大排量电动混砂装备的研究与认识.pdf

.+.-98-2023年第2 6 卷维修改造石油和化工设备大排量电动混砂装备的研究与认识李龙杰（中石化四机石油机械有限公司，荆州，4340 2 4)摘要】混砂装备是压裂工程装备的重要组成部分，大排量、电动化、智能化是目前混砂装备发展的方向。本文针对大型压裂工程中混砂装备应用问题，提出了大排量电动混砂装备的研究思路和解决的关键技术。结合装备试验数据和工程应用效果，提出未来大型混砂装备的发展方向。【关键词】混砂装备；压裂工程；大排量；电动化及智能化；研发及应用展望1前言混砂装备是压裂工程装备的重要组成部分。在页岩气压裂施工中由于施工排量大和连续作业，由于受到混砂装备单机能力不足和现场供砂系统的约束，为保障施工连续性和作业安全，大多数的工程施工采用两台混砂装备联合作业，或者部分清水供液和单台混砂装备加砂的工作模式。现有双机作业中需要两套地面供砂系统，供液管线连接复杂，两套系统无法实现自动操作。采用两套系统集成到单台装备，实现两套混砂系统相互独立或整体自动分配模式提升混砂装备工作性能，可以有效解决混砂装备在页岩气工程应用的难题。2混砂装备应用问题混砂装备的功能是将压裂液与多种添加剂进行比例混合，再通过地面管汇为多台压裂泵装置提供混合液。混砂装备三个重要的性能指标就是输出排量、排出压力和控制精度，随着压裂工程中施工排量的增大以及工作时间的延长，对混砂装备的工作能力提升和可靠性提出了更高的要求。常规混砂装备的输出排量有两个指标。一个是最大清水输出排量，它是根据所选择的动力和离心泵在清水介质条件下的最大能力，混砂装备的型号HS16或HS20就是最大排量16-2 0 m/min。另一个就是有效输出排量，它是基于压裂液和添加剂介质，满足输出压力 0.2 5MPa条件下，离心泵实际能够输出的排量，通常有效排量是清水排量的7 0-8 0%。在页岩气压裂工程中，施工所需要的总排量在14m/min左右，最高达到2 0 m/min。目前所使用的最大型号混砂装备实际施工排量在14m/min左右，已经接近混砂装备的最大能力。所以工程上通常采用两台混砂装备进行联合作业，以满足压裂施工作业的连续性。提升混砂装备的输出排量受到诸多因素的制约。以HS20型混砂装备选择14x12x22离心泵为例，最大排量输出驱动离心泵所消耗功率在2 0 0 kw左右，在传动链方面，常规混砂装备大多采用发动机驱动液压系统，通过液压驱动离心泵工作。目前液压驱动元件的选型已经到达极限，机械直驱需要进行减速变换，受到车载尺寸和功率的约束，造成结构布局的复杂。大型常规柴驱混砂装备都需要两台发动机驱动才能够满足输出排量和压力的需求。在工程应用上，由于两台混砂装备相互独立运行，无法实现相互的协调控制，现场需要进行吸入和排出管汇的互联互通，带来现场连接管汇复杂和操作流程的繁琐。混砂装备需要将压裂液与石英砂或陶粒等干添介质进行混合搅拌，两种介质在开式混合罐内进行实时混拌并排出。其中砂液混合能力是衡量混砂装备性能的重要指标。随着压裂工艺向清水介质和强加砂技术的发展，采用机械搅拌模式容易造成砂液分离和罐内沉砂沉砂的现象。排出流量随着工艺变化造成混合罐液面的大幅波动，需要频繁调节进入到混合罐的流量，已达到罐内液面的平衡。通过混砂装备自动液面控制能够自动调整液面高度，但是介质气泡和工程突变等因素还是需要人工进行干预，这也是混砂装备需要车作者简介：李龙杰(198 9-），男，汉族，湖北荆州人，工程师，工学硕士，毕业于中国石油大学（华东）力学专业，现从事压裂装备技术研发工作。99李龙杰大排量电动混砂装备的研究与认识第8 期台操作的主要原因。