高压大排量洗井车的设计及应用

赵 勇，周 瑞，李树平，张 振

（1.渤海装备钢管销售公司，河北沧州 062650；2.南京巨龙钢管有限公司，江苏南京 210032；3.华油钢管有限公司，河北沧州 062650；4.渤海装备制造有限公司石油机械厂，河北任丘 062550）

0 引言

目前，各油田注水作业较多，现有注水井洗井车普遍存在洗井液处理不理想、洗井时间长、添加药剂污染地层土壤等缺点。因此，在进行了大量的用户走访及市场调研的基础上，于2019年开始进行高压大排量洗井车的研制。希望研制出一种气候适用性强，集油田注水井洗井、污水净化处理回注、污油回收于一体的环保作业车，可以实现带压循环封闭保护性无损洗井，并具备自动控制和在线自清洗功能，以提高洗井作业的自动化和智能化技术水平，并完成该项技术的市场应用。

1 简介

为了摒除现有注水井洗井车洗井液净化效果不理想、洗井循环复杂、洗井时间长等缺点和不足，利用设计制造油田专用车多年的经验和对油田专用车行业的了解，以及先进的设计方法和经验丰富的设计人员，在设计过程中，主要运用CAXA 三维设计软件及ANSYS 有限元分析软件对各主要零部件进行详细的设计计算。设计开发的高压大排量洗井车，是车载式油田注水井循环清洗回注的环保水处理设备，具有带压循环洗井、在线反冲洗功能，操作方便，性能优越。该车型采用气浮斜板除油技术、快速过滤器、旋流除砂技术、液压传动系统、井口返出高压液减压系统远程控制、安全防护技术、在线反冲洗能力以及反冲洗液体回收工艺、PLC 控制与监测系统、气压系统设计与控制特性、大洗井压力和洗井流量的工艺，可将洗井液中的泥沙、污油、铁锈和水四相直接分离，分离出泥沙、含油污水、锈蚀物及其他污染物，再将经过处理的液体重新注入水井中，再次进行密闭洗井作业。

2 主要研究内容

2.1 气浮斜板除油技术

气浮斜板除油技术是通过在气浮沉降箱底部安装EDUR气液多相泵，该多相泵制造出气泡并吸入大量空气。多相泵向气浮沉降箱内部注入气液，气液与洗井过程中的液体完全混合，期间油水杂质附着在气液中的气泡上，并上浮至表层，再通过链条式斜板刮油装置将上浮至表层的污油、悬浮污染物收集至污油回收箱，同时将处理后的清水通过管网注入清洁水箱。气浮在油田水处理工艺中，在国内领先于其他处理工艺，除油和悬浮物的效果比较明显，除油率可达95%以上，从而降低了后续过滤器的工作负荷。

2.2 快速过滤器技术及旋流除砂技术

快速过滤器技术及旋流除砂技术研究中使用的过滤系统采用3 个纤维球过滤罐，经气浮沉降箱处理过的洗井液同时进入3 个过滤罐，过滤面积大，可实现快速过滤，且3 个过滤单元，任何一处反冲洗时，另外两处可正常工作。过滤系统采用改性纤维球、核桃壳作为过滤材料，过滤材料可与污油水快速结合，在反冲洗时也可快速分离，系统采用气动机械对改性纤维球收压、疏松，气动机械系统与自动控制系统有机结合。

研发新型旋流除砂系统，该系统采用两级旋流除砂系统，最大处理流量36 m3/h,其中首级除砂系统采用大流量旋流除砂器，经过处理的液体经过首级除砂器的出口进入次级旋流除砂系统，次级除砂系统采用2 个小流量旋流除砂器，次级除砂系统可出去经过首级除砂系统处理后液体中的微小颗粒物,每个旋流器最大流量18 m3/h，用于去除液体中残余的较小的泥砂，除砂率99.8%。

2.3 液压传动系统

液压传动系统优化设计与控制特性研究中，经过优化设计，由底盘液泵取力器带动齿轮泵，驱动液压马达带动链轮控制刮板及搅拌机构工作，搅拌机构对滤料进行反洗再生。该系统通过节流阀控制刮板的的运动速度，使运动速度与分离出来的浮渣量相匹配，可以有效防止浮渣分离不彻底的现象发生。

