KY100/30Q大流量钻井用空压机组的研制

时间：2024-09-03

黄小兵明章杰

(1.攀枝花学院机械工程学院，四川攀枝花 617000;2.四川宏华石油设备有限公司成都研发部，成都 610036)

气体钻井具有钻速快、钻井周期短、有效保护和发现油气层、克服井漏、防止水敏性泥页岩坍塌、延长钻头使用寿命等优点，为裂缝性、低压油气藏勘探开发提供了重要的技术手段，在国内有着较大的需求和广阔的发展空间［1－4］。

空压机是气体钻井的核心设备，螺杆式空气压缩机是气体钻井作业应用最多的一种，主要采用柴油机作为动力源，单台空压机的产气量小，气体钻井中需配置多台，且主要依赖进口。因此，设备成本高、体积大及售后服务不及时等问题在一定程度上制约着我国气体钻井技术的发展。

1 国内气体钻井用空压机现状

国内气体钻井用空压机主要从美国阿特拉斯·科普柯(Atlas Copco)公司和寿力公司(SULLAIR CORPORATION)引进，总量超过500台，这些空压机输出压力在2～3 MPa，排量为25～40 m3/min。国内生产气体钻井专用空气压缩机的厂家主要有天津凯德实业有限公司和成都天然气压缩机厂，天津凯德实业有限公司生产的空气压缩机主要由美国寿力1500/350双级螺杆空压机、Caterpillar 3412E柴油发动机撬装而成，成都天然气压缩机厂生产的空气压缩机主要由阿特拉斯·科普柯Xrv12空压机、Caterpillar C15柴油发动机撬装而成。目前，浙江开山压缩机股份有限公司已开发出可用于气体钻井的高压大流量螺杆压缩机。Atlas Copco大型空压机在国内的应用统计见表1。

表1 Atlas Copco大型空压机在国内的应用统计

在气体钻井中，需要的气体注入量一般在100～200 m3/min，甚至更高，目前国内外尚无直接提供这种大流量的气体钻井专用的空气压缩机装置。通常的做法是:采用4～10台螺杆空气压缩机并联工作，以达到气体钻井对气体流量的要求。因此，气体钻井中使用的气体设备数量多、移运难度大、设备占地面积大，导致气体钻井成本高。开发大流量空压机不仅可减少空压设备数量和占用井场的面积，还可减小设备移运难度、降低气体钻井作业成本。

2 总体方案及技术参数

2.1 总体方案

KY100/30Q大流量钻井用空压机组采用变频电机取代柴油机作为螺杆空气压缩机的动力，由于电机的噪声小、振动小、重量轻，也就省去了柴油机的隔声罩、消声器、油箱及冷却等装置，从而简化整个装置的结构，减小整个装置的振动、重量及噪声，采用变频电机也使整个装置的压缩空气流量容易实现精确可调，更好满足气体钻井的工艺要求。同时，利用模块化的设计思想，把3台螺杆空气压缩机并行集中撬装成一台空压机组(图1)，以提高单台空压机组的产气量，减少气体钻井中使用空压机组的数量，减少气体设备的占地面积。

图1 KY100/30Q大流量钻井用空压机组方案

2.2 技术参数

KY100/30Q大流量钻井用空压机组的技术参数为:

(1)额定流量:106.2 m3/min;

(2)额定压力:3.0 MPa;

(3)额定功率:1400 kW;

(4)驱动方式:变频电动;

(5)外观尺寸:小于或等于8.5 m×2.8 m×3.0 m。

KY100/30Q大流量钻井用空压机组在配合电动钻机实施气体钻井作业时，只需配置2台(净占地面积约50 m2)就可满足注气量要求。

3 关键零部件

(1)螺杆机头

KY100/30Q大流量钻井用空压机组选用ATLAS ORX 12螺杆机头，其工作特性曲线见图2。

图2 ORX 12螺杆机头工作特性曲线

(2)驱动电机

KY100/30Q大流量钻井用空压机组采用3台变频调速异步电动机分别作为3台螺杆机头的动力，各驱动电机独立运行。电机自带冷却风机，强迫风冷，绝缘等级:H级;工作制:S1;防护等级:IP44(主体)、IP55(接线盒);绝缘等级:H。适应气体钻井作业工况及环境，驱动电机工作特性曲线见图3。

图3 驱动电机工作特性曲线

采用变频调速异步电动机可以配合泥浆泵的变频控制器对其中任一台电机调速，实现对螺杆机头产气量的调节，以更好地满足气体钻井工艺对注气量的要求。

(3)控制柜

KY100/30Q大流量钻井用空压机组控制柜采用RS－485通讯接口，可集成，可靠性高，性价比高，采用LCD中英文显示，对电机具有短路、堵转、缺相、过载、不平衡等全方位保护功能，可对电机进行起停和运行控制，对空压机进行防逆转保护，对多点温度进行检测与控制保护，能够自动调节负荷率控制压力平衡，同时具有远程/机旁选择控制以及联动/独立选择运行。

(4)噪声控制及其他

为了有效控制KY100/30Q大流量钻井用空压机组的噪声，撬座四周设计了隔声门板及顶部隔声棚，门板加装密封条，罩内做吸声处理并有较牢固的护面层。尽量减少管道弯头，管道之间光滑过渡，弯头半径尽量取大值。在空冷器风机入口端设计有一定形状的整流罩，并适当增加风机叶轮与冷却器的轴向间距。此外，驱动电机与螺杆机头采用法兰联结，确保轴向对中及传递扭矩以降低对撬座加工精度的要求。