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        混砂車加砂排出壓力波動(dòng)問(wèn)題分析

        2021-09-10 05:19:56武瑞娟
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2021年12期

        武瑞娟

        摘要:混砂車作為壓裂機(jī)組的供液樞紐,主要作用是將混砂罐內(nèi)的壓裂混合液以特定的排量、壓力通過(guò)集流管匯注入壓裂設(shè)備。保證混砂車加砂過(guò)程中排出壓力的穩(wěn)定性,對(duì)壓裂作業(yè)的效果至關(guān)重要。本文通過(guò)分析川渝地區(qū)壓裂工況下混砂車加砂過(guò)程中排出壓力波動(dòng)的原因,從設(shè)備本身和操作規(guī)程環(huán)節(jié)制定解決方案,確保壓裂液以穩(wěn)定壓力排出,確保壓裂工藝的正常運(yùn)行。

        關(guān)鍵詞:混砂車;壓裂作業(yè);排出壓力;操作規(guī)程

        中圖分類號(hào):TE9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1674-957X(2021)12-0134-02

        1? 川渝工區(qū)壓裂施工模式

        壓裂施工通過(guò)向地層注入高壓流體使井底地層形成具有足夠大小的填砂裂縫,以增加油氣的流動(dòng)性,提高油氣單井產(chǎn)量?;焐败囎鳛閴毫褭C(jī)組的供液樞紐,主要作用是以一定排量和壓力將壓裂混合液通過(guò)集流管匯供給壓裂設(shè)備?;焐败嚰由盎旌献鳂I(yè)流程見(jiàn)圖1。

        與常規(guī)水力壓裂相比,頁(yè)巖氣壓裂工況所需功率更大,壓力更高,作業(yè)時(shí)間持續(xù)更久。為提高施工穩(wěn)定性及可靠性,川渝頁(yè)巖氣工區(qū)壓裂施工方普遍采用兩臺(tái)混砂車聯(lián)合供液的方式:其中一臺(tái)混砂車單獨(dú)完成供砂。如按照兩車排量1:1的分配方式作業(yè),供砂混砂車實(shí)際最大排量在9m3/min左右,最大砂比接近40%。目前,工區(qū)壓裂泵注程序化作業(yè)趨于最優(yōu)穩(wěn)態(tài),施工排量普遍在14~18m3/min之間,最大工藝砂比在20%以下。

        2? 加砂壓力波動(dòng)現(xiàn)象

        壓裂作業(yè)按泵注程序預(yù)施工過(guò)程中,混砂車基液排量達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),排出壓力也將保持相對(duì)穩(wěn)定。施工階段,混砂車開(kāi)始提砂作業(yè),即砂子通過(guò)輸砂器絞龍旋轉(zhuǎn)遞送進(jìn)入混合罐。同時(shí),經(jīng)過(guò)混合攪拌的壓裂液由排出泵送入排出管匯。結(jié)合當(dāng)前施工現(xiàn)狀和作業(yè)要求,排出壓力需要穩(wěn)定保持在0.30~0.45MPa左右,混砂車才能較好的保證壓裂泵的供液充分。當(dāng)砂比大于10%時(shí),排出泵排量呈現(xiàn)幅度較大的急劇波動(dòng),壓力最高降至0.2MPa以下。加砂過(guò)程部分施工參數(shù)曲線如圖2所示。

        3? 問(wèn)題分析

        結(jié)合川渝工區(qū)的作業(yè)模式,排出壓力下降問(wèn)題的魚骨圖分析見(jiàn)圖3。

        3.1 自動(dòng)控制

        3.1.1 壓力區(qū)間范圍設(shè)置

        排出泵作業(yè)過(guò)程中負(fù)載變化必然會(huì)導(dǎo)致壓力波動(dòng),設(shè)定自動(dòng)控制模式下的壓力區(qū)間范圍,對(duì)于壓裂液的正常泵送意義重大。其具體表現(xiàn)為:當(dāng)排出泵負(fù)載波動(dòng)造成的壓力變化跳出設(shè)定區(qū)間時(shí),系統(tǒng)將控制排出泵調(diào)節(jié)自身轉(zhuǎn)速以調(diào)整壓力恢復(fù)為區(qū)間設(shè)置范圍內(nèi)的數(shù)值。

