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。

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