固井和压裂设备性能参数及曲线的自动生成

1、! 应用技术#固井和压裂设备性能参数及曲线的自动生成吴汉川李莉莉( 江汉石油管理局第四石油机械厂摘要为满足固井和压裂设备设计人员、产品验收和操作人员对设备性能参数经常使用的要求, 设计采用M icr os oft Office Excel 电子表格, 利用其计算和函数功能, 输入固井和压裂设备的原始参数, 就可得到相应的性能参数并自动生成性能曲线。该软件可直观地分析性能参数的合理性, 减少设计计算工作量, 提高设计精度, 还可使技术人员合理地选择固井和压裂设备的动力配置, 避免配置方案的局限性。关键词固井设备压裂设备性能参数性能曲线引言的发动机, 通过设计计算, 得到设备在发动机不同转速、传动

2、箱在不同工作挡位时, 柱塞泵所输出的理论排量、对应的最高工作压力和输出水功率等参数。长期以来, 设计人员在设计配置方案时, 需要反复调整设计数据, 才能计算出设备的性能参数。当调整某一个输入数据后, 需要重新进行计算; 由于在计算中对中间数据的取整各不相同, 造成不同的设计人员对相同的设计方案得出不同精度的计算结果。另一方面, 由于计算工作量大, 设计人员只能在有限的几种方案中进行选择, 得到的性能参数只是单一转速下的数据, 因此提出的配置方案并非就是最合理的。采用固井和压裂设备性能参数及曲线的自动生成电子表格, 可以使设计人员通过调整输入参数迅速计算出配置方案的性能参数。当需要调整某个输入参

3、数时, 只需要在表格中改变对应项目, 所有计算会相应地发生变化, 并得出计算结果。该电子表格可以减少计算工作量, 提高设计精度, 规范设计数据。由于计算所提供的数据是在传动箱闭锁工况下不同转速所对应的排量和压力数据, 设备操作人员可以根据设备在不同转速和工作挡位的性能参数表, 参照施工工艺的要求正确调整发动机转速和传动箱工作挡位, 减少固井和压裂设备在施工作业操作中的盲目性。输入参数11发动机通常情况下固井和压裂设备所使用的发动机最高工作转速为18002100r/min, 发动机与液力传动箱连接后, 为保证设备正常运行, 液力传动箱在短时间的换挡操作后, 必须在闭锁工况下运行, 所以发动机实际

4、工作转速为15002100r/min 。电子表格的输入参数根据发动机实际工作转速的不同, 采用了5个级别的转速, 分别计算出发动机在不同输出转速下, 柱塞泵的工作冲次、最高工作压力、理论输出排量和输出功率等参数。在实际计算中采用的是发动机有效输出功率, 所以需要输入其它附件所消耗的功率, 主要包括:风扇所消耗的功率、发电机和空压机所消耗的功率以及其它取力装置所消耗的功率等。21液力传动箱液力传动箱内带减速器, 通常情况下有58个挡位, 在计算中需要输入各个工作挡位的传动比和传动效率。对于不同的固井、压裂设备配置状况, 并不是所有的挡位都能使用, 还应该考虑闭锁转速、最高工作压力和柱塞泵最高冲次

5、等因素, 合理选择传动箱的工作挡位。31柱塞泵参数柱塞泵输入参数包括:柱塞泵动力端齿轮减速比(在有链条箱减速的情况下, 应该将2个速比的乘积值输入到相应的表格位置 、柱塞数量(三582006年第34卷第9期石油机械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY 缸泵或者五缸泵 、柱塞直径、冲程长度、机械传动效率、容积效率和连杆最大载荷等。计算公式11通过柱塞直径计算柱塞面积A =D 24式中A 柱塞面积, mm 2;D 柱塞直径, mm 。21工作压力的确定p =N A式中p 工作压力, MPa;N 连杆最大载荷, N 。31柱塞泵工作冲次计算R =R 1 (I 1I 2 式中

6、R 泵工作冲次, m in -1;R 1发动机转速, r/min; I 1泵内齿轮减速比;I 2传动箱速比。41柱塞泵输出排量计算Q 式中Q , m 3/min;1柱塞泵容积效率, %; K 柱塞数量; L 冲程长度, mm 。51柱塞泵的输出水功率W 1=p Q式中W 1柱塞泵的输出水功率, k W 。61柴油机实际提供给柱塞泵的功率W 2=(W 3-W 4 23式中W 2柴油机实际提供给柱塞泵的功率,k W ;W 3柴油机净输出功率, k W; W 4辅助系统消耗的功率, k W ; 2传动箱传动效率, %; 3柱塞泵传动效率, %。计算说明1. 不同转速和不同挡位下工作压力的确定柱塞泵工

7、作压力应该根据柴油机实际提供给柱塞泵的功率、不同转速和传动箱在不同挡位下的输出排量进行计算。当计算压力超过柱塞泵在该柱塞直径下所能承受的最高工作压力时, 表格中限定的最高压力为工作压力, 此时再根据限定的工作压力和工作排量, 计算柱塞泵实际输出功率。2. 最高工作压力的确定柱塞泵的最高工作压力是根据柱塞泵所设计的最大连杆载荷所确定的参数。对于同一种柱塞泵而言, 不同柱塞直径的最高工作压力是不同的, 固井和压裂设备在实际使用过程中不允许超过最高压力值, 否则将损坏柱塞泵。3. 发动机功率的变化发动机的标定功率是指在额定转速下(最高工作转速 的净输出功率, 一般不包括风扇和其它附属装置的消耗, 所

