试压泵车的开发与安全效益评价 移动车载试压设备方案

江苏普航试压泵：

油水井试压一般使用水泥车与水罐车 配合完成，针对存在安全风险大，施工成本高的问 题，采用试压泵车在车辆底盘上加装水罐与试压 装置，大排量灌输、低排量加压，并采用 PLC 实现 高压自动停机保护，安全性得到了提高,设备能耗 也大大降低。

中国石化胜利采油厂现有油水井 3 100 口左右，年作业工作量约 2 800 井次，为了保证作业施 工质量与安全，必须对每口井进行完井试压，每 年总试压量 5 900 次左右。目前油田一般使用水 泥车与水罐车两台设备完成试压工序，主要存在 以下问题：一是安全风险大。由于水泥车排量相 对试压容积较大，压力上升快,大功率、大排量、高 压力压裂泵的试压是高风险作业[1]。二是设备投 资高。目前试压采用一台水泥车加一台水罐车， 设备投资约 214 万元。通过技术创新降低油田开 发成本已成为油田企业面临的紧迫课题[2]。三是 运行成本高，施工效率低。水泥车柱塞泵的功率 和排量相对试压工作存在着大马拉小车的现象， 设备运行效率低。
针对以上问题，通过对国内外作业修井试压 泵相关设备进行技术考察，开发了油田专用试压
泵车,经现场使用,具有安全风险低、施工效率高的 特点。

1 主要结构与技术参数
1.1  结构组成
试压泵车由车辆底盘、PLC 操作系统、液压系 统、管汇系统、试压泵、灌注泵、水罐等组成。

台上电动试压泵与底盘共用底盘发动机，通过底盘变速箱 取力器获得动力，试压泵车结构与组成见图 1。

图 1 试压泵车结构与组成
1-车辆底盘；2-灌注泵；3-试压泵；4-液压系统；
5-管汇系统；6-PLC 操作系统；7-水罐
1.2  技术参数

打压泵车主要技术参数见表 1。
表 1  试压泵车主要技术参数

试压有效时间计算：按油管为Φ76 mm，抽油 杆为Φ25 mm，动液面 980 m 计算，油井管柱试压 所需液体体积：V 总= V 管- V 杆≈3.97 m3。
灌注油井所需时间 T= V 总/Q 泵≈17.3 min。该时 间在油田试压作业中较为适宜。
1.3  试压部分结构与原理 台上试压部分结构与原理见图 2。在油水井
开始试压时，将高低压切换阀 11 切换至低压位置，
将高低压切换阀 10 打开，此时高压试压泵给灌注 泵提供动力，给井内大排量灌注清水。在井内清 水灌满后，将高低压选择阀 11 切换至高压位置，将高低压切换阀 10 关闭，高压试压泵管路开通，完成 油水井完井试压过程。

 
图 2  台上试压部分结构与原理
1-自动卸荷阀；2-手动卸荷阀；3-单向阀；4-溢流滤 5-压力表；
6-试压泵；7-泵吸入滤子；8-灌注泵；9-液位计；
10-高、低压切换阀；11-高低压选择阀

2 关键技术与安全风险分析

2.1.1  高压小排量低风险技术

水泥车组、试压泵车两种试压方式安全评价如下。
水的压缩系数为 4.76×10-10 m2/N [3-4] 。按最大
压力 25 MPa 计算，水的压缩比为 1.19%。

 以上计算出的油井管柱试压所需液体体积 V 总
为 3.97 m3，水的总的压缩量为 V 压缩=47.2 L。
按在 25 MPa 时，400 型水泥车流量 Q 水泥车=322 L/min, 试压泵车 Q 试压泵车=30 L/min 计算，得水泥车、 试压泵车自常压升压至 25 MPa 时所需时间：
T 水泥车=8.8 s
T 试压泵车=94.4 s
即采用试压泵车相比用 400 型水泥车进行施 压，高压建立时间大大延长，给操作人员留有较长 的高风险处理时间，安全风险降低。
2.1.2  PLC 控制与超压自动停机保护技术
PLC 控制器的体积小、重量轻、功耗低、功能完 善，是实现机电一体化的理想控制设备[5] ，试压泵 车增设了 PLC 控制系统，主要实现以下功能。
a) 超压自动停机保护。试压过程采用 PLC 控 制，试压泵启动、停止可实现人工与自动控制。
b) 数据集中采集。将压力、流量、稳压时间 等所有的数据进行集中采集、分析。触摸屏显示 所有采集数据 、系 统 状 态 ，设 定 所 有 的 控 制 参 数。
2.1.3  试压结果自动判定与储存技术 保压时间达到设置要求后，系统自动给泄压
阀发出信号泄压，试压数据经 PLC 处理与试压设 定值比较后，得出试压结论，并打印曲线图和判定 结果，输出试压报告，系统自动记录试压数据，并 储存不少于 100 次试压记录数据。
设定压降-实际压降＞0 为合格，否则为不合 格；若试压不合格，系统等待人工信号，是否启动 重新试压。
2.2  高压泄漏风险评价
油水井试压一般压力在 10～25 MPa 之间，因 焊缝、铸件砂眼、密封件不严等原因产生刺漏，喷 射出来的高压水可将人刺伤。根据泄漏物理模型 计算公式[6-9]，核算泄漏风险。
a) 泵液流速的计算：

 式中：Q——泵液排量，m/s；

ω0——高压管内流速，m/s；

 D——高压管直径，m；
fU  ——高压管内截面积，m2。

由公式(1)得出管内流速 ω 0：

(3)

式中：p0——泵的最高工作压力，MPa

γ0——高压水的密度，kg/m ；

 γC——水在大气中的密度，kg/m 3；

α0——水在小孔入口处的动能损失系数；

 αc——水在小孔出口处的动能损失系数；

 ζc ——流体的局部损失系数。

 b）喷射射程的计算：

(4)式中：H——泄漏点距离地面高度，m；
ωc——流体在喷射口处速度，m/s；

 L——喷射射程，m。

按压力 25 MPa，管 线直径 0.05 m, αc=2，H= 0.5 m 计算，将相关数据代入（3）（4），得出：400 型 水泥车试压泄漏时水的喷射射程 L 水泥车=67.15 m； 用试压泵车泄漏时水的喷射射程 L 试压泵车=67.14 m。
以上计算结果中可以看出，无论按哪种方式， 泄漏时水的喷射射程与泵排量关系较小。但如果 泄漏口较大，低排量试压将使压力降低较快，安全 风险也会降低。b) 降低了噪音污染。试压泵车噪音只有 86 dB， 比水泥车施工降低 11 dB 左右，在居民区内进行施工的难题得到一定程度的解决。

4 结语
油井试压作业是一项高风险作业，只有采取 相关措施方可降低安全风险。降低设备运行成本 是设备管理一项非常重要的工作，试压泵车的开 发为降低油田装备运行成本做出了有效的探索。