车载气举排液装置技术方案研究

李超　周斌　张勃飞　商艳红　宋满华　董火平

摘要：深层页岩气开采对压缩机组功率需求提高，撬装气举排液装置机动性、经济性和安全性不足问题逐渐凸显，其移运吊装过程中对道路要求和吊装设备要求较高，提出车载气举排液装置，将压缩机组集成在车辆上装，通过计算校核车辆质心、载荷分布，副车架静强度、模态分析，优化车辆上装部件位置，使车辆载荷分布合理。较撬装气举排液装置，车载气举排液装置更符合页岩气井开采需求，具备市场应用前景。

关键词：气举排液;车载;质心;载荷分布

0  引言

随着气井生产年限的延长，气井井口压力逐步降低，生产能力逐步下降，部分气井携液能力降低，导致井筒积液不断增多，甚至造成积液停产。气举排液工艺是将天然气通过压缩机增压后将高压天然气注入气井的油套环空或油管内，使井筒内气、液混相，降低井筒液柱密度，从而降低井底回压，增大生产压差，提高气液的流速，增加采出气的携液能力，排出井内积液，实现气井连续稳定生产[1][2]。气举排液作业周期短，较泡排、优选管柱、潜液泵等其它排液工艺有较强的适应性，适应于气液比和产量变化范围大、出砂、高腐蚀性的井，一般采用天然气或氮气作为气举介质。

1  国内气举排液工艺特点

国内页岩气井垂深在3000m左右，为满足直排和气举阀分段排液工程需求，气举气体压力需不低于30MPa。国内页岩气富集区多处于地表复杂的山区和丘陵，井场道路行驶受到限制，其经济性和安全性问题日益突出。因此在满足气举排液作业需求的前提下，研究车载气举排液装置是十分必要的。

2  总体技术方案和关键技术

2.1 总体技术方案

车载气举排液装置主要包括底盘、副车架、压缩机组、发动机、空冷器、工艺气系统、控制系统。压缩机组、发动机、空冷器、工艺气系统、控制系统等部件集成于副车架上，再通过连接板与底盘连接。压缩机组由发动机驱动，压缩机组和发动机采用柔性联轴器连接。工艺气采用空冷，压缩机组配有工艺气过滤、缓冲和流量调节装置。压缩机组能够自动启动，停机、加载、卸载和排污，对振动、压力、温度等参数进行监测和故障报警停机。增压后的页岩气经高压硬管线输出至采气井口。

2.2 关键技术

2.2.1 压缩机气缸参数优化技术

压缩机是气举排液主要部件之一，采用三级往复活塞式压缩机，排气量可在较广泛的范围内进行调整。其技术难点在于压缩机在满足排气压力要求前提下，尺寸满足车辆道路运输要求，长度控制在车辆宽度范围内。压缩机采用倒级差气缸型式，缩减一级、和二三级倒级差缸的中体连接处尺寸，减少气缸镜面尺寸，压缩机长度尺寸控制在2500mm以内。

2.2.2 紧凑型车载集成技术

根据页岩气工区作业安全规范、道路状况，以及相关道路行驶标准，从移运性、通过性和技术成熟度等方面综合对比分析采用二类底盘集成方案和采用拖掛底盘集成方案，最终选用二类底盘集成方案。

上装增压系统包括压缩机组、发动机、空冷器、工艺气管线、洗涤罐、缓冲罐和控制系统等，整体采用模块设计理念，进行区域划分设计，同时，考虑装置尺寸满足公路运输要求，宽度控制在2500mm以内，高度控制在4000mm以内，同时需要重量轻、设备维修方便、车载上装平稳。

上装增压系统外接口有进气口、排气口、洗涤罐排污口、中体排污口、中体放空口、安全阀放空口、高压放气口共7个，布置时需要综合考虑管线连接方便、减少巡检跨越次数、高压安全泄放、防止天然气浓度聚集、冷却水补充口连接便捷，各管口布置在副车架两侧下面，避免与底盘副车架发生干涉。

