劉輝，李國(guó)，黃晶，漆文龍，王柯，劉森，李尤，范利彬

（中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院，國(guó)家能源高含硫開采研發(fā)中心，四川廣漢 618300）

0 引言

水射流技術(shù)在石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)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]?，F(xiàn)場(chǎng)射流工藝參數(shù)的確定有賴于室內(nèi)射流模擬實(shí)驗(yàn)，隨著室內(nèi)實(shí)驗(yàn)工作量的逐漸增大，如何高效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、降低單次實(shí)驗(yàn)的用時(shí)及人力物力成本成為當(dāng)下水射流實(shí)驗(yàn)需要解決的重點(diǎn)。經(jīng)過對(duì)高壓水射流試驗(yàn)系統(tǒng)[10]進(jìn)行的26次實(shí)驗(yàn)各步驟平均耗時(shí)統(tǒng)計(jì)（如圖1）可看出，水射流實(shí)驗(yàn)6個(gè)步驟中調(diào)壓階段所消耗的時(shí)間最多，單套實(shí)驗(yàn)平均調(diào)壓時(shí)間達(dá)到12.42 min，約占單套實(shí)驗(yàn)總時(shí)間的72.8%。調(diào)壓時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致整套實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)效率低，同時(shí)也增加了能源資源的消耗量。為有效解決該問題，根據(jù)水射流實(shí)驗(yàn)壓力調(diào)控特點(diǎn)，分析了導(dǎo)致調(diào)壓時(shí)間過長(zhǎng)的因素，并制訂了一套縮短射流實(shí)驗(yàn)調(diào)壓時(shí)間的方法。

圖1 水射流實(shí)驗(yàn)各步驟平均耗時(shí)柱狀圖

1 問題分析

1.1 水射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由高壓泵站、磨料供給系統(tǒng)、水射流實(shí)驗(yàn)臺(tái)、3DPIV測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成[8]，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 水射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

液體經(jīng)增壓泵增壓后，一部分經(jīng)回路流向水箱，另一部分從磨料供給系統(tǒng)流向水射流實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過噴嘴或工具形成高壓射流，并完成性能測(cè)試。系統(tǒng)液體流向如圖3所示。

圖3 水射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)液體流向示意圖

系統(tǒng)泵壓的調(diào)節(jié)是通過控制回路調(diào)節(jié)閥的開度來實(shí)現(xiàn)的，回路調(diào)節(jié)閥開度增大，系統(tǒng)泵壓降低，回路調(diào)節(jié)閥開度減小，系統(tǒng)泵壓升高。

1.2 調(diào)壓4個(gè)階段

根據(jù)水射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)泵壓調(diào)節(jié)的過程，將調(diào)壓分為4個(gè)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(gè)階段的調(diào)壓目標(biāo)值均為一個(gè)壓力范圍，而終壓段的調(diào)壓目標(biāo)值為一個(gè)確定的壓力值。4個(gè)階段分布與目標(biāo)壓力如表1所示。

表1 水射流實(shí)驗(yàn)調(diào)壓4個(gè)階段目標(biāo)壓力 MPa

對(duì)過去26套次實(shí)驗(yàn)調(diào)壓時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整理出單套實(shí)驗(yàn)各階段平均調(diào)壓時(shí)間數(shù)據(jù)如表2所示。

調(diào)壓前3 個(gè)階段的目標(biāo)值是一個(gè)壓力范圍，均能夠一次調(diào)節(jié)到位，而終壓段是一個(gè)壓力值，需反復(fù)調(diào)節(jié)才能夠到位。從表2可以看出，在4個(gè)階段中終壓段調(diào)節(jié)所消耗的時(shí)間最多，平均耗時(shí)達(dá)到了10.02 min，占單套實(shí)驗(yàn)調(diào)壓時(shí)間比值約為80.68%。由此可見，終壓段調(diào)壓時(shí)間過長(zhǎng)是導(dǎo)致整個(gè)水射流實(shí)驗(yàn)調(diào)壓時(shí)間過長(zhǎng)的癥結(jié)所在，如果能將該問題解決，水射流實(shí)驗(yàn)調(diào)壓時(shí)間就可得到大幅縮減。

表2 調(diào)壓各階段平均耗時(shí)

