高压水射流与完井实验室建设及安全管理

史怀忠,李根生,黄中伟,王海柱,田守嶒,宋先知,李敬彬

(中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249)

实验室建设与管理

高压水射流与完井实验室建设及安全管理

史怀忠,李根生,黄中伟,王海柱,田守嶒,宋先知,李敬彬

(中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249)

高压水射流与完井实验室是以高压、超高压流体为研究对象的国家油气资源与探测重点实验室分室,所用仪器设备均为高压、超高压设备,其危险性较高,故实验室建设与安全管理工作尤为重要。实验室从建设之初就开始从安全理念出发,对设备摆放、供排水系统、高压管汇设计与制造、防火、用电、废弃物处理等进行统一规划,并制定实验室管理规章制度、安全实验申请流程、仪器安全操作规程及安全培训、设备运行记录与维护、人员安全培训等章程,从而保障实验室的安全高效运行。

实验室建设;高压水射流;安全管理

重点实验室对培养具有实践和创新能力的高素质人才有着举足轻重的作用[1]。随着当代科学技术的飞速发展,国家越来越重视重点领域里重点实验室的建设[2]。并且,早在2004年8月,教育部高教司文件《普通高等学校本科教学工作水平评估方案(试行)》(教高厅【2004】21号)，明确将实验室环境安全列入了实践教学的评价范围[3]。在实验室建设与安全管理的方法及理念方面,国内许多学者做了一系列探讨。徐静年[4]等2005年提出了“以人为本”、“安全第一,预防为主”、“依法整治”的观点;刘春柱[5]2006年也提出以“以人为本、预防在先”的安全管理理念;赵庆双[6]等2007年论述了加强实验室安全教育的意义,总结了清华大学安全教育的实践与成效;孙立权[7]等2008年针对高等学校实验室安全管理中存在的4个问题,提出了开设实验室安全教育选修课、实验室管理制度、安全预案与安全演习、实验室安全准入制度等相应的解决方案;樊广华[8]等2009年从理论和学院科研实际情况出发,分析了研究生与导师在实验室安全保障中的作用;罗联社[9]等2010年提出了几点关于西北工业大学的实验室建设和管理方面的建议;赵小强[10]2010年提出了教师管理为主、学生管理为辅的实验室管理新模式;叶秉良[11]等2011年阐述了从组织机构、制度保障、教育宣传、安全检查、技术防范、应急预案等6个方面构建我国内地高校实验室安全管理体系的基本思路;李勤[12]等2012年撰文介绍了北京理工大学在创建生命科学类实验室安全管理体系中的做法和经验,并对高等院校实验室安全管理提出一些建议。中国石油大学高压水射流与完井实验室在前人理论研究成果的基础上,结合自身特点,以安全高效为目标,不断加强实验室管理建设,已逐渐成为一个产学研综合性高效实验室。

1 高压水射流与完井实验室简介

中国石油大学高压水射流与完井实验室是油气资源与探测国家重点实验室的重要建设项目,也是石油工程教育部重点实验室的主要组成部分,同时也是油气钻井技术国家工程实验室分室。高压水射流与完井实验室由以沈忠厚院士为主的科研团队组建而成的,主要从事高压水射流前沿技术研究、油气钻完井和增产改造新技术研发、高层次人才培训、创建学术交流基地,为深井、超深井、复杂结构井等的安全快速钻井和高效开发提供理论基础与技术。主要的研究方向为:

(1) 新型高压超高压水射流理论与技术;

(2) 深井复杂地层高效破岩理论与技术;

(3) 深井井筒复杂流动规律与控制技术;

(4) 低渗油气射流完井增产理论与方法;

(5) 非常规油气藏完井增产理论与方法;

(6) 超临界CO2流动特性与钻完井方法。

2 实验室建设及设备仪器简况

2.1 实验室建设

高压水射流与完井实验室主要研究对象为高压、超高压流体,其安全管理内容主要涉及到高压管汇、防火、配电、供排水系统、废弃物处理等方面,同时为保障实验室高效安全运行,制定了一系列的规章制度、人员设备安全培训规程等。

实验室内高压泵组与高压管汇均以红色为警示,且从选材加工到安装等过程严格按照安全作业要求进行。高压管汇投入运行后,试运行压力达60 MPa,可以满足实验要求;实验室设有2个配电柜,各仪器均有对应的电源控制开关,且预留有多个电源开关以满足后期实验室设备增添需求;实验室内建有一个容积达6 m3的供水水箱,可满足高压泵组供水需求;在实验室地面四周设计有排水槽,可将实验中产生的水排出到预定位置;按照实验室建设的一般要求,每个实验室内均配有消防栓,以达到防火的目的;建立了健全的废弃物处理机制,即将污染性的液体废弃物、固体废弃物等均集中回收,进行专业处理。

