史懷忠,李根生,黃中偉,王海柱,田守嶒,宋先知,李敬彬

(中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249)

實驗室建設(shè)與管理

高壓水射流與完井實驗室建設(shè)及安全管理

史懷忠,李根生,黃中偉,王海柱,田守嶒,宋先知,李敬彬

(中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249)

高壓水射流與完井實驗室是以高壓、超高壓流體為研究對象的國家油氣資源與探測重點實驗室分室,所用儀器設(shè)備均為高壓、超高壓設(shè)備,其危險性較高,故實驗室建設(shè)與安全管理工作尤為重要。實驗室從建設(shè)之初就開始從安全理念出發(fā),對設(shè)備擺放、供排水系統(tǒng)、高壓管匯設(shè)計與制造、防火、用電、廢棄物處理等進行統(tǒng)一規(guī)劃,并制定實驗室管理規(guī)章制度、安全實驗申請流程、儀器安全操作規(guī)程及安全培訓(xùn)、設(shè)備運行記錄與維護、人員安全培訓(xùn)等章程,從而保障實驗室的安全高效運行。

實驗室建設(shè);高壓水射流;安全管理

重點實驗室對培養(yǎng)具有實踐和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才有著舉足輕重的作用[1]。隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,國家越來越重視重點領(lǐng)域里重點實驗室的建設(shè)[2]。并且,早在2004年8月,教育部高教司文件《普通高等學(xué)校本科教學(xué)工作水平評估方案(試行)》(教高廳【2004】21號)，明確將實驗室環(huán)境安全列入了實踐教學(xué)的評價范圍[3]。在實驗室建設(shè)與安全管理的方法及理念方面,國內(nèi)許多學(xué)者做了一系列探討。徐靜年[4]等2005年提出了“以人為本”、“安全第一,預(yù)防為主”、“依法整治”的觀點;劉春柱[5]2006年也提出以“以人為本、預(yù)防在先”的安全管理理念;趙慶雙[6]等2007年論述了加強實驗室安全教育的意義,總結(jié)了清華大學(xué)安全教育的實踐與成效;孫立權(quán)[7]等2008年針對高等學(xué)校實驗室安全管理中存在的4個問題,提出了開設(shè)實驗室安全教育選修課、實驗室管理制度、安全預(yù)案與安全演習(xí)、實驗室安全準(zhǔn)入制度等相應(yīng)的解決方案;樊廣華[8]等2009年從理論和學(xué)院科研實際情況出發(fā),分析了研究生與導(dǎo)師在實驗室安全保障中的作用;羅聯(lián)社[9]等2010年提出了幾點關(guān)于西北工業(yè)大學(xué)的實驗室建設(shè)和管理方面的建議;趙小強[10]2010年提出了教師管理為主、學(xué)生管理為輔的實驗室管理新模式;葉秉良[11]等2011年闡述了從組織機構(gòu)、制度保障、教育宣傳、安全檢查、技術(shù)防范、應(yīng)急預(yù)案等6個方面構(gòu)建我國內(nèi)地高校實驗室安全管理體系的基本思路;李勤[12]等2012年撰文介紹了北京理工大學(xué)在創(chuàng)建生命科學(xué)類實驗室安全管理體系中的做法和經(jīng)驗,并對高等院校實驗室安全管理提出一些建議。中國石油大學(xué)高壓水射流與完井實驗室在前人理論研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合自身特點,以安全高效為目標(biāo),不斷加強實驗室管理建設(shè),已逐漸成為一個產(chǎn)學(xué)研綜合性高效實驗室。

1 高壓水射流與完井實驗室簡介

中國石油大學(xué)高壓水射流與完井實驗室是油氣資源與探測國家重點實驗室的重要建設(shè)項目,也是石油工程教育部重點實驗室的主要組成部分,同時也是油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室分室。高壓水射流與完井實驗室由以沈忠厚院士為主的科研團隊組建而成的,主要從事高壓水射流前沿技術(shù)研究、油氣鉆完井和增產(chǎn)改造新技術(shù)研發(fā)、高層次人才培訓(xùn)、創(chuàng)建學(xué)術(shù)交流基地,為深井、超深井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井等的安全快速鉆井和高效開發(fā)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)。主要的研究方向為:

(1) 新型高壓超高壓水射流理論與技術(shù);

(2) 深井復(fù)雜地層高效破巖理論與技術(shù);

(3) 深井井筒復(fù)雜流動規(guī)律與控制技術(shù);

(4) 低滲油氣射流完井增產(chǎn)理論與方法;

(5) 非常規(guī)油氣藏完井增產(chǎn)理論與方法;

(6) 超臨界CO2流動特性與鉆完井方法。

2 實驗室建設(shè)及設(shè)備儀器簡況

2.1 實驗室建設(shè)

高壓水射流與完井實驗室主要研究對象為高壓、超高壓流體,其安全管理內(nèi)容主要涉及到高壓管匯、防火、配電、供排水系統(tǒng)、廢棄物處理等方面,同時為保障實驗室高效安全運行,制定了一系列的規(guī)章制度、人員設(shè)備安全培訓(xùn)規(guī)程等。

