大儲量低功耗輸砂裝置的研制與應(yīng)用

廖波蘭，邱 峰，舒 峰，徐占東，楊 春，潘社衛(wèi)，王振華，盧亞平

（1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.大慶鉆探工程公司井下作業(yè)工程公司，吉林松原 138000）

油氣工程

大儲量低功耗輸砂裝置的研制與應(yīng)用

廖波蘭1，邱 峰2，舒 峰1，徐占東2，楊 春2，潘社衛(wèi)1，王振華2，盧亞平1

（1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.大慶鉆探工程公司井下作業(yè)工程公司，吉林松原 138000）

介紹了一種大儲量低功耗移動(dòng)式連續(xù)輸砂裝置，具有撬裝式結(jié)構(gòu)便于運(yùn)輸，大容量儲砂，低功耗低磨損輸砂的優(yōu)點(diǎn)，解決了目前現(xiàn)有輸砂裝置無法滿足大規(guī)模壓裂大量快速精確輸砂的問題。本裝置已成功在東北某油田中工程化應(yīng)用，現(xiàn)場運(yùn)用效果良好。

輸砂；撬裝式；儲砂罐

水力壓裂是國內(nèi)外石油天然氣開采的常用增產(chǎn)措施。輸砂通常是指石英砂的添加、計(jì)量，以及與壓裂液的混合等作業(yè)過程，是石油壓裂施工的重要環(huán)節(jié)[1-5]。傳統(tǒng)的石英砂添加（簡稱加砂）一般采用砂罐車與混砂車協(xié)作完成。砂罐車抵達(dá)壓裂現(xiàn)場后，砂罐在底盤舉升油缸的作用下形成傾斜狀態(tài)，操作人員手動(dòng)打開卸砂閥門，罐內(nèi)石英砂在自重作用下流入混砂車接料斗內(nèi)，通過混砂車螺旋提升機(jī)將石英砂輸送至攪拌罐內(nèi)與壓裂液混合，然后泵送到壓裂泵進(jìn)口端。采用這種傳統(tǒng)的方式，輸加砂量調(diào)節(jié)完全由工人手動(dòng)控制完成，無法進(jìn)行精確調(diào)節(jié)控制，而施工中加砂量數(shù)值是通過螺旋提升機(jī)的轉(zhuǎn)速換算獲得，換算值與實(shí)際值之間存在較大誤差。隨著壓裂規(guī)模的大型化，國內(nèi)單井單層的加砂量已經(jīng)達(dá)到100 m3，由于傳統(tǒng)加砂方式存在不連續(xù)性和不準(zhǔn)確性的問題，容易引發(fā)“砂堵”事故，導(dǎo)致壓裂作業(yè)失敗。

1 輸砂裝置總體方案設(shè)計(jì)

為了解決國內(nèi)現(xiàn)有輸砂設(shè)備不能夠滿足大規(guī)模工廠化壓裂“萬方液千方砂”的輸砂加砂要求，本文研制了大儲量低功耗移動(dòng)式連續(xù)輸砂裝置（工藝流程見圖1），采用撬裝式結(jié)構(gòu)，能夠靈活轉(zhuǎn)場，采用多級套罐形式保證了安全運(yùn)輸同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了有限空間大容量儲砂，采用變頻皮帶精確計(jì)量輸砂量，能夠低功耗、低磨損地快速向砂罐補(bǔ)充原料和輸出石英砂，解決了目前現(xiàn)有輸砂裝置無法滿足大規(guī)模壓裂大量快速精確輸砂的問題。設(shè)備總體布置圖（見圖2）。

圖1 連續(xù)輸砂裝置工藝流程圖

圖2 輸砂裝置總體布置圖

2 核心設(shè)備研制

2.1 低功耗石英砂輸送裝置的研制

石英砂陶粒是一種油田壓裂常用的支撐劑，能夠提升壓裂造縫效果，增加石油產(chǎn)量。對于石英砂陶粒類固體物料輸送通?？梢圆捎枚肥教嵘龣C(jī)、刮板機(jī)、氣力輸送、皮帶機(jī)、螺旋上料機(jī)等形式的物料輸送提升方法。

石英砂支撐劑輸送可采用皮帶機(jī)輸送和螺旋輸送兩種方式。由于與皮帶機(jī)相比，采用螺旋機(jī)構(gòu)輸送石英砂陶粒存在設(shè)備易磨損、能耗大、輸送能力小，計(jì)量精度差等缺點(diǎn)，因此本論文中采用皮帶輸送機(jī)。本論文設(shè)計(jì)的連續(xù)輸砂裝置最大輸砂量可達(dá)到3 m3/min，選擇波狀檔邊皮帶輸送機(jī)型號為TC180，皮帶寬度為500 mm，表面線速度設(shè)為2 m/s，電動(dòng)滾筒功率4 kW，皮帶電動(dòng)滾筒直徑320 mm，皮帶最大輸送傾角45°。具體輸送裝置運(yùn)輸與工作狀態(tài)（見圖3）。

圖3 輸送裝置運(yùn)輸與工作狀態(tài)圖

2.2 大容量儲砂罐的設(shè)計(jì)

為了滿足壓裂施工平穩(wěn)有序，一般要求在現(xiàn)場儲存足夠多的石英砂支撐劑，少則幾立方米多則幾十立方米?，F(xiàn)有的砂罐形態(tài)固定，其體積與其占地面積有關(guān)，往往容積越大，則占地面積越大。而實(shí)際井場的面積是有限的，隨著大型壓裂施工對砂量需求的增加，現(xiàn)場需要布置更大容量的砂罐，這與節(jié)約井場占地面積存在矛盾，同時(shí)超大儲砂罐無法滿足轉(zhuǎn)場時(shí)的安全運(yùn)輸要求。

