縮短水射流實驗調(diào)壓時間的改進方法

劉輝，李國，黃晶，漆文龍，王柯，劉森，李尤，范利彬

（中國石油西南油氣田公司工程技術研究院，國家能源高含硫開采研發(fā)中心，四川廣漢 618300）

0 引言

水射流技術在石油天然氣勘探開發(fā)領域的應用日益廣泛，如超高壓射流鉆井[1-4]、高壓射流油管清洗和清砂[5-7]、水力噴射壓裂等[8-9]?，F(xiàn)場射流工藝參數(shù)的確定有賴于室內(nèi)射流模擬實驗，隨著室內(nèi)實驗工作量的逐漸增大，如何高效地進行實驗、降低單次實驗的用時及人力物力成本成為當下水射流實驗需要解決的重點。經(jīng)過對高壓水射流試驗系統(tǒng)[10]進行的26次實驗各步驟平均耗時統(tǒng)計（如圖1）可看出，水射流實驗6個步驟中調(diào)壓階段所消耗的時間最多，單套實驗平均調(diào)壓時間達到12.42 min，約占單套實驗總時間的72.8%。調(diào)壓時間過長導致整套實驗周期長、實驗效率低，同時也增加了能源資源的消耗量。為有效解決該問題，根據(jù)水射流實驗壓力調(diào)控特點，分析了導致調(diào)壓時間過長的因素，并制訂了一套縮短射流實驗調(diào)壓時間的方法。

圖1 水射流實驗各步驟平均耗時柱狀圖

1 問題分析

1.1 水射流實驗系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由高壓泵站、磨料供給系統(tǒng)、水射流實驗臺、3DPIV測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構成[8]，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 水射流實驗系統(tǒng)組成示意圖

液體經(jīng)增壓泵增壓后，一部分經(jīng)回路流向水箱，另一部分從磨料供給系統(tǒng)流向水射流實驗臺，通過噴嘴或工具形成高壓射流，并完成性能測試。系統(tǒng)液體流向如圖3所示。

圖3 水射流實驗系統(tǒng)液體流向示意圖

系統(tǒng)泵壓的調(diào)節(jié)是通過控制回路調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)的，回路調(diào)節(jié)閥開度增大，系統(tǒng)泵壓降低，回路調(diào)節(jié)閥開度減小，系統(tǒng)泵壓升高。

1.2 調(diào)壓4個階段

根據(jù)水射流實驗系統(tǒng)泵壓調(diào)節(jié)的過程，將調(diào)壓分為4個階段，依次為低壓段、中壓段、高壓段和終壓段。低壓段、中壓段、高壓段3個階段的調(diào)壓目標值均為一個壓力范圍，而終壓段的調(diào)壓目標值為一個確定的壓力值。4個階段分布與目標壓力如表1所示。

表1 水射流實驗調(diào)壓4個階段目標壓力 MPa

對過去26套次實驗調(diào)壓時間進行統(tǒng)計，整理出單套實驗各階段平均調(diào)壓時間數(shù)據(jù)如表2所示。

調(diào)壓前3 個階段的目標值是一個壓力范圍，均能夠一次調(diào)節(jié)到位，而終壓段是一個壓力值，需反復調(diào)節(jié)才能夠到位。從表2可以看出，在4個階段中終壓段調(diào)節(jié)所消耗的時間最多，平均耗時達到了10.02 min，占單套實驗調(diào)壓時間比值約為80.68%。由此可見，終壓段調(diào)壓時間過長是導致整個水射流實驗調(diào)壓時間過長的癥結所在，如果能將該問題解決，水射流實驗調(diào)壓時間就可得到大幅縮減。

表2 調(diào)壓各階段平均耗時

1.3 調(diào)壓時間影響因素

1.3.1 人工調(diào)閥穩(wěn)定性差

系統(tǒng)泵壓的調(diào)節(jié)是通過控制回路調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)的，水射流實驗系統(tǒng)額定工作壓力為31.5 MPa，而通常水射流實驗的設計壓力值一般在15～25 MPa，根據(jù)水射流連續(xù)性方程和伯努利方程推導出射流噴嘴前后壓差與流速的經(jīng)驗模型：

