高壓大排量洗井車的設計及應用

趙 勇，周 瑞，李樹平，張 振

（1.渤海裝備鋼管銷售公司，河北滄州 062650；2.南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210032；3.華油鋼管有限公司，河北滄州 062650；4.渤海裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘 062550）

0 引言

目前，各油田注水作業較多，現有注水井洗井車普遍存在洗井液處理不理想、洗井時間長、添加藥劑污染地層土壤等缺點。因此，在進行了大量的用戶走訪及市場調研的基礎上，于2019年開始進行高壓大排量洗井車的研制。希望研制出一種氣候適用性強，集油田注水井洗井、污水凈化處理回注、污油回收于一體的環保作業車，可以實現帶壓循環封閉保護性無損洗井，并具備自動控制和在線自清洗功能，以提高洗井作業的自動化和智能化技術水平，并完成該項技術的市場應用。

1 簡介

為了摒除現有注水井洗井車洗井液凈化效果不理想、洗井循環復雜、洗井時間長等缺點和不足，利用設計制造油田專用車多年的經驗和對油田專用車行業的了解，以及先進的設計方法和經驗豐富的設計人員，在設計過程中，主要運用CAXA 三維設計軟件及ANSYS 有限元分析軟件對各主要零部件進行詳細的設計計算。設計開發的高壓大排量洗井車，是車載式油田注水井循環清洗回注的環保水處理設備，具有帶壓循環洗井、在線反沖洗功能，操作方便，性能優越。該車型采用氣浮斜板除油技術、快速過濾器、旋流除砂技術、液壓傳動系統、井口返出高壓液減壓系統遠程控制、安全防護技術、在線反沖洗能力以及反沖洗液體回收工藝、PLC 控制與監測系統、氣壓系統設計與控制特性、大洗井壓力和洗井流量的工藝，可將洗井液中的泥沙、污油、鐵銹和水四相直接分離，分離出泥沙、含油污水、銹蝕物及其他污染物，再將經過處理的液體重新注入水井中，再次進行密閉洗井作業。

2 主要研究內容

2.1 氣浮斜板除油技術

氣浮斜板除油技術是通過在氣浮沉降箱底部安裝EDUR氣液多相泵，該多相泵制造出氣泡并吸入大量空氣。多相泵向氣浮沉降箱內部注入氣液，氣液與洗井過程中的液體完全混合，期間油水雜質附著在氣液中的氣泡上，并上浮至表層，再通過鏈條式斜板刮油裝置將上浮至表層的污油、懸浮污染物收集至污油回收箱，同時將處理后的清水通過管網注入清潔水箱。氣浮在油田水處理工藝中，在國內領先于其他處理工藝，除油和懸浮物的效果比較明顯，除油率可達95%以上，從而降低了后續過濾器的工作負荷。

2.2 快速過濾器技術及旋流除砂技術

快速過濾器技術及旋流除砂技術研究中使用的過濾系統采用3 個纖維球過濾罐，經氣浮沉降箱處理過的洗井液同時進入3 個過濾罐，過濾面積大，可實現快速過濾，且3 個過濾單元，任何一處反沖洗時，另外兩處可正常工作。過濾系統采用改性纖維球、核桃殼作為過濾材料，過濾材料可與污油水快速結合，在反沖洗時也可快速分離，系統采用氣動機械對改性纖維球收壓、疏松，氣動機械系統與自動控制系統有機結合。

研發新型旋流除砂系統，該系統采用兩級旋流除砂系統，最大處理流量36 m3/h,其中首級除砂系統采用大流量旋流除砂器，經過處理的液體經過首級除砂器的出口進入次級旋流除砂系統，次級除砂系統采用2 個小流量旋流除砂器，次級除砂系統可出去經過首級除砂系統處理后液體中的微小顆粒物,每個旋流器最大流量18 m3/h，用于去除液體中殘余的較小的泥砂，除砂率99.8%。

2.3 液壓傳動系統

液壓傳動系統優化設計與控制特性研究中，經過優化設計，由底盤液泵取力器帶動齒輪泵，驅動液壓馬達帶動鏈輪控制刮板及攪拌機構工作，攪拌機構對濾料進行反洗再生。該系統通過節流閥控制刮板的的運動速度，使運動速度與分離出來的浮渣量相匹配，可以有效防止浮渣分離不徹底的現象發生。

