石油钻机供气系统分析计算及选型配置

蒋合艳，郭军光，郭小艳，许永雷，周小峰

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡 721002）

1 引言

石油钻机供气系统是油田钻机配套使用的辅助设备。主要由空气压缩机、干燥机、储气罐、过滤器、管线等组成，可输出无油、无水、无尘的洁净的压缩空气，满足石油钻机设备的用气需求。

石油钻机压缩空气主要用于启动柴油机、控制用气、驱动风动工具等。因每台石油钻机配套的气动设备不同，使用工况不同，所需的压缩空气流量就会有差异；以往石油钻机上配套的供气系统均凭经验选取，当压缩机流量选取保守时，可能会出现用气量不足的问题，一方面影响钻井效率；另一方面影响离合器类保压设备的传递力矩，存在安全隐患，当压缩机流量选取过于充裕时，会增加成本。因此分析各用气设备的使用工况，合理的选择供气设备显得十分必要。

2 最大用气工况分析及最大耗气量的确定

ZJ70DB型常规陆地钻机配套的气动设备主要包括柴油机、风动旋扣器、风动绞车、各离合器和控制阀件用气，而对供气系统压缩机选型有影响的主要为耗气量大，用气时间长的设备。根据钻井气动设备工作情况，气量需求最大和工作时间最长的工况主要存在于用5T风动绞车接钻杆工况。5T风动绞车接钻杆和提升钻杆工况分析如表1所示，由表1可知，耗气量最大的工况是表1中“1”至“5”连续工作的工况，后续计算的耗气量以“1”至“5”的平均耗气量计算，为14 m3/min，最长连续用气时间为“1”至“5”步的时间总和，为5.84 min。表1中数值根据70DB型钻机配套设备的设计参数计算得出。

因石油钻机各用气设备之间的气量、工作气压和工作时间周期差异较大，为了提高压缩机的使用寿命和合理的利用能源，一般供气系统至少会配置2台压缩机，各压缩机之间通过压力梯度来实现顺序控制，同时，压缩机的加载和卸载压力均可根据用气情况自行设定。

3 供气系统选型计算

3.1 干燥机形式的确定

因常规陆地钻机要求满足的环境温度多数都是-20～-50 ℃，又因微热再生式干燥机压力露点能达到零下-20～-70 ℃和微热再生式干燥机自身再生耗气量小于无热再生式干燥机，所以，本文按微热再生式干燥机选型计算。

3.2 压缩机额定流量选型计算公式的确定

为了降低进入干燥机的压缩空气的温度，减少干燥机的负荷和减少大用气设备用气时造成管道压力波动，所以，干燥机与压缩机之间和大用气设备附近均会设置缓冲罐；因石油钻机用气设备工作相对频繁，气罐及管道气体随温度变化相对较小，下文计算中不考虑温度影响。根据能量守恒定律，在设备一个工作周期内，压缩机、储气罐和设备耗气量之间的关系可表示为

式中Q总压——压缩机总的排气量（m3/min）

V总罐——供气系统所配气罐总容积（m3）

Q耗——单位时间内最大用气设备的最大耗气量（m3/min），Q耗=14 m3/min

Q总耗——单位时间内用气设备的总耗气量（m3/min）

p1——气罐初始压力（bar），等于压缩机所设定的最高卸载压力

p2——气罐允许的最低工作压力（bar），根据5T风动绞车厂家推荐，此处取0.5 MPa

∂——空气干燥机的再生耗气量，参考文献[1]，按10%计算

β——为压缩机打风量公差允许，按5%计算

t——最大用气工况的连续使用时间（min），t=5.84 min

k1——漏损系数，k1=1.15～1.5，参考文献[1]，取1.2

k2——备用系数，k2=1.3～1.6，因此处以最大平均耗气量计算的，计算时取小值，取1.3

k3——利用系数，参考文献[2]，取0.7

结合压缩机在油田现场实际工作工况，假设第一台空压机在t1时间后投入使用，第二台空压机在t2时间投入使用，第n台空压机在tn时间投入使用，则

表1 5T风动绞车接钻杆工况分析表

假设连续用气总时间为设定t，则第一台空压机提供的空气量为

第二台空压机提供的空气量为

......

