0 引 言

目前国内修井机大多采用柴油作为动力，存在修井作业成本高以及污染排放量大等经济和环保问题。液化天然气(LNG)作为一种优质、高效的新型低碳能源，被认为是较理想的车用发动机代用燃料^{[1, 2]}。阐述了LNG燃气动力修井机的组成、燃气供气系统及燃料加注系统工作原理，对比分析了LNG燃气动力修井机的动力性、经济性和环保性。现场应用结果表明，LNG燃气动力修井机各项性能指标均满足油田现场修井作业需求，单井节省燃料费用34%，有害气体排放减少约85%，综合碳排放减少约 95%，实现了修井作业低能耗、环保型生产，具有良好的经济效益和社会效益。

LNG燃气动力修井机为车载自行走式修井机，整机由专用底盘车、动力传动系统、燃气供气系统、单滚筒绞车、Π型井架、游动系统和液气电系统等组成，如图 1所示。底盘采用全轮驱动，液压助力转向，操作轻便，越野能力强，装备潍柴WP12NG380E40天然气发动机，功率储备系数高，动力强劲，满足国Ⅳ排放标准要求。

图 1 LNG燃气动力修井机示意图 Fig. 1 Schematic of LNG powered workover rig 1—底盘车; 2—动力系统; 3—游动系统; 4—井架总成; 5—燃气供气系统; 6—液路系统; 7—绞车总成; 8—后操作室。

图选项

修井深度：4 000 m(ø73.0 mm外加厚油管)；

额定钩载：600 kN；

最大钩载：900 kN；

井架高度：21 m；

底盘车驱动形式：4×4；

最高限制车速：45 km/h；

发动机功率：280 kW；

气瓶公称容积：450 L×2；

气瓶压力：1.6 MPa。

图 2为LNG供气系统工作原理图。

图 2 LNG供气系统工作原理图 Fig.2 Working principle of LNG supply system

图选项

LNG供气系统是LNG燃气动力修井机的重要组成部分，它为天然气发动机提供燃料。供气系统主要由LNG气瓶、增压器、汽化器、缓冲罐、截止阀、充液接头、回气接头和压力表等组成。液态天然气通过真空绝缘储液罐自身的压力被释放到汽化器中，汽化器通过发动机冷却水对低温LNG液体进行加热，将液体转化成气体，经过汽化后的天然气通过缓冲罐并经滤清器过滤后，进入稳压器。稳压器控制天然气的压力稳定在发动机工作压力范围内(一般为0.7~0.9 MPa )。经过稳压后的天然气通过低压燃料切断电磁阀，进入电控调压器，电控调压器根据发动机运行工况精确控制天然气按时按量进入混合器，天然气与经增压及中冷后的空气在混合器内充分混合，由节气门通过节气门开度控制进入发动机缸内的混合气量，在缸内经火花塞点燃后燃烧^[3]。

燃料加注系统采用双侧安装、并联连接和两侧加注的方式，可以同时满足加气站和井场燃料补给车加注要求。尤其是在井场布置受限的情况下，补给车可以在修井机任何一侧为燃料系统加注LNG，从而缩短了充液时间，提高了工作效率。燃料加注系统包括储液罐、进液管线、回气管线和出液管线(见图 3)。储液罐上安装有空浴式汽化装置，进液管线的一端安装有充液接头，另一端与储液罐连通。从进液管线的充液接口至储液罐之间依次安装有单向阀、截止阀和安全阀总成。安全阀总成包括压力表、主安全阀和副安全阀。回气管线的一端与储液罐连通，另一端安装有回气接头，回气管线上安装有截止阀。出液管线的一端与储液罐连通，另一端与LNG发动机连接，出液管线由储液罐至与LNG发动机连接端依次安装有截止阀、汽化器、稳压器和缓冲罐。在车架的两侧对称固定安装托架，储液罐固定安装在托架上，车架两侧的储液罐结构相同^{[4, 5, 6, 7]}。

