冉旭東(川慶鉆探井下作業(yè)公司，四川 成都 610200)

0 引言

對(duì)于混砂車而言，最重要的部分是輸砂系統(tǒng)，該系統(tǒng)最主要的任務(wù)是對(duì)原料進(jìn)行輸送，并進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接決定壓裂效果。在施工時(shí)，常出現(xiàn)加砂的速度過(guò)慢或者加砂過(guò)快的現(xiàn)象。當(dāng)在低速狀態(tài)下作業(yè)時(shí)，輸砂系統(tǒng)極容易出現(xiàn)卡阻的故障，進(jìn)而影響到系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，因此可以看出部件是否準(zhǔn)確將直接影響水裂作業(yè)效果。由于受到國(guó)際環(huán)境的影響，再加上資源日益短缺，國(guó)際油價(jià)正逐漸上漲，導(dǎo)致壓裂井的數(shù)量也在不斷增加，隨之對(duì)壓裂設(shè)備提出了更高的要求。

1 混砂車的簡(jiǎn)介

對(duì)于混砂車而言，其主要任務(wù)是對(duì)施工砂料進(jìn)行輸送，對(duì)施工材料進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，促使施工砂料有效混合?；焐败嚨闹饕M成部分可以分為兩個(gè)部分，也就是混砂車臺(tái)上部分以及混砂車底盤部分。施工作業(yè)效果與某些參數(shù)有著密切關(guān)系，施工具體要求進(jìn)行影響到混砂車的參數(shù)變化，例如在混合液體中，砂量所占的比例是否處于合理的范圍；在施工中，使用的添加劑比例是否滿足施工標(biāo)準(zhǔn)等，這些因素都會(huì)對(duì)混砂車的作業(yè)效果產(chǎn)生影響。對(duì)于我國(guó)油田開采過(guò)程中所使用的混砂車而言，主要來(lái)源于國(guó)外進(jìn)口的混砂車以及國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的混砂車，通過(guò)對(duì)國(guó)外進(jìn)口的混砂車進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，能提高油田的開采效率，同時(shí)也能提高混砂車的使用性能。

對(duì)于壓裂作業(yè)而言，其使用的輸砂裝置通常是螺旋輸砂器，該輸砂器的主要組成部分有：馬達(dá)、出入口處的料斗以及輸送機(jī)等，該輸砂器在作業(yè)過(guò)程中，主要受到以下因素的影響，比如電力裝置的輸送效率以及系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功率等。造成這些因素變化的有：螺旋尺寸大小、葉片的直徑以及螺旋的轉(zhuǎn)動(dòng)速度等，對(duì)輸砂裝置進(jìn)行研究，主要是為了分析裝置部件對(duì)運(yùn)行效果產(chǎn)生的影響，進(jìn)而確定影響參數(shù)，為提高輸砂裝置的運(yùn)行效果，提供強(qiáng)有力的保障。對(duì)于生產(chǎn)井的壓裂作業(yè)而言，主要是依據(jù)壓裂設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)的，一般而言，壓裂設(shè)備的主要組成部分有：壓裂車以及混砂車等，對(duì)于壓裂作業(yè)效果而言，混砂車是影響其效果的最主要因素。為滿足綠色環(huán)保的發(fā)展理念，可以對(duì)混砂車的動(dòng)力裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)變，通過(guò)對(duì)混砂車的功率進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定能力。

2 現(xiàn)代水力壓裂用混砂車輸砂裝置的應(yīng)用

2.1 混砂車大排量的發(fā)展趨勢(shì)

由于受到國(guó)際環(huán)境的影響，再加上資源日益短缺，國(guó)際油價(jià)正逐漸上漲，導(dǎo)致壓裂井的數(shù)量也在不斷增加，隨之對(duì)壓裂設(shè)備提出了更高的要求，這一點(diǎn)在頁(yè)巖氣的開采中更加明顯，在進(jìn)行一次開采作業(yè)時(shí)，所需要使用到的砂量高達(dá)數(shù)千方，進(jìn)而推動(dòng)了混砂車大排量的發(fā)展。現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)混砂車的排量達(dá)到160 桶，國(guó)外的混砂車排量能達(dá)到250 桶。對(duì)于混砂車的設(shè)計(jì)而言，最大的困難在于大排量的設(shè)計(jì)，就國(guó)內(nèi)看來(lái)，壓裂井的場(chǎng)地平整程度不高，混砂車底盤的設(shè)計(jì)不夠合理，由于混砂車的底盤承載能力較好，因此可以通過(guò)增加重量的方式，進(jìn)而加大混砂車的排量，同時(shí)由于對(duì)于混砂車的底盤選擇面較小，這就要求不但要增加底盤的重量，同時(shí)還要進(jìn)一步提高混砂車的排量。

