固井和壓裂設備性能參數(shù)及曲線的自動生成

1、! 應用技術#固井和壓裂設備性能參數(shù)及曲線的自動生成吳漢川李莉莉( 江漢石油管理局第四石油機械廠摘要為滿足固井和壓裂設備設計人員、產(chǎn)品驗收和操作人員對設備性能參數(shù)經(jīng)常使用的要求, 設計采用M icr os oft Office Excel 電子表格, 利用其計算和函數(shù)功能, 輸入固井和壓裂設備的原始參數(shù), 就可得到相應的性能參數(shù)并自動生成性能曲線。該軟件可直觀地分析性能參數(shù)的合理性, 減少設計計算工作量, 提高設計精度, 還可使技術人員合理地選擇固井和壓裂設備的動力配置, 避免配置方案的局限性。關鍵詞固井設備壓裂設備性能參數(shù)性能曲線引言的發(fā)動機, 通過設計計算, 得到設備在發(fā)動機不同轉速、傳動

2、箱在不同工作擋位時, 柱塞泵所輸出的理論排量、對應的最高工作壓力和輸出水功率等參數(shù)。長期以來, 設計人員在設計配置方案時, 需要反復調整設計數(shù)據(jù), 才能計算出設備的性能參數(shù)。當調整某一個輸入數(shù)據(jù)后, 需要重新進行計算; 由于在計算中對中間數(shù)據(jù)的取整各不相同, 造成不同的設計人員對相同的設計方案得出不同精度的計算結果。另一方面, 由于計算工作量大, 設計人員只能在有限的幾種方案中進行選擇, 得到的性能參數(shù)只是單一轉速下的數(shù)據(jù), 因此提出的配置方案并非就是最合理的。采用固井和壓裂設備性能參數(shù)及曲線的自動生成電子表格, 可以使設計人員通過調整輸入?yún)?shù)迅速計算出配置方案的性能參數(shù)。當需要調整某個輸入?yún)?/p>

3、數(shù)時, 只需要在表格中改變對應項目, 所有計算會相應地發(fā)生變化, 并得出計算結果。該電子表格可以減少計算工作量, 提高設計精度, 規(guī)范設計數(shù)據(jù)。由于計算所提供的數(shù)據(jù)是在傳動箱閉鎖工況下不同轉速所對應的排量和壓力數(shù)據(jù), 設備操作人員可以根據(jù)設備在不同轉速和工作擋位的性能參數(shù)表, 參照施工工藝的要求正確調整發(fā)動機轉速和傳動箱工作擋位, 減少固井和壓裂設備在施工作業(yè)操作中的盲目性。輸入?yún)?shù)11發(fā)動機通常情況下固井和壓裂設備所使用的發(fā)動機最高工作轉速為18002100r/min, 發(fā)動機與液力傳動箱連接后, 為保證設備正常運行, 液力傳動箱在短時間的換擋操作后, 必須在閉鎖工況下運行, 所以發(fā)動機實際

4、工作轉速為15002100r/min 。電子表格的輸入?yún)?shù)根據(jù)發(fā)動機實際工作轉速的不同, 采用了5個級別的轉速, 分別計算出發(fā)動機在不同輸出轉速下, 柱塞泵的工作沖次、最高工作壓力、理論輸出排量和輸出功率等參數(shù)。在實際計算中采用的是發(fā)動機有效輸出功率, 所以需要輸入其它附件所消耗的功率, 主要包括:風扇所消耗的功率、發(fā)電機和空壓機所消耗的功率以及其它取力裝置所消耗的功率等。21液力傳動箱液力傳動箱內(nèi)帶減速器, 通常情況下有58個擋位, 在計算中需要輸入各個工作擋位的傳動比和傳動效率。對于不同的固井、壓裂設備配置狀況, 并不是所有的擋位都能使用, 還應該考慮閉鎖轉速、最高工作壓力和柱塞泵最高沖次