實驗室內(nèi)高壓泵組與高壓管匯均以紅色為警示,且從選材加工到安裝等過程嚴(yán)格按照安全作業(yè)要求進行。高壓管匯投入運行后,試運行壓力達60 MPa,可以滿足實驗要求;實驗室設(shè)有2個配電柜,各儀器均有對應(yīng)的電源控制開關(guān),且預(yù)留有多個電源開關(guān)以滿足后期實驗室設(shè)備增添需求;實驗室內(nèi)建有一個容積達6 m3的供水水箱,可滿足高壓泵組供水需求;在實驗室地面四周設(shè)計有排水槽,可將實驗中產(chǎn)生的水排出到預(yù)定位置;按照實驗室建設(shè)的一般要求,每個實驗室內(nèi)均配有消防栓,以達到防火的目的;建立了健全的廢棄物處理機制,即將污染性的液體廢棄物、固體廢棄物等均集中回收,進行專業(yè)處理。

實驗室根據(jù)自身的特點制定了高壓水射流與完井實驗室日常運行與管理規(guī)章制度,確保實驗室正常運行與干凈整潔,同時,由各個研究方向的指導(dǎo)教師組成實驗審批指導(dǎo)小組,制定了實驗申請流程,確保實驗的研究意義及成功率;對應(yīng)的實驗儀器均有熟練操作與維護人員及安全操作規(guī)程,實驗前對實驗人員進行實驗設(shè)備安全培訓(xùn),實現(xiàn)實驗設(shè)備的安全高效運行;對應(yīng)設(shè)備均有運行與維護記錄,確保實驗設(shè)備始終處于最佳狀態(tài)、實驗人員盡快地了解實驗設(shè)備;實驗人員在實驗前需接受一定的安全培訓(xùn),以應(yīng)對緊急情況。通過以上的實驗室規(guī)定、章程保障實驗室的安全高效運行。

2.2 實驗室布置

高壓水射流與完井實驗室是國家重點實驗室,承擔(dān)著實驗教學(xué)、科學(xué)研究、對外開放等功能,高壓、超高壓實驗設(shè)備較多,故實驗設(shè)備的合理布局就尤為重要。實驗室在安全運行與合理使用有限空間的前提下,對實驗室現(xiàn)有實驗設(shè)備進行了合理布置,實驗室布置示意圖如圖1所示。圖中,①、②分別為不同型號的高壓泵;③為高壓管匯及調(diào)節(jié)閥門;④為多功能實驗架;⑤為大容積水箱;⑥為壓力傳感器數(shù)字采集系統(tǒng);⑦為配電柜;⑧超臨界CO2射流破巖實驗系統(tǒng);⑨為消防栓;⑩為實驗室產(chǎn)品、證書等展柜;為三維粒子成像流場測試系統(tǒng)(PIV);為超高壓磨料射流切割裝置;為前混磨料射流添加裝置;為安全通道;為安全警戒線。

2.3 實驗室設(shè)備簡介

(1) 高壓泵組。高壓泵組為高壓水射流與完井實驗室的核心裝備,實驗室共有2臺撬裝式三缸柱塞高壓泵,其中一臺為蘭州礦場機械廠LK3GB-700壓裂車,柴油機為沃爾沃TAD1242VE,柴油機功率383 kW,最高可實現(xiàn)70 MPa壓力,共有5個檔位,可在很大的排量范圍內(nèi)作業(yè);另外一臺為天津晟睿3D2A-SZ高壓泵,額定排量100 L/min,最高壓力可達60 MPa,柴油機功率120 kW。

(2) 多功能實驗架(見圖2)。多功能實驗架主要由固定機架、翻轉(zhuǎn)機架、動力系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)裝置、 移動裝置、控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)水龍頭等組成,用于油井管切割與開窗、水力噴砂射孔、井筒多相流動實驗等室內(nèi)實驗研究。主要功能參數(shù):旋轉(zhuǎn)水龍頭最高承壓50 MPa,孔直徑30 mm;中心管轉(zhuǎn)速10～120 r/m,扭矩≥100 Nm;鉆桿水平移動距離最大2 m,水平推力≥1000 N;翻轉(zhuǎn)機架角度可在0～90°之間任意調(diào)整。

圖1 高壓水射流與完井實驗室布置示意圖

圖2 多功能實驗架

(3) 超臨界CO2射流破巖實驗系統(tǒng)(見圖3)。超臨界CO2射流破巖實驗系統(tǒng)主要由加熱與制冷系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、井下環(huán)境模擬系統(tǒng)、氣固分離系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成,用于測試超臨界CO2射流在不同射流壓力、射流溫度、井底圍壓、噴射距離等條件下的射流破巖效果。主要功能參數(shù):高壓泵最高工作壓力100 MPa,最大排量30 L/min;圍壓模擬最高壓力60 MPa,溫度30～90 ℃,圍壓筒內(nèi)徑150 mm;噴嘴射流距離調(diào)節(jié)范圍0～60 mm。

圖3 超臨界CO2射流破巖實驗系統(tǒng)