实验室根据自身的特点制定了高压水射流与完井实验室日常运行与管理规章制度,确保实验室正常运行与干净整洁,同时,由各个研究方向的指导教师组成实验审批指导小组,制定了实验申请流程,确保实验的研究意义及成功率;对应的实验仪器均有熟练操作与维护人员及安全操作规程,实验前对实验人员进行实验设备安全培训,实现实验设备的安全高效运行;对应设备均有运行与维护记录,确保实验设备始终处于最佳状态、实验人员尽快地了解实验设备;实验人员在实验前需接受一定的安全培训,以应对紧急情况。通过以上的实验室规定、章程保障实验室的安全高效运行。

2.2 实验室布置

高压水射流与完井实验室是国家重点实验室,承担着实验教学、科学研究、对外开放等功能,高压、超高压实验设备较多,故实验设备的合理布局就尤为重要。实验室在安全运行与合理使用有限空间的前提下,对实验室现有实验设备进行了合理布置,实验室布置示意图如图1所示。图中,①、②分别为不同型号的高压泵;③为高压管汇及调节阀门;④为多功能实验架;⑤为大容积水箱;⑥为压力传感器数字采集系统;⑦为配电柜;⑧超临界CO2射流破岩实验系统;⑨为消防栓;⑩为实验室产品、证书等展柜;为三维粒子成像流场测试系统(PIV);为超高压磨料射流切割装置;为前混磨料射流添加装置;为安全通道;为安全警戒线。

2.3 实验室设备简介

(1) 高压泵组。高压泵组为高压水射流与完井实验室的核心装备,实验室共有2台撬装式三缸柱塞高压泵,其中一台为兰州矿场机械厂LK3GB-700压裂车,柴油机为沃尔沃TAD1242VE,柴油机功率383 kW,最高可实现70 MPa压力,共有5个档位,可在很大的排量范围内作业;另外一台为天津晟睿3D2A-SZ高压泵,额定排量100 L/min,最高压力可达60 MPa,柴油机功率120 kW。

(2) 多功能实验架(见图2)。多功能实验架主要由固定机架、翻转机架、动力系统、旋转装置、 移动装置、控制系统、旋转水龙头等组成,用于油井管切割与开窗、水力喷砂射孔、井筒多相流动实验等室内实验研究。主要功能参数:旋转水龙头最高承压50 MPa,孔直径30 mm;中心管转速10～120 r/m,扭矩≥100 Nm;钻杆水平移动距离最大2 m,水平推力≥1000 N;翻转机架角度可在0～90°之间任意调整。

图1 高压水射流与完井实验室布置示意图

图2 多功能实验架

(3) 超临界CO2射流破岩实验系统(见图3)。超临界CO2射流破岩实验系统主要由加热与制冷系统、动力系统、井下环境模拟系统、气固分离系统、控制系统等组成,用于测试超临界CO2射流在不同射流压力、射流温度、井底围压、喷射距离等条件下的射流破岩效果。主要功能参数:高压泵最高工作压力100 MPa,最大排量30 L/min;围压模拟最高压力60 MPa,温度30～90 ℃,围压筒内径150 mm;喷嘴射流距离调节范围0～60 mm。

图3 超临界CO2射流破岩实验系统

(4) 三维粒子成像流场测试系统(PIV,见图4)。三维粒子成像流场测试系统(PIV)系统主要由高感光度CCD、4组远心镜头以及激光体光源等组成,用于井底和环空流场测试、喷嘴性能评价、水射流结构特性测试等。主要功能参数:高压泵测量空域100 mm×100 mm×140 mm;最小曝光时间间隔≤1 μs,采集速度5 f/s;同步控制器7道延时设置;激光器能量400 mJ@10Hz、30 mJ@1000Hz;远心镜头景深100 mm,成像清晰。

图4 三维粒子成像流场测试系统(PIV)

(5) 超高压磨料射流切割装置(见图5)。超高压磨料射流切割装置主要由高压泵站、磨料添加装置、切割平台、电控系统等组成,用于高压、超高压(>300 MPa)条件下破岩实验，超高压水射流动力学特性实验和表面切割实验。主要功能参数:最高工作压力380 MPa,最大流量3.79 L/min,蓝宝石喷嘴直径0.25～0.35 mm,最大切割范围1 200 mm×1 000 mm,刀架行程0～200 mm,驱动速度0～12 000 mm/min。