        按照施工要求,排出砂泵壓力區(qū)間范圍設(shè)置應(yīng)至少在0.3~0.45MPa之間。壓力區(qū)間的設(shè)置僅為排出泵在設(shè)定區(qū)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速調(diào)整提供數(shù)據(jù)反饋,并不能對(duì)排出泵負(fù)載增大引起的壓力下降進(jìn)行響應(yīng)。

        3.1.2 控制系統(tǒng)檢測(cè)與響應(yīng)

        當(dāng)排出壓力波動(dòng)超出區(qū)間變化時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)得到反饋,系統(tǒng)響應(yīng)后將調(diào)整馬達(dá)轉(zhuǎn)速以調(diào)整輸入功率。若控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間出現(xiàn)延遲,排出壓降過(guò)大必然導(dǎo)致排出壓力大幅度波動(dòng)。另一方面,當(dāng)壓力變化時(shí),排出泵轉(zhuǎn)速百分比在系統(tǒng)設(shè)定下隨之發(fā)生變化。正常設(shè)定的系統(tǒng)程序?qū)⒃谟行r(shí)間內(nèi)及時(shí)調(diào)整馬達(dá)轉(zhuǎn)速,以提升排出壓力至正常水平。

        3.2 機(jī)械

        混合罐容積普遍為1.2m3,施工排量需要保持在9m3/min左右?;旌瞎迌?nèi)液體和固體顆粒的混合,需要在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到相對(duì)均勻的效果,才能保證排出泵達(dá)到施工要求的排量和壓力。影響混合效果的因素有:

        3.2.1 罐體結(jié)構(gòu)

        罐體結(jié)構(gòu)的差異主要表現(xiàn)在進(jìn)液方式、出液方式、穩(wěn)流效果等方面(見(jiàn)圖4)。

        混合罐內(nèi)外罐的結(jié)構(gòu)及導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu),可減少進(jìn)液的旋流;上中下三層進(jìn)水方式保證液面的穩(wěn)定性;中部出液的方式保證大排量時(shí)液量的供應(yīng)等。

        此結(jié)構(gòu)下液體在由外罐進(jìn)入內(nèi)罐后,可迅速形成穩(wěn)流,極少飛濺??梢?jiàn),當(dāng)前罐體結(jié)構(gòu)相對(duì)完善,對(duì)混合效果基本無(wú)影響。

        3.2.2 攪拌轉(zhuǎn)速

        攪拌葉輪布置于混合罐的中部,由上下兩層葉輪組成,并成斜45°角布置。攪拌罐流場(chǎng)速度矢量圖中可以看出,當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速增大時(shí),在攪拌葉輪附近明顯有大的漩渦出現(xiàn)。漩渦的出現(xiàn)有利于攪拌均勻,而漩渦過(guò)大將對(duì)排出泵供液穩(wěn)定性造成擾動(dòng)。當(dāng)實(shí)行加砂時(shí),攪拌馬達(dá)的轉(zhuǎn)速對(duì)于壓裂液體系的混合均勻性至關(guān)重要。

        3.2.3 排出泵磨損

        由于壓裂施工是加砂作業(yè),砂粒進(jìn)入排出泵內(nèi),長(zhǎng)期施工造成離心泵葉輪及泵殼內(nèi)部磨損。當(dāng)負(fù)載增大時(shí),雖然可以保證足夠的輸入功率,但離心泵建立不起足夠的排出壓力,從而造成壓力的下降。

