具有增壓灌注功能壓裂用管匯車的研制

李志鵬，盧一欣，閆 軍，劉偉中

（蘭州城臨石油鉆采設(shè)備有限公司，蘭州730070）①

具有增壓灌注功能壓裂用管匯車的研制

李志鵬，盧一欣，閆 軍，劉偉中

（蘭州城臨石油鉆采設(shè)備有限公司，蘭州730070）①

為了滿足頁(yè)巖油氣等非常規(guī)能源開發(fā)而進(jìn)行的工廠化大規(guī)模壓裂工況的需要，研制一種具有增壓灌注功能的壓裂用管匯車。該車是在現(xiàn)有管匯車基礎(chǔ)上對(duì)低壓管匯增設(shè)增壓灌注系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可根據(jù)工況選擇是否啟動(dòng)灌注系統(tǒng)。在滿足現(xiàn)有管匯車的功能和性能基礎(chǔ)上，同時(shí)具備增壓灌注功能，可以充分地為壓裂車供液，既解決壓裂泵空吸現(xiàn)象，提高了壓裂質(zhì)量，又保證了設(shè)備運(yùn)行安全。

管匯車；增壓；灌注；壓裂

壓裂技術(shù)是頁(yè)巖氣等非常規(guī)能源開發(fā)基本的必要的完井和增產(chǎn)工藝技術(shù)，而小排量、低壓力、小規(guī)模型壓裂工藝已不適應(yīng)頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣井、叢式井的開發(fā)，必須采用大規(guī)模工廠化的壓裂手段。由于開發(fā)油藏多處于山地、丘陵、盆地等環(huán)境條件困難的地域，而大規(guī)模工廠化壓裂所需設(shè)備多，場(chǎng)面大，因此在狹長(zhǎng)的或狹小的井場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備的布局困難，會(huì)造成使用很長(zhǎng)的輸送管線，造成流體的壓力降增大；同時(shí)壓裂液黏度大［1］，混砂車砂泵的排出壓力低（一般為0．3～0．7 MPa［1］），經(jīng)過管線壓力損失，則不能充分地為壓裂車提供壓裂液，會(huì)使壓裂泵出現(xiàn)空吸現(xiàn)象，不但影響壓裂施工質(zhì)量，而且減少設(shè)備使用壽命。因此，研制在特殊環(huán)境地域進(jìn)行工廠化大規(guī)模的壓裂作業(yè)裝備，提高低壓管線的輸送壓力、提高壓裂質(zhì)量和穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　管匯車功用及技術(shù)分析

現(xiàn)有管匯車管匯系統(tǒng)主要由低壓管匯和高壓管匯［2-3］兩大部分組成（吊車等其它部分本文暫不涉及）。

1．1 低壓管匯

低壓管匯主要用于混砂車和壓裂泵等設(shè)備之間的流體輸送。將混砂車的多個(gè)輸出口（通常為4英寸）和管匯車低壓管匯的多個(gè)輸入口連接，再將管匯車的低壓管匯的輸出口（通常為4英寸）與每臺(tái)壓裂車的輸入口連接，這樣混砂車排出的壓裂液匯聚到低壓管匯主管道（8英寸或10英寸），然后再由主管道分別排給各壓裂車。

由于管匯中有多處直角，混砂車排出的壓裂液通過時(shí)阻力增大，壓差增大，壓裂液經(jīng)過輸送管線、管匯車低壓管匯到壓裂車吸入口（上水室）時(shí)，首先是由小管道（通常為4英寸）進(jìn)入低壓管匯主管道，然后又由低壓管匯的主管道進(jìn)入小管道，再流入到壓裂泵吸入口，這樣由于出進(jìn)管道截面的多次變化，也會(huì)產(chǎn)生一定的流動(dòng)阻力，從而進(jìn)一步增加了管匯流體的壓力降。

1．2 高壓管匯

將各壓裂車的高壓排出口與高壓管匯的各輸入口分別連接，再將高壓管匯的輸出口與入井管線連接。流程是各壓裂車排出的高壓壓裂液匯流到高壓管匯，然后將匯聚在高壓管匯中的高壓壓裂液通過入井管線壓入施工井中。因高壓管匯中的壓力高（一般在35～140 MPa），管線中的壓力損失可以忽略，即無需再進(jìn)行增壓。

1．3 技術(shù)分析

目前所用管匯車的低壓管匯只是起到了混砂車與壓裂車之間的連接過渡作用，若受井場(chǎng)地形的限制或大規(guī)模工廠化壓裂作業(yè)，設(shè)備分布面積大，混砂車遠(yuǎn)離壓裂車時(shí)，混砂車排出的壓裂液通過低壓管匯及管線壓力損失后到達(dá)壓裂車入口時(shí)壓力不足（混砂車的排出壓力低、壓裂車自吸能力很差），會(huì)使壓裂車出現(xiàn)空吸現(xiàn)象，不但影響壓裂施工質(zhì)量，同時(shí)也容易損壞壓裂泵。

