電驅(qū)混砂裝置技術(shù)方案設(shè)計(jì)分析

劉文寶,姚 孔,王元忠

(1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730714；2.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314；3.機(jī)械工業(yè)油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730314； 4.甘肅省油氣鉆采裝備工程研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

壓裂作業(yè)是油田增產(chǎn)的最有效措施之一，通過全套的壓裂裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其裝置主要包括壓裂裝置、混砂裝置、儀表裝置、管匯裝置及施工作業(yè)配套添加劑罐裝置、運(yùn)砂裝置等，其中混砂裝置是壓裂混砂施工中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能好壞決定壓裂作業(yè)成敗的關(guān)鍵因素[1]?；焐把b置用于混配壓裂液及給壓裂裝置提供具有一定壓力的壓裂液。傳統(tǒng)混砂裝置由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，電控液完成壓裂液混配，該技術(shù)方案不僅噪音大、排放高、能耗高、傳動(dòng)效率低、控制系統(tǒng)復(fù)雜而且壓裂液的砂密度、添加劑輸送比例等作業(yè)參數(shù)的控制精度較低，直接影響壓裂施工質(zhì)量。電驅(qū)動(dòng)混砂裝置與傳統(tǒng)混砂裝置相比，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，各系統(tǒng)控制點(diǎn)少，控制精度高，維護(hù)成本低，砂液配比精度高，在油田環(huán)保綠色生產(chǎn)體系下，電驅(qū)混砂裝置將是壓裂混砂裝備新的發(fā)展方向，未來(lái)在油氣田得到大力推廣應(yīng)用。

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行端的驅(qū)動(dòng)方式存在的主要問題是驅(qū)動(dòng)形式單一、傳動(dòng)效率低且壓裂液混配質(zhì)量不高。筆者旨在研究大排量混砂裝置的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)形式，通過一組變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各機(jī)械裝置執(zhí)行端，變頻矢量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制機(jī)械執(zhí)行端的排量，其目的實(shí)現(xiàn)壓裂液的高質(zhì)量混配及供液，提高作業(yè)效率與質(zhì)量，降低設(shè)備施工排放和噪聲[2]。

1 技術(shù)方案

電驅(qū)混砂車由運(yùn)載底盤、構(gòu)架副梁及上裝三部分組成，其中底盤和臺(tái)裝之間通過構(gòu)架副梁連接。臺(tái)裝部分包括吸入系統(tǒng)、排出系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、輸砂系統(tǒng)、管匯系統(tǒng)、液添系統(tǒng)、干添系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。

吸入系統(tǒng)由吸入低壓管匯、吸入電磁流量計(jì)、吸入變頻電機(jī)及吸入離心泵組成；排出系統(tǒng)由排出低壓管匯、排出電磁流量計(jì)、排出變頻電機(jī)及排出離心泵組成；攪拌系統(tǒng)由攪拌軸、攪拌變頻電機(jī)及不銹鋼混合罐組成；輸砂系統(tǒng)由2個(gè)輸砂絞龍、2臺(tái)輸砂變頻電機(jī)及2個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器組成；管匯系統(tǒng)由吸入低壓管匯與排出低壓管匯組成；液添系統(tǒng)由4臺(tái)液添變頻電機(jī)、4臺(tái)液體添加劑泵及4個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器組成；干添系統(tǒng)由干添變頻電機(jī)、干添螺旋輸送機(jī)及1個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器組成；電氣系統(tǒng)由臺(tái)上電氣控制室、電氣控制操作臺(tái)及西門子控制器組成。構(gòu)建電驅(qū)混砂車技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 電驅(qū)混砂車技術(shù)方案

2 實(shí)現(xiàn)機(jī)理

電驅(qū)動(dòng)混砂車技術(shù)方案通過一組變頻電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)吸入離心泵、排出離心泵、混合罐攪拌軸、2個(gè)輸砂絞龍、4臺(tái)液體添加劑泵及1臺(tái)干添螺旋輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)壓裂液的混配。

其工作過程為吸入變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)吸入離心泵將壓裂基液從基液罐吸入通過低壓管匯吸入口排出到混合罐，同時(shí)4臺(tái)液添變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)4臺(tái)液體添加劑泵將液態(tài)添加劑從液體添加劑罐吸入通過添加劑膠管排出到混合罐及低壓管匯排出管匯中，同時(shí)2臺(tái)輸砂變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)輸砂絞龍將壓裂支撐劑從輸砂斗輸送到混合罐中，同時(shí)干添變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)干添螺旋輸送機(jī)將干粉從加料斗輸送到混合罐中，同時(shí)在混合罐中，攪拌變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)混合罐攪拌軸將壓裂基液、液體添加劑、壓裂支撐劑、干粉添加劑在混合罐中混配均勻，然后排出變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)排出離心泵將混配均勻的壓裂液從混合罐吸入排出到低壓管匯排出管匯中再通過膠管輸送到壓裂車低壓管匯中。電驅(qū)混砂車的實(shí)現(xiàn)機(jī)理如圖2所示。