5、等因素, 合理選擇傳動箱的工作擋位。31柱塞泵參數(shù)柱塞泵輸入?yún)?shù)包括:柱塞泵動力端齒輪減速比(在有鏈條箱減速的情況下, 應該將2個速比的乘積值輸入到相應的表格位置 、柱塞數(shù)量(三582006年第34卷第9期石油機械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY 缸泵或者五缸泵 、柱塞直徑、沖程長度、機械傳動效率、容積效率和連桿最大載荷等。計算公式11通過柱塞直徑計算柱塞面積A =D 24式中A 柱塞面積, mm 2;D 柱塞直徑, mm 。21工作壓力的確定p =N A式中p 工作壓力, MPa;N 連桿最大載荷, N 。31柱塞泵工作沖次計算R =R 1 (I 1I 2 式中

6、R 泵工作沖次, m in -1;R 1發(fā)動機轉速, r/min; I 1泵內(nèi)齒輪減速比;I 2傳動箱速比。41柱塞泵輸出排量計算Q 式中Q , m 3/min;1柱塞泵容積效率, %; K 柱塞數(shù)量; L 沖程長度, mm 。51柱塞泵的輸出水功率W 1=p Q式中W 1柱塞泵的輸出水功率, k W 。61柴油機實際提供給柱塞泵的功率W 2=(W 3-W 4 23式中W 2柴油機實際提供給柱塞泵的功率,k W ;W 3柴油機凈輸出功率, k W; W 4輔助系統(tǒng)消耗的功率, k W ; 2傳動箱傳動效率, %; 3柱塞泵傳動效率, %。計算說明1. 不同轉速和不同擋位下工作壓力的確定柱塞泵工

7、作壓力應該根據(jù)柴油機實際提供給柱塞泵的功率、不同轉速和傳動箱在不同擋位下的輸出排量進行計算。當計算壓力超過柱塞泵在該柱塞直徑下所能承受的最高工作壓力時, 表格中限定的最高壓力為工作壓力, 此時再根據(jù)限定的工作壓力和工作排量, 計算柱塞泵實際輸出功率。2. 最高工作壓力的確定柱塞泵的最高工作壓力是根據(jù)柱塞泵所設計的最大連桿載荷所確定的參數(shù)。對于同一種柱塞泵而言, 不同柱塞直徑的最高工作壓力是不同的, 固井和壓裂設備在實際使用過程中不允許超過最高壓力值, 否則將損壞柱塞泵。3. 發(fā)動機功率的變化發(fā)動機的標定功率是指在額定轉速下(最高工作轉速 的凈輸出功率, 一般不包括風扇和其它附屬裝置的消耗, 所

8、以在實際計算中應該考慮上述裝置所消耗的功率值。另一方面, 固井和壓裂設備在施工中實際的工作轉速是在一定范圍內(nèi)調節(jié)的( , 當發(fā)動機轉速降低時, , 根據(jù)不同的發(fā)動機4. 工作擋位的確定通常情況下液力傳動箱有58個工作擋位。在計算中應根據(jù)柱塞泵的最高沖次來選擇傳動箱的工作擋位。如果在某個擋位上的計算沖次超過柱塞泵的最高工作沖次, 該擋位就不能使用。5. 計量單位考慮到國內(nèi)外固井和壓裂設備性能參數(shù)所采用計量單位不同, 在電子表格中輸入?yún)?shù)和計算結果分別采用公制和英制2種計量單位。軟件編寫及說明采用M icr os oft Office Excel 2003辦公軟件進行編寫。Excel 是功能齊全的

9、電子表格, 它功能強大、操作方便, 除了可以快速、方便地處理各種表格外, 還可以對表格中的數(shù)據(jù)進行計算和統(tǒng)計并生成曲線。下面以Y L1051490壓裂車為例進行參數(shù)的輸入、計算和曲線生成。1. 創(chuàng)建表頭創(chuàng)建表頭的目的是為生成規(guī)范的打印輸出格式。需要輸入的內(nèi)容包括:固井和壓裂設備型號、發(fā)動機型號、傳動箱型號和柱塞泵型號。固井和壓裂設備型號:Y L1051490壓裂車; 發(fā)動機型號:CAT 3512B;傳動箱型號:ALL I S ON S9800;柱塞泵型號:3Z B 1490。 2. 輸入?yún)?shù)在工作表格的相應位置輸入發(fā)動機、傳動箱和柱塞泵的參數(shù), 考慮到使用的習慣性, 采用英制單位輸入, 輸入完

