一种新型远程遥控喷射点火装置.doc

一种新型远程遥控喷射点火装置.doc 一种新型远程遥控喷射点火装置 摘 要 针对石油钻井领域的放喷点火现状，为解决目前油田点火存在的安全隐患而并制造了一种新型远程遥控喷射点火装置，本文介绍了其工作原理及组成，并进行了喷射点火实验。本装置现场直接使用无需拆卸及安装，省时省力，操作使用安全，可满足井场正常放喷点火和应急放喷点火的使用要求。本文所设计的装置及相关研究成果可以有效控制和预防井喷的毁灭性后果，为井场安全的进一步增强提供了保障。 关键词 井喷;点火装置;射流 中图分类号TE38 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2013)93-0198-02 在石油钻井过程中，钻井和试气放喷时，会在放喷管道排出大量的可燃气体与卤水等物质，这些物质流速快，且含有甲烷、硫化氢等易燃、易爆、有毒气体。特别是在出现井喷失控以及压井失败等危机情况时，常规点火装置失效，有毒气体从井口大量喷出，如果不能及时尽快点燃这些有毒气体，不但会污染周边环境，还会危及现场人员以及周边居民的生命安全。针对这一情况，本文设计并制造了一种新型远程遥控喷射点火装置，为井场安全提供进一步保障。本装置将射流理论运用于油气井的放喷点火作业中，目标就是在出现井喷失控事故或油气井放喷时产生大量水沙石的环境下，仍能远距离安全有效地完成喷射点火作业。 1 装置结构原理介绍 1.1 结构及原理 图1 点火装置结构图 图中1为氮气瓶，2为双表减压阀，3为进气管线，4为上接头，5为排气阀，6为电磁阀，7为双头钢瓶，8为油管，9为喷嘴，10为防风筒，11为点火针。 本装置采用喷射器原理进行设计，结构及原理简单可靠，即利用流体来传递能量和质量的真空获得装置，采用有一定压力的液流通过对称均布成一定侧斜度的喷嘴喷出，液体的压力能转变为速度能，形成高速喷射液流。 喷射时，先经由上接头(4)注油口向双头钢瓶(7)中注入调配好的油品，盖上密封盖，关上排气阀(5)，打开氮气瓶(1)瓶阀，调整减压阀(2)到适当压力。此时，双头钢瓶已经充压，用遥控器远程启动点火针(11)点火，并同时控制电磁阀(6)开启。燃料经由喷嘴(9)喷出，并被点火针(11)点燃形成远程喷射火焰。 1.2 装置介绍 远程喷射点火装置设计图和实体图如图2和图3所示，装置主要由喷射功能模块、电子点火功能模块、控制模块、供电系统以及运移小车五部分组成。 图3喷射点火装置 喷射功能模块基于之前所述原理进行设计及生产，由油瓶、氮气瓶、喷嘴、控制阀件及管线组成;电子点火功能模块采用针对射流流体的高流速、易吹熄的特性，采用火花更大点火效果更好的高能电子点火装置;控 制模块可用遥控器和面板按钮同时操控，遥控器和控制面板均可独立完成对点火装置的操控;运移小车则根据井场路况设计采用的是200mm自带脚刹的工业车轮作为点火装置小车车轮，同时考虑到点火位置的不同，设计喷嘴仰角在10?,30?范围内可调。 根据井场放喷点火实际工况，本装置单次喷射点火时间为1,10s可调。预先设置好点火头的工作时间与时间间隔后，调整装置喷嘴倾角对准放喷口，开启控制面板上的电源开关，按下控制面板或者遥控器上的点火按钮，即可使电磁阀开启，同时点火头工作，进行喷射点火。 1.3 主要技术参数 1.4 装置特点 1)喷射火焰猛烈，点火温度高。相对于目前井场普遍使用的电子点火方式和液化气火焰点火方式，本装置点火温度更高，点火效果更好; 2)装置轻便，易于操作。