吸入變頻電機(jī)、排出變頻電機(jī)、4臺(tái)液體添加劑變頻電機(jī)、2臺(tái)輸砂變頻電機(jī)及干粉添加劑變頻電機(jī)通過PLC控制模塊的讀寫指令控制變頻器實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，竟而實(shí)現(xiàn)吸入離心泵、液體添加劑泵、輸砂絞龍、干粉螺旋輸送機(jī)按壓裂施工設(shè)計(jì)比例添加所需成分，實(shí)現(xiàn)壓裂液高精度、高質(zhì)量混配。

圖2 電驅(qū)混砂車實(shí)現(xiàn)機(jī)理1.吸入離心泵 2.吸入變頻電機(jī) 3.干添變頻電機(jī) 4.干添螺旋輸送機(jī) 5.不銹鋼混合罐 6.攪拌變頻電機(jī) 7.輸砂I變頻電機(jī) 8.輸砂II變頻電機(jī) 9.液體添加劑泵I 10.液添I變頻電機(jī) 11.液添II變頻電機(jī) 12.液體加劑泵II 13.液添III變頻電機(jī) 14. 液體加劑泵III 15. 液添IV變頻電機(jī) 16.液體加劑泵IV 17.輸砂絞龍II 18.輸砂絞龍I 19.排出離心泵 20.排出變頻電機(jī)

3 配置參數(shù)

基于非常規(guī)油氣開采需求技術(shù)調(diào)研，結(jié)合水力壓裂常規(guī)施工工藝需求，推薦清水排量為20 m3/min的電驅(qū)混砂裝置，執(zhí)行系統(tǒng)配置參數(shù)如下：排出離心泵流量與壓力：20 m3/min，P=0.7 MPa；吸入離心泵流量與壓力：20 m3/min，P=0.5 MPa；輸砂器輸砂能力：8 m3/min；混合罐儲(chǔ)量：1.5 m3；液添泵類型、排量、壓力及液體粘度如表1所示。

表1 液添泵類型、排量、壓力及液體粘度

干粉添加螺旋輸送機(jī)：1臺(tái)流量5 L/min、1臺(tái)流量50 L/min。

4 工作特點(diǎn)及實(shí)踐效果

電驅(qū)動(dòng)混砂裝置與傳統(tǒng)混砂裝置相比較具有以下工作特點(diǎn)：

(1) 所有機(jī)械執(zhí)行端均采用變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，設(shè)計(jì)更具合理性。

(2) 關(guān)鍵零部件國(guó)產(chǎn)化、性價(jià)比高、供貨周期短、售后服務(wù)效率高。

(3) 自動(dòng)化程度高，工作效率高：變頻矢量控制電機(jī)無(wú)極調(diào)速，電機(jī)可輸出不同功率段，功率利用率高，作業(yè)能耗低，節(jié)能效果好。

(4) 能源供應(yīng)方便，作業(yè)成本低：采用電力驅(qū)動(dòng)方式，可以直接利用井場(chǎng)附近電網(wǎng)供電，節(jié)省燃油運(yùn)輸成本，降低作業(yè)排放。

(5) 易于維護(hù)：與柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，變頻電機(jī)的維保簡(jiǎn)單，維保指標(biāo)少，維保周期長(zhǎng)，降低工作量和成本。

(6) 工作可靠性高：電機(jī)可靠性遠(yuǎn)高于柴油機(jī)，交流電機(jī)免維護(hù)可達(dá)20年，變頻器、高低壓開關(guān)柜、變壓器及整流逆變單元均可保證長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行。

(7) 壓裂液混配精度高：通過控制變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)壓裂液各組分添加比例的精確控制，比傳統(tǒng)混砂車采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)精度高，在低速時(shí)尤其明顯。

通過建立試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)電驅(qū)混砂裝置的技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。與傳統(tǒng)混砂裝置比較，其生產(chǎn)成本降低30%，功率利用率提高15%，噪聲限值100dB降低至80dB，電驅(qū)混砂裝置的氮氧化物排放幾乎為零，壓裂液各成分配置比例精度提高5%。同時(shí)電機(jī)全部選用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，供貨周期，效率高，對(duì)實(shí)現(xiàn)大型壓裂裝備產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化具有重要意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)傳統(tǒng)混砂裝置驅(qū)動(dòng)形式的特點(diǎn)進(jìn)行分析，建立了變頻電機(jī)組直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行端的電驅(qū)動(dòng)混砂裝置技術(shù)方案，對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，并通過建立試驗(yàn)樣機(jī)對(duì)技術(shù)方案的可行性及有效性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)踐效果表明，電驅(qū)動(dòng)混砂裝置極大地提高了壓裂混砂作業(yè)效率與壓裂液混配質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)過程中的節(jié)能減排。在當(dāng)前環(huán)保政策及油氣田綠色生產(chǎn)要求下，電驅(qū)混砂裝置作為清潔、節(jié)能的油氣壓裂裝備，勢(shì)必將逐步取代現(xiàn)有的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)壓裂混砂裝置，未來(lái)兩到三年必將占據(jù)30%壓裂裝備市場(chǎng)份額。