膜式干燥机技术在ZJ30C钻机上的研究与应用

毕恩梓 于伟 石浩 罗超

摘要：ZJ30C钻机气路系统含水会导致设备元件老化腐蚀、冬季阀件发生冻堵结冰、堵塞气路等问题，为此优选膜式干燥机技术，对ZJ30C钻机气路系统进行改造升级，即在原车气路干燥系统中干燥器和储气罐之间增加1μm过滤器、0.01μm过滤器和膜式干燥机，可以确保设备安全，提高生产效率。

主题词：钻机  气路含水  膜式干燥技术

前言

玉门油田作业公司侧钻队使用的ZJ30C钻机，由于设备常期在野外作业，打气泵产生的压缩空气中含水量较大，而ZJ30C钻机本身安装的油、水气过滤系统的能力有限，无法充分过滤压缩空气内的水分和油气，不能满足设备气路系统及各阀件的充分干燥需求，特别是冬季，经常出现气路及阀件堵塞或冻结卡死，设备不能正常运行，影响钻井周期，造成安全生产隐患，为此有必要对ZJ30C钻机气路进行改造，有效控制气路系统中的油气和水气，实现保护气路及阀件的目的。

1.ZJ30C钻机气路系统组成

ZJ30C钻机气路系统主要由气源装置、控制元件、执行元件以及辅助元件等四部分组成。气源装置是获得压缩空气的装置，如空气压缩机、空气净化处理装置、储气罐等;控制元件是用来控制压缩空气的压力、流量和方向的阀件，主要由调压阀、脚控油门阀、换挡阀和继动阀等组成;执行元件主要由油门控制气缸、变速箱换挡气缸和刹车制动分泵等，其主要功能是将气体的压力能转换为机械能;辅助元件包括管线、各種接头以及维护装置。

2.钻机气路系统含水的危害

空气压缩后的气体水分密度增大，体积缩小，温度升高，含有饱和水蒸汽的压缩空气经管道、储气筒和各气路阀，受到散热作用，就会凝结成水，含水的压缩空气会对设备的气路系统造成损害，主要有两方面，一是打气泵长时间使用，在窜气较大时排除的油污和含水压缩空气会对设备的气路系统损害，金属件、橡胶件老化腐蚀，气路堵塞、漏气，设备不能正常工作，特别是储气罐锈蚀后容易爆炸伤人;二是进入冬季后，气路系统内的水结冰，形成冰针冻结阀件，堵塞气路，导致设备不能正常运转，另一方面容易导致车辆刹车失灵，影响安全行车。

3.膜式干燥机技术

3.1技术原理

膜式干燥器是一种新型的干燥装置，利用压缩空气中各组分对膜渗透率的差别，实现压缩空气的气水分离，其渗膜材料具有水分子渗透扩散功能，两端存在浓度不同的气体分压，气体分子能够通过渗膜扩散，从而获得干燥的压缩空气。

3.2技术特点

（1）高性能的中空纤维薄膜

纤维薄膜采用螺旋缠绕技术，实现体积最小化、效率最高化，可恒定地降低压力露点，相对湿度保持不变。

（2）物理化干燥安全可靠

根据物理原理进行干燥，高分子渗膜材料具有水分子渗透扩散干燥，对温度不敏感，防爆性能强，且有多种型号，适用压缩空气的流量范围广。

（3）安装方式简单方便

不需要接电源，节省电能，组件不需维修，体积小巧，适合移动设备和狭小空间，特定条件下可集成在已有的设备上。

4.气路改造方案优化研究

4.1技术要求

（1）气路系统性能

气路系统性能要求有四方面，一是不影响ZJ30C钻机原有干燥系统布局、结构和使用;二是膜式干燥机要求性能稳定、可靠性高;三是根据用气要求对空气出口露点进行调节，满足不同工况需要;四是进气流量要求：1m³/min;反吹流量比例：20%。

（2）使用环境

适应环境温度：-29℃～+50℃;相对湿度：≤90%（+20℃时）;工作压力：0.75MPa～0.85MPa;压力露点要求：-30℃。

（3）安全环保要求

安全环保要求主要有三方面，一是产品符合施工现场HSE、防爆、防护等要求;二是安装快速、便捷，不受设备空间位置限制;三是配件齐全，方便维护保养，通用性强，使用寿命长。

4.2方案内容

在不改变原设备气路干燥系统的前提下，在ZJ30C钻机原车气路干燥系统中干燥器和储气罐之间增加1μm过滤器、0.01μm过滤器和膜式干燥机（图1），改进升级为两级净化双重过滤干燥系统，两套干燥系统之间实现自由切换，夏季使用原设备的干燥系统，冬季在寒冷天气条件下，使用原设备+两级净化双重过滤干燥系统，以有效解决气路系统阀件冻堵的情况。                                图1 改造后修井机气源系统示意图

4.3系统参数

改造后气路系统包括空气压缩机、干燥器、空气滤清器、自助排水器、防冻器等，具体参数如下：气路系统压力：0.85±0.05 MPa，主储气罐容积0.22方，空气压缩机型号BA922，形式为两缸直列，强制水冷和润滑，额定压力0.85MPa，流量123PSI;干燥器型号AD-9/800514，采用吸附再生式，通径3/8in;空气滤清器型号IA-192，形式为旋风、滤芯式，流量25CFM;自助排水器型号IA-193，浮球式，通径3/8 in;防冻器采用浸入式，通径1/2 in。

5.结论

本文针对ZJ30C钻机气路系统含水产生危害问题，提出膜式干燥机技术，对技术原理和特点进行分析，优化气路改造方案，即在ZJ30C钻机原车气路干燥系统中干燥器和储气罐之间增加1μm过滤器、0.01μm过滤器和膜式干燥机，可以确保设备安全，提高生产效率，实现稳步上产。

参考文献：

[2]张飞，组合式空气干燥机出口压力露点过高的原因与处理[J].化学工程与装备.2019（06）.

作者简介：于伟，男，1982年11月出生于甘肃酒泉，汉族，技师，2004年毕业于北京民政部管理干部学院，现于中石油玉门油田分公司从事钻修现场自动化、智能化工作。