1.3 調(diào)壓時(shí)間影響因素

1.3.1 人工調(diào)閥穩(wěn)定性差

系統(tǒng)泵壓的調(diào)節(jié)是通過控制回路調(diào)節(jié)閥的開度來實(shí)現(xiàn)的，水射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)額定工作壓力為31.5 MPa，而通常水射流實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)壓力值一般在15～25 MPa，根據(jù)水射流連續(xù)性方程和伯努利方程推導(dǎo)出射流噴嘴前后壓差與流速的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

式中：v為射流速度，m/s；Δp為噴嘴前后的射流壓差，MPa。

根據(jù)工程應(yīng)用要求，泵壓在15 MPa以上時(shí)，對(duì)油套管進(jìn)行清洗或切割作業(yè)時(shí)射流速度誤差應(yīng)控制在5 m/s范圍以內(nèi)，利用上述模型可以得到終壓段泵壓的誤差要求應(yīng)不超過1 MPa。根據(jù)回路閥門針形結(jié)構(gòu)特性，泵壓越高，閥門調(diào)節(jié)靈敏度越高，即細(xì)微的閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)造成壓力的巨大波動(dòng)。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(nèi)，則閥門開度調(diào)節(jié)必須控制在0.3%以內(nèi)，而對(duì)應(yīng)的閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度應(yīng)控制在8°以內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)針對(duì)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)開展了測(cè)試，3名實(shí)驗(yàn)操作員工分別進(jìn)行了6次閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試，統(tǒng)計(jì)了每一次閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 3名操作人員測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿角度數(shù)據(jù)表（°）

結(jié)果顯示，只有3次閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，說明要一次性調(diào)節(jié)至設(shè)計(jì)值難度很大，需要反復(fù)開關(guān)閥門進(jìn)行調(diào)壓，直到將泵壓調(diào)至設(shè)計(jì)值。

1.3.2 操作與信息不同步

水射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)備布局示意如圖4所示，泵壓調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)信息位于不同的房間。

圖4 水射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備布局示意圖

實(shí)驗(yàn)過程中，泵壓數(shù)據(jù)通過傳感器傳遞給數(shù)據(jù)信息室，數(shù)據(jù)信息室的技術(shù)人員收到數(shù)據(jù)后將調(diào)壓指令通過對(duì)講機(jī)傳達(dá)給泵壓調(diào)節(jié)室的操作人員來完成調(diào)壓操作。在低壓段、中壓段和高壓段，各段調(diào)壓目標(biāo)值為一個(gè)壓力范圍，操作人員可以通過調(diào)壓閥處的壓力表來獲取讀數(shù)，因此調(diào)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(zhǔn)讀數(shù)，需要操作與信息反復(fù)交流與確認(rèn)。

小組成員A、B開展了3套測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并對(duì)每套實(shí)驗(yàn)終壓段的調(diào)壓時(shí)間和等待時(shí)間（操作與信息反復(fù)交流和確認(rèn)所消耗的時(shí)間）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 終壓段調(diào)壓時(shí)間與等待時(shí)間數(shù)據(jù)表

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，終壓段等待時(shí)間與調(diào)壓時(shí)間的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)值5%，表明操作與信息不同步對(duì)調(diào)壓時(shí)間影響大。

此外，通過實(shí)驗(yàn)歷史記錄調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)水射流實(shí)驗(yàn)類型、實(shí)驗(yàn)員操作熟練度、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、用水水質(zhì)、設(shè)備噪聲和振動(dòng)進(jìn)行了單因素分析，發(fā)現(xiàn)這些因素對(duì)終壓段調(diào)壓時(shí)間影響很小，因此人工調(diào)閥穩(wěn)定性差、操作與信息不同步是導(dǎo)致調(diào)壓時(shí)間過長(zhǎng)的主要原因。

2 技術(shù)措施

分別針對(duì)以上2個(gè)問題提出了相應(yīng)對(duì)策并進(jìn)行優(yōu)選。針對(duì)人工調(diào)閥穩(wěn)定性差的問題，提出了3條對(duì)策：1）在原調(diào)節(jié)閥基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工機(jī)械手，通過與電動(dòng)機(jī)匹配進(jìn)行控制調(diào)閥；2）定制新的閥桿與閥芯，減小閥桿螺距，提高調(diào)壓精度；3）更換新的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥及配套裝置。對(duì)策2）是對(duì)閥體進(jìn)行改裝，加工難度和成本較高；對(duì)策3）需引進(jìn)全新的自動(dòng)控制閥門及配套控制裝置，成本極高；對(duì)策1）不改變閥門原有結(jié)構(gòu)，僅增加少量機(jī)械工裝和1個(gè)小型電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)，方法簡(jiǎn)單、成本投入低、可靠性強(qiáng)，因此選用對(duì)策1）進(jìn)行改進(jìn)。