10、成后在對應的表格位會自動生成公制數(shù)據(jù)。發(fā)動機風扇消耗的功率以發(fā)動機功率的5%進行計算, 最高壓力根據(jù)連桿載荷計算得出。(1 主要參數(shù)柱塞泵輸入功率:1676k W (2250hp ;柱塞泵效率:95%;柱塞泵傳動比:613530; 柱塞數(shù)量:3; 柱塞尺寸: 127mm (5英寸 ; 沖程長度:20312mm (8英寸 ; 最高壓力:8016MPa (11685p si ; 發(fā)動機功率:1676k W (2250hp ; 連桿載荷:13116kN (29596lbs ; 傳動箱效率:98%。(2 發(fā)動機消耗功率風扇:84k W (11215hp ; 取力裝置:63k W (85 發(fā)電機:4k

11、W 6; 空壓機:6k W (液壓系統(tǒng):37k W 。(3 傳動箱各擋傳動比1擋:3175; 2擋:2169; 3擋:2120; 4擋:1177; 5擋:1158; 6擋:1127; 7擋:1100。3. 計算結果在電子表格的相應欄目, 應用有關計算公式直接得到計算結果, 對應欄目只需要直接的引用就可以得出相關數(shù)據(jù)。輸出參數(shù)中包括動力數(shù)據(jù)和性能參數(shù)。在計算過程中, 發(fā)動機的轉速可以根據(jù)使用要求變換調速區(qū)間。計算中如果需要調整輸入?yún)?shù), 只需要在相應的欄目更改數(shù)據(jù), 計算結果將自動發(fā)生變化。得出有關計算結果如下:柱塞泵最大輸入功率:1488k W (1998hp ; 柱塞泵最大輸出功率:1414

12、k W (1898hp ; 泵排量:71721L /r (21040gal/r ; 消耗功率:158k W (212hp ;發(fā)動機有效輸出功率:1519k W (2039hp 。得出的性能參數(shù)見表1。4. 曲線生成, 或者調整發(fā)動機的轉速范, 使性能曲線分布合理, 并為用戶提供滿足工藝要求的優(yōu)化配置方案。曲線的自動繪制是通過計算得到的性能參數(shù)表生成。首先寫明曲線的標題和數(shù)值軸所需要顯示的單位, 然后設定坐標軸刻度的最大值、最小值和刻度單位, 以保證所生成的曲線在合理的區(qū)域內(nèi)顯示。曲線采用標準類型的散點圖(見圖1 。圖1自動生成的性能曲線源數(shù)據(jù)從性能參數(shù)表中進行選擇, X 軸數(shù)據(jù)選擇所有擋位在不

13、同轉速下的排量, Y 軸數(shù)據(jù)選擇對應排量下的工作壓力。當改變柱塞直徑和傳動箱擋位后計算參數(shù)會發(fā)生變化, 性能曲線會隨之發(fā)生變化。由于柱塞直徑的變化, 會造成坐標軸的最大和最小值發(fā)生較大的變化, 在可視的范圍內(nèi)不能全部顯示。此時可以根據(jù)計算數(shù)據(jù), 調整坐標軸的最大值和最小值, 使生成的曲線在合理的范圍內(nèi)顯示。固井和壓裂設備性能參數(shù)及曲線的自動生成采用Excel 電子表格, 利用其計算和函數(shù)功能, 解決了繁瑣的設計計算過程, 設計人員采用該軟件可以減少計算工作量, 提高設計精度, 并為用戶提供規(guī)范和全面的設計數(shù)據(jù)。通過對計算結果的分析, 工程技術人員可以根據(jù)設備提出的要求和配置狀況, 合理地選擇動力配置、柱塞泵型號和柱塞直徑, 減少設計錯誤, 避免配置方案上的局限性。表1性能參數(shù)表傳動箱擋位沖次/m in -1發(fā)動機轉速/(r m in -1 排量壓力柱塞泵輸出功率/(gal m in -1(m 3m in -1 p si MPa hp k W 功率利用