高压大排量水力射孔泵机组研制

姜博宇

（大庆油田装备制造研究院，黑龙江大庆 163312）①

自20世纪40年代以来，国外开展了水力喷射射孔装置的试验，美国、加拿大率先把水力喷射技术应用于油水井的射孔作业。该技术主要有2种模式：套管冲孔＋高压水力喷射切割岩石射孔；套管钻孔开窗＋水力地层径向钻孔射孔［1－2］。20世纪90年代起，国内开始研究此项目，经过多年的开发，还没有比较成熟的技术。目前，大庆油田正在进行高压水射流技术的研发，要求更高压力和更大排量，而使用的进口设备已不能满足水力射孔作业的需要［3－4］。

针对上述问题，研究设计了高压大排量水力射孔机组，满足了高压水射流技术研究的需要。该套设备结构合理、操作灵活，能够使油井实现增产、增注。

1 结构及工作原理

高压大排量水力射孔机组是由撬装底座、柴油机、液力变矩器、三缸柱塞泵、燃油系统、不锈钢水箱、过滤器、控制系统以及高低压管汇、阀门、仪表等组成［5］。如图1。

1）动力传动系统选用448kW 大功率柴油发动机，可提供充足的动力。三缸柱塞泵的型号为Y600S型，柱塞直径为Ø88.9mm，能满足压力和排量的要求。选用最大输入功率469kW的BY620C型全电控液力变矩器，最大转矩16000 N·m的传动轴，与柴油发动机和三缸柱塞泵配套。

2）水箱过滤系统采用全不锈钢结构，防止设备锈蚀而带来杂质。为供水泵安装栏式过滤器和Y 形过滤器，阻止大颗粒杂质进入机组。

3）电气控制系统包括本地控制和远程操作2套系统，当机组在较大压力工作时，采用远控箱操作，能让操作人员避开危险区域。

4）润滑冷却系统润滑冷却系统用于液力变矩器及三缸泵的各重要摩擦副的强制润滑和冷却，以保证各运动副能正常工作。

图1 高压大排量水力射孔泵机组

进行水力射孔作业时，柴油发动机通过液力变矩器将动力传递给三缸柱塞泵。三缸柱塞泵通过进水管汇吸入清水并增压，再通过高压管汇注入井下进行水力射孔作业。控制系统能对整个作业过程进行监测，并且能够实现远程控制［6］。

2 技术创新

2.1 远程控制

施工过程中，高压水力射孔作业的工作压力约为50 MPa，如果出现高压管线渗漏或管线接头损坏，将对施工人员造成严重伤害［7－8］。远程控制系统由远控电缆、远控箱、传感器、PLC 控制器和软件系统等组成，操作人员能在远离施工现场50 m的地方控制柴油机启动和停止，实时监控机油压力、水温、油温、液力变矩器的润滑油压、三缸柱塞泵的压力等，且可以根据需要进行发动机的调速、电控换挡、压力设定、超压保护以及紧急停机等。

3.2 全程自动监控

早期进口的高压泵机组的供水模式采用手动控制，并且需要安排专人负责供水或者停止，造成了施工的不连续性，增加了工人的劳动量［9－10］。为此，秉承人性化的设计理念，采用PLC 控制技术、应用传感技术、配套软件编程，研制了具有全程监控、自动开启以及关闭功能的供水系统。

3.3 功能界面

1）超压保护界面在液晶触摸屏中预设超压保护的工作压力，PLC 会比较三缸柱塞泵压力传感器采到的压力信号。当工作压力超过上位机的设定压力时，PLC 通过开关量输出端口发出指令，使液力变矩器置于空挡、柴油机紧急停机，以保护人身和设备的安全。超压保护界面如图2。

图2 超压保护界面

2）液位保护界面在开始施工之前，水罐内为无水状态，点击开始供水按钮，控制系统会自动向储水罐内注水至0.5 m 时结束。当操作人员挂上液力变矩器的挡位，提高柴油机油门的转速时，三缸柱塞泵开始工作，控制系统自动监测液位状态，使水罐不被吸空或有水溢出，保证施工的连续性。液位保护界面如图3。

图3 液位保护界面

3）实时曲线与历史曲线上位机界面能对数据进行实时曲线显示和历史曲线调用，并根据工作需要导出数据到U 盘。实时曲线与历史曲线界面如图4。

图4 实时曲线与历史曲线界面

4）施工流程上位机组态的画面实时显示运行参数，且提供形象的工作流程画面，方便用户对施工状态进行监控。施工流程界面如图5。

图5 施工流程界面

5）数据导出用户可以在触摸屏界面中对不同时间的数据进行提取，能有效地对施工过程进行分析。数据导出界面如图6。

图6 数据导出界面

3 现场试验

高压大排量水力射孔机组的样机于2011－10—11分别在大庆油田的采油三厂北2－丁4－P23井和采油五厂杏9－丁1－343井做了深穿透水力射孔作业试验。在作业过程中，整机运行平稳，工作状态良好，环境适应性强，各项性能指标基本可以达到设计要求。试验数据如表1所示。

表1 高压大排量水力射孔机组现场试验数据

从表1可以看出：高压大排量水力射孔机组较好地完成了设计要求，且可以满足最高注入压力为85 MPa、额定注水压力为50 MPa、额定注入流量为300 L／min；同时，加装的远程控制系统也通过测试。

5 结论

1）高压大排量水力射孔机组是水力射孔的专用设备，可以满足现场对压力和排量的要求。

2）远程控制系统具有机械和电控的超压保护功能，使操作人员能在安全区域监控机组的运行情况。

3）自动供水系统更加具有人性化，可以进行全程的监控，提高了机组作业的工作效率。

4）该机组操作简便、安全可靠，各项性能达到设计要求，可为大庆油田进行高压水射流技术研究提供技术支持。

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