針對(duì)操作與信息不同步的問題，提出了兩條對(duì)策：1）在泵壓調(diào)節(jié)室設(shè)置數(shù)據(jù)顯示窗口，使操作者實(shí)時(shí)掌握壓力信息；2）將調(diào)閥控制與數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與監(jiān)測(cè)。對(duì)策1）可實(shí)現(xiàn)泵壓調(diào)節(jié)室操作與信息的實(shí)時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)信息反饋的問題。實(shí)驗(yàn)中終壓可能會(huì)經(jīng)常改變，對(duì)應(yīng)壓力調(diào)節(jié)仍需較長(zhǎng)時(shí)間。而對(duì)策2）可以實(shí)現(xiàn)在控制室對(duì)調(diào)壓閥的遠(yuǎn)程控制，做到操作與信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，操作者與指揮者可以實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)指令的快速下達(dá)、執(zhí)行與反饋，因此選用對(duì)策2）進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 加裝電控機(jī)械手

設(shè)計(jì)組裝高壓水射流壓力調(diào)節(jié)電控機(jī)械手系統(tǒng)，如圖5所示。其總成由與回路閥門匹配的機(jī)械手臂（圖6所示）、轉(zhuǎn)換接頭、電動(dòng)機(jī)、變頻器、控制器等組成。機(jī)械手臂、轉(zhuǎn)換接頭、電動(dòng)機(jī)組裝后安裝于回路閥門基座上，而變頻器、控制器安裝于遠(yuǎn)程控制柜內(nèi)（位于數(shù)據(jù)信息室內(nèi)），電動(dòng)機(jī)通過電線與變頻器和控制器連接并通信。

圖5 電控機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖6 電控機(jī)械手三維圖

電控機(jī)械手通過控制器設(shè)置泵壓值、設(shè)置關(guān)閥步長(zhǎng)，按下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)按鈕，控制器將控制參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給變頻器，變頻器將電信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)執(zhí)行接收到的命令后輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)回路閥門的手輪轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到關(guān)閉或打開閥門的目的，從而達(dá)到閥桿精細(xì)控制，實(shí)現(xiàn)泵壓精細(xì)調(diào)節(jié)。

電控機(jī)械手加工后安裝實(shí)物與回路閥門改造前對(duì)比如圖7所示。

圖7 電控機(jī)械手安裝前后實(shí)物對(duì)比圖

2.2 調(diào)閥控制與數(shù)據(jù)信息集成

將調(diào)壓操作與數(shù)據(jù)信息顯示集成在一個(gè)控制界面，形成操作與信息的統(tǒng)一?？刂平缑嬷饕ㄟh(yuǎn)程控制柜和泵壓調(diào)節(jié)控制程序，該遠(yuǎn)程控制柜實(shí)物如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程控制柜實(shí)物圖

對(duì)應(yīng)的泵壓調(diào)節(jié)控制程序主要用于匹配電控機(jī)械手并對(duì)高壓水射流實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)泵壓進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，軟件界面可對(duì)水泵壓、閥門刻度和油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，最小閥門開度、最大壓力的參數(shù)設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓水射流泵壓的遠(yuǎn)程控制和精細(xì)調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程控制程序主界面如圖9所示。

圖9 遠(yuǎn)程控制程序主界面

根據(jù)電控機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)步長(zhǎng)，該程序設(shè)置了10級(jí)調(diào)壓倍速，通過設(shè)置不同的調(diào)壓倍速值可以實(shí)現(xiàn)泵壓調(diào)節(jié)效率和控制精度的調(diào)整，在低壓段時(shí)設(shè)置高倍速，提高調(diào)壓效率，在終壓段時(shí)設(shè)置低倍速，提高調(diào)壓精度。