式中：v為射流速度，m/s；Δp為噴嘴前后的射流壓差，MPa。

根據(jù)工程應用要求，泵壓在15 MPa以上時，對油套管進行清洗或切割作業(yè)時射流速度誤差應控制在5 m/s范圍以內(nèi)，利用上述模型可以得到終壓段泵壓的誤差要求應不超過1 MPa。根據(jù)回路閥門針形結構特性，泵壓越高，閥門調(diào)節(jié)靈敏度越高，即細微的閥桿轉動會造成壓力的巨大波動。通過查閱特性曲線得知，若將最大泵壓25 MPa的誤差控制在1 MPa以內(nèi)，則閥門開度調(diào)節(jié)必須控制在0.3%以內(nèi)，而對應的閥桿轉動角度應控制在8°以內(nèi)。現(xiàn)場針對閥桿轉動開展了測試，3名實驗操作員工分別進行了6次閥桿轉動測試，統(tǒng)計了每一次閥桿轉動角度的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 3名操作人員測試轉動閥桿角度數(shù)據(jù)表（°）

結果顯示，只有3次閥桿轉動達到標準，說明要一次性調(diào)節(jié)至設計值難度很大，需要反復開關閥門進行調(diào)壓，直到將泵壓調(diào)至設計值。

1.3.2 操作與信息不同步

水射流實驗系統(tǒng)的設備布局示意如圖4所示，泵壓調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)信息位于不同的房間。

圖4 水射流實驗系統(tǒng)設備布局示意圖

實驗過程中，泵壓數(shù)據(jù)通過傳感器傳遞給數(shù)據(jù)信息室，數(shù)據(jù)信息室的技術人員收到數(shù)據(jù)后將調(diào)壓指令通過對講機傳達給泵壓調(diào)節(jié)室的操作人員來完成調(diào)壓操作。在低壓段、中壓段和高壓段，各段調(diào)壓目標值為一個壓力范圍，操作人員可以通過調(diào)壓閥處的壓力表來獲取讀數(shù)，因此調(diào)壓效率比較高；而在終壓段，壓力表分度值較大，無法讀取精準讀數(shù)，需要操作與信息反復交流與確認。

小組成員A、B開展了3套測試實驗，并對每套實驗終壓段的調(diào)壓時間和等待時間（操作與信息反復交流和確認所消耗的時間）進行了統(tǒng)計，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果如表4所示。

表4 終壓段調(diào)壓時間與等待時間數(shù)據(jù)表

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，終壓段等待時間與調(diào)壓時間的比值遠遠大于確認標準值5%，表明操作與信息不同步對調(diào)壓時間影響大。

此外，通過實驗歷史記錄調(diào)研和現(xiàn)場測試，對水射流實驗類型、實驗員操作熟練度、設備維護保養(yǎng)、用水水質、設備噪聲和振動進行了單因素分析，發(fā)現(xiàn)這些因素對終壓段調(diào)壓時間影響很小，因此人工調(diào)閥穩(wěn)定性差、操作與信息不同步是導致調(diào)壓時間過長的主要原因。

2 技術措施

分別針對以上2個問題提出了相應對策并進行優(yōu)選。針對人工調(diào)閥穩(wěn)定性差的問題，提出了3條對策：1）在原調(diào)節(jié)閥基礎上，設計加工機械手，通過與電動機匹配進行控制調(diào)閥；2）定制新的閥桿與閥芯，減小閥桿螺距，提高調(diào)壓精度；3）更換新的自動控制調(diào)節(jié)閥及配套裝置。對策2）是對閥體進行改裝，加工難度和成本較高；對策3）需引進全新的自動控制閥門及配套控制裝置，成本極高；對策1）不改變閥門原有結構，僅增加少量機械工裝和1個小型電動機即可實現(xiàn)，方法簡單、成本投入低、可靠性強，因此選用對策1）進行改進。

