新型轮盘式投球仪在油田中的应用及研究

新型轮盘式投球仪在油田中的应用及研究

门铁民 1 刘雄刚 2 刘庆庆 1 金心怡 3 门武龙 2

1. 长庆油田分公司第八采油厂 ，陕西 延安 717600 ；

2.长庆油田分公司第五采油厂，陕西 西安718600；

3.长庆油田分公司第七采油厂，甘肃 庆阳 745700；

摘要：目前，各油田采油、集油方式是利用单井管线输送到集油站或集中处理站。因地面与地下的温差较大，原油被抽出地面后，很快便析出大量的蜡附着在输油管线内壁上，如果不及时清理就会堵塞输油管线，因此采油工人需要每天到井场向输油管内投球清蜡。当前各油田单位原油集输的清蜡方式采用人工投球、化学添加剂防蜡清蜡和管道内防腐等方式，普遍存在工序繁琐且成本过高的问题。本文介绍了一种新型轮盘式投球仪，是一种自动化投球装置，使用效果良好，降低采油成本、减少环境污染和减轻员工劳动强度。

关键词：投球仪；轮盘式；输油管线清蜡

引言：一个大油田有成千上万个井场，每个井场每天用人工投球，需要大量的人员以及车辆配合，每次投球首先关闭单井集油管线投球装置前后的两个阀门，打开旁通阀门正常输油，然后泄掉投球装置段的压力，再将清蜡球投入输油管线内，最后打开单井集油管线投球装置前后的两个阀门，关闭旁通阀门，利用管线内的压力将清蜡球向前推送，这样繁琐投球清蜡操作迫切需要一种定时自动投球的装置，达到投球自动化的目的。

1.投球仪使用现状

目前长庆油田安装的投球仪类型很多，但方式主要是以下两种：球阀式、柱塞式。这两种方式的投球仪特点：有一个储球桶，靠清蜡球自重向下装球，容易出现的以下问题。

（1）油井正常采油时， 井液是在不停流动的，球在与储球桶壁摩擦力与液体浮力作用下 有可能装不到位置，产生卡球现象，使设备出现故障或把球夹坏的现象产生。

（2）每台投球仪所投的球大小一致， 不能更改清蜡球的大小， 就是同一套设备不能装入不同 大小的清蜡球。

（3）体积庞大，安装比较复杂。

（4）两种设备都采用时间计时器进行控制， 一旦计时器出现问题或时间长了出现计时偏差，设备将出现故障。

（5）小流量井场井液不能把球从输油管线中冲出来，导致下一个球被卡的现象；还有卡球后很容易使投球仪憋压，严重时投球仪法兰连接处刺漏原油，造成很大的环境污染。 给原油生产区域 酿成安全环保的事故隐患。

2.新型轮盘式投球仪

2. 1 新型轮盘式投球仪功能和性能

新型轮盘式投球仪主要是解决油田井口集油管线内结蜡、结垢的工艺自动化问题，实现由机械替代人工完成投球作业，具有定时自动投球的功能。

（1）该装置安全性能高，可有效避免人工操作带来的风险。充分降低了员工的劳动强度、节约人力资源、提高生产效率等优点。

（2）投球管与发球管通过控制系统，依次运动完成自动定时投球作业，不影响正常生产输油。

（3）独特的控制逻辑及保护措施，设备长时间工作不会造成设备故障。

（4）具有独特的投球机构，适用于不同规格尺寸的清蜡球，解决了因不同规格尺寸球出现的卡球问题，实现定时投一个清蜡球的功能，保证了装置运行可靠性和稳定性。

（5）设备体积小，轻便，安装操作简单；

（6）采用了防爆控制功能

2.2 新型轮盘式投球仪原理

设备设计原理类似于左轮手枪，当轮盘子弹位置与枪管同轴，撞针将子弹击打发射出去（如图1所示）。 单片机线路独特的逻辑控制系统的控制下，储球轮盘在主电机带动下，通过减速机构，通过传感器精确定位，保证每次旋转停止位置准确，每次旋转1/10圈，即1个球位，当球到达投球位置时，副电机带动推动机构将球推入管线，设定间隔时间到了以后，进入下一个投球程序，10个球投完以后，设备自动停止工作，处于待机状态，等待下次装球，整个过程中不影响管线输油，不会造成管线压力增大，不影响正常输油。

（图1 左轮手枪发射状态）

2.3 新型轮盘式投球仪组成

（1）新型轮盘式投球仪控制部分包括防爆壳体，开关电源，控制线路， 继电器， 防雷器，设置面板，数码显示 ， 防爆插头等（如图2所示）。

（2）新型轮盘式投球仪结构部分（如图3所示）

（图2 新型轮盘式投球仪控制箱）

（图3 新型轮盘式投球仪结构）

2.4 新型轮盘式投球仪主要性能指标

（1）公称压力：设备承压10MPa, 正常工作压力0-3MPa

（2）公称通径：50mm

（3）额定电压：380V，220V，24V可选

（4）投球间隔时间：1min-99h范围内任意设定

（5）储球简最大容球数：10个球

2.5 新型轮盘式投球仪控制逻辑

自动定时投球功能试验是无介质空载投球，自动定时投球多次。试验结果表明：产品耐压强度达到10MPa，整机结构设计合理，自动定时控制功能稳定可靠。可以代替现场人工投球作业，满足现场无人值守的智能化管理要求。该装置于2018年6月在我作业区1个井场开展了现场试验 ，存在一下4个问题。

