混砂車加砂排出壓力波動問題分析

武瑞娟

摘要：混砂車作為壓裂機組的供液樞紐，主要作用是將混砂罐內(nèi)的壓裂混合液以特定的排量、壓力通過集流管匯注入壓裂設(shè)備。保證混砂車加砂過程中排出壓力的穩(wěn)定性，對壓裂作業(yè)的效果至關(guān)重要。本文通過分析川渝地區(qū)壓裂工況下混砂車加砂過程中排出壓力波動的原因，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：TE9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0134-02

1? 川渝工區(qū)壓裂施工模式

壓裂施工通過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，以增加油氣的流動性，提高油氣單井產(chǎn)量?；焐败囎鳛閴毫褭C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集流管匯供給壓裂設(shè)備。混砂車加砂混合作業(yè)流程見圖1。

與常規(guī)水力壓裂相比，頁巖氣壓裂工況所需功率更大，壓力更高，作業(yè)時間持續(xù)更久。為提高施工穩(wěn)定性及可靠性，川渝頁巖氣工區(qū)壓裂施工方普遍采用兩臺混砂車聯(lián)合供液的方式：其中一臺混砂車單獨完成供砂。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? 加砂壓力波動現(xiàn)象

壓裂作業(yè)按泵注程序預(yù)施工過程中，混砂車基液排量達到穩(wěn)態(tài)時，排出壓力也將保持相對穩(wěn)定。施工階段，混砂車開始提砂作業(yè)，即砂子通過輸砂器絞龍旋轉(zhuǎn)遞送進入混合罐。同時，經(jīng)過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，排出泵排量呈現(xiàn)幅度較大的急劇波動，壓力最高降至0.2MPa以下。加砂過程部分施工參數(shù)曲線如圖2所示。

3? 問題分析

結(jié)合川渝工區(qū)的作業(yè)模式，排出壓力下降問題的魚骨圖分析見圖3。

3.1 自動控制

3.1.1 壓力區(qū)間范圍設(shè)置

排出泵作業(yè)過程中負(fù)載變化必然會導(dǎo)致壓力波動，設(shè)定自動控制模式下的壓力區(qū)間范圍，對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)載波動造成的壓力變化跳出設(shè)定區(qū)間時，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，并不能對排出泵負(fù)載增大引起的壓力下降進行響應(yīng)。

3.1.2 控制系統(tǒng)檢測與響應(yīng)

當(dāng)排出壓力波動超出區(qū)間變化時，自動控制系統(tǒng)得到反饋，系統(tǒng)響應(yīng)后將調(diào)整馬達轉(zhuǎn)速以調(diào)整輸入功率。若控制系統(tǒng)響應(yīng)時間出現(xiàn)延遲，排出壓降過大必然導(dǎo)致排出壓力大幅度波動。另一方面，當(dāng)壓力變化時，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間內(nèi)及時調(diào)整馬達轉(zhuǎn)速，以提升排出壓力至正常水平。

3.2 機械

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，需要在短時間內(nèi)達到相對均勻的效果，才能保證排出泵達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)在進液方式、出液方式、穩(wěn)流效果等方面（見圖4）。

混合罐內(nèi)外罐的結(jié)構(gòu)及導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)，可減少進液的旋流;上中下三層進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液量的供應(yīng)等。

此結(jié)構(gòu)下液體在由外罐進入內(nèi)罐后，可迅速形成穩(wěn)流，極少飛濺。可見，當(dāng)前罐體結(jié)構(gòu)相對完善，對混合效果基本無影響。

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。攪拌罐流場速度矢量圖中可以看出，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速增大時，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，而漩渦過大將對排出泵供液穩(wěn)定性造成擾動。當(dāng)實行加砂時，攪拌馬達的轉(zhuǎn)速對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)，砂粒進入排出泵內(nèi)，長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，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 動力源

整機運作過程中，發(fā)動機通過分動箱取力，連接液壓泵為整機各系統(tǒng)提供動力。液壓系統(tǒng)連接動力輸出端與機構(gòu)執(zhí)行端，并通過各連接馬達調(diào)控各機構(gòu)間的運行參數(shù)。

同時，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不同的砂罐進行添加。在階段加砂過程中，只能采用單筒輸砂器進行加砂。這樣下砂時，尤其是大砂比的情況下，大量砂子快速且集中進入罐內(nèi)，造成砂液難以及時得到混合均勻。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速偏低和輸出功率下降會導(dǎo)致液壓泵轉(zhuǎn)速偏低，液壓油輸出流量不足，液壓馬達轉(zhuǎn)速達不到工作要求。因此：將導(dǎo)致混合罐攪拌馬達攪拌效果不佳，壓裂液體系混合不均勻，密度波動導(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)動機故障的原因主要有：①機油濾芯未定時更換，導(dǎo)致機油失效;②空濾濾芯清潔不達標(biāo)，導(dǎo)致油料燃燒不充分;③內(nèi)部潤滑脂缺失，導(dǎo)致機械磨損，輸出功率下降。

4? 結(jié)論和解決措施

通過以上分析，針對目前的作業(yè)參數(shù)條件下，壓力下降的根本原因就是發(fā)動機故障、壓裂液體系的變化以及泵效的下降。因此，處理加砂過程中排出壓力波動的解決措施主要有：

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，可預(yù)先提高攪拌轉(zhuǎn)速10%左右。在加砂過程中，時刻關(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，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 加砂停砂時應(yīng)階梯變化

在加砂停砂的過程中，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)動機

加強日常維護保養(yǎng)，定期更換機油，清洗燃油箱、輸油泵、濾網(wǎng)及管路，檢查發(fā)電機、起動機、清洗并加注潤滑脂。

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