第n台空压机提供的空气量为

由（1）（2）（9）得

式中Q压——所需压缩机的排气量（m3/min）

p1启——第一台压缩机的设定启动压力（bar）

p2启——第二台压缩机的设定启动压力（bar）

pn启——第n台压缩机的设定启动压力（bar）

t0——压缩机的启动响应时间，由压缩机厂家推荐，取0.25（min）

其中，p1启＞p2启＞......＞pn启，上述式（10）中未定义符号与上述式（1）相同。

3.2 储气罐容积和压缩机额定流量的确定

为了降低进入干燥机的压缩空气的温度，减小干燥机的负荷，压缩机之后干燥机之前会设置一个储气罐；同时，为了避免因钻台大用气设备用气导致供气管路的压力波动，影响控制用气的稳定，集中用气处的钻台底座内会设置另一个储气罐。考虑安装因素，依据以往经验，房体内的储气罐容积一般为1～4 m3，储气罐数量一般为1～2台，钻台底座储气罐总容积一般为6 m3，供气系统所配气罐总容积为7～10 m3。

因压缩机的价格相对储气罐较贵，所以起初尽量选小压缩机台数，选大储气罐容积，假设上式（10）中n为2，V总罐为10 m3，因用气设备的最高工作压力为8 bar，参考文献[6]，压缩机的额定压力选定为10 bar，假设第一台压缩机的启动压力为9 bar，第二台压缩机的启动压力为8bar，第一台压缩机的卸载压力为10 bar，将上述假设值代入公式（10），可得Q压≥5.2（m3/min），根据寿力样本，Q压流量圆整为5.6 m3/min。然后，参考文献[6]，确定安装于压缩机后的储气罐（湿罐）的容积，即

V1——房内所配湿罐容积（m3）

安装在房内的储气罐总容积

式中V房总——房内所配气罐总容积（m3）

V底——钻台底座所配气罐总容积（m3）

因气源房高度和宽度尺寸常为3 m，无足够空间安装4 m3气罐，同时，为了减少制造成本，在满足式（11）中的条件时，房内一般设置2个容积相同的罐，即

式中V1——房内所配湿罐容积（m3）

V2——房内所配干罐容积（m3）

一个装于压缩机之后，降低进入干燥机的压缩空气的温度，减少干燥机的负荷并储存气体，当湿罐使用，一个安装于干燥机之后，储存气体当干罐使用。

同时，公式（10）中的储气罐总容积、压缩机加卸载压力的设置值，可兼顾经济因素和安装因素两个方面，根据实际所需来灵活的配置。

3.3 干燥机压力露点、实际处理量及数量的确定

因常规陆地钻机要求满足的环境温度多数为-20～-50 ℃，并结合参考文献[3]、[4]可知，干燥机的压力露点选定为-40 ℃。

干燥机实际处理量，结合压缩机流量并根据厂家样本选取，干燥机数量需结合用气设备实际用气情况确定，因微热再生式干燥机干燥再生的工作周期长，当最大用气量只是短时连续用气，且连续用气时间远小于干燥机的工作周期时，压缩机的使用可考虑为一备一用的情况，干燥机的处理量满足处理一台压缩机的排气量即可，当最大用气量连续用气时间接近于或大于干燥机的工作周期时，干燥机的处理量需与压缩机的实际流量对应。

3.4 过滤器数量及实际处理量的确定

石油钻机配套的风动工具用气品质较低，仪表用气品质较高，应按照较高的标准选择压缩空气的净化设备。参考文献[4]、[5]可知，干燥机前需设置一个预过滤器和除油过滤器，干燥机之后需设置一个除尘过滤器，过滤器的处理量结合压缩机流量并根据厂家样本选取。

3.5 供气系统管径确定

参考文献[2]、[8]可推导出供气系统管径计算公式如下

式中Q——压缩机排出的容积流量或气动设备耗气量（ANR，m3/min）

V——压缩气体在管道内的推荐流速，取8～15m/s

p——压缩气体在管道内的压力，bar

Pa——标准大气压（bar），Pa=1bar

D——管路公称通径，mm

经计算得：D=55 mm，参照管线规格，圆整为65 mm。

3.6 管路压降的确定

由图1计算管路压降，具体过程为已知管长，管径，空气流量，工作压力，由已知参数，先在“管道直径的列线图”中的A、B、D、E直线中找到与实际对应的A1、B1、D1、E1等各点，其次，连接A1点与B1点并延长与C直线交于C1点，其次，连接C1点与D1点并延长与直线F交于F1点，然后，连接E1点与F1点并延长与G直线交于G1点，G1点对应的值即为管道的压力降，由图3可知，管道压力降为0.0085 MPa。

整个钻机供气系统的压力降为

式中p干——气体流经干燥机的压力降，制造厂家推荐取0.02 MPa

p过——气体流经过滤器的压力降总和，参考文献，取0.073 MPa

p管——压缩气体在管道内的压力

p辅——管接头等气路辅件的总压降，一般值很少，计算时，可忽略

参考文献[8]，并结合钻机压缩机最大排气压力（1.0 MPa）和常规陆地钻机配套气动设备的最大工作气压（0.8 MPa），管道压力降为0.11 MPa，满足使用要求。

图1 管道直径的列线图

4 结论

本文通过分析石油钻机最大耗气量使用工况，结合参考文献及以往设计经验，推导出压缩机流量选型计算公式，确定了常规石油钻机配套压缩机的流量及数量、明确了干燥过滤净化方案，并计算出配套管道管径及压降，为后续供气系统设计提供参考。