具有增压灌注功能压裂用管汇车的研制

2015-08-05李志鹏卢一欣刘伟中

石油矿场机械 2015年9期

关键词：管汇蝶阀汇总

李志鹏，卢一欣，闫军，刘伟中

（兰州城临石油钻采设备有限公司，兰州730070）①

具有增压灌注功能压裂用管汇车的研制

李志鹏，卢一欣，闫军，刘伟中

（兰州城临石油钻采设备有限公司，兰州730070）①

为了满足页岩油气等非常规能源开发而进行的工厂化大规模压裂工况的需要，研制一种具有增压灌注功能的压裂用管汇车。该车是在现有管汇车基础上对低压管汇增设增压灌注系统和控制系统，可根据工况选择是否启动灌注系统。在满足现有管汇车的功能和性能基础上，同时具备增压灌注功能，可以充分地为压裂车供液，既解决压裂泵空吸现象，提高了压裂质量，又保证了设备运行安全。

管汇车；增压；灌注；压裂

压裂技术是页岩气等非常规能源开发基本的必要的完井和增产工艺技术，而小排量、低压力、小规模型压裂工艺已不适应页岩气等非常规油气井、丛式井的开发，必须采用大规模工厂化的压裂手段。由于开发油藏多处于山地、丘陵、盆地等环境条件困难的地域，而大规模工厂化压裂所需设备多，场面大，因此在狭长的或狭小的井场进行设备的布局困难，会造成使用很长的输送管线，造成流体的压力降增大；同时压裂液黏度大［1］，混砂车砂泵的排出压力低（一般为0．3～0．7 MPa［1］），经过管线压力损失，则不能充分地为压裂车提供压裂液，会使压裂泵出现空吸现象，不但影响压裂施工质量，而且减少设备使用寿命。因此，研制在特殊环境地域进行工厂化大规模的压裂作业装备，提高低压管线的输送压力、提高压裂质量和稳定性具有重要的现实意义。

1　管汇车功用及技术分析

现有管汇车管汇系统主要由低压管汇和高压管汇［2-3］两大部分组成（吊车等其它部分本文暂不涉及）。

1．1 低压管汇

低压管汇主要用于混砂车和压裂泵等设备之间的流体输送。将混砂车的多个输出口（通常为4英寸）和管汇车低压管汇的多个输入口连接，再将管汇车的低压管汇的输出口（通常为4英寸）与每台压裂车的输入口连接，这样混砂车排出的压裂液汇聚到低压管汇主管道（8英寸或10英寸），然后再由主管道分别排给各压裂车。

由于管汇中有多处直角，混砂车排出的压裂液通过时阻力增大，压差增大，压裂液经过输送管线、管汇车低压管汇到压裂车吸入口（上水室）时，首先是由小管道（通常为4英寸）进入低压管汇主管道，然后又由低压管汇的主管道进入小管道，再流入到压裂泵吸入口，这样由于出进管道截面的多次变化，也会产生一定的流动阻力，从而进一步增加了管汇流体的压力降。

1．2 高压管汇

将各压裂车的高压排出口与高压管汇的各输入口分别连接，再将高压管汇的输出口与入井管线连接。流程是各压裂车排出的高压压裂液汇流到高压管汇，然后将汇聚在高压管汇中的高压压裂液通过入井管线压入施工井中。因高压管汇中的压力高（一般在35～140 MPa），管线中的压力损失可以忽略，即无需再进行增压。

1．3 技术分析

目前所用管汇车的低压管汇只是起到了混砂车与压裂车之间的连接过渡作用，若受井场地形的限制或大规模工厂化压裂作业，设备分布面积大，混砂车远离压裂车时，混砂车排出的压裂液通过低压管汇及管线压力损失后到达压裂车入口时压力不足（混砂车的排出压力低、压裂车自吸能力很差），会使压裂车出现空吸现象，不但影响压裂施工质量，同时也容易损坏压裂泵。

2　具有增压灌注功能管汇车

具有增压灌注功能的管汇车主要是针对低压管汇的升级改造，可解决低压管汇压裂液供给不足的问题。同时根据施工场所和要求选择是否启动增压灌注系统［4］，方便不同工况采用。