8、以在实际计算中应该考虑上述装置所消耗的功率值。另一方面, 固井和压裂设备在施工中实际的工作转速是在一定范围内调节的( , 当发动机转速降低时, , 根据不同的发动机4. 工作挡位的确定通常情况下液力传动箱有58个工作挡位。在计算中应根据柱塞泵的最高冲次来选择传动箱的工作挡位。如果在某个挡位上的计算冲次超过柱塞泵的最高工作冲次, 该挡位就不能使用。5. 计量单位考虑到国内外固井和压裂设备性能参数所采用计量单位不同, 在电子表格中输入参数和计算结果分别采用公制和英制2种计量单位。软件编写及说明采用M icr os oft Office Excel 2003办公软件进行编写。Excel 是功能齐全的

9、电子表格, 它功能强大、操作方便, 除了可以快速、方便地处理各种表格外, 还可以对表格中的数据进行计算和统计并生成曲线。下面以Y L1051490压裂车为例进行参数的输入、计算和曲线生成。1. 创建表头创建表头的目的是为生成规范的打印输出格式。需要输入的内容包括:固井和压裂设备型号、发动机型号、传动箱型号和柱塞泵型号。固井和压裂设备型号:Y L1051490压裂车; 发动机型号:CAT 3512B;传动箱型号:ALL I S ON S9800;柱塞泵型号:3Z B 1490。 2. 输入参数在工作表格的相应位置输入发动机、传动箱和柱塞泵的参数, 考虑到使用的习惯性, 采用英制单位输入, 输入完

10、成后在对应的表格位会自动生成公制数据。发动机风扇消耗的功率以发动机功率的5%进行计算, 最高压力根据连杆载荷计算得出。(1 主要参数柱塞泵输入功率:1676k W (2250hp ;柱塞泵效率:95%;柱塞泵传动比:613530; 柱塞数量:3; 柱塞尺寸: 127mm (5英寸 ; 冲程长度:20312mm (8英寸 ; 最高压力:8016MPa (11685p si ; 发动机功率:1676k W (2250hp ; 连杆载荷:13116kN (29596lbs ; 传动箱效率:98%。(2 发动机消耗功率风扇:84k W (11215hp ; 取力装置:63k W (85 发电机:4k

11、W 6; 空压机:6k W (液压系统:37k W 。(3 传动箱各挡传动比1挡:3175; 2挡:2169; 3挡:2120; 4挡:1177; 5挡:1158; 6挡:1127; 7挡:1100。3. 计算结果在电子表格的相应栏目, 应用有关计算公式直接得到计算结果, 对应栏目只需要直接的引用就可以得出相关数据。输出参数中包括动力数据和性能参数。在计算过程中, 发动机的转速可以根据使用要求变换调速区间。计算中如果需要调整输入参数, 只需要在相应的栏目更改数据, 计算结果将自动发生变化。得出有关计算结果如下:柱塞泵最大输入功率:1488k W (1998hp ; 柱塞泵最大输出功率:1414

12、k W (1898hp ; 泵排量:71721L /r (21040gal/r ; 消耗功率:158k W (212hp ;发动机有效输出功率:1519k W (2039hp 。得出的性能参数见表1。4. 曲线生成, 或者调整发动机的转速范, 使性能曲线分布合理, 并为用户提供满足工艺要求的优化配置方案。曲线的自动绘制是通过计算得到的性能参数表生成。首先写明曲线的标题和数值轴所需要显示的单位, 然后设定坐标轴刻度的最大值、最小值和刻度单位, 以保证所生成的曲线在合理的区域内显示。曲线采用标准类型的散点图(见图1 。图1自动生成的性能曲线源数据从性能参数表中进行选择, X 轴数据选择所有挡位在不

13、同转速下的排量, Y 轴数据选择对应排量下的工作压力。当改变柱塞直径和传动箱挡位后计算参数会发生变化, 性能曲线会随之发生变化。由于柱塞直径的变化, 会造成坐标轴的最大和最小值发生较大的变化, 在可视的范围内不能全部显示。此时可以根据计算数据, 调整坐标轴的最大值和最小值, 使生成的曲线在合理的范围内显示。固井和压裂设备性能参数及曲线的自动生成采用Excel 电子表格, 利用其计算和函数功能, 解决了繁琐的设计计算过程, 设计人员采用该软件可以减少计算工作量, 提高设计精度, 并为用户提供规范和全面的设计数据。通过对计算结果的分析, 工程技术人员可以根据设备提出的要求和配置状况, 合理地选择动力配置、柱塞泵型号和柱塞直径, 减少设计错误, 避免配置方案上的局限性。表1性能参数表传动箱挡位冲次/m in -1发动机转速/(r m in -1 排量压力柱塞泵输出功率/(gal m in -1(m 3m in -1 p si MPa hp k W 功率利用