混砂装备本地操作需要较高的工作技能，同时施工现场目前只有混砂装备上需要操作人员，给施工安全带来隐患。另外柴驱混砂装备的工作噪声也达到10 0 分贝，制约了压裂工程在乡村地区施工现场2 4小时的连续运行。3电动混砂装备研发思路电动化可以有效的提升混砂装备的功率重量排出管汇供渡警汇供液菜2混排罐2电磁流量计2电磁流量计1C供液管汇供液泵工排出警汇双混双排是将现有两台混砂装备的功能进行整合，既可以单台独立施工也可以两套系统同时作业。两套系统的吸入和排出管汇既可以相互独立，又可以通过阀门进行相互切换，实现独立运行互为补充的功能。压裂施工中有时候液体不需要经过混排罐。HSQ40电驱混砂撬采用两套供液泵+两套混排罐的模式。两套系统从电机到液压系统，以及辅助的液添、干添系统等都是各自独立的。其电驱模式为液压站+电机结合的模式，供液泵由变频电机直驱，混排罐、输砂器等仍由液压马达驱动。电驱混砂撬的最大清水排量达到40 m3/min。“双混双排”即两套供液泵与混排罐同时工作，实现超大排量的压裂液泵注，“单混单排”即为一用一备，可将HSQ40混砂撬看成两台HSQ20混砂装备，如一套在使用时出现故障，可以立即切换到另一套系统工作，可以避免因设备故障而产生的压裂生产损失，也实现了大型压裂工程中混砂设备“一备一用”的工作流程。两套系统设计上是完全独立的，同时又可以实现并联工作：如右图所示，单混单排作业模式下，供液泵1通过单侧的供液管汇将压裂液以一定压力供入混排罐1，同时螺旋输砂器将支撑剂添加进罐内，通过高速离心混合后通过电磁流量计1计量，排出管汇输送至后端压裂泵送设备，单侧最大清水排量2 0 m3/min；双混双排作业模式时，即比，实现大型混砂装备装备的双机集成。要有效解决解决混合罐液体溢罐或抽空的问题，必须通过改变现有开式混拌罐，从原理和结构上进行优化。电机直接驱动离心泵和变频调速功能，使混砂装备控制精度提升和相应时间缩短，控制系统可以快速实现两套系统协同作业并实现混砂装备本地无人化操作。3.1双混双排集成满足大排量需求供液泵2 及其支路系统参与工作。实际施工时，可根据加砂要求，单侧加砂或双侧同时加砂，在采用单侧加砂时，其管路切换至不过罐旁通，混排罐不参与工作。3.2高效混合搅拌技术为了满足压裂液在密度、粘度、含砂量及排量等方面的要求，混砂搅拌装置必须具有较强的搅拌混合作用和良好的混合效果，即搅拌装置混合均匀程度高且混合时间短。传统混砂装备采用离心泵将储液罐的水引入到混合罐内，与输砂装置输送的石英砂进行混合搅拌，通过混合搅拌后的压裂液通过混排罐增压或保压后通过地面管汇输送给多台压裂装备。叶轮高效混合搅拌系统是将混合罐和排出离心泵整合为混排罐。提出了叶轮搅拌与水力射流相结合的新型混合搅拌模式，具有射流作用的混合罐和具有导流筒的双层搅拌叶轮，混排罐系统由混合罐及搅拌叶轮两部分组成。1002023年第2 6 卷维修改造石油和化工设备混合罐包括内腔和夹层内腔两部分，混合罐内腔有上、中、下三层多组进水口。搅拌装置工作时，水通过混合罐夹层内腔切向进水口进入混合罐的夹层内腔，然后通过混合罐内腔进水口进入混合罐内腔，由于水通过进水口进入混合罐内腔时具有一定的初速度，将起到一定的射流作用，从而会促进混合罐内腔中固液两相的混合。搅拌叶轮为具有导流筒的双层搅拌叶轮，两层搅拌叶轮结构形式类似，分别由中间导流筒和多组叶轮组成。上叶轮的导流筒对固体颗粒将起到一定的抽吸作用，加速固体颗粒进入两叶轮中间进行混合。上下叶轮产生方向相对的轴向流，可以将固体颗粒控制在两搅拌叶轮之间的区域进行搅拌混合，起到加快固液两相混合的作用。混合搅拌核心技术是密封与保压。