2.4 井口返出高压液减压系统控制技术

井口返出高压液减压系统控制技术以及安全防护技术的研究中，经过优化设计，采用闭环伺服控制系统。在减压系统设置两套减压阀，可对返水进行减压处理，使返水压力满足本车要求。无需洗井前提前停注。人员操作全部集中于低压区工作，且带远程监控系统，极大提高了安全防护系数。

2.5 在线反冲洗能力以及反冲洗液体回收工艺

在线反冲洗能力以及反冲洗液体回收工艺的研究中，用压差控制器及PLC 实现全自动控制反冲洗过程。

传动系统设计时，采用全功率取力器，通过全功率取力器可使行走与作业转换通过驾驶室的三通气开关实现。

PLC 控制与监测系统，采用的电气系统为过滤器PLC 控制系统、二次仪表显示、三缸泵输出压力传输显示装置、入口压力、减压后压力传输显示装置、入口和出口流量显示装置、照明系统的用电，并且能够实现超压自动熄火。在过滤器PLC 控制系统中进、出水压力达到某一个差值时，压差开关给PLC 一个信号，PLC执行反冲洗程序，反冲洗过程实现一个过滤罐反冲洗，另外两个过滤罐可正常工作的功能。选用西门子S7-300 中型PLC 作为核心控制元件。该PLC 处理模块响应速度为0.01～0.05 μs，控制对象点数最大可在256～1024 点，且S7-300 为模块化设计，上述特点可充分保证它在系统中实现快速操作反应。

2.6 气压系统设计与控制特性设计

气压系统设计与控制特性设计，采用气压机构来控制纤维滤料的压缩和疏松，以达到高精度的过滤和良好的反冲效果。由于纤维滤料采用机械压实，所以不存在反冲洗后初期过滤精度降低的问题。反冲洗过程中，利用气动控制阀和压力差来控制出水和反冲水的分配，以达到不需反冲水池和反冲水泵的在线自我反冲洗目的。利用气动原理，管线阀门操作均采用气动元件完成，极大提高了操作性。

2.7 提高适应气候能力的工艺性研究

提高适应气候能力的工艺性研究，针对国内低温情况，将输油管外加保温罩，并且通过设置盘管，盘管中通过冷却水，将底盘车的尾气对盘管进行加热，再将加热后的水对输油管进行加热，避免冬季污油冻结容易堵塞管道。

3 取得的主要成果

完成了一台适用于油田注水井洗井的集水处理和洗井作业于一体的车载设备系统样车研制及其操作系统研发。实现了高压大排量注水洗井的使用要求，该车完全达到预期设计要求，具有带压循环洗井、在线反冲洗功能，操作方便，性能优越。具有可靠性、先进性、实用性等优点。该车配备了旋流除砂器、磁过滤器、气浮沉降箱和快速过滤器，可以有效去除洗井液中的泥砂、铁锈、污油、悬浮物及其他污染物，将泥砂、铁锈、污油和水四相直接分离。该车采用气浮沉降箱去除油污，超越了国内外其他同类产品的除油系统，同类产品的除油系统通过油珠的刮碰聚集进行污油收集，除油效果不太理想；气浮沉降箱通过溶气泵使油污快速上浮，并利用液压马达驱动链式刮板系统强力去除污油的，相比其他同类产品靠污油的自我聚结能力去除油污效果更好。该产品的过滤系统采用3 个纤维球过滤器组成的快速过滤器，比其他同类产品的核桃壳与纤维球过滤器结构更简单，过滤速度更快，简化了洗井流程，比其他同类产品缩短洗井时间2 h。同时，该产品相比其他同类产品拥有了在线反冲洗功能，同时洗井时不需加药剂，避免对地层土壤造成污染，属于保护性无损洗井。通过对华北油田西柳10-109 井洗井现场试验时对回水和注水取样对比，明显看出取样所含油污和杂质逐渐减少，经纤维球过滤器过滤后的水样已经非常清澈，洗井效果显著。

4 结论

该项目自2019年5月生产出第一台样机以来，先后多次在华北油田进行现场试验，现场设备运行状况及洗井效果受到使用单位的一致好评。通过洗井作业，使注水井套管内的腐蚀物、杂质等脏物被冲洗出来，避免注水井及油层被脏物堵塞，使注水作业能够顺利进行，维持底层压力，提高油井产量，为用户增加经济效益。目前各油田洗井作业项目很多，对该型车配套需求增加，有巨大的市场空间。