縮短水射流實驗調壓時間的改進方法

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]。現場射流工藝參數的確定有賴于室內射流模擬實驗，隨著室內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。經過對高壓水射流試驗系統[10]進行的26次實驗各步驟平均耗時統計（如圖1）可看出，水射流實驗6個步驟中調壓階段所消耗的時間最多，單套實驗平均調壓時間達到12.42 min，約占單套實驗總時間的72.8%。調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，根據水射流實驗壓力調控特點，分析了導致調壓時間過長的因素，并制訂了一套縮短射流實驗調壓時間的方法。

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

系統主要由高壓泵站、磨料供給系統、水射流實驗臺、3DPIV測試系統和數據采集系統等構成[8]，其系統組成如圖2所示。

圖2 水射流實驗系統組成示意圖

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

圖3 水射流實驗系統液體流向示意圖

系統泵壓的調節是通過控制回路調節閥的開度來實現的，回路調節閥開度增大，系統泵壓降低，回路調節閥開度減小，系統泵壓升高。

1.2 調壓4個階段

根據水射流實驗系統泵壓調節的過程，將調壓分為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個階段的調壓目標值均為一個壓力范圍，而終壓段的調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 水射流實驗調壓4個階段目標壓力 MPa

對過去26套次實驗調壓時間進行統計，整理出單套實驗各階段平均調壓時間數據如表2所示。

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

表2 調壓各階段平均耗時

1.3 調壓時間影響因素

1.3.1 人工調閥穩定性差

系統泵壓的調節是通過控制回路調節閥的開度來實現的，水射流實驗系統額定工作壓力為31.5 MPa，而通常水射流實驗的設計壓力值一般在15～25 MPa，根據水射流連續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時射流速度誤差應控制在5 m/s范圍以內，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。根據回路閥門針形結構特性，泵壓越高，閥門調節靈敏度越高，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，則閥門開度調節必須控制在0.3%以內，而對應的閥桿轉動角度應控制在8°以內。現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，統計了每一次閥桿轉動角度的數據如表3所示。

表3 3名操作人員測試轉動閥桿角度數據表（°）

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

1.3.2 操作與信息不同步

水射流實驗系統的設備布局示意如圖4所示，泵壓調節與數據信息位于不同的房間。

圖4 水射流實驗系統設備布局示意圖

實驗過程中，泵壓數據通過傳感器傳遞給數據信息室，數據信息室的技術人員收到數據后將調壓指令通過對講機傳達給泵壓調節室的操作人員來完成調壓操作。在低壓段、中壓段和高壓段，各段調壓目標值為一個壓力范圍，操作人員可以通過調壓閥處的壓力表來獲取讀數，因此調壓效率比較高；而在終壓段，壓力表分度值較大，無法讀取精準讀數，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）進行了統計，數據統計結果如表4所示。

表4 終壓段調壓時間與等待時間數據表

從統計數據分析可知，終壓段等待時間與調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壓時間影響大。

此外，通過實驗歷史記錄調研和現場測試，對水射流實驗類型、實驗員操作熟練度、設備維護保養、用水水質、設備噪聲和振動進行了單因素分析，發現這些因素對終壓段調壓時間影響很小，因此人工調閥穩定性差、操作與信息不同步是導致調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選。針對人工調閥穩定性差的問題，提出了3條對策：1）在原調節閥基礎上，設計加工機械手，通過與電動機匹配進行控制調閥；2）定制新的閥桿與閥芯，減小閥桿螺距，提高調壓精度；3）更換新的自動控制調節閥及配套裝置。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，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）在泵壓調節室設置數據顯示窗口，使操作者實時掌握壓力信息；2）將調閥控制與數據信息進行集成，實現遠程操作與監測。對策1）可實現泵壓調節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據信息反饋的問題。實驗中終壓可能會經常改變，對應壓力調節仍需較長時間。而對策2）可以實現在控制室對調壓閥的遠程控制，做到操作與信息的實時監測，操作者與指揮者可以實時共享數據信息，實現指令的快速下達、執行與反饋，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節電控機械手系統，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（位于數據信息室內），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，控制器將控制參數轉換為電信號發送給變頻器，變頻器將電信號發送給電動機，電動機執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，實現泵壓精細調節。

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 調閥控制與數據信息集成

將調壓操作與數據信息顯示集成在一個控制界面，形成操作與信息的統一。控制界面主要包括遠程控制柜和泵壓調節控制程序，該遠程控制柜實物如圖8所示。

圖8 遠程控制柜實物圖

對應的泵壓調節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節，軟件界面可對水泵壓、閥門刻度和油溫進行實時顯示，可以實現系統運行狀態監測，最小閥門開度、最大壓力的參數設置，能夠實現對高壓水射流泵壓的遠程控制和精細調節。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

根據電控機械手轉動步長，該程序設置了10級調壓倍速，通過設置不同的調壓倍速值可以實現泵壓調節效率和控制精度的調整，在低壓段時設置高倍速，提高調壓效率，在終壓段時設置低倍速，提高調壓精度。

遠程控制柜安裝和調壓控制程序測試就續后開展了聯機調試，閥桿轉動均勻，泵壓調節平穩，在調壓倍速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%。調節操作與數據信息銜接緊湊、交互順暢。聯機調試界面如圖10所示。

圖10 聯機調試界面

3 效果分析

利用安裝好的電控機械手和調壓控制程序開展了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，驗證調壓方式改進后的效果。

實驗中，泵壓調節采用分段方式，低壓段設置調壓倍速為10倍速，中壓段設置調壓倍速為5倍速，高壓段設置調壓倍速為2倍速，當壓力升高至15 MPa左右時，將調壓倍速降低至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，泵壓均一次性調節至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，泵壓均一次性調節至20 MPa，調壓各階段及總調壓時間數據統計如表5所示。

表5 驗證實驗調壓各階段數據表min

根據表5中噴嘴流場測試調壓各階段數據與現狀調查中各階段調壓時間數據進行分析，繪制出柱狀對比圖如圖11所示。

圖11 措施前后調壓各階段數據對比圖

由統計分析可知，“終壓段調壓時間過長”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

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

表6 單套次實驗節約電量和水量計算表

4 結語

1）針對人工調閥穩定性差、操作與信息不同步而導致的終壓段人工調壓時間太長的問題，優化改進了調壓方式。在原調節閥基礎上，設計加工機械手，通過與電動機匹配進行控制調閥，并將調閥控制與數據信息進行集成，實現遠程操作與監測。

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

3）提出的遠程機電控制調節方式還可應用于閥門安裝位置太高或閥門調節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。