2　具有增壓灌注功能管匯車

具有增壓灌注功能的管匯車主要是針對(duì)低壓管匯的升級(jí)改造，可解決低壓管匯壓裂液供給不足的問題。同時(shí)根據(jù)施工場(chǎng)所和要求選擇是否啟動(dòng)增壓灌注系統(tǒng)［4］，方便不同工況采用。

2．1 結(jié)構(gòu)組成

具有增壓灌注功能的壓裂用管匯車（如圖1）在現(xiàn)有管匯車的基礎(chǔ)上，增加了低壓管匯增壓灌注系統(tǒng)，如圖2。灌注系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、傳動(dòng)軸、增壓離心泵、低壓輸入管匯總成、低壓輸出管匯總成、控制箱和蝶閥等組成。其結(jié)構(gòu)為發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源和離合器連接；離合器和傳動(dòng)軸（萬向軸）法蘭連接；傳動(dòng)軸和增壓離心泵法蘭連接；增壓離心泵吸入口和低壓輸入管匯總成之間通過蝶閥連接可關(guān)閉和開啟；增壓離心泵排出口和低壓輸出管匯總成之間通過蝶閥連接可關(guān)閉和開啟；低壓輸入管匯總成和低壓輸出管匯總成之間通過蝶閥連接可關(guān)閉和開啟。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)（離合器、傳動(dòng)軸）驅(qū)動(dòng)增壓離心泵工作；發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、油溫、油壓等由就地控制柜進(jìn)行集中控制和顯示，也可進(jìn)行遠(yuǎn)距離集中控制和顯示。

新設(shè)計(jì)的管匯車通過載荷分布計(jì)算進(jìn)行布置安裝。吊車與發(fā)動(dòng)機(jī)之間有足夠的空間完全可以固定放置高壓短接和高壓活動(dòng)彎頭等，傳動(dòng)軸和增壓離心泵的上方可以固定放置高壓管線，高壓管匯的上方可以固定放置低壓膠管。另外串聯(lián)了2個(gè)汽車底盤油箱（共800 L），可為發(fā)動(dòng)機(jī)供燃油。低壓輸出管匯總成設(shè)計(jì)成工字型兩邊接口，接口向下傾斜，既便于壓裂設(shè)備布置，又易于管線連接。整車布局合理，滿載管匯時(shí)前后橋不會(huì)超載，且各橋所承受的載荷分配合理，具有良好的抗振性能和越野性能。

2．2 原理和功用

如圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸，通過離合器使傳動(dòng)斷開或結(jié)合，傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)增壓離心泵進(jìn)行工作，增壓離心泵的吸入口接低壓輸入管匯總成出口進(jìn)行供液，低壓輸入管匯總成入口（設(shè)計(jì)為6個(gè)4英寸入口，可增至8個(gè)口）接機(jī)組混砂車排出口，增壓離心泵的排出口接低壓輸出管匯總成入口，低壓輸出管匯總成出口（設(shè)計(jì)為兩邊布置共11個(gè)4英寸出口，可增加出口數(shù)量）接壓裂車高壓泵吸入口為壓裂車供液，低壓輸出管匯總成和低壓輸入管匯總成之間通過蝶閥B接通或截止。蝶閥B接通，蝶閥A和蝶閥C關(guān)閉時(shí)為常規(guī)型低壓管匯系統(tǒng)，蝶閥B關(guān)閉，蝶閥A和蝶閥C接通時(shí)為增壓灌注低壓管匯系統(tǒng)，即混砂車砂泵排出壓裂液經(jīng)過管匯車低壓輸入管匯總成，通過增壓離心泵二次增壓后將壓裂液經(jīng)過低壓輸出管匯總成及低壓管線輸送給壓裂車。

增壓離心泵的選用和壓裂機(jī)組中配套混砂車排出離心泵（砂泵）型號(hào)相同［5］，即性能參數(shù)排量和壓力與所在機(jī)組混砂車一致。發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、傳動(dòng)軸的選用和增壓離心泵輸入功率以及最大扭矩相匹配。

低壓管匯增壓灌注系統(tǒng)不僅可用在壓裂管匯車上，同時(shí)也可用在壓裂管匯撬上。即可轉(zhuǎn)換成目前常規(guī)連通的低壓管匯系統(tǒng)，也可轉(zhuǎn)換成增壓灌注的低壓管匯系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有壓裂管匯車的功能、性能和結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)低壓管匯系統(tǒng)壓力不足時(shí)增壓灌注的功能；既可用于常規(guī)油氣井的壓裂，也可用于非常規(guī)頁(yè)巖氣大規(guī)模工廠化油氣井的壓裂。