高速旋转的叶轮在砂液混合介质的作用下需要重点解决动密封问题，轻量化叶轮材料和结构可以有效的提升混排罐密封寿命。另外一方面混排罐结构优化可以提升供液流量与压力，只有在排出压力与吸入压力保持平衡的条件下，才能够确保混排罐大排量下不漫灌加砂和快速搅拌。通过建立其仿真模型及分析，闭式混排罐进出口压力曲线如图，当内部流场趋于稳定时，装置进出口压力基本相等，表明该装置本身不产生增压效果，主要起到快速搅拌和保压输送功能，系统压力主要由吸入口前端的吸入离心泵输出压力决定，混排罐的工作转速与排出压力成正比关系。025020排出口流量混排罐转速与排出压力关系吸入口流量0.1510000.100.058000.006000.054000.102000.15-00200.340.280.250.230.180.140.11-0250.0O.20.40.8时间（S)3.3电液混合传动系统电和液压的关系，并不是简单的取代或不会被取代的关系，而是应该从电控、电动、电驱分别研究对策。液压驱动在相同功率条件下,装置体积小、重量轻、结构紧凑，但系统成本高，可靠性差。电机驱动精确度高，调速方便，但小功率电机的体积较大。综合电动混砂的整机结构，功率需求以及控制逻辑等因素，同时考虑混砂装置应用环境以及整机集成等因素，电动混砂装置采用电液混合传动模式。变频电机1供液泵1变频电机2供液泵2混排罐1混排罐2输砂器1-1输砂器2-1定速电机1定速电机2输砂器1-2输砂器2-2综合1综合2混砂装备最大的功率是驱动排出泵，工作中要频繁调节离心泵的转速以适应施工排量和压力的变化。采用两套功率2 50 kw变频传动直接驱动离心泵，大幅提升传动效率和调速精度。混排罐、输砂器及添加剂系统采用定速电机驱动液压系统是基于传动部件多、结构与连接、控制和安全防护等综合考虑。电液混合传动系统从工程应用来看传动效率、控制相应速度及装备的安全可靠性运行等方面都取得较优的效果。电动化使混砂装备集成体积大幅减小，可以实现更大排量的输出。液压系统在运行过程中，需要冷却系统对液压油进行冷却，常规方式是采用冷却风扇，但是运行噪音较大且结构复杂。考虑到混砂装备进液介质为清洁压裂液，水冷的方式主要需要考虑现场水源的供给及循环方式，结合现场工艺条件，可通过混砂系统的供液泵泵送液体，循环水直接输出至混合罐即可，通过采用水冷方式，噪声可降低至8 0 dB（A）以下。101李龙杰大排量电动混砂的研究与认识第8 期3.4控制系统及远程操作电动混砂控制系统包括电控系统和自动控制系统。电控系统由房体、高压变电、变频传动、PLC控制、MCC等系统组成。电网电压采用10 KV供电，额定输出电压40 0 V。整个电传动系统以PLC为控制核心并通过现场总线技术把数字化设备组成网络。系统实时监控设备的运行状态，并提供系统故障时的诊断报文，能实时显示、记录并运行参数及诊断信息。常规混砂设备在操作过程中，虽然已有液面自动控制系统实现液面的相对稳定控制，但为防止排量突变等意外情况造成溢罐或者吸空，操作人员需时刻关注混合罐液面的状态。电驱混砂自动控制系统由吸入泵流量控制、混排罐压力控制、输砂绞龙控制和添加剂控制四个部分组成。其控制逻辑是通过计算机采集实际流量、转速、压力，根据预先设定参数比较实时调整相应控制元件的转速。由于采用闭式罐及排出压力自动控制模式，混砂设备首次实现了远程操作：即本地无人值守模式，混砂设备的排量提升、加砂等控制均在远程的仪表操作间内完成。在保证排出压力相对稳定的条件下，混砂操作人员仅需听从施工指挥的命令或作业流程进行加砂量的操作，系统将根据排出压力的变化自动调节吸入泵转速，保持混排罐输出压力的恒定，从而实现混砂装备的本地无人化操作和流程的自动控制。