在最佳工况 ， 从而降低油耗与柴油机 的运行成 本 ， 最终获取更好的经济效益 。 参考文献 [ 1 ] 高志 和， 白承斌 ， 张 燕 ， 等． 1 2 V1 9 0型柴油机 节油 装 置应用研究E J 5 ． 石 油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 1 7 7 7 9 ． [ 2 ] 济南柴 油机股 份有 限公 司． 1 9 0系列柴油 机使 用维 护 手册[ K] ． 2 0 0 2 ． [ 3 ] 宝鸡 石 油机 械 厂． F 1 3 0 0 1 6 o o型钻 井 泵使 用 说 明 书 r K] ． 2 0 0 5 ． [ 4 ] 兰 州 石 油 机 械 厂． 3 NB - 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