3　具體操作

1） 在小型壓裂現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)機(jī)組設(shè)備混砂車排出壓裂液的壓力能滿足壓裂車高壓柱塞泵的供給時(shí)，則不用啟動(dòng)增壓灌注系統(tǒng)。關(guān)閉蝶閥A和蝶閥C，開啟蝶閥B，這樣就將低壓輸入管匯總成和低壓輸出管匯總成連通，形成了低壓管匯系統(tǒng)，其低壓管匯系統(tǒng)和目前現(xiàn)場(chǎng)使用的管匯車低壓管匯系統(tǒng)功能和性能、結(jié)構(gòu)完全相同。利用多根低壓膠管將混砂車多個(gè)排出口與低壓輸入管匯總成（6個(gè)接口，可增至8個(gè)）連接，用低壓膠管將壓裂車高壓泵的入口與低壓輸出管匯總成（兩邊共11個(gè)接口，可增至13個(gè)）連通。這樣在壓裂過程中壓裂液由混砂車排出經(jīng)過低壓管匯系統(tǒng)直接供給壓裂車。

2） 若在大規(guī)模工廠化壓裂現(xiàn)場(chǎng)，或由于地形原因設(shè)備布置比較分散致使管線連接較長(zhǎng)，這時(shí)機(jī)組設(shè)備混砂車排出壓裂液的壓力不能滿足壓裂車高壓柱塞泵的供給時(shí)，則需啟動(dòng)增壓灌注系統(tǒng)，首先開啟蝶閥A和蝶閥C，關(guān)閉蝶閥B，將低壓管匯分成兩部分，即低壓輸入管匯總成和低壓輸出管匯總成。用低壓膠管連接好混砂車、管匯車、壓裂車（和上述一樣），同時(shí)應(yīng)連接好壓裂車、管匯車高壓管匯（高壓管匯可吊至地面）、井口高壓管線。經(jīng)過試壓無漏后，由發(fā)動(dòng)機(jī)控制箱啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)增壓離心泵工作，機(jī)組混砂車排出的壓裂液經(jīng)過低壓輸入管匯總成供給增壓離心泵，經(jīng)過增壓后排出，再經(jīng)過低壓輸出管匯總成通過膠管將壓裂液供給壓裂車高壓泵。

圖1　具有增壓灌注功能管匯車結(jié)構(gòu)

圖2　增壓灌注系統(tǒng)組成

4　結(jié)論

1） 具有增壓灌注功能壓裂用管匯車是在現(xiàn)有管匯車性能和功能不變的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)混砂車遠(yuǎn)離壓裂車低壓管匯系統(tǒng)供液壓力不足的問題而研制的。既可滿足現(xiàn)有常規(guī)型油氣田壓裂作業(yè)，也可滿足非常規(guī)型油氣田壓裂作業(yè)；既可滿足單井小規(guī)模壓裂作業(yè)，也可滿足叢式井大規(guī)模工廠化壓裂作業(yè)。

2） 具有增壓灌注功能管匯車的開發(fā)為低滲透、低品位非常規(guī)頁(yè)巖油氣資源的工廠化大開發(fā)提供了保障。不但使壓裂泵不會(huì)產(chǎn)生空吸現(xiàn)象，而且還起到給壓裂泵灌注的功能，既保證了正常的壓裂施工又保護(hù)了壓裂泵的安全，使壓裂系統(tǒng)傳動(dòng)平穩(wěn)，壽命延長(zhǎng)。

3） 當(dāng)壓裂液（砂漿）密度較高時(shí)，混砂車砂泵排出的壓裂液經(jīng)過管道阻力降壓后，壓裂液流動(dòng)性會(huì)很差，會(huì)使管道內(nèi)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。經(jīng)過管匯車增壓灌注系統(tǒng)，使管道內(nèi)產(chǎn)生流體動(dòng)力，增大流動(dòng)速度，壓裂設(shè)備供液充分，有利于提高作業(yè)質(zhì)量、壓裂效果和工作效率。

4） 該管匯車的結(jié)構(gòu)緊湊、管匯連接方便、操作簡(jiǎn)單、安全可靠。對(duì)于大批量開采頁(yè)巖油氣等非常規(guī)能源有著重要的意義。

［1］ 韓玉磊，端木曉亮，屈海清，等．水平井、叢式井“工廠化”壓裂配套技術(shù)研究［J］．中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（7）：22-25．

［2］ SYT 6270—2012，石油鉆采高壓管匯的使用、維護(hù)、維修與檢測(cè)［S］．

［3］ SYT 5211—2009，壓裂成套設(shè)備［S］．

［4］ 吳漢川，王峻喬，余旭陽(yáng)．大型壓裂施工裝備的配置與連接［J］．石油機(jī)械，2014，42（4）：70-71．

［5］ 張樹立，馬偉東，李心成．YLC1402320型頁(yè)巖氣專用壓裂車研制［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（4）：73-77．

TE934．1

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．022

1001-3482（2015）09-0086-04

①20150307

專利項(xiàng)目：國(guó)家實(shí)用新型專利（ZL 2013 2 0576016．8）

李志鵬（1965-），男，甘肅鎮(zhèn)原人，工程師，主要從事石油機(jī)械裝備的研發(fā)工作。

①2015-03-09

王建輝（1980），男，陜西岐山人，工程師，主攻計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化控制、內(nèi)襯防腐油管應(yīng)用研究。