本地控制无线模块无线平板大功率电缆电机有线控制屏变频器软启动器以太网交换机以太网交换机通讯PLC通讯电量PC温度湿度控制器执行机构远程控制高压配电房传感器4工程验证大排量电动混砂装备经过台架试验和工业试验目前已经在川渝页岩气开发中投入应用。在实际工程应用中，采用单边8 m/min两路工作或10 mmin加砂另外一路打清水两种模式。当一路出现故障情况下，进行紧急切换实现单边16 m/min作业。设备操作全部在仪表车内远程进行并通过视频系统监测绞龙的供砂状况。实现了大型压裂工程混砂装备的安全备份。在施工中存在的主要问题：一是大砂量时下砂不畅，主要原因是闭式罐缓冲砂斗角度过小、环空被马达框架大部分占用，通过优化砂斗结构型式，调整驱动马达的安装方式，实现下砂过程滞留时间缩短，从而不易在砂斗内形成积砂现象；二是(下转94页）福美&R焦页6 西平台申滋滑砂耀B02-18-840用力M(上接10 1页）94-2023年第2 6 卷维修改造石油和化工设备以减少误工时间。如在龙2 X区块，对于设计闭合方位如果在第三象限水平井，因其它井施工中地层造斜率低，在定向初期下牙轮钻头提高造斜率，在钻进至青山口组以后，地层造斜率提高，更换PDC钻头提高钻速。而对于设计闭合方位在其它象限水平井，可直接下入PDC钻头提高钻速。通过统计对比已施工多口水平井，未对施工井优化施工前，平均机械钻速8.4m/h，优化施工后，平均机械钻速9.6 m/h；未对施工井优化施工前，平均钻进周期50.2 d，优化施工后，平均钻进周期32.7 d，优化施工见到提速效果较为显著。4结论4.1优化施工思路对于大规模水平井施工，有较为闭式罐易溢罐，尤其是在排量提升或者下降的过程中，主要原因是在排量变化趋势过大的条件下，易造成管路中压力的瞬间波动，闭式罐采用的排出压力自动控制反应滞后，闭式罐转速未能迅速提升，造成液体溢出，通过调整转速与压力对应因子，降低压力波动时转速响应时间的影响，同时操作过程中优化了启动及停机流程。根据工程应用效果来看，电动混砂装备可较好适应页岩气的压裂施工。其相较于两台设备联合作业的模式，其在供砂、供液系统的配合连接方式方面有较为明显的简化，设备布局更清晰直观。在闭式混排罐混合输送模式下，通过叶轮高速运转实现了支撑剂的快速添加及在液体体系中的较好融合，较常规混合罐搅拌方式更易实现砂液体系的快速稳定，能更好适应强加砂的工艺条件。显著技术的指导作用，可有效的避免复杂，提速提效，有一定的推广价值。4.2通过分析目标区块地质特征，优化井身结构、钻具结构、钻进参数、钻头优选等，可有效的指导现场。4.3优化施工在使用过程中，应根据新工艺、新工具做出调整，确保施工措施不断完善。参考文献1张海山,杨进,宫吉泽,等东海西湖区块高温高压深探井井身结构优化 石油钻探技术,2 0 14,12(6):2 5-2 9.2杨进,朱虎军,于海永,等套管磨损防护技术应用研究 .石油钻采工艺,2 0 0 6,2 8(3):10-2 3.收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 7 修回日期：2 0 2 3-0 7-13参考文献1陈翔,吴汉川,乔春,等.基于正交实验法和流场模拟的搅拌罐结构优化设计 .机械设计与制造,2 0 12(3):55-57.2黄天成,王德国,周思柱，等.混砂车搅拌叶轮流固耦合模态分析研究 J.西南石油大学学报（自然科学版）,2 0 12,34(1):16 5-17 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