        3.3 動(dòng)力源

        整機(jī)運(yùn)作過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)分動(dòng)箱取力,連接液壓泵為整機(jī)各系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓系統(tǒng)連接動(dòng)力輸出端與機(jī)構(gòu)執(zhí)行端,并通過(guò)各連接馬達(dá)調(diào)控各機(jī)構(gòu)間的運(yùn)行參數(shù)。

        同時(shí),工區(qū)加砂普遍采用三種密度的支撐劑,不同密度的支撐劑通過(guò)不同的砂罐進(jìn)行添加。在階段加砂過(guò)程中,只能采用單筒輸砂器進(jìn)行加砂。這樣下砂時(shí),尤其是大砂比的情況下,大量砂子快速且集中進(jìn)入罐內(nèi),造成砂液難以及時(shí)得到混合均勻。

        發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏低和輸出功率下降會(huì)導(dǎo)致液壓泵轉(zhuǎn)速偏低,液壓油輸出流量不足,液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)不到工作要求。因此:將導(dǎo)致混合罐攪拌馬達(dá)攪拌效果不佳,壓裂液體系混合不均勻,密度波動(dòng)導(dǎo)致泵負(fù)載發(fā)生變化;以及直接造成排出離心泵輸入功率下降。

        發(fā)動(dòng)機(jī)故障的原因主要有:①機(jī)油濾芯未定時(shí)更換,導(dǎo)致機(jī)油失效;②空濾濾芯清潔不達(dá)標(biāo),導(dǎo)致油料燃燒不充分;③內(nèi)部潤(rùn)滑脂缺失,導(dǎo)致機(jī)械磨損,輸出功率下降。

        4? 結(jié)論和解決措施

        通過(guò)以上分析,針對(duì)目前的作業(yè)參數(shù)條件下,壓力下降的根本原因就是發(fā)動(dòng)機(jī)故障、壓裂液體系的變化以及泵效的下降。因此,處理加砂過(guò)程中排出壓力波動(dòng)的解決措施主要有:

        4.1 攪拌轉(zhuǎn)速的調(diào)整

        根據(jù)施工時(shí)數(shù)據(jù)及操作方式可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)操作工得到加砂指令時(shí),可預(yù)先提高攪拌轉(zhuǎn)速10%左右。在加砂過(guò)程中,時(shí)刻關(guān)注排出泵轉(zhuǎn)速比,如果轉(zhuǎn)速比急劇升高,應(yīng)繼續(xù)提高攪拌轉(zhuǎn)速直至排出穩(wěn)定。停砂時(shí),應(yīng)預(yù)先降低攪拌轉(zhuǎn)速至50%左右,待排出轉(zhuǎn)速比穩(wěn)定。

        4.2 加砂停砂時(shí)應(yīng)階梯變化

        在加砂停砂的過(guò)程中,建議以階梯提升方式,如18%的情況下,可由5~10~15~18的方式變化,中間可適度停頓3s左右,觀察壓力及排出泵轉(zhuǎn)速變化情況。

        4.3 定期檢查砂泵情況

        排出砂泵屬于磨損件,應(yīng)定期檢查:一是需要拆開(kāi)砂泵,檢查葉輪、泵體、定子的磨損情況;二是調(diào)整砂泵葉輪側(cè)隙,調(diào)整量為1~2mm。

        4.4 定期檢查發(fā)動(dòng)機(jī)

        加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng),定期更換機(jī)油,清洗燃油箱、輸油泵、濾網(wǎng)及管路,檢查發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)、清洗并加注潤(rùn)滑脂。

        參考文獻(xiàn):

        [1]林蕾.兩種壓裂車在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2020(14):61-62.

        [2]冉旭東.水力壓裂用混砂車輸砂裝置研究[J].化工管理,2020(23):197-198.

        [3]楊小濤,白田增,任勇強(qiáng),陳如鶴.油田混砂車自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2020(14):74-75.

        [4]吳漢川,王峻喬,仇黎明.混砂車吸入排出性能研究[J].石油機(jī)械,2013,41(03):92-95.

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