（1）管线内的清蜡球不能通过原油将球带走，主要原因是井组的液量过小。

（2）轮盘与内壁的间隙过大造成了卡球的显现。

（3）旋转轮盘的主电机扭矩过小功率不足，带不动轮盘转动。

（4）运转过程中轮盘与平行的输油管线形成角位差，也很容易造成卡球的现象。

针对以上4个问题经过多次实验， 于2019年5月又一次成功研发了新一代的自动投球仪， 经过在我作业区5个井组的安装使用，其投球成功率 100％ ，具体如下图

实现了自动定时投球， 功能可靠，操作方便，节能环保，运行安全，为油田生产全过程智能化管理模式提供了技术保障。满足了油田前端控制系统的自动化生产管理要求，将员工从简单、重复的劳动中解放出来，实现了自动投球，减少了工作量，提高了生产效率，提升了油田智能化管理水平，具有可靠、安全、环保、价格低等特点，有着良好的经济效益和社会效益。

2.6 新型轮盘式投球仪设备结构特点

（1）采用国际知名品牌的可编程序控制器（PLC）作为控制柜的核心，确保防爆控制柜在户外恶劣气候环境下能可靠工作，减少检修人员维护工作强度。精确定位反馈系统，不会造成逻辑混乱或尝试工作出现的误差；

（2）特有的储球仓结构，同一台设备能够适应不同大小的清蜡球；

（3）一次性可装10个球，每个球独立存放空间，不存在球挤压及摩擦阻力的问题；

（4）清蜡球在移动到投球位置的时候，设备自带的斜坡设计，球在一定程度上可以滑入管线，即使斜坡将球不能靠自身重力落入输油管线内，还安装了推动连杆机构将清蜡球推入输油管线内，确保清蜡球及时进入输油管线内，防止因清蜡球进入管线不及时造成挤压现象。

（5）清蜡球在投球位置时，储球轮盘停留时间与投球间隔时间一致，保证了球进入管线的充足时间；

（6）设备投球口可以直接加清蜡剂，不影响设备运行；

（7）在轮盘投球仪的管线上安装了扫线弯头，方便输油管线清扫无需拆卸轮盘式投球仪。

（8）设备突然断电，自动记录断电前状态，重新上电以后不需要重新设置，自动运行；

（9）整个设备在密闭的壳体内，保温效果好，自带加热控制系统，环境温度低时自动开启电加热；

（10）外接电源可选，380V、220V、24V，内部低压控制，安全可靠；球的使用大小范围广，外径不大于48mm的球都可以使用。

3.新型投球仪的应用效果及经济效益情况

3.1 新型投球仪的应用

通过新型轮盘式自动投球仪投球统计表可以得出，持续投球可以降低原油的外输压力，防止压力过高造成安全环保的隐患。我作业区有井组xx个，由于大部分采用的是人工投球的方式，遇到雨雪天气要步行投球，部分井组道路崎岖遥远，给员工带来一定的劳动强度和天气原因造成员工出行的安全隐患。由于部分偏远井组因为雨雪天气投球不及时原油外输压力过高甚至造成外输管线堵塞，给员工增加了繁重的工作量。使用轮盘式自动投球装置后效果：

（1）降低了员工的劳动强度，减少了车辆使用频次。

（2）有效降低了输油管线积蜡和结垢的程度，减少了管线加药量。

（3）有效降低井口生产压力及外输压力，保证油井正常工作，提高采收率。

（4）为油田生产全过程数字化管理模式提供设备及技术保障，提升了油田智能化管理水平。

3.2 新型轮盘式投球仪的经济效益

在油田采油厂作业区新6x-6x等5个井组安装轮盘式投球仪，替代前期每天投1个球的手动投球方式。截至目前，新6x-6x等5个井组自动投球仪运行正常。使用轮盘式投球仪后，减轻车辆使用及员工劳动强度、消减因管线输油不畅存在的安全环保风险等产生的效益是无法估量的。

4.结论

该新型轮盘式投球仪目前使用良好，但也存在一定的缺陷， 下一步我们重点从以下几个方面进行改进。

1. 通过网线连接至井场通讯箱，再由井场通讯箱连接的光纤与作业区生产网SCADA系统连接，实现井场与控制中心的实时数据交互，可在电脑界面上显示投球数量、投球状态、投球所在的位置、投球运动的轨迹以及球(专用的球，安装芯片和电池）在管线内观察到管线损坏的程度。

2. 采用在电脑界面手动敲定键盘投球和时间设置自动投球。

3. 采用本地和远程交换操作。

（4）与手机连接可以在手机上查看投球情况及球在管线中的运行情况。

（5）做到放空处和投球处有防盗和报警功能。

（6）设置加热功能，确保各控制系统的电器元件有极高耐寒能力，不至于在零下20度左右操作面板失去操作功能。

（7）安装定期清洗新型轮盘式自动投球仪的装置，重点是减少维护次数，延长使用寿命。

（8）控制系统内安装计时模块，在断电的过程中不会失去记忆。计时器中安装电池， 采用应急灯的原理进行计数。

（9）将原来一次性装10个球的轮盘，设计成装30个清蜡球的轮盘。做到30天投放一次。

参考文献：

[1]成大先.中国有色工程设计研究总院.机械设计手册第五版.化工工业出版社.2000.5

[2]李春茂.实用电工技术[M]北京.建筑工业出版社.1999.8

[3]汤光华.模拟电子技术[M]北京.机械工业出版社.200.5

[4]李光大.武器大百科.吉林科学技术出版社.2009.01