李龍杰

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壓裂施工中液添技術(shù)應(yīng)用概述

李龍杰

（中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司，湖北 荊州 434024）

液添系統(tǒng)主要用于在壓裂作業(yè)過(guò)程中根據(jù)工藝需求添加壓裂交聯(lián)劑，以滿足壓裂工藝中同時(shí)添加不同種類交聯(lián)劑的需求。通過(guò)對(duì)比各類液添泵的應(yīng)用效果，進(jìn)行技術(shù)性概括，闡述液添技術(shù)的發(fā)展歷程。

壓裂施工；混砂；液添技術(shù)；交聯(lián)劑

混砂車的液添系統(tǒng)屬于壓裂施工的必備功能部件，主要用于在作業(yè)過(guò)程中根據(jù)工藝需求添加壓裂交聯(lián)劑。其主要由液添泵系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)組成。一臺(tái)混砂車上往往配置有2~4套液添系統(tǒng)，以滿足同時(shí)添加不同種類交聯(lián)劑的需求。

1 混砂車液添設(shè)備與數(shù)采系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

混砂車液添系統(tǒng)由伺服閥、液添泵、流量計(jì)及控制和數(shù)據(jù)采集單元組成，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，控制系統(tǒng)控制伺服閥的過(guò)油量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)液添泵轉(zhuǎn)速的控制，液體泵的實(shí)時(shí)排量通過(guò)安裝在液添排出管線上的流量計(jì)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至混砂車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 液添泵的種類及應(yīng)用效果對(duì)比

目前混砂車的作業(yè)多采用泵后膠聯(lián)的方式，通過(guò)技術(shù)調(diào)研，混砂車液體泵根據(jù)排量及功能的不同，主要有柱塞泵、齒輪泵、螺桿泵、凸輪泵、離心泵等幾種，其優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

表 1 液添泵優(yōu)缺點(diǎn)比較

類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 柱塞泵額定壓力與轉(zhuǎn)速較高、容積效率高、壽命較長(zhǎng)、變排量快、單位功率的質(zhì)量輕結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，零件數(shù)較多；自吸性差；制造工藝要求較高，成本較貴 齒輪泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、工作可靠、自吸性能好、對(duì)油液污染不敏感、維護(hù)方便等流量和壓力脈動(dòng)大、噪聲大、排量難調(diào)節(jié)以及容積效率低等 螺桿泵壓力和流量范圍大；運(yùn)送液體的種類和黏度范圍大；可使用較高的轉(zhuǎn)速；吸入性能好，具有自吸能力加工和裝配要求較高；泵的性能對(duì)液體的黏度變化比較敏感 凸輪泵使用壽命長(zhǎng)；安裝便捷，維護(hù)清洗方便，易損件少；高效節(jié)能，故障率低，密封可靠，噪音低?？奢斔徒橘|(zhì)黏度為≤2.0×10 6 CP以及含固量為60%的漿料物料中不能含有焊渣、鐵屑等硬性雜質(zhì)，需安裝過(guò)濾網(wǎng)

2.1 單螺桿泵技術(shù)

單螺桿泵的轉(zhuǎn)動(dòng)部件主要由三部分組成，分別是轉(zhuǎn)子、連軸桿和驅(qū)動(dòng)軸。轉(zhuǎn)子、驅(qū)動(dòng)軸與中間的連軸桿通過(guò)2 個(gè)萬(wàn)向節(jié)連接起來(lái)，當(dāng)螺桿泵工作時(shí)，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓周運(yùn)動(dòng)和上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成。萬(wàn)向節(jié)內(nèi)預(yù)裝潤(rùn)滑油，外面用橡膠護(hù)套密封，從而保證萬(wàn)向節(jié)內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件的自潤(rùn)滑。為了形成嚴(yán)格的密封腔，轉(zhuǎn)子與橡膠定子是過(guò)盈配合的。