針對操作與信息不同步的問題，提出了兩條對策：1）在泵壓調(diào)節(jié)室設置數(shù)據(jù)顯示窗口，使操作者實時掌握壓力信息；2）將調(diào)閥控制與數(shù)據(jù)信息進行集成，實現(xiàn)遠程操作與監(jiān)測。對策1）可實現(xiàn)泵壓調(diào)節(jié)室操作與信息的實時交互，但是仍未有效解決接收來自控制室的指令和向控制室進行數(shù)據(jù)信息反饋的問題。實驗中終壓可能會經(jīng)常改變，對應壓力調(diào)節(jié)仍需較長時間。而對策2）可以實現(xiàn)在控制室對調(diào)壓閥的遠程控制，做到操作與信息的實時監(jiān)測，操作者與指揮者可以實時共享數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)指令的快速下達、執(zhí)行與反饋，因此選用對策2）進行改進。

2.1 加裝電控機械手

設計組裝高壓水射流壓力調(diào)節(jié)電控機械手系統(tǒng)，如圖5所示。其總成由與回路閥門匹配的機械手臂（圖6所示）、轉換接頭、電動機、變頻器、控制器等組成。機械手臂、轉換接頭、電動機組裝后安裝于回路閥門基座上，而變頻器、控制器安裝于遠程控制柜內(nèi)（位于數(shù)據(jù)信息室內(nèi)），電動機通過電線與變頻器和控制器連接并通信。

圖5 電控機械手系統(tǒng)結構設計圖

圖6 電控機械手三維圖

電控機械手通過控制器設置泵壓值、設置關閥步長，按下電動機轉動啟動按鈕，控制器將控制參數(shù)轉換為電信號發(fā)送給變頻器，變頻器將電信號發(fā)送給電動機，電動機執(zhí)行接收到的命令后輸出相應的轉速。電動機中心轉軸轉動，帶動機械手臂轉動，帶動回路閥門的手輪轉動，達到關閉或打開閥門的目的，從而達到閥桿精細控制，實現(xiàn)泵壓精細調(diào)節(jié)。

電控機械手加工后安裝實物與回路閥門改造前對比如圖7所示。

圖7 電控機械手安裝前后實物對比圖

2.2 調(diào)閥控制與數(shù)據(jù)信息集成

將調(diào)壓操作與數(shù)據(jù)信息顯示集成在一個控制界面，形成操作與信息的統(tǒng)一。控制界面主要包括遠程控制柜和泵壓調(diào)節(jié)控制程序，該遠程控制柜實物如圖8所示。

圖8 遠程控制柜實物圖

對應的泵壓調(diào)節(jié)控制程序主要用于匹配電控機械手并對高壓水射流實驗過程中對泵壓進行控制和調(diào)節(jié)，軟件界面可對水泵壓、閥門刻度和油溫進行實時顯示，可以實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測，最小閥門開度、最大壓力的參數(shù)設置，能夠實現(xiàn)對高壓水射流泵壓的遠程控制和精細調(diào)節(jié)。遠程控制程序主界面如圖9所示。

圖9 遠程控制程序主界面

根據(jù)電控機械手轉動步長，該程序設置了10級調(diào)壓倍速，通過設置不同的調(diào)壓倍速值可以實現(xiàn)泵壓調(diào)節(jié)效率和控制精度的調(diào)整，在低壓段時設置高倍速，提高調(diào)壓效率，在終壓段時設置低倍速，提高調(diào)壓精度。

