压裂施工中液添技术应用概述

2019-11-29李龙杰

科技与创新 2019年5期

关键词：螺杆泵凸轮容积

李龙杰

压裂施工中液添技术应用概述

李龙杰

（中石化四机石油机械有限公司，湖北荆州 434024）

液添系统主要用于在压裂作业过程中根据工艺需求添加压裂交联剂，以满足压裂工艺中同时添加不同种类交联剂的需求。通过对比各类液添泵的应用效果，进行技术性概括，阐述液添技术的发展历程。

压裂施工；混砂；液添技术；交联剂

混砂车的液添系统属于压裂施工的必备功能部件，主要用于在作业过程中根据工艺需求添加压裂交联剂。其主要由液添泵系统、驱动系统和数据采集控制系统组成。一台混砂车上往往配置有2~4套液添系统，以满足同时添加不同种类交联剂的需求。

1 混砂车液添设备与数采系统的构成及原理

混砂车液添系统由伺服阀、液添泵、流量计及控制和数据采集单元组成，在现场作业过程中，控制系统控制伺服阀的过油量，进而实现对液添泵转速的控制，液体泵的实时排量通过安装在液添排出管线上的流量计进行采集，并将数据实时反馈至混砂车数据采集系统。

2 液添泵的种类及应用效果对比

目前混砂车的作业多采用泵后胶联的方式，通过技术调研，混砂车液体泵根据排量及功能的不同，主要有柱塞泵、齿轮泵、螺杆泵、凸轮泵、离心泵等几种，其优缺点比较如表1所示。

表 1 液添泵优缺点比较

类型优点缺点柱塞泵额定压力与转速较高、容积效率高、寿命较长、变排量快、单位功率的质量轻结构较复杂，零件数较多；自吸性差；制造工艺要求较高，成本较贵齿轮泵结构简单、体积小、工作可靠、自吸性能好、对油液污染不敏感、维护方便等流量和压力脉动大、噪声大、排量难调节以及容积效率低等螺杆泵压力和流量范围大；运送液体的种类和黏度范围大；可使用较高的转速；吸入性能好，具有自吸能力加工和装配要求较高；泵的性能对液体的黏度变化比较敏感凸轮泵使用寿命长；安装便捷，维护清洗方便，易损件少；高效节能，故障率低，密封可靠，噪音低。可输送介质黏度为≤2.0×10 6 CP以及含固量为60%的浆料物料中不能含有焊渣、铁屑等硬性杂质，需安装过滤网

2.1 单螺杆泵技术

单螺杆泵的转动部件主要由三部分组成，分别是转子、连轴杆和驱动轴。转子、驱动轴与中间的连轴杆通过2 个万向节连接起来，当螺杆泵工作时，转子的运动轨迹为圆周运动和上下往复运动复合而成。万向节内预装润滑油，外面用橡胶护套密封，从而保证万向节内运动部件的自润滑。为了形成严格的密封腔，转子与橡胶定子是过盈配合的。

从上述结构特点来看，单螺杆泵在液添泵的应用主要存在如下几方面的隐患：①启动扭矩大，超低速运行时稳定性差。转子与定子是过盈配合，所以启动时转矩大。此外在极低转速运行时，转动可能不太平稳，出现抖动、转动不连续等问题。②磨损严重。转子与橡胶定子采用过盈配合结构，磨损不可避免。当添加剂中含有固体颗粒物时，磨损尤其严重。一旦磨损后，将不能形成严格的密封腔，导致泄漏量增加，输出流量和压力急剧下降，不能满足工况要求，因此橡胶定子需要经常更换。③禁止干运转。泵腔内无介质时干运转对橡胶定子的影响将是致命的。这时金属转子与橡胶定子直接干摩擦（过盈配合结构），温度短时间内急剧升高，橡胶定子极易烧毁。因此，吸入口意外断料或发生误操作而引起螺杆泵烧毁的例子屡见不鲜。

2.2 齿轮泵技术

齿轮泵的特点是结构简单、成本较低，只有2个转动部件，在润滑性介质的输送上面应用广泛。但将这种容积泵技术应用在混砂车液体添加剂输送方面时，出现的问题如下：①齿轮磨损严重。在转动过程中，相互啮合的齿之间会先发生挤压，然后沿齿廓面发生直接刮擦，最后分开。因此，齿与齿之间的磨损是直接的刮擦，而不像螺杆泵的滚动摩擦，同时添加剂润滑性又差，因此齿与齿的磨损会格外严重。一旦磨损严重后，压力、流量等指标均不能满足要求，只能整泵更换。②不能干运转。一旦发生干运转，齿的磨损会急剧加快。但在实际操作中不可能完全杜绝干运转现象，所以会大大降低泵的正常使用寿命。