從上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，單螺桿泵在液添泵的應(yīng)用主要存在如下幾方面的隱患：①啟動(dòng)扭矩大，超低速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性差。轉(zhuǎn)子與定子是過(guò)盈配合，所以啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩大。此外在極低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)可能不太平穩(wěn)，出現(xiàn)抖動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)不連續(xù)等問(wèn)題。②磨損嚴(yán)重。轉(zhuǎn)子與橡膠定子采用過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)，磨損不可避免。當(dāng)添加劑中含有固體顆粒物時(shí)，磨損尤其嚴(yán)重。一旦磨損后，將不能形成嚴(yán)格的密封腔，導(dǎo)致泄漏量增加，輸出流量和壓力急劇下降，不能滿足工況要求，因此橡膠定子需要經(jīng)常更換。③禁止干運(yùn)轉(zhuǎn)。泵腔內(nèi)無(wú)介質(zhì)時(shí)干運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)橡膠定子的影響將是致命的。這時(shí)金屬轉(zhuǎn)子與橡膠定子直接干摩擦（過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)），溫度短時(shí)間內(nèi)急劇升高，橡膠定子極易燒毀。因此，吸入口意外斷料或發(fā)生誤操作而引起螺桿泵燒毀的例子屢見(jiàn)不鮮。

2.2 齒輪泵技術(shù)

齒輪泵的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，只有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在潤(rùn)滑性介質(zhì)的輸送上面應(yīng)用廣泛。但將這種容積泵技術(shù)應(yīng)用在混砂車液體添加劑輸送方面時(shí)，出現(xiàn)的問(wèn)題如下：①齒輪磨損嚴(yán)重。在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，相互嚙合的齒之間會(huì)先發(fā)生擠壓，然后沿齒廓面發(fā)生直接刮擦，最后分開(kāi)。因此，齒與齒之間的磨損是直接的刮擦，而不像螺桿泵的滾動(dòng)摩擦，同時(shí)添加劑潤(rùn)滑性又差，因此齒與齒的磨損會(huì)格外嚴(yán)重。一旦磨損嚴(yán)重后，壓力、流量等指標(biāo)均不能滿足要求，只能整泵更換。②不能干運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦發(fā)生干運(yùn)轉(zhuǎn)，齒的磨損會(huì)急劇加快。但在實(shí)際操作中不可能完全杜絕干運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，所以會(huì)大大降低泵的正常使用壽命。

2.3 柱塞泵技術(shù)

柱塞泵的特點(diǎn)是高壓力、小流量，主要作為動(dòng)力泵使用，在液壓系統(tǒng)中作為高壓泵應(yīng)用普遍。將這種泵型應(yīng)用在混砂車上輸送添加劑時(shí)，主要是考慮到其容積泵的特性，可以作計(jì)量泵使用。

但是由于添加劑潤(rùn)滑性差且含有顆粒物雜質(zhì)，因此普遍存在如下問(wèn)題：①盤根易磨損。由于柱塞與缸套間頻繁相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加上添加劑中顆粒物的存在，盤根的磨損極快。一旦盤根密封失效，抽吸時(shí)就不能形成足夠的真空度，導(dǎo)致添加劑吸入不足。另外加上介質(zhì)中顆粒物的存在，有可能造成柱塞和缸套件的磨損，這種磨損對(duì)泵而言往往是不可修復(fù)的。②泵體的發(fā)熱。發(fā)熱有兩種情形最為普遍，一是泵長(zhǎng)時(shí)間工作后，盤根不斷摩擦發(fā)熱，由于升溫可能會(huì)導(dǎo)致其他部件的失效，而油田有時(shí)需要混砂設(shè)備盡可能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，這樣柱塞泵就會(huì)成為整個(gè)混砂車可靠運(yùn)行的瓶頸；另一種是斷料或吸空后發(fā)生的干運(yùn)轉(zhuǎn)，盤根發(fā)生干磨急劇升溫而燒毀，類似于單螺桿泵情形。

2.4 凸輪轉(zhuǎn)子泵技術(shù)

凸輪轉(zhuǎn)子泵是一種新型的低壓容積泵，凸輪轉(zhuǎn)子泵的工作腔內(nèi)由2個(gè)互相不接觸的凸輪配合而成，2個(gè)凸輪旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)部分是泵腔旁邊的一個(gè)獨(dú)立的同步齒輪箱，凸輪轉(zhuǎn)子由泵齒輪箱中的齒輪系驅(qū)動(dòng)，兩根軸同步旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)2個(gè)凸輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，可提供精確的轉(zhuǎn)子時(shí)序或轉(zhuǎn)子同步。

凸輪之間互不接觸，凸輪外沿表面與泵殼內(nèi)表面也不接觸，由于凸輪之間間隙很小，因此容積效率受到的影響并不大。由于混砂車上添加劑輸送應(yīng)用的壓力一般為低壓（10 Bar以下），因此雖有間隙，但是并未過(guò)多影響到凸輪轉(zhuǎn)子泵的自吸性能。