在装置设计及生产方面将便于现场人员使用的因素放在首位，尽可能的减轻了装置的重量，方便移动;同时将多个操作按钮进行集成，操作更为简单; 3)加油方便，能根据需要多次使用。考虑到在某些特殊情况下，放喷口不能在设定的次数内完成点火，我们设计了一个加油口，可在数分钟内添加油品并再次点火; 4)操作及维护方便。本装置结构设计简单，现场使用不易出现故障，稳定性高; 5)充分保障使用者的人身安全。手动操作距离放喷点最远距离可达50m，遥控操作最远使用距离可达100m，可完全保证点火人员处于安全范 围内。 2 点火现场实验 2.1 射程经验 在进行点火装置喷射实验前，我们根据要求射程要求选定试验压力，并对喷嘴进行初步设计，由于没有现成的成熟设计理论作为参考，这里借助经验公式进行初步计算。本装置喷射器的射程在喷射液体确定后的重要影响因素有工作压力、喷嘴直径、喷射仰角、风力、流体管道粗糙度等。在无风情况下，本文根据干浙民等人提出的经验公式进行计算，喷嘴射程R主要与工作压力hp、喷嘴直径d、喷射仰角有关，相关公式如下: 当喷嘴仰角一定时，上式变为: 、喷嘴直径d均已确定， 对于本文所涉及到的喷射装置，工作压力hp 只有 c、m、n这3个与喷嘴仰角、燃料特性相关的未知数，干浙民等人通过实验对此进行了测得，根据其实验结果，以及本装置喷射仰角为15?，同时考虑到本装置所涉及的喷射燃料特性，对于添加1%增稠剂的油品我们取c=21，m=0.369，n=0.319。射程计算公式为: (1) 当喷嘴入口压力为2MPa，喷嘴直径为5mm时，代入上式可得射程R=45m;当压力增加到2.5MPa，射程理论值R=49m。对于不同的粘度的喷射流体，可通过待定系数法求得c、m、n的值。 2.2 现场实验 考虑到油品稳定性及安全因素，本装置最终选择稠化柴油作为喷射油品。通过多次实验，最终选定2-乙基己酸铝(C16H31AlO5)作为点火装置 燃料稠化剂。该稠化剂增稠效果好，对油品燃烧性能无影响，经过短暂加热即可迅速起效，油品添加1%,2%的增稠剂即可达到较好的增稠效果，能明显减小射流雾化程度，提高点火装置射程。 图3 喷射点火实验 在2Mpa,2.5Mpa下，对于添加1%,2%的增稠剂的油品，进行过多次喷射点火实验，最终得到如表1所示的数据。 压力MPa 稠化剂添加 连续火焰长度m 油料最远落点距离m 可见，对于添加1%增稠剂的油品，公式(1)得到的计算值与实际射程吻合较好，能够用于本装置的射程计算。 3 结论 远程喷射点火装置为井场安全新添一重保障，能保护点火人员的生命安全，可满足放喷点火和应急点火两种需要。该装置能够适应各种复杂操作环境要求，操作简便，可靠性高， 无需安装，直接使用，大大减小了拆装及维护费用，在坡地、雪地等复杂路况下，均能正常使用，具有良好的推广应用前景。 此外，本文还得到了一个适用于本装置射流射程的经验计算公式，并进行了实验验证，其计算值与实验值有较高的吻合度。 参考文献 [1]梁锋.井喷点火后对周边井和集气站的影响研究[J].安全.健康和环境，2009，9(9):25-27. [2]刘力涛，马振明.消防水炮喷嘴喷射性能影响因素分析[J].能源研究与信息，2011，27(2). [3]干浙民，杨生华.旋转式喷头射程的试验研究及计算公式[J].农业 机械学，1998，29(4). [4]BOGE，C.BAILLY，C.Effects of Inflow Conditions and Forcing on Subsonic Jet Flows and Noise.AIAA， 2005 43:2003-3170.