2.2.3 整机独立动力技术

车载装置上装增压系统配置有独立发动机，同时为压缩机和空冷器提供动力。空冷器采用引风式减速机传动空冷器。发动机主轴尾端飞轮作为主动皮带轮，中间通过涨紧轮调节皮带松紧，从动轮通过轴承座、传动轴、减速机传递动力并改变扭矩传递方向，将发动机水平扭矩转换为垂直扭矩，减速机输出轴驱动叶轮，实现导风。

2.2.4 减震降噪技术

压缩机在气举排液工作状态下，活塞、气缸呈周期性的吸气、排气运动，引起压缩机进出口管路及工艺气管线内气体流速、密度和压力呈脉动状态，气流脉动、管线结构以及压缩机本体机械振动。根据API 618（第五版）标准方法3进行气流脉动和机械振动分析，API 618和API 684标准进行扭振分析，调整的压缩机组工艺气管线布置和支撑设计、布置，将压缩机组的压力脉动、脉动力、工艺气系统设备振动及压缩机组扭转振动均控制在允许的范围内。

3  车辆移运性能分析

在车辆改装设计过程，对汽车进行总体布置，需要进行车辆载荷分布计算，车辆行驶稳定性分析。

3.1 车辆载荷分布计算

根据整车力矩平衡[3][4]，有：

F后·L=F·X;F前=G-F后

式中：G为整车总重量，kg;F前为前桥轴荷，kg;F后为后桥轴荷，kg;L为整车轴距，mm;X为整车质心距前桥距离，mm。

根据车辆上装部件重量分布，通过分析计算，计算得出前桥和后桥载荷，验证车辆前后桥载荷分布合理性。

3.2 车辆行驶稳定性分析

整车满载后，质心高度应当符合纵向、横向稳定性要求。

3.2.1 纵向稳定性

整车纵向稳定性满足L/H>0.6的要求。

式中，L为质心距离后桥中心距离，mm;

H为质心高度，mm。

通过计算，车辆上坡、下坡均满足纵向稳定性。

3.2.2 横向稳定性

整车横向稳定性应满足B/2H>0.6的要求。

式中：B为载车轮距，mm;H为质心高度，mm。

通过计算，车辆满足横向稳定性。

3.3 副车架静力学分析

副车架承受底盘自重及上装部件质量分布载荷，副车架整体在支腿油缸处设置固定约束。后桥中心处变形量最大，为3.25mm，通常情况下副车架的弯曲挠度小于10mm，该副车架在当前条件下满足性能要求。后支腿油缸座处应力最大，为128.92MPa，车架材料为Q345，其屈服强度为345MPa。因此，副车架设计满足性能要求。

3.4 副车架模态分析

模态分析反映了副车架在实际工况下的振动特性。在实际工况下，发动机和压缩机是主要激励源，发动机额定转速不超过1500r/min，在800～1200r/min或1000～1500r/min速度范围内连续运行，存在共振的可能性，在发动机底座和压缩机底座部位增加橡胶缓冲垫能够在一定程度上降低振幅。

4  结论及建议

①车载气举排液装置具备工艺流程简单、移运性好、经济高效等优点，是气举排液的优选装备。②通过车辆质心位置及轴荷分布计算，能确保车辆部件安装位置合理，车辆行驶安全稳定。③通过对车载气举排液装置总体方案和关键部件设计，车辆整体性能分析，验证车载气举排液装置具备技术适应性，能够满足气举排液作业需求。

参考文献：

[1]王述银.车载式天然气压缩机排水采气应用技术[J].新疆石油科技，2017.

[2]张耀刚.撬装压缩机气举排水采气工艺技术研究[C].第七届宁夏青年科学家论坛论文集，2011.

[3]杨绪红.客车载重量、轴荷分布计算和运用[J].城市车辆，2006.

[4]刘华.Excel在车辆质心与轴荷分配计算中的应用[J].技术论坛，2011.

[5]曾庆恒.采气工程[M].北京：石油工业出版社，1999.

基金项目：中国石油化工集团有限公司科技部项目“35MPa气举压缩机研制”（JP18031）。

作者简介：李超（1985-），2012年毕业于长江大学机械设计及其理论专业，现从事石油装备设计工作。