2.2 強(qiáng)化混砂車的雙向功能

壓裂井的場(chǎng)地面積較小，可供設(shè)備擺放的空間受到限制。一般而言，在混砂車的側(cè)面不僅可以擺放壓裂車，同時(shí)還可以擺放水罐車，在這樣的形勢(shì)下，促使混砂車具備雙向功能的液口。對(duì)于混砂車的雙向功能，每個(gè)廠家對(duì)其的定義不同，比如五機(jī)廠對(duì)其的定義是參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的，也就是雙吸雙排功能，基于這樣的形勢(shì)下，應(yīng)當(dāng)對(duì)其雙向功能進(jìn)行強(qiáng)化。對(duì)于混砂車的作業(yè)性能而言，攪拌罐是非常重要的，攪拌罐的攪拌效果在一定程度上能決定混砂車的性能，也就是攪拌效果好，混砂車的工作性能就好，攪拌罐的攪拌效果不好，混砂車的作業(yè)性能將會(huì)降低，通常情況下，攪拌罐的結(jié)構(gòu)為雙層形式結(jié)構(gòu)，由于攪拌罐具有雙層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促使大液面與支撐劑能充分混合。

2.3 通過(guò)對(duì)混砂車設(shè)計(jì)蛟龍方式，進(jìn)而對(duì)輸砂量進(jìn)行調(diào)整

由于混砂車的雙筒結(jié)構(gòu)受到一定的限制，導(dǎo)致不能對(duì)砂量的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，也不能對(duì)其進(jìn)行精確的計(jì)算，當(dāng)在低速狀態(tài)下運(yùn)行，混砂車具有較大的不穩(wěn)定性，進(jìn)而不能對(duì)砂量進(jìn)行精確的計(jì)算，在一定程度上，將直接影響整體施工的質(zhì)量，當(dāng)輸入砂量較小時(shí)，混砂車的穩(wěn)定性將不能得到有效保障。在混砂車的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三個(gè)蛟龍，設(shè)計(jì)一個(gè)蛟龍的尺寸大小較大，將其余兩個(gè)蛟龍的尺寸設(shè)計(jì)較小，通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)方式，在實(shí)際施工時(shí)，能滿足輸砂量的要求，也就是從較小范圍到較大范圍，由于能達(dá)到這樣的設(shè)計(jì)目的，因此這種設(shè)計(jì)在混砂車設(shè)計(jì)方面得以重視。

2.4 壓裂設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

壓裂設(shè)備逐漸向綠色環(huán)保、大規(guī)模化的方向發(fā)展，以便能滿足當(dāng)下市場(chǎng)發(fā)展的需求，混砂車的發(fā)展趨勢(shì)也隨之發(fā)生了變化，比如混砂車的輸砂裝置更加獨(dú)立化，具體來(lái)說(shuō)，輸砂裝置既屬于混砂車也獨(dú)立于混砂車；通過(guò)對(duì)混砂車的效率進(jìn)行設(shè)計(jì)，促使單個(gè)設(shè)備的運(yùn)行功率得到明顯提高，比如某公司研制出封閉式混合泵，通過(guò)該混合泵的作用，排量250 桶的混砂車運(yùn)輸效率得到提高；通過(guò)在混砂車上設(shè)計(jì)雙攪拌的裝置，當(dāng)混砂車某個(gè)設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，不對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響，系統(tǒng)依然能正常運(yùn)行，從而能確保施工效率；通過(guò)對(duì)混砂車的功率進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定能力，也就是將較大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步分成幾個(gè)較小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)；為滿足綠色環(huán)保的發(fā)展理念，可以對(duì)混砂車的動(dòng)力裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)變，比如使用自然動(dòng)力裝置取代原始動(dòng)力裝置，比如天然氣動(dòng)力裝置以及電力裝置等，通過(guò)對(duì)電力裝置進(jìn)行改變，不僅能提高設(shè)備的運(yùn)行效率，同時(shí)還能降低單機(jī)的重量，對(duì)于混砂車的控制方式而言，將會(huì)引入互聯(lián)網(wǎng)的概念，從而能實(shí)現(xiàn)對(duì)混砂車的有效控制。

2.5 壓裂混砂車的研制

對(duì)于油田的采收而言，生產(chǎn)井壓裂是非常重要的，在采油的過(guò)程中，通過(guò)使用該方式，能提高對(duì)油田的采收率，然而對(duì)于壓裂環(huán)節(jié)而言，防砂是該階段的重要工序，通過(guò)將兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行有效結(jié)合，設(shè)計(jì)出來(lái)的混砂車不僅能優(yōu)化施工工序，降低施工過(guò)程中所使用的設(shè)備數(shù)量，同時(shí)在一定程度上還能提高作業(yè)效果，尤其是位于山區(qū)里的作業(yè)井，或者是一些地理環(huán)境較為苛刻的作業(yè)井，在這些方面使用防砂壓裂混砂車，其作業(yè)效果更為顯著，通過(guò)使用這種組合而成的混砂車，進(jìn)而解決車輛擁擠以及無(wú)處擺放設(shè)備的問(wèn)題，不僅降低了施工成本費(fèi)用，還能提高作業(yè)效率。