2.4 井口返出高壓液減壓系統控制技術

井口返出高壓液減壓系統控制技術以及安全防護技術的研究中，經過優化設計，采用閉環伺服控制系統。在減壓系統設置兩套減壓閥，可對返水進行減壓處理，使返水壓力滿足本車要求。無需洗井前提前停注。人員操作全部集中于低壓區工作，且帶遠程監控系統，極大提高了安全防護系數。

2.5 在線反沖洗能力以及反沖洗液體回收工藝

在線反沖洗能力以及反沖洗液體回收工藝的研究中，用壓差控制器及PLC 實現全自動控制反沖洗過程。

傳動系統設計時，采用全功率取力器，通過全功率取力器可使行走與作業轉換通過駕駛室的三通氣開關實現。

PLC 控制與監測系統，采用的電氣系統為過濾器PLC 控制系統、二次儀表顯示、三缸泵輸出壓力傳輸顯示裝置、入口壓力、減壓后壓力傳輸顯示裝置、入口和出口流量顯示裝置、照明系統的用電，并且能夠實現超壓自動熄火。在過濾器PLC 控制系統中進、出水壓力達到某一個差值時，壓差開關給PLC 一個信號，PLC執行反沖洗程序，反沖洗過程實現一個過濾罐反沖洗，另外兩個過濾罐可正常工作的功能。選用西門子S7-300 中型PLC 作為核心控制元件。該PLC 處理模塊響應速度為0.01～0.05 μs，控制對象點數最大可在256～1024 點，且S7-300 為模塊化設計，上述特點可充分保證它在系統中實現快速操作反應。

2.6 氣壓系統設計與控制特性設計

氣壓系統設計與控制特性設計，采用氣壓機構來控制纖維濾料的壓縮和疏松，以達到高精度的過濾和良好的反沖效果。由于纖維濾料采用機械壓實，所以不存在反沖洗后初期過濾精度降低的問題。反沖洗過程中，利用氣動控制閥和壓力差來控制出水和反沖水的分配，以達到不需反沖水池和反沖水泵的在線自我反沖洗目的。利用氣動原理，管線閥門操作均采用氣動元件完成，極大提高了操作性。

2.7 提高適應氣候能力的工藝性研究

提高適應氣候能力的工藝性研究，針對國內低溫情況，將輸油管外加保溫罩，并且通過設置盤管，盤管中通過冷卻水，將底盤車的尾氣對盤管進行加熱，再將加熱后的水對輸油管進行加熱，避免冬季污油凍結容易堵塞管道。

3 取得的主要成果

完成了一臺適用于油田注水井洗井的集水處理和洗井作業于一體的車載設備系統樣車研制及其操作系統研發。實現了高壓大排量注水洗井的使用要求，該車完全達到預期設計要求，具有帶壓循環洗井、在線反沖洗功能，操作方便，性能優越。具有可靠性、先進性、實用性等優點。該車配備了旋流除砂器、磁過濾器、氣浮沉降箱和快速過濾器，可以有效去除洗井液中的泥砂、鐵銹、污油、懸浮物及其他污染物，將泥砂、鐵銹、污油和水四相直接分離。該車采用氣浮沉降箱去除油污，超越了國內外其他同類產品的除油系統，同類產品的除油系統通過油珠的刮碰聚集進行污油收集，除油效果不太理想；氣浮沉降箱通過溶氣泵使油污快速上浮，并利用液壓馬達驅動鏈式刮板系統強力去除污油的，相比其他同類產品靠污油的自我聚結能力去除油污效果更好。該產品的過濾系統采用3 個纖維球過濾器組成的快速過濾器，比其他同類產品的核桃殼與纖維球過濾器結構更簡單，過濾速度更快，簡化了洗井流程，比其他同類產品縮短洗井時間2 h。同時，該產品相比其他同類產品擁有了在線反沖洗功能，同時洗井時不需加藥劑，避免對地層土壤造成污染，屬于保護性無損洗井。通過對華北油田西柳10-109 井洗井現場試驗時對回水和注水取樣對比，明顯看出取樣所含油污和雜質逐漸減少，經纖維球過濾器過濾后的水樣已經非常清澈，洗井效果顯著。

4 結論

該項目自2019年5月生產出第一臺樣機以來，先后多次在華北油田進行現場試驗，現場設備運行狀況及洗井效果受到使用單位的一致好評。通過洗井作業，使注水井套管內的腐蝕物、雜質等臟物被沖洗出來，避免注水井及油層被臟物堵塞，使注水作業能夠順利進行，維持底層壓力，提高油井產量，為用戶增加經濟效益。目前各油田洗井作業項目很多，對該型車配套需求增加，有巨大的市場空間。