2．1 结构组成

具有增压灌注功能的压裂用管汇车（如图1）在现有管汇车的基础上，增加了低压管汇增压灌注系统，如图2。灌注系统由发动机、离合器、传动轴、增压离心泵、低压输入管汇总成、低压输出管汇总成、控制箱和蝶阀等组成。其结构为发动机作为动力源和离合器连接；离合器和传动轴（万向轴）法兰连接；传动轴和增压离心泵法兰连接；增压离心泵吸入口和低压输入管汇总成之间通过蝶阀连接可关闭和开启；增压离心泵排出口和低压输出管汇总成之间通过蝶阀连接可关闭和开启；低压输入管汇总成和低压输出管汇总成之间通过蝶阀连接可关闭和开启。发动机动力经传动系统（离合器、传动轴）驱动增压离心泵工作；发动机的启动、停止、油温、油压等由就地控制柜进行集中控制和显示，也可进行远距离集中控制和显示。

新设计的管汇车通过载荷分布计算进行布置安装。吊车与发动机之间有足够的空间完全可以固定放置高压短接和高压活动弯头等，传动轴和增压离心泵的上方可以固定放置高压管线，高压管汇的上方可以固定放置低压胶管。另外串联了2个汽车底盘油箱（共800 L），可为发动机供燃油。低压输出管汇总成设计成工字型两边接口，接口向下倾斜，既便于压裂设备布置，又易于管线连接。整车布局合理，满载管汇时前后桥不会超载，且各桥所承受的载荷分配合理，具有良好的抗振性能和越野性能。

2．2 原理和功用

如图2所示，发动机驱动传动轴，通过离合器使传动断开或结合，传动轴驱动增压离心泵进行工作，增压离心泵的吸入口接低压输入管汇总成出口进行供液，低压输入管汇总成入口（设计为6个4英寸入口，可增至8个口）接机组混砂车排出口，增压离心泵的排出口接低压输出管汇总成入口，低压输出管汇总成出口（设计为两边布置共11个4英寸出口，可增加出口数量）接压裂车高压泵吸入口为压裂车供液，低压输出管汇总成和低压输入管汇总成之间通过蝶阀B接通或截止。蝶阀B接通，蝶阀A和蝶阀C关闭时为常规型低压管汇系统，蝶阀B关闭，蝶阀A和蝶阀C接通时为增压灌注低压管汇系统，即混砂车砂泵排出压裂液经过管汇车低压输入管汇总成，通过增压离心泵二次增压后将压裂液经过低压输出管汇总成及低压管线输送给压裂车。

增压离心泵的选用和压裂机组中配套混砂车排出离心泵（砂泵）型号相同［5］，即性能参数排量和压力与所在机组混砂车一致。发动机、离合器、传动轴的选用和增压离心泵输入功率以及最大扭矩相匹配。

低压管汇增压灌注系统不仅可用在压裂管汇车上，同时也可用在压裂管汇撬上。即可转换成目前常规连通的低压管汇系统，也可转换成增压灌注的低压管汇系统，既可以实现现有压裂管汇车的功能、性能和结构，同时也可实现低压管汇系统压力不足时增压灌注的功能；既可用于常规油气井的压裂，也可用于非常规页岩气大规模工厂化油气井的压裂。

3　具体操作

1）在小型压裂现场，当机组设备混砂车排出压裂液的压力能满足压裂车高压柱塞泵的供给时，则不用启动增压灌注系统。关闭蝶阀A和蝶阀C，开启蝶阀B，这样就将低压输入管汇总成和低压输出管汇总成连通，形成了低压管汇系统，其低压管汇系统和目前现场使用的管汇车低压管汇系统功能和性能、结构完全相同。利用多根低压胶管将混砂车多个排出口与低压输入管汇总成（6个接口，可增至8个）连接，用低压胶管将压裂车高压泵的入口与低压输出管汇总成（两边共11个接口，可增至13个）连通。这样在压裂过程中压裂液由混砂车排出经过低压管汇系统直接供给压裂车。

2）若在大规模工厂化压裂现场，或由于地形原因设备布置比较分散致使管线连接较长，这时机组设备混砂车排出压裂液的压力不能满足压裂车高压柱塞泵的供给时，则需启动增压灌注系统，首先开启蝶阀A和蝶阀C，关闭蝶阀B，将低压管汇分成两部分，即低压输入管汇总成和低压输出管汇总成。用低压胶管连接好混砂车、管汇车、压裂车（和上述一样），同时应连接好压裂车、管汇车高压管汇（高压管汇可吊至地面）、井口高压管线。经过试压无漏后，由发动机控制箱启动发动机经传动系统驱动增压离心泵工作，机组混砂车排出的压裂液经过低压输入管汇总成供给增压离心泵，经过增压后排出，再经过低压输出管汇总成通过胶管将压裂液供给压裂车高压泵。