3 水力壓裂用混砂車輸砂裝置的優(yōu)化

3.1 螺旋輸送機(jī)輸送理論

基于變螺旋具有的螺旋能力，造成物料狀態(tài)較為復(fù)雜，為此假設(shè)在合理狀態(tài)下，借助數(shù)值模擬探索運(yùn)動(dòng)規(guī)律。模擬假設(shè)：

(1)假設(shè)螺旋運(yùn)轉(zhuǎn)期間，物料狀態(tài)發(fā)生45 度傾斜，干擾系數(shù)設(shè)定為0.69，充滿狀態(tài)的系數(shù)指標(biāo)為0.59。

(2)在輸送研究過(guò)程中，不考慮壓縮情況的影響作用。

(3)螺旋與物料之間產(chǎn)生的摩擦作用，認(rèn)定關(guān)系為：物料軸向行速=螺旋葉片軸向移速。

研究變徑變螺距時(shí)，依據(jù)公式：

式中：Sk 為螺距(mm)；L 為入料位置寬度(mm)；Vk 為螺距占據(jù)體積(mm)；K 為每轉(zhuǎn)發(fā)生入料的體積(mm3/r·mm)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算推演，獲取螺旋葉片直徑計(jì)算方式，即d=2(x2+y2)-1=2cexp(mt)，假設(shè)螺距有20 段，20 組螺旋葉片直徑取值范圍為[280，340]mm，對(duì)應(yīng)螺距值取值范圍為[175，235]mm。

3.2 有限元分析

靜力分析方程為：

式中：[M]為質(zhì)量；[C]為阻尼；[K]剛度系數(shù)，三者皆為矩陣；{x}為位移量；{F}為力參數(shù)。

葉片平衡方程式為：[M]+[C]+[Mb]+[K]{x}-[Mc]={Qc}+{Qp}-{Fb}+{R}

式中：[M]為質(zhì)量總和；[C]為阻尼總和，[K]剛度系數(shù)總和，三項(xiàng)皆為矩陣；[Mc]為離心力具有的質(zhì)量，矩陣數(shù)據(jù)序列；{Qp}為流體產(chǎn)生的等效荷載；{Qc}為未變形時(shí)的離心力；{R}為節(jié)點(diǎn)位置具有的集中性力；{Fb}為應(yīng)力產(chǎn)生的等效荷載。

由此方程式可演變成：

此關(guān)系式說(shuō)明：葉片開展靜力分析時(shí)，時(shí)間因素對(duì)其未發(fā)生影響作用，時(shí)間因素?zé)o影響的觀點(diǎn)成立。

結(jié)構(gòu)分析：

(1)加料時(shí)在螺旋輸送機(jī)輸料位置，添加軸承，并施加扭矩力1273.3N·m。

(2)切應(yīng)力最大值為20.07MPa，應(yīng)力最大值不足40MPa，位移最大值為1.84mm，此三項(xiàng)數(shù)值均不大于允許應(yīng)用數(shù)值，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 模擬實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速、攪拌軸直徑、傾斜角度、葉片直徑、螺距五個(gè)參數(shù)分別取值，實(shí)驗(yàn)應(yīng)為16 次，從中選擇最優(yōu)配置方案。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：螺旋入料位置的寬度，可適當(dāng)加長(zhǎng)，防止出口位置寬度不足，減少引起沙料四濺現(xiàn)象發(fā)生。

(3)數(shù)據(jù)分析：螺距與轉(zhuǎn)速應(yīng)左右主要控制對(duì)象，二者對(duì)輸送砂容量產(chǎn)生較大影響。由于傾斜度發(fā)生變化時(shí)，引起輸砂裝置性能的隨之改變，傾斜角為45 度時(shí)，當(dāng)葉片直徑長(zhǎng)度為240mm 時(shí)，輸送砂總量的最大值為92kg/s，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，輸送砂量相應(yīng)增加，引起輸送功率的增長(zhǎng)。

(4)結(jié)論：由分析發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)配置方案為：葉片直徑取值346mm，螺距取值240mm，螺旋軸直徑取值為83mm，轉(zhuǎn)速取值為每分鐘311 轉(zhuǎn)，獲得最大輸送砂量，即每秒輸送砂量94kg。

經(jīng)過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比獲得最優(yōu)的配置方案，優(yōu)化混砂車輸砂裝置，提升混砂車輸砂裝置的應(yīng)用性能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的分析可知，對(duì)于混砂車而言，其主要任務(wù)是對(duì)施工砂料進(jìn)行輸送，對(duì)施工材料進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，促使施工砂料有效混合；混砂車的底盤承載能力較好，因此可以通過(guò)增加重量的方式，進(jìn)而加大混砂車的排量；攪拌罐的結(jié)構(gòu)為雙層形式結(jié)構(gòu)，由于攪拌罐具有雙層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促使大液面與支撐劑能充分混合；在混砂車的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三個(gè)蛟龍，設(shè)計(jì)一個(gè)蛟龍的尺寸大小較大，將其余兩個(gè)蛟龍的尺寸設(shè)計(jì)較小，進(jìn)而能滿足輸砂量的要求。