2.3 柱塞泵技术

柱塞泵的特点是高压力、小流量，主要作为动力泵使用，在液压系统中作为高压泵应用普遍。将这种泵型应用在混砂车上输送添加剂时，主要是考虑到其容积泵的特性，可以作计量泵使用。

但是由于添加剂润滑性差且含有颗粒物杂质，因此普遍存在如下问题：①盘根易磨损。由于柱塞与缸套间频繁相对运动，加上添加剂中颗粒物的存在，盘根的磨损极快。一旦盘根密封失效，抽吸时就不能形成足够的真空度，导致添加剂吸入不足。另外加上介质中颗粒物的存在，有可能造成柱塞和缸套件的磨损，这种磨损对泵而言往往是不可修复的。②泵体的发热。发热有两种情形最为普遍，一是泵长时间工作后，盘根不断摩擦发热，由于升温可能会导致其他部件的失效，而油田有时需要混砂设备尽可能长时间持续工作，这样柱塞泵就会成为整个混砂车可靠运行的瓶颈；另一种是断料或吸空后发生的干运转，盘根发生干磨急剧升温而烧毁，类似于单螺杆泵情形。

2.4 凸轮转子泵技术

凸轮转子泵是一种新型的低压容积泵，凸轮转子泵的工作腔内由2个互相不接触的凸轮配合而成，2个凸轮旋转的传动部分是泵腔旁边的一个独立的同步齿轮箱，凸轮转子由泵齿轮箱中的齿轮系驱动，两根轴同步旋转从而带动2个凸轮同步转动，可提供精确的转子时序或转子同步。

凸轮之间互不接触，凸轮外沿表面与泵壳内表面也不接触，由于凸轮之间间隙很小，因此容积效率受到的影响并不大。由于混砂车上添加剂输送应用的压力一般为低压（10 Bar以下），因此虽有间隙，但是并未过多影响到凸轮转子泵的自吸性能。

其结构特点决定了其在混砂车添加剂输送应用时具有如下优点：①可干运转。所有运动部件没有直接接触，所以可直接干运转而不会对转子部件及壳体有任何影响。这一点特别适用于油田恶劣的工况，大大增加了生产工艺和操作的灵活性以及泵的可靠性。②低磨损。非接触设计及特有的三叶凸轮转子形状，可保证即使在介质中含有颗粒物杂质也不会发生严重的磨损。另外，凸轮转子泵的转子表面和内壳材质做过特殊的耐磨和硬化处理，进一步提高了其抗磨蚀性。③低功耗。齿轮泵、螺杆泵、柱塞泵在工作时都有很大一部分能量转化为了机械摩擦热能。而凸轮泵工作时基本不会发热，能量利用率较高。④在线自清洁和全排空（采用上下进出口时）设计。最大限度避免了停机时添加剂在泵腔内的残留，防止由于添加剂结冰或干涸在泵内结块。⑤黏度范围宽。在黏度从1×106～2×106CP的范围内工作都不受影响，区别仅在于低黏度时容积效率比高黏度时略差。因此凸轮泵适应介质黏度波动的应用场合。⑥运行维护成本低。检修非常方便，只需打开前盖板，拧开凸轮转子的锁紧螺母就能对泵腔体进行全面维护，降低了日常维护冗长的停机时间。一般凸轮泵常用备件为机械密封件及O形垫圈，其他主要部件几乎无损耗。这样，不仅能使平均无故障工作时间更长，还能降低设备总使用成本。⑦低剪切、占地少、噪声低。凸轮泵对添加剂的破坏比其他泵型都要低，结构紧凑，节省安装空间，运行噪声也比其他传统泵型低得多。由于凸轮转子泵具有独特的干运转能力、紧凑的结构、良好的正排量特性、无死角的全排空容积腔设计，因此相比传统容积泵输送技术而言，其可靠性更高，因此近几年凸轮转子泵在混砂设备上得到了大量的应用，从技术性能对比和使用效果来看，混砂车上传统的容积泵技术应该会逐渐被更为合适的凸轮转子泵技术所取代。