大储量低功耗输砂装置的研制与应用

廖波兰，邱 峰，舒 峰，徐占东，杨 春，潘社卫，王振华，卢亚平

（1.北京矿冶研究总院，北京 100160；2.大庆钻探工程公司井下作业工程公司，吉林松原 138000）

油气工程

大储量低功耗输砂装置的研制与应用

廖波兰1，邱 峰2，舒 峰1，徐占东2，杨 春2，潘社卫1，王振华2，卢亚平1

（1.北京矿冶研究总院，北京 100160；2.大庆钻探工程公司井下作业工程公司，吉林松原 138000）

介绍了一种大储量低功耗移动式连续输砂装置，具有撬装式结构便于运输，大容量储砂，低功耗低磨损输砂的优点，解决了目前现有输砂装置无法满足大规模压裂大量快速精确输砂的问题。本装置已成功在东北某油田中工程化应用，现场运用效果良好。

输砂；撬装式；储砂罐

水力压裂是国内外石油天然气开采的常用增产措施。输砂通常是指石英砂的添加、计量，以及与压裂液的混合等作业过程，是石油压裂施工的重要环节[1-5]。传统的石英砂添加（简称加砂）一般采用砂罐车与混砂车协作完成。砂罐车抵达压裂现场后，砂罐在底盘举升油缸的作用下形成倾斜状态，操作人员手动打开卸砂阀门，罐内石英砂在自重作用下流入混砂车接料斗内，通过混砂车螺旋提升机将石英砂输送至搅拌罐内与压裂液混合，然后泵送到压裂泵进口端。采用这种传统的方式，输加砂量调节完全由工人手动控制完成，无法进行精确调节控制，而施工中加砂量数值是通过螺旋提升机的转速换算获得，换算值与实际值之间存在较大误差。随着压裂规模的大型化，国内单井单层的加砂量已经达到100 m3，由于传统加砂方式存在不连续性和不准确性的问题，容易引发“砂堵”事故，导致压裂作业失败。

1 输砂装置总体方案设计

为了解决国内现有输砂设备不能够满足大规模工厂化压裂“万方液千方砂”的输砂加砂要求，本文研制了大储量低功耗移动式连续输砂装置（工艺流程见图1），采用撬装式结构，能够灵活转场，采用多级套罐形式保证了安全运输同时又实现了有限空间大容量储砂，采用变频皮带精确计量输砂量，能够低功耗、低磨损地快速向砂罐补充原料和输出石英砂，解决了目前现有输砂装置无法满足大规模压裂大量快速精确输砂的问题。设备总体布置图（见图2）。

图1 连续输砂装置工艺流程图

图2 输砂装置总体布置图

2 核心设备研制

2.1 低功耗石英砂输送装置的研制

石英砂陶粒是一种油田压裂常用的支撑剂，能够提升压裂造缝效果，增加石油产量。对于石英砂陶粒类固体物料输送通常可以采用斗式提升机、刮板机、气力输送、皮带机、螺旋上料机等形式的物料输送提升方法。

石英砂支撑剂输送可采用皮带机输送和螺旋输送两种方式。由于与皮带机相比，采用螺旋机构输送石英砂陶粒存在设备易磨损、能耗大、输送能力小，计量精度差等缺点，因此本论文中采用皮带输送机。本论文设计的连续输砂装置最大输砂量可达到3 m3/min，选择波状档边皮带输送机型号为TC180，皮带宽度为500 mm，表面线速度设为2 m/s，电动滚筒功率4 kW，皮带电动滚筒直径320 mm，皮带最大输送倾角45°。具体输送装置运输与工作状态（见图3）。

图3 输送装置运输与工作状态图

2.2 大容量储砂罐的设计

为了满足压裂施工平稳有序，一般要求在现场储存足够多的石英砂支撑剂，少则几立方米多则几十立方米。现有的砂罐形态固定，其体积与其占地面积有关，往往容积越大，则占地面积越大。而实际井场的面积是有限的，随着大型压裂施工对砂量需求的增加，现场需要布置更大容量的砂罐，这与节约井场占地面积存在矛盾，同时超大储砂罐无法满足转场时的安全运输要求。

本论文设计了一种可伸缩的多级套罐，多级套罐包含固定罐部分和活动罐部分，活动罐是能够伸出和缩入到固定罐砂料斗的加长套罐壁；加长壁贴近固定罐内侧壁，且加长壁为周向封闭、两端开口的环形结构。活动罐可以通过液压的升降机构与砂料斗相连。砂罐在使用时，可根据需要利用液压升降机构使加长壁伸出砂料斗，以增大整个砂料斗的体积，提高其储砂量。本设计中的砂罐采用了加长壁使其在不增加占地面积的基础上增大了储砂量。最大储砂量可达30 m3，具体设计图（见图4）。

图4 大容量储砂罐图

2.3 输砂计量与调节控制系统的研究

在压裂施工作业中，石英砂支撑剂通过连续输砂装置将其输送到混砂车与压裂液混合。如何精确实现输砂量的精确计量调节十分重要。在本设计中输砂波状档边皮带输送机采用变频电机驱动，液压阀精密控制下料口开启量保证下砂量的平稳可控，下砂量实行实时监测，由可编程控制器自动控制皮带输送速度以调节输砂量，从而满足压裂施工要求。连续输砂控制系统是采用当今工业常用的模糊控制技术，在生产过程中，只需要操作人员在触摸屏手动输入输砂量、输砂速度等设备工作参数，输砂计量与调节控制PLC通过模糊控制算法计算出皮带电机运行频率数值，通过I/O模块向运行设备发出工作信号，同时接收已输送量反馈信号，实时控制和调节输砂量，完成整个运转工作。

3 工业化现场运用情况

本大储量低功耗输砂装置研制成功后在东北某油田得到了产业化应用。2017年10月在东北某油田大规模工厂化压裂过程中成功投产运行，试运行效果良好，解决了大规模压裂过程中，需要大量砂罐车以及输砂设备连续接力供砂的现状，成功采用单台套设备，保障整个压裂过程中砂量的平稳供应，满足了大规模工厂化压裂需求。截止目前该设备已成功保障多井次大规模压裂，连续输送砂量上千立方米。

4 结束语

当前大规模压裂作业对大储量低功耗输砂装置的需求量很大，通过现场工业运用情况来看，大储量低功耗输砂装置是提高解决传统输砂方式不足的有效手段。随着本项目研究成果的普遍应用，必将提高压裂作业的增产效果，显著降低压裂地面配套装备的机械磨损和能源消耗，对提高我国压裂配套装备的整体技术水平产生积极的推动作用，必将产生良好的社会和经济效益。

［1］台广锋，潘社卫，舒峰，等.工厂化压裂连续输砂装置智能控制系统研究［J］.矿冶，2015，24（5）：67-71.

［2］潘社卫，赵敏，刘庆，等.寒冷地区移动式石油压裂液技术研究［J］.矿冶，2014，23（1）：64-67.

［3］廖波兰，卢亚平.纤维压裂液性能的基础性研究［J］.矿冶，2014，23（1）：37-42.

［4］姜瑞忠，蒋廷学，汪永利.水力压裂技术的近期发展及展望［J］.石油钻采工艺，2004，26（4）：52-56.

［5］潘社卫，卢亚平.石油压裂液高效配制技术的研究与应用［J］.矿冶，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

北京矿冶研究总院科研基金“大储量低功耗输砂车核心技术的研究”，项目编号：2016-YJ7。

廖波兰，工学硕士，工程师，从事石油压裂液配制设备的研究和设计工作，邮箱：liaobolan@bgrimm.com。