图5 超高压磨料射流切割装置

(6) 前混磨料射流添加装置(见图6)。前混磨料射流添加装置主要由高压砂罐、高压混砂器、灌装及灌装切换器、磨料分选装置、控制系统、安全防护系统等组成,主要用于油井管切割、水力喷砂射孔、磨料射流特性等室内实验。主要功能参数:双高压罐设计,可实现连续供砂;高压罐最高工作压力40 MPa,容积260 L;灌装泵扬程20 m,流量18 m3/h;水砂混合比(质量比)0～40%之间可调。

图6 前混磨料射流添加装置

3 实验室管理流程

为了达到实验室的优质管理,以实验安全为中心,高效运行为指导,建立了一套管理流程，见图7。

图7 高压水射流与完井实验室管理流程图

实验人员在展开实验之前,需要经过充分的实验方案调研与讨论,经指导教师批准后,填写高压水射流与完井实验室实验申请单,由实验室负责教师进行实验排序,并进行实验设备操作及安全培训,交接实验设备运行情况记录本,并对实验中出现的问题给予指导。每个步骤都需要相关的教师进行审核签字,层层把关,从而保证了实验室的安全运行。同时,为了保证实验室的高效运转,由专人对实验进行统筹排序,对实验工具和实验设备的运行情况进行跟踪和日常保养。

4 结论与建议

高压水射流与完井实验室经过多年的精心建设,拥有了可开展多项前沿研究的实验设备,以及丰富的实验室管理经验,能够实现实验室的安全高效运转,已经成为了人才培育、科技研发与学术交流的重要平台。经过多年实验室研究,开发取得了水力喷砂射孔与分段压裂联作技术、水力脉冲空化射流钻井提速技术等具有显著经济效益、社会效益的成果。

References)

[1] 徐远卫，单汨源.高校重点实验室管理研究与实践探索[J].科技管理研究,2010(20):78-80.

[2] 庞洁,朱玉华.现代高校重点实验室管理特点分析[J].实验技术与管理,2010,27(8):181-182.

[3] 温光浩,周勤,程蕾.强化实验室安全管理,提升实验室管理水平[J].实验技术与管理,2009,26(4):153-157.

[4] 徐静年,郭奋.新时期高校实验室安全管理的分析与思考[J].中国安全科学学报,2005,15(4):37-39，115.

[5] 刘春柱.高校实验室安全现状与管理对策[J].实验室科学,2006(4): 89-90,92.

[6] 赵庆双,闻星火,李明.加强安全教育是保障高校实验室安全的关键[J].实验技术与管理,2007,24(9):8-11.

[7] 孙立权,范强锐,陆捷.加强高等学校实验室安全管理的几点思考[J].现代科学仪器,2008(2):126-128.

[8] 樊广华,谷淑波,高居荣,等.加强研究生管理 保障科研实验室安全[J].实验室科学,2009(5):137-139.

[9] 罗联社,周云涛,张原,等.强化实验室管理 提高实验室效益[J].实验室研究与探索,2010,29(11):145-147.

[10] 赵小强.实验室管理新模式的探索及实践[J].实验室研究与探索,2010,29(11):138-139,152.

[11] 叶秉良,汪进前,李五一,等.高校实验室安全管理体系构建与实践[J].实验室研究与探索,2011,30(8):419-422.

[12] 李勤,史天贵,戴方震,等.创建实验室安全管理体系,促进高水平研究型大学建设[J].实验技术与管理,2012,29(3):354-356.

Construction and safety management of high pressure water jetting and well completion laboratory

Shi Huaizhong,Li Gensheng,Huang Zhongwei,Wang Haizhu,Tian Shouceng,Song Xianzhi,Li Jingbin

(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China)

The high pressure water jetting and well completion laboratory is a branch of State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,which meanly researches about high or super-high pressure liquid. All equipment is working under high or super-high pressure,so it is very dangerous and it is especially important for the safety management. From the beginning of the laboratory,it is important to give the safety principle,integrate planning the distribution of equipment,water supply and drainage system,design and manufacture of high pressure manifold,fire prevention,electricity,waste disposal,etc., and makes rules and regulations of laboratory management,process of safety experimental application,safe operation procedures and safety training of equipment,record and maintenance of equipment operation,personnel safety training,etc., which can ensure the safe and efficient operation of the laboratory.

construction of laboratory;high pressure water jetting;safety management

2014- 05- 07 修改日期：2014- 08- 29

国家自然科学基金资助项目(51474232)

史怀忠(1974—),男,河南南乐,博士,高级工程师,主要从事高压水射流在石油工程中的应用研究及实验室建设与管理等工作

E-mail：shz@cup.edu.cn

G482

A

1002-4956(2015)1- 0237- 04