图 3 燃料加注系统结构示意图 Fig. 3 Structural schematic fueling system 1—车架；2—储液罐；3—托架；4—主安全阀；5—压力表；6—副安全阀；7—截止阀；8—回气接头；9—充液接头；10—单向阀；11—汽化器；12—稳压器；13—缓冲罐；14—空浴式汽化装置；15—充液连接管线；16—进液管线；17—出液管线；18—回气连接管线；19—回气管线；20—出液三通；21—充液三通；22—回气三通。

图选项

在柴油机基础上开发的燃气发动机的动力特性与柴油机基本相同，功率P、扭矩T随发动机转速n而变化。功率输出曲线随转速上升而上升，当达到额定转速时不出现拐点，随转速增加还会有小幅上升。扭矩输出曲线相对平坦，发动机怠速以上，扭矩随转速升高快速增大，中速时扭矩最大，且输出稳定；随转速继续上升，输出扭矩开始下降^[8]。选择功率相近的燃气发动机和柴油发动机进行动力特性对比，2款发动机主要技术参数见表 1。

2款发动机功率对比曲线见图 4。从图可见，在低速段(n＜1 200 r/min)柴油发动机输出功率略大于燃气发动机；在中速段(1 200 r/min≤n≤1 600 r/min)2种发动机输出功率十分接近，燃气发动机平均功率比柴油发动机小1.7%；在高速段(n＞1 600 r/min)燃气发动机功率略大于柴油发动机。与此相对应，在低速段柴油发动机输出扭矩略大于燃气发动机；在中速段2种发动机的输出扭矩都达到稳定的最大值，输出稳定，燃气发动机平均扭矩比柴油机扭矩小1.73%；在高速段燃气发动机输出扭矩大于柴油发动机。由此可见，2种发动机的动力输出特性变化趋势基本相同，数值相差较小，LNG燃气发动机动力特性与柴油发动机相当，可满足修井作业动力需求。

图 4 燃气发动机和柴油发动机动力特性对比 Fig. 4 Dynamic property comparison of LNG engine and diesel engine

图选项

LNG燃气动力修井机在发动机全负载工况下，气耗52 kg/h，折合能耗费用约312元/h。相同工况下普通柴油修井机油耗约67.5 L/h，折合能耗费用约473元/h，LNG修井机能够节省燃料费用34%。同时，使用LNG 燃料的发动机比柴油发动机使用寿命长，2次维修间隔时间长，可减少汽车维修保养费用50%左右^[9]。

美国环境保护署(EPA)报告显示，与柴油车相比,LNG 燃料车有害气体排放减少约85%，综合碳排放减少约 95%，减排效果显著，环保优势明显^{[10, 11]}。2种车尾气排放对比见表 2。

2013年10月，LNG燃气动力修井机在华北油田任117井进行小修检泵作业，该井井深1 850 m，最大起升载荷180 kN，修井共用22.5 h。试验情况如下：

(1)作业过程中，该修井机动力强劲，发动机启动、提速快，工作效率较高，作业时效满足现场作业要求。

(2)修井过程共消耗LNG燃料397 L，比同等工况条件下柴油动力修井机节省燃料费用约34%，节能效果好。

(3)作业过程污染排放小，环保优势明显，具有较高的推广应用价值。

(1)LNG燃气动力修井机通过“以气代油”的方式实现了修井作业低能耗、环保型生产，且各项性能指标满足油田现场修井作业需求，LNG燃气发动机动力强劲、启动提速快、工作效率高。

(2)燃料加注系统采用双侧安装、并联连接和两侧加注的方式，可以同时满足加气站和井场燃料补给车加注，尤其是在井场布置受限的情况下，可以缩短充液时间，减少燃料补给次数，节约作业成本。

(3)LNG燃气动力修井机不仅能够节省修井作业成本，同时还可以减少污染排放。现场应用结果表明，使用LNG燃气动力修井机修井，单井节省燃料费用约34%，有害气体排放减少约85%，综合碳排放减少约 95%，经济效益和社会效益非常显著。