混砂车吸入排出性能研究

混砂车的吸入、排出流量以及排出压力取决于压裂车的使用需求。以大排量混砂车为例,分析了吸入和排出离心泵的性能以及外部接口管汇对其性能的影响,并通过试验验证了离心泵在不同工况下的排量和功率需求。试验结果认为,混砂车吸入离心泵的选择应在满足排量的情况下考虑泵效;混砂车排出离心泵的选择应首先达到混砂车实际排量要求,然后在满足高泵效的前提下判断离心泵的工作压力是否包含混砂车工况压力;不同施工排量下混砂车吸入和排出管线接口数量不同。

自动控制混砂车液压系统设计

阐述了自动控制混砂车液压系统传动方案、液压无级变速装置及控制系统的设计。其中的传动方案设计中采用5个独立的传动系统和1个共用的传动系统, 既节约了空间和成本, 又满足了技术要求; 控制系统设计中运用了液压伺服技术和现代控制理论技术; 液压无级变速装置采用闭式和开式静压传动系统相结合的方式, 传动系统平稳, 波动小。生产的2台自动控制混砂车现场应用情况良好, 已完成压裂作业500多井次, 最大井深3 600m, 最高压力90MPa。

基于CFD的液态CO_2密闭混砂器结构参数设计

为了保持液态CO_2低温高压状态,基于文丘里原理建立了CO_2密闭混砂器模型。在处理量和携砂比等工艺参数确定的情况下,研究喉管直径、喉管长度和扩散角等3种结构参数对CO_2密闭混砂器混砂效果的影响,并比较分析不同影响因素下混砂器内压力分布和出口端砂粒体积分布。研究结果表明:结构参数对CO_2密闭混砂器的混砂效果有明显的影响,当喉管直径比为0.7、喉管长度比为3、扩散角度为5°时混砂效果最佳,并且明显优于工程实际中T形管结构混砂器。研究结果可为液态CO_2密闭混砂器设计和使用提供依据。

螺旋输砂器模型试验相似设计及数值模拟

以HS210混砂车螺旋输砂器为原型,根据Bockinghamπ定理,参照实际的结构和工作参数,采用量纲分析法完成1∶2、1∶5的试验模型相似设计,并运用Fluent流体分析软件对原型及试验模型出砂口流量进行数值模拟。将模拟结果与相似准则的计算结果进行对比分析可知,模拟值比相似理论计算值偏高,但其误差均不超过22%,在一定程度上能够反映原型机的实际工作情况,证明对HS210螺旋输砂器模型试验的相似设计是可行的。

混砂车砂泵叶轮失效分析及改进方案

为了提高砂泵叶轮的使用寿命及砂泵效率,对失效砂泵叶轮的金相组织、化学成分进行分析,并对不同部位进行硬度测定,结果表明砂泵叶轮材料为中锰球铁。失效分析表明砂泵叶轮表面磨损属于冲蚀磨损和气蚀磨损,而冲蚀磨损占主导地位,除磨损对材料造成破坏外,本身缺陷也降低了叶轮的抗剥落能力。最终选用高铬铁作为叶轮材料。为了改善碳化物形态,提高基体硬度,选用淬火加热速度小于100℃/h,950～980℃保温1.5～2.0h出炉空冷。为了消除残余奥氏体及应力,采用450～500℃回火工艺,选用镶铸工艺铸造,使用寿命由0.5a提高到1a。

HSC40型混砂车的研制与应用

大规模压裂施工采用"一备一用"2台HSC20型混砂车存在以下问题:主施工混砂车发生故障时,操作人员切换混砂车工作量大,切换时间长,并且存在安全隐患。鉴于此,研制了HSC40型混砂车。该混砂车将2台HSC20混砂车集成在1台底盘车上,将吸入离心泵、混砂罐和排出离心泵整合为1台闭式混砂泵;通过创新设计的液压控制系统,实现液体添加动力系统的互为备用;在混砂系统上集成1套平行四连杆翻转机构,弥补了闭式混砂泵自吸能力不足的缺陷,同时又可保证井场转移过程中车辆的行驶安全。现场应用结果表明:HSC40型混砂车最大瞬时施工排量达到38 m^3/min,使支撑裂缝的压裂导通率提高了1.5~2.5个数量级。HSC40型混砂车适用于大规模压裂作业,在以页岩气开发为代表的大排量非常规压裂施工中具有较大的优势。

CO_2无水压裂工艺及核心设备综述

CO_2无水压裂以液态CO_2作为压裂基液,压裂过程中基本不需要水,投产前CO_2以气态返排,不会对井场造成污染。但其缺点也很明显,如CO_2管道摩阻高、黏度低造成滤失较大、形成的裂缝尺寸较小、携砂能力低、液态CO_2的低温高压环境难以实现混砂。针对上述问题,提出了应对措施:尽量采用套管压裂、采用增稠剂提高黏度、开发专用的增压设备和带压混砂设备实现混砂功能。通过这些措施,有效避免了上述问题对CO_2干法压裂效果造成的不利影响,目前该套工艺和设备已经成熟,完全满足CO_2干法压裂的施工要求。另外为保证施工过程的设备和人员安全,阐述了实施过程中的无人化井场设计思路。最后指出,以CO_2无水压裂为代表的无水压裂技术由于其对储层无伤害和较高的增产效果、对水资源的节省和保护等常规压裂无可比拟的技术优势,在可预见的未来会逐渐成为非常规油气开采的核心技术。

基于CFD的混砂罐出口排液问题分析

混砂罐试验时若以清水为介质作业,一切正常,而以滑溜水为介质作业,则会出现混砂罐出口离心泵排量提不上去且出口压力波动很大的问题。鉴于此,先建立存在排液问题的混砂罐原始模型,再对原始模型的搅拌区液面形状进行较精确的分析,即基于计算流体力学软件Flu-ent对该混合过程进行两相流非定常数值模拟;最后运用理论公式再次设计混砂罐模型,并对修正后的混砂罐液面变化进行仿真分析。仿真分析结果表明,修正后的混砂罐避免了上搅拌桨的顶端露出液面而导致上搅拌桨同时搅拌液体和空气而引起压力波动。该设计可为混砂罐结构的优化设计和流场的预测提供参考和依据。

现代混砂车的特点及发展趋势

现代混砂车体现出排量大、双吸双排、双层搅拌罐、输砂量调整范围广、输砂精度更高等特点。闭式混合泵、输砂装置独立化、分布式动力装置、双混合装置成为未来混砂车发展趋势。

HST360型混砂半挂车的研制

为了适应国内外混砂车的发展趋势,研发了HST360型混砂半挂车。该车排量可达19.9 m3/min,采用半挂车装载方式,主要由半挂车底盘、2台发动机、2台分动箱、液压系统、气路系统、混砂系统、管汇系统、液体和干粉添加系统、仪表控制系统及其他附件组成,可满足油田大型压裂设备的群组作业要求,其控制系统采用全自动闭环控制和恒压稳流方式,具有集中监控、数据储存和曲线绘制等功能。辽河油田的现场应用表明,该车通过与压裂车等设备的联机工作,圆满完成了压裂任务,完全满足实际施工要求。