固井和壓裂設(shè)備性能參數(shù)及曲線的自動(dòng)生成

1、! 應(yīng)用技術(shù)#固井和壓裂設(shè)備性能參數(shù)及曲線的自動(dòng)生成吳漢川李莉莉( 江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠摘要為滿足固井和壓裂設(shè)備設(shè)計(jì)人員、產(chǎn)品驗(yàn)收和操作人員對(duì)設(shè)備性能參數(shù)經(jīng)常使用的要求, 設(shè)計(jì)采用M icr os oft Office Excel 電子表格, 利用其計(jì)算和函數(shù)功能, 輸入固井和壓裂設(shè)備的原始參數(shù), 就可得到相應(yīng)的性能參數(shù)并自動(dòng)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(shè)計(jì)計(jì)算工作量, 提高設(shè)計(jì)精度, 還可使技術(shù)人員合理地選擇固井和壓裂設(shè)備的動(dòng)力配置, 避免配置方案的局限性。關(guān)鍵詞固井設(shè)備壓裂設(shè)備性能參數(shù)性能曲線引言的發(fā)動(dòng)機(jī), 通過設(shè)計(jì)計(jì)算, 得到設(shè)備在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)

2、箱在不同工作擋位時(shí), 柱塞泵所輸出的理論排量、對(duì)應(yīng)的最高工作壓力和輸出水功率等參數(shù)。長(zhǎng)期以來, 設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)配置方案時(shí), 需要反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)數(shù)據(jù), 才能計(jì)算出設(shè)備的性能參數(shù)。當(dāng)調(diào)整某一個(gè)輸入數(shù)據(jù)后, 需要重新進(jìn)行計(jì)算; 由于在計(jì)算中對(duì)中間數(shù)據(jù)的取整各不相同, 造成不同的設(shè)計(jì)人員對(duì)相同的設(shè)計(jì)方案得出不同精度的計(jì)算結(jié)果。另一方面, 由于計(jì)算工作量大, 設(shè)計(jì)人員只能在有限的幾種方案中進(jìn)行選擇, 得到的性能參數(shù)只是單一轉(zhuǎn)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(shè)備性能參數(shù)及曲線的自動(dòng)生成電子表格, 可以使設(shè)計(jì)人員通過調(diào)整輸入?yún)?shù)迅速計(jì)算出配置方案的性能參數(shù)。當(dāng)需要調(diào)整某個(gè)輸入?yún)?/p>

3、數(shù)時(shí), 只需要在表格中改變對(duì)應(yīng)項(xiàng)目, 所有計(jì)算會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化, 并得出計(jì)算結(jié)果。該電子表格可以減少計(jì)算工作量, 提高設(shè)計(jì)精度, 規(guī)范設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。由于計(jì)算所提供的數(shù)據(jù)是在傳動(dòng)箱閉鎖工況下不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的排量和壓力數(shù)據(jù), 設(shè)備操作人員可以根據(jù)設(shè)備在不同轉(zhuǎn)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(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)箱工作擋位, 減少固井和壓裂設(shè)備在施工作業(yè)操作中的盲目性。輸入?yún)?shù)11發(fā)動(dòng)機(jī)通常情況下固井和壓裂設(shè)備所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速為18002100r/min, 發(fā)動(dòng)機(jī)與液力傳動(dòng)箱連接后, 為保證設(shè)備正常運(yùn)行, 液力傳動(dòng)箱在短時(shí)間的換擋操作后, 必須在閉鎖工況下運(yùn)行, 所以發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際

4、工作轉(zhuǎn)速為15002100r/min 。電子表格的輸入?yún)?shù)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速的不同, 采用了5個(gè)級(jí)別的轉(zhuǎn)速, 分別計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)在不同輸出轉(zhuǎn)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(shí)際計(jì)算中采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)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(fēng)扇所消耗的功率、發(fā)電機(jī)和空壓機(jī)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(dòng)箱液力傳動(dòng)箱內(nèi)帶減速器, 通常情況下有58個(gè)擋位, 在計(jì)算中需要輸入各個(gè)工作擋位的傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率。對(duì)于不同的固井、壓裂設(shè)備配置狀況, 并不是所有的擋位都能使用, 還應(yīng)該考慮閉鎖轉(zhuǎn)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(dòng)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(dòng)力端齒輪減速比(在有鏈條箱減速的情況下, 應(yīng)該將2個(gè)速比的乘積值輸入到相應(yīng)的表格位置 、柱塞數(shù)量(三582006年第34卷第9期石油機(jī)械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY 缸泵或者五缸泵 、柱塞直徑、沖程長(zhǎng)度、機(jī)械傳動(dòng)效率、容積效率和連桿最大載荷等。計(jì)算公式11通過柱塞直徑計(jì)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(jì)算R =R 1 (I 1I 2 式中

6、R 泵工作沖次, m in -1;R 1發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速, r/min; I 1泵內(nèi)齒輪減速比;I 2傳動(dòng)箱速比。41柱塞泵輸出排量計(jì)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(zhǎng)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(jī)實(shí)際提供給柱塞泵的功率W 2=(W 3-W 4 23式中W 2柴油機(jī)實(shí)際提供給柱塞泵的功率,k W ;W 3柴油機(jī)凈輸出功率, k W; W 4輔助系統(tǒng)消耗的功率, k W ; 2傳動(dòng)箱傳動(dòng)效率, %; 3柱塞泵傳動(dòng)效率, %。計(jì)算說明1. 不同轉(zhuǎn)速和不同擋位下工作壓力的確定柱塞泵工