本論文設(shè)計(jì)了一種可伸縮的多級套罐，多級套罐包含固定罐部分和活動(dòng)罐部分，活動(dòng)罐是能夠伸出和縮入到固定罐砂料斗的加長套罐壁；加長壁貼近固定罐內(nèi)側(cè)壁，且加長壁為周向封閉、兩端開口的環(huán)形結(jié)構(gòu)?；顒?dòng)罐可以通過液壓的升降機(jī)構(gòu)與砂料斗相連。砂罐在使用時(shí)，可根據(jù)需要利用液壓升降機(jī)構(gòu)使加長壁伸出砂料斗，以增大整個(gè)砂料斗的體積，提高其儲砂量。本設(shè)計(jì)中的砂罐采用了加長壁使其在不增加占地面積的基礎(chǔ)上增大了儲砂量。最大儲砂量可達(dá)30 m3，具體設(shè)計(jì)圖（見圖4）。

圖4 大容量儲砂罐圖

2.3 輸砂計(jì)量與調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的研究

在壓裂施工作業(yè)中，石英砂支撐劑通過連續(xù)輸砂裝置將其輸送到混砂車與壓裂液混合。如何精確實(shí)現(xiàn)輸砂量的精確計(jì)量調(diào)節(jié)十分重要。在本設(shè)計(jì)中輸砂波狀檔邊皮帶輸送機(jī)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓閥精密控制下料口開啟量保證下砂量的平穩(wěn)可控，下砂量實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，由可編程控制器自動(dòng)控制皮帶輸送速度以調(diào)節(jié)輸砂量，從而滿足壓裂施工要求。連續(xù)輸砂控制系統(tǒng)是采用當(dāng)今工業(yè)常用的模糊控制技術(shù)，在生產(chǎn)過程中，只需要操作人員在觸摸屏手動(dòng)輸入輸砂量、輸砂速度等設(shè)備工作參數(shù)，輸砂計(jì)量與調(diào)節(jié)控制PLC通過模糊控制算法計(jì)算出皮帶電機(jī)運(yùn)行頻率數(shù)值，通過I/O模塊向運(yùn)行設(shè)備發(fā)出工作信號，同時(shí)接收已輸送量反饋信號，實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)輸砂量，完成整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

3 工業(yè)化現(xiàn)場運(yùn)用情況

本大儲量低功耗輸砂裝置研制成功后在東北某油田得到了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。2017年10月在東北某油田大規(guī)模工廠化壓裂過程中成功投產(chǎn)運(yùn)行，試運(yùn)行效果良好，解決了大規(guī)模壓裂過程中，需要大量砂罐車以及輸砂設(shè)備連續(xù)接力供砂的現(xiàn)狀，成功采用單臺套設(shè)備，保障整個(gè)壓裂過程中砂量的平穩(wěn)供應(yīng)，滿足了大規(guī)模工廠化壓裂需求。截止目前該設(shè)備已成功保障多井次大規(guī)模壓裂，連續(xù)輸送砂量上千立方米。

4 結(jié)束語

當(dāng)前大規(guī)模壓裂作業(yè)對大儲量低功耗輸砂裝置的需求量很大，通過現(xiàn)場工業(yè)運(yùn)用情況來看，大儲量低功耗輸砂裝置是提高解決傳統(tǒng)輸砂方式不足的有效手段。隨著本項(xiàng)目研究成果的普遍應(yīng)用，必將提高壓裂作業(yè)的增產(chǎn)效果，顯著降低壓裂地面配套裝備的機(jī)械磨損和能源消耗，對提高我國壓裂配套裝備的整體技術(shù)水平產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用，必將產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］臺廣鋒，潘社衛(wèi)，舒峰，等.工廠化壓裂連續(xù)輸砂裝置智能控制系統(tǒng)研究［J］.礦冶，2015，24（5）：67-71.

［2］潘社衛(wèi)，趙敏，劉慶，等.寒冷地區(qū)移動(dòng)式石油壓裂液技術(shù)研究［J］.礦冶，2014，23（1）：64-67.

［3］廖波蘭，盧亞平.纖維壓裂液性能的基礎(chǔ)性研究［J］.礦冶，2014，23（1）：37-42.

［4］姜瑞忠，蔣廷學(xué)，汪永利.水力壓裂技術(shù)的近期發(fā)展及展望［J］.石油鉆采工藝，2004，26（4）：52-56.

［5］潘社衛(wèi)，盧亞平.石油壓裂液高效配制技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.礦冶，2012，21（3）：68-72.

Development and application of large reserves and low power dissipation device

LIAO Bolan1，QIU Feng2，SHU Feng1，XU Zhandong2，YANG Chun2，PAN Shewei1，WANG Zhenhua2，LU Yaping1
（1.Beijing Mining and Metallurgy Research Institute，Beijing 100160，China；2.Downhole Service Engineering Company of Daqing Drilling Engineering Company，Songyuan Jilin 138000，China）

This paper introduces a large reserves of low power mobile continuous sand conveying device,a skid mounted structure and convenient transportation,large capacity sand storage,low power consumption and low wear advantages of sand,solves the existing sand device can not meet the large number of large-scale fracturing sand problems quickly and accurately.This device has been successfully applied in a certain oilfield in Northeast China,and its field application is good.

sand transportation；crowding type；sand storage tank

TE938

A

1673-5285（2017）12-0005-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.12.002

2017－11-23

北京礦冶研究總院科研基金“大儲量低功耗輸砂車核心技術(shù)的研究”，項(xiàng)目編號：2016-YJ7。

廖波蘭，工學(xué)碩士，工程師，從事石油壓裂液配制設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)工作，郵箱：liaobolan@bgrimm.com。