遠程控制柜安裝和調(diào)壓控制程序測試就續(xù)后開展了聯(lián)機調(diào)試，閥桿轉動均勻，泵壓調(diào)節(jié)平穩(wěn)，在調(diào)壓倍速1倍速條件下關閥一次，閥桿轉動角度5°，閥門開度減小約滿開度的2.5%。調(diào)節(jié)操作與數(shù)據(jù)信息銜接緊湊、交互順暢。聯(lián)機調(diào)試界面如圖10所示。

圖10 聯(lián)機調(diào)試界面

3 效果分析

利用安裝好的電控機械手和調(diào)壓控制程序開展了6組噴嘴流場測試實驗和6組射流工具性能測試實驗。實驗目的是測試孔徑為φ2.0 mm的圓錐收斂型噴嘴在18 MPa泵壓條件下的射流流場，以及規(guī)格φ50.8 mm的旋轉射流清洗工具在20 MPa泵壓條件下的清洗性能，驗證調(diào)壓方式改進后的效果。

實驗中，泵壓調(diào)節(jié)采用分段方式，低壓段設置調(diào)壓倍速為10倍速，中壓段設置調(diào)壓倍速為5倍速，高壓段設置調(diào)壓倍速為2倍速，當壓力升高至15 MPa左右時，將調(diào)壓倍速降低至1倍速。

3.1 效果對比

噴嘴流場測試實驗，當壓力升高至15 MPa左右時，將調(diào)壓倍速降低至1倍速，逐漸關閉閥門至開度5.9%時，泵壓均一次性調(diào)節(jié)至18 MPa；射流工具性能測試實驗，當壓力升高至15 MPa左右時，將調(diào)壓倍速降低至1倍速，逐漸關閉閥門至開度5.2%時，泵壓均一次性調(diào)節(jié)至20 MPa，調(diào)壓各階段及總調(diào)壓時間數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表5所示。

表5 驗證實驗調(diào)壓各階段數(shù)據(jù)表min

根據(jù)表5中噴嘴流場測試調(diào)壓各階段數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀調(diào)查中各階段調(diào)壓時間數(shù)據(jù)進行分析，繪制出柱狀對比圖如圖11所示。

圖11 措施前后調(diào)壓各階段數(shù)據(jù)對比圖

由統(tǒng)計分析可知，“終壓段調(diào)壓時間過長”的癥結問題由對策實施前的10.02 min降低至對策實施后的3.51 min，總調(diào)壓時間由12.42 min降至5.58 min，下降了55%，改造效果良好。

3.2 效益分析

通過調(diào)壓方式的優(yōu)化改進，縮短了水射流實驗調(diào)壓時間，減少了實驗用電量和用水量，達到了降本增效的目的。其中，單套次實驗可節(jié)約電量28.5 kW·h，節(jié)約水量2.05 m3，計算明細如表6所示。

表6 單套次實驗節(jié)約電量和水量計算表

4 結語

1）針對人工調(diào)閥穩(wěn)定性差、操作與信息不同步而導致的終壓段人工調(diào)壓時間太長的問題，優(yōu)化改進了調(diào)壓方式。在原調(diào)節(jié)閥基礎上，設計加工機械手，通過與電動機匹配進行控制調(diào)閥，并將調(diào)閥控制與數(shù)據(jù)信息進行集成，實現(xiàn)遠程操作與監(jiān)測。

2）利用安裝好電控機械手和調(diào)壓控制程序的水射流實驗裝置開展了對比驗證，顯示單套實驗調(diào)壓時間下降了55%，同時節(jié)省電量28.5 kW·h，節(jié)省水量2.05 m3。機電控制和遠程操作提高了泵壓調(diào)節(jié)的控制精度，大幅降低了操作人員的勞動強度、實驗周期與成本，展現(xiàn)了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

3）提出的遠程機電控制調(diào)節(jié)方式還可應用于閥門安裝位置太高或閥門調(diào)節(jié)空間受限的工作場所，在不改變原有工藝流程的基礎上，增加少量的配套工裝，投入少量的費用，即可解決人工操作困難和安全風險高的問題，具有一定的推廣應用價值。