7、作壓力應(yīng)該根據(jù)柴油機(jī)實(shí)際提供給柱塞泵的功率、不同轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)箱在不同擋位下的輸出排量進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)計(jì)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(shí), 表格中限定的最高壓力為工作壓力, 此時(shí)再根據(jù)限定的工作壓力和工作排量, 計(jì)算柱塞泵實(shí)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(shè)計(jì)的最大連桿載荷所確定的參數(shù)。對(duì)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(shè)備在實(shí)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(dòng)機(jī)功率的變化發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率是指在額定轉(zhuǎn)速下(最高工作轉(zhuǎn)速 的凈輸出功率, 一般不包括風(fēng)扇和其它附屬裝置的消耗, 所

8、以在實(shí)際計(jì)算中應(yīng)該考慮上述裝置所消耗的功率值。另一方面, 固井和壓裂設(shè)備在施工中實(shí)際的工作轉(zhuǎn)速是在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的( , 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí), , 根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)4. 工作擋位的確定通常情況下液力傳動(dòng)箱有58個(gè)工作擋位。在計(jì)算中應(yīng)根據(jù)柱塞泵的最高沖次來選擇傳動(dòng)箱的工作擋位。如果在某個(gè)擋位上的計(jì)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(jì)量單位考慮到國(guó)內(nèi)外固井和壓裂設(shè)備性能參數(shù)所采用計(jì)量單位不同, 在電子表格中輸入?yún)?shù)和計(jì)算結(jié)果分別采用公制和英制2種計(jì)量單位。軟件編寫及說明采用M icr os oft Office Excel 2003辦公軟件進(jìn)行編寫。Excel 是功能齊全的

9、電子表格, 它功能強(qiáng)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(duì)表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)并生成曲線。下面以Y L1051490壓裂車為例進(jìn)行參數(shù)的輸入、計(jì)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(shè)備型號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、傳動(dòng)箱型號(hào)和柱塞泵型號(hào)。固井和壓裂設(shè)備型號(hào):Y L1051490壓裂車; 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào):CAT 3512B;傳動(dòng)箱型號(hào):ALL I S ON S9800;柱塞泵型號(hào):3Z B 1490。 2. 輸入?yún)?shù)在工作表格的相應(yīng)位置輸入發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱和柱塞泵的參數(shù), 考慮到使用的習(xí)慣性, 采用英制單位輸入, 輸入完

10、成后在對(duì)應(yīng)的表格位會(huì)自動(dòng)生成公制數(shù)據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇消耗的功率以發(fā)動(dòng)機(jī)功率的5%進(jìn)行計(jì)算, 最高壓力根據(jù)連桿載荷計(jì)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(dòng)比:613530; 柱塞數(shù)量:3; 柱塞尺寸: 127mm (5英寸 ; 沖程長(zhǎng)度:20312mm (8英寸 ; 最高壓力:8016MPa (11685p si ; 發(fā)動(dòng)機(jī)功率:1676k W (2250hp ; 連桿載荷:13116kN (29596lbs ; 傳動(dòng)箱效率:98%。(2 發(fā)動(dòng)機(jī)消耗功率風(fēng)扇:84k W (11215hp ; 取力裝置:63k W (85 發(fā)電機(jī):4k

11、W 6; 空壓機(jī):6k W (液壓系統(tǒng):37k W 。(3 傳動(dòng)箱各擋傳動(dòng)比1擋:3175; 2擋:2169; 3擋:2120; 4擋:1177; 5擋:1158; 6擋:1127; 7擋:1100。3. 計(jì)算結(jié)果在電子表格的相應(yīng)欄目, 應(yīng)用有關(guān)計(jì)算公式直接得到計(jì)算結(jié)果, 對(duì)應(yīng)欄目只需要直接的引用就可以得出相關(guān)數(shù)據(jù)。輸出參數(shù)中包括動(dòng)力數(shù)據(jù)和性能參數(shù)。在計(jì)算過程中, 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)使用要求變換調(diào)速區(qū)間。計(jì)算中如果需要調(diào)整輸入?yún)?shù), 只需要在相應(yīng)的欄目更改數(shù)據(jù), 計(jì)算結(jié)果將自動(dòng)發(fā)生變化。得出有關(guān)計(jì)算結(jié)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(dòng)機(jī)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(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(dòng)繪制是通過計(jì)算得到的性能參數(shù)表生成。首先寫明曲線的標(biāo)題和數(shù)值軸所需要顯示的單位, 然后設(shè)定坐標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)類型的散點(diǎn)圖(見圖1 。圖1自動(dòng)生成的性能曲線源數(shù)據(jù)從性能參數(shù)表中進(jìn)行選擇, X 軸數(shù)據(jù)選擇所有擋位在不

13、同轉(zhuǎn)速下的排量, Y 軸數(shù)據(jù)選擇對(duì)應(yīng)排量下的工作壓力。當(dāng)改變柱塞直徑和傳動(dòng)箱擋位后計(jì)算參數(shù)會(huì)發(fā)生變化, 性能曲線會(huì)隨之發(fā)生變化。由于柱塞直徑的變化, 會(huì)造成坐標(biāo)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(shí)可以根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù), 調(diào)整坐標(biāo)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(shè)備性能參數(shù)及曲線的自動(dòng)生成采用Excel 電子表格, 利用其計(jì)算和函數(shù)功能, 解決了繁瑣的設(shè)計(jì)計(jì)算過程, 設(shè)計(jì)人員采用該軟件可以減少計(jì)算工作量, 提高設(shè)計(jì)精度, 并為用戶提供規(guī)范和全面的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析, 工程技術(shù)人員可以根據(jù)設(shè)備提出的要求和配置狀況, 合理地選擇動(dòng)力配置、柱塞泵型號(hào)和柱塞直徑, 減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤, 避免配置方案上的局限性。表1性能參數(shù)表傳動(dòng)箱擋位沖次/m in -1發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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