遠(yuǎn)程控制柜安裝和調(diào)壓控制程序測(cè)試就續(xù)后開展了聯(lián)機(jī)調(diào)試，閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)均勻，泵壓調(diào)節(jié)平穩(wěn)，在調(diào)壓倍速1倍速條件下關(guān)閥一次，閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度5°，閥門開度減小約滿開度的2.5%。調(diào)節(jié)操作與數(shù)據(jù)信息銜接緊湊、交互順暢。聯(lián)機(jī)調(diào)試界面如圖10所示。

圖10 聯(lián)機(jī)調(diào)試界面

3 效果分析

利用安裝好的電控機(jī)械手和調(diào)壓控制程序開展了6組噴嘴流場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)和6組射流工具性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)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(chǎng)，以及規(guī)格φ50.8 mm的旋轉(zhuǎn)射流清洗工具在20 MPa泵壓條件下的清洗性能，驗(yàn)證調(diào)壓方式改進(jìn)后的效果。

實(shí)驗(yàn)中，泵壓調(diào)節(jié)采用分段方式，低壓段設(shè)置調(diào)壓倍速為10倍速，中壓段設(shè)置調(diào)壓倍速為5倍速，高壓段設(shè)置調(diào)壓倍速為2倍速，當(dāng)壓力升高至15 MPa左右時(shí)，將調(diào)壓倍速降低至1倍速。

3.1 效果對(duì)比

噴嘴流場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，當(dāng)壓力升高至15 MPa左右時(shí)，將調(diào)壓倍速降低至1倍速，逐漸關(guān)閉閥門至開度5.9%時(shí)，泵壓均一次性調(diào)節(jié)至18 MPa；射流工具性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，當(dāng)壓力升高至15 MPa左右時(shí)，將調(diào)壓倍速降低至1倍速，逐漸關(guān)閉閥門至開度5.2%時(shí)，泵壓均一次性調(diào)節(jié)至20 MPa，調(diào)壓各階段及總調(diào)壓時(shí)間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)調(diào)壓各階段數(shù)據(jù)表min

根據(jù)表5中噴嘴流場(chǎng)測(cè)試調(diào)壓各階段數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀調(diào)查中各階段調(diào)壓時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出柱狀對(duì)比圖如圖11所示。

圖11 措施前后調(diào)壓各階段數(shù)據(jù)對(duì)比圖

由統(tǒng)計(jì)分析可知，“終壓段調(diào)壓時(shí)間過長(zhǎng)”的癥結(jié)問題由對(duì)策實(shí)施前的10.02 min降低至對(duì)策實(shí)施后的3.51 min，總調(diào)壓時(shí)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(diào)壓方式的優(yōu)化改進(jìn)，縮短了水射流實(shí)驗(yàn)調(diào)壓時(shí)間，減少了實(shí)驗(yàn)用電量和用水量，達(dá)到了降本增效的目的。其中，單套次實(shí)驗(yàn)可節(jié)約電量28.5 kW·h，節(jié)約水量2.05 m3，計(jì)算明細(xì)如表6所示。

表6 單套次實(shí)驗(yàn)節(jié)約電量和水量計(jì)算表

4 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)人工調(diào)閥穩(wěn)定性差、操作與信息不同步而導(dǎo)致的終壓段人工調(diào)壓時(shí)間太長(zhǎng)的問題，優(yōu)化改進(jìn)了調(diào)壓方式。在原調(diào)節(jié)閥基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工機(jī)械手，通過與電動(dòng)機(jī)匹配進(jìn)行控制調(diào)閥，并將調(diào)閥控制與數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與監(jiān)測(cè)。

2）利用安裝好電控機(jī)械手和調(diào)壓控制程序的水射流實(shí)驗(yàn)裝置開展了對(duì)比驗(yàn)證，顯示單套實(shí)驗(yàn)調(diào)壓時(shí)間下降了55%，同時(shí)節(jié)省電量28.5 kW·h，節(jié)省水量2.05 m3。機(jī)電控制和遠(yuǎn)程操作提高了泵壓調(diào)節(jié)的控制精度，大幅降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)驗(yàn)周期與成本，展現(xiàn)了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3）提出的遠(yuǎn)程機(jī)電控制調(diào)節(jié)方式還可應(yīng)用于閥門安裝位置太高或閥門調(diào)節(jié)空間受限的工作場(chǎng)所，在不改變?cè)泄に嚵鞒痰幕A(chǔ)上，增加少量的配套工裝，投入少量的費(fèi)用，即可解決人工操作困難和安全風(fēng)險(xiǎn)高的問題，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。