(4) 三維粒子成像流場測試系統(tǒng)(PIV,見圖4)。三維粒子成像流場測試系統(tǒng)(PIV)系統(tǒng)主要由高感光度CCD、4組遠心鏡頭以及激光體光源等組成,用于井底和環(huán)空流場測試、噴嘴性能評價、水射流結(jié)構(gòu)特性測試等。主要功能參數(shù):高壓泵測量空域100 mm×100 mm×140 mm;最小曝光時間間隔≤1 μs,采集速度5 f/s;同步控制器7道延時設(shè)置;激光器能量400 mJ@10Hz、30 mJ@1000Hz;遠心鏡頭景深100 mm,成像清晰。

圖4 三維粒子成像流場測試系統(tǒng)(PIV)

(5) 超高壓磨料射流切割裝置(見圖5)。超高壓磨料射流切割裝置主要由高壓泵站、磨料添加裝置、切割平臺、電控系統(tǒng)等組成,用于高壓、超高壓(>300 MPa)條件下破巖實驗，超高壓水射流動力學(xué)特性實驗和表面切割實驗。主要功能參數(shù):最高工作壓力380 MPa,最大流量3.79 L/min,藍寶石噴嘴直徑0.25～0.35 mm,最大切割范圍1 200 mm×1 000 mm,刀架行程0～200 mm,驅(qū)動速度0～12 000 mm/min。

圖5 超高壓磨料射流切割裝置

(6) 前混磨料射流添加裝置(見圖6)。前混磨料射流添加裝置主要由高壓砂罐、高壓混砂器、灌裝及灌裝切換器、磨料分選裝置、控制系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)等組成,主要用于油井管切割、水力噴砂射孔、磨料射流特性等室內(nèi)實驗。主要功能參數(shù):雙高壓罐設(shè)計,可實現(xiàn)連續(xù)供砂;高壓罐最高工作壓力40 MPa,容積260 L;灌裝泵揚程20 m,流量18 m3/h;水砂混合比(質(zhì)量比)0～40%之間可調(diào)。

圖6 前混磨料射流添加裝置

3 實驗室管理流程

為了達到實驗室的優(yōu)質(zhì)管理,以實驗安全為中心,高效運行為指導(dǎo),建立了一套管理流程，見圖7。

圖7 高壓水射流與完井實驗室管理流程圖

實驗人員在展開實驗之前,需要經(jīng)過充分的實驗方案調(diào)研與討論,經(jīng)指導(dǎo)教師批準(zhǔn)后,填寫高壓水射流與完井實驗室實驗申請單,由實驗室負責(zé)教師進行實驗排序,并進行實驗設(shè)備操作及安全培訓(xùn),交接實驗設(shè)備運行情況記錄本,并對實驗中出現(xiàn)的問題給予指導(dǎo)。每個步驟都需要相關(guān)的教師進行審核簽字,層層把關(guān),從而保證了實驗室的安全運行。同時,為了保證實驗室的高效運轉(zhuǎn),由專人對實驗進行統(tǒng)籌排序,對實驗工具和實驗設(shè)備的運行情況進行跟蹤和日常保養(yǎng)。

4 結(jié)論與建議

高壓水射流與完井實驗室經(jīng)過多年的精心建設(shè),擁有了可開展多項前沿研究的實驗設(shè)備,以及豐富的實驗室管理經(jīng)驗,能夠?qū)崿F(xiàn)實驗室的安全高效運轉(zhuǎn),已經(jīng)成為了人才培育、科技研發(fā)與學(xué)術(shù)交流的重要平臺。經(jīng)過多年實驗室研究,開發(fā)取得了水力噴砂射孔與分段壓裂聯(lián)作技術(shù)、水力脈沖空化射流鉆井提速技術(shù)等具有顯著經(jīng)濟效益、社會效益的成果。

References)

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Construction and safety management of high pressure water jetting and well completion laboratory

Shi Huaizhong,Li Gensheng,Huang Zhongwei,Wang Haizhu,Tian Shouceng,Song Xianzhi,Li Jingbin

(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China)

The high pressure water jetting and well completion laboratory is a branch of State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,which meanly researches about high or super-high pressure liquid. All equipment is working under high or super-high pressure,so it is very dangerous and it is especially important for the safety management. From the beginning of the laboratory,it is important to give the safety principle,integrate planning the distribution of equipment,water supply and drainage system,design and manufacture of high pressure manifold,fire prevention,electricity,waste disposal,etc., and makes rules and regulations of laboratory management,process of safety experimental application,safe operation procedures and safety training of equipment,record and maintenance of equipment operation,personnel safety training,etc., which can ensure the safe and efficient operation of the laboratory.

construction of laboratory;high pressure water jetting;safety management

2014- 05- 07 修改日期：2014- 08- 29

國家自然科學(xué)基金資助項目(51474232)

史懷忠(1974—),男,河南南樂,博士,高級工程師,主要從事高壓水射流在石油工程中的應(yīng)用研究及實驗室建設(shè)與管理等工作

E-mail：shz@cup.edu.cn

G482

A

1002-4956(2015)1- 0237- 04