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其在混砂車添加劑輸送應(yīng)用時(shí)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①可干運(yùn)轉(zhuǎn)。所有運(yùn)動(dòng)部件沒(méi)有直接接觸，所以可直接干運(yùn)轉(zhuǎn)而不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子部件及殼體有任何影響。這一點(diǎn)特別適用于油田惡劣的工況，大大增加了生產(chǎn)工藝和操作的靈活性以及泵的可靠性。②低磨損。非接觸設(shè)計(jì)及特有的三葉凸輪轉(zhuǎn)子形狀，可保證即使在介質(zhì)中含有顆粒物雜質(zhì)也不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的磨損。另外，凸輪轉(zhuǎn)子泵的轉(zhuǎn)子表面和內(nèi)殼材質(zhì)做過(guò)特殊的耐磨和硬化處理，進(jìn)一步提高了其抗磨蝕性。③低功耗。齒輪泵、螺桿泵、柱塞泵在工作時(shí)都有很大一部分能量轉(zhuǎn)化為了機(jī)械摩擦熱能。而凸輪泵工作時(shí)基本不會(huì)發(fā)熱，能量利用率較高。④在線自清潔和全排空（采用上下進(jìn)出口時(shí)）設(shè)計(jì)。最大限度避免了停機(jī)時(shí)添加劑在泵腔內(nèi)的殘留，防止由于添加劑結(jié)冰或干涸在泵內(nèi)結(jié)塊。⑤黏度范圍寬。在黏度從1×106～2×106CP的范圍內(nèi)工作都不受影響，區(qū)別僅在于低黏度時(shí)容積效率比高黏度時(shí)略差。因此凸輪泵適應(yīng)介質(zhì)黏度波動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合。⑥運(yùn)行維護(hù)成本低。檢修非常方便，只需打開(kāi)前蓋板，擰開(kāi)凸輪轉(zhuǎn)子的鎖緊螺母就能對(duì)泵腔體進(jìn)行全面維護(hù)，降低了日常維護(hù)冗長(zhǎng)的停機(jī)時(shí)間。一般凸輪泵常用備件為機(jī)械密封件及O形墊圈，其他主要部件幾乎無(wú)損耗。這樣，不僅能使平均無(wú)故障工作時(shí)間更長(zhǎng)，還能降低設(shè)備總使用成本。⑦低剪切、占地少、噪聲低。凸輪泵對(duì)添加劑的破壞比其他泵型都要低，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省安裝空間，運(yùn)行噪聲也比其他傳統(tǒng)泵型低得多。由于凸輪轉(zhuǎn)子泵具有獨(dú)特的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力、緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的正排量特性、無(wú)死角的全排空容積腔設(shè)計(jì)，因此相比傳統(tǒng)容積泵輸送技術(shù)而言，其可靠性更高，因此近幾年凸輪轉(zhuǎn)子泵在混砂設(shè)備上得到了大量的應(yīng)用，從技術(shù)性能對(duì)比和使用效果來(lái)看，混砂車上傳統(tǒng)的容積泵技術(shù)應(yīng)該會(huì)逐漸被更為合適的凸輪轉(zhuǎn)子泵技術(shù)所取代。

3 總結(jié)

針對(duì)目前混砂車各液添泵可能存在的風(fēng)險(xiǎn)及缺陷進(jìn)行了深入分析，結(jié)合液添泵的綜合配置，可以有效提升施工安全、穩(wěn)定性。

［1］萬(wàn)仁溥，羅英俊. 采油技術(shù)手冊(cè)（第9分冊(cè)）：壓裂酸化工藝技術(shù)（修訂本）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998.

［2］中國(guó)石化集團(tuán)江漢石油管理局第四機(jī)械廠.SY/T 5211—2009 壓裂成套設(shè)備［S］.出版社不詳，2009.

［3］后建業(yè). 水力壓裂施工關(guān)鍵技術(shù)的分析與研究［J］.化學(xué)工程與裝備，2015，44（3）：72-74.

［4］劉忠族，王秋波.凸輪轉(zhuǎn)子泵的流場(chǎng)及脈動(dòng)特性數(shù)值分析［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，32（03）：208-213.

2095－6835（2019）05－0158－02

TE357

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.158

〔編輯：王霞〕