混砂车加砂排出压力波动问题分析

武瑞娟

摘要：混砂车作为压裂机组的供液枢纽，主要作用是将混砂罐内的压裂混合液以特定的排量、压力通过集流管汇注入压裂设备。保证混砂车加砂过程中排出压力的稳定性，对壓裂作业的效果至关重要。本文通过分析川渝地区压裂工况下混砂车加砂过程中排出压力波动的原因，从设备本身和操作规程环节制定解决方案，确保压裂液以稳定压力排出，确保压裂工艺的正常运行。

关键词：混砂车;压裂作业;排出压力;操作规程

中图分类号：TE9                                          文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）12-0134-02

1  川渝工区压裂施工模式

压裂施工通过向地层注入高压流体使井底地层形成具有足够大小的填砂裂缝，以增加油气的流动性，提高油气单井产量。混砂车作为压裂机组的供液枢纽，主要作用是以一定排量和压力将压裂混合液通过集流管汇供给压裂设备。混砂车加砂混合作业流程见图1。

与常规水力压裂相比，页岩气压裂工况所需功率更大，压力更高，作业时间持续更久。为提高施工稳定性及可靠性，川渝页岩气工区压裂施工方普遍采用两台混砂车联合供液的方式：其中一台混砂车单独完成供砂。如按照两车排量1：1的分配方式作业，供砂混砂车实际最大排量在9m3/min左右，最大砂比接近40%。目前，工区压裂泵注程序化作业趋于最优稳态，施工排量普遍在14～18m3/min之间，最大工艺砂比在20%以下。

2  加砂压力波动现象

压裂作业按泵注程序预施工过程中，混砂车基液排量达到稳态时，排出压力也将保持相对稳定。施工阶段，混砂车开始提砂作业，即砂子通过输砂器绞龙旋转递送进入混合罐。同时，经过混合搅拌的压裂液由排出泵送入排出管汇。结合当前施工现状和作业要求，排出压力需要稳定保持在0.30～0.45MPa左右，混砂车才能较好的保证压裂泵的供液充分。当砂比大于10%时，排出泵排量呈现幅度较大的急剧波动，压力最高降至0.2MPa以下。加砂过程部分施工参数曲线如图2所示。

3  问题分析

结合川渝工区的作业模式，排出压力下降问题的鱼骨图分析见图3。

3.1 自动控制

3.1.1 压力区间范围设置

排出泵作业过程中负载变化必然会导致压力波动，设定自动控制模式下的压力区间范围，对于压裂液的正常泵送意义重大。其具体表现为：当排出泵负载波动造成的压力变化跳出设定区间时，系统将控制排出泵调节自身转速以调整压力恢复为区间设置范围内的数值。

按照施工要求，排出砂泵压力区间范围设置应至少在0.3～0.45MPa之间。压力区间的设置仅为排出泵在设定区间内的转速调整提供数据反馈，并不能对排出泵负载增大引起的压力下降进行响应。

3.1.2 控制系统检测与响应

当排出压力波动超出区间变化时，自动控制系统得到反馈，系统响应后将调整马达转速以调整输入功率。若控制系统响应时间出现延迟，排出压降过大必然导致排出压力大幅度波动。另一方面，当压力变化时，排出泵转速百分比在系统设定下随之发生变化。正常设定的系统程序将在有效时间内及时调整马达转速，以提升排出压力至正常水平。

3.2 机械

混合罐容积普遍为1.2m3，施工排量需要保持在9m3/min左右。混合罐内液体和固体颗粒的混合，需要在短时间内达到相对均匀的效果，才能保证排出泵达到施工要求的排量和压力。影响混合效果的因素有：

3.2.1 罐体结构

罐体结构的差异主要表现在进液方式、出液方式、稳流效果等方面（见图4）。

混合罐内外罐的结构及导流板的结构，可减少进液的旋流;上中下三层进水方式保证液面的稳定性;中部出液的方式保证大排量时液量的供应等。

此结构下液体在由外罐进入内罐后，可迅速形成稳流，极少飞溅。可见，当前罐体结构相对完善，对混合效果基本无影响。

3.2.2 搅拌转速

搅拌叶轮布置于混合罐的中部，由上下两层叶轮组成，并成斜45°角布置。搅拌罐流场速度矢量图中可以看出，当搅拌转速增大时，在搅拌叶轮附近明显有大的漩涡出现。漩涡的出现有利于搅拌均匀，而漩涡过大将对排出泵供液稳定性造成扰动。当实行加砂时，搅拌马达的转速对于压裂液体系的混合均匀性至关重要。

3.2.3 排出泵磨损

由于压裂施工是加砂作业，砂粒进入排出泵内，长期施工造成离心泵叶轮及泵壳内部磨损。当负载增大时，虽然可以保证足够的输入功率，但离心泵建立不起足够的排出压力，从而造成压力的下降。

3.3 动力源

整机运作过程中，发动机通过分动箱取力，连接液压泵为整机各系统提供动力。液压系统连接动力输出端与机构执行端，并通过各连接马达调控各机构间的运行参数。

同时，工区加砂普遍采用三种密度的支撑剂，不同密度的支撑剂通过不同的砂罐进行添加。在阶段加砂过程中，只能采用单筒输砂器进行加砂。这样下砂时，尤其是大砂比的情况下，大量砂子快速且集中进入罐内，造成砂液难以及时得到混合均匀。

发动机转速偏低和输出功率下降会导致液压泵转速偏低，液压油输出流量不足，液压马达转速达不到工作要求。因此：将导致混合罐搅拌马达搅拌效果不佳，压裂液体系混合不均匀，密度波动导致泵负载发生变化;以及直接造成排出离心泵输入功率下降。

发动机故障的原因主要有：①机油滤芯未定时更换，导致机油失效;②空滤滤芯清洁不达标，导致油料燃烧不充分;③内部润滑脂缺失，导致机械磨损，输出功率下降。

4  结论和解决措施

通过以上分析，针对目前的作业参数条件下，压力下降的根本原因就是发动机故障、压裂液体系的变化以及泵效的下降。因此，处理加砂过程中排出压力波动的解决措施主要有：

4.1 搅拌转速的调整

根据施工时数据及操作方式可以发现，当操作工得到加砂指令时，可预先提高搅拌转速10%左右。在加砂过程中，时刻关注排出泵转速比，如果转速比急剧升高，应继续提高搅拌转速直至排出稳定。停砂时，应预先降低搅拌转速至50%左右，待排出转速比稳定。

4.2 加砂停砂时应阶梯变化

在加砂停砂的过程中，建议以阶梯提升方式，如18%的情况下，可由5～10～15～18的方式变化，中间可适度停顿3s左右，观察压力及排出泵转速变化情况。

4.3 定期检查砂泵情况

排出砂泵属于磨损件，应定期检查：一是需要拆开砂泵，检查叶轮、泵体、定子的磨损情况;二是调整砂泵叶轮侧隙，调整量为1～2mm。

4.4 定期检查发动机

加强日常维护保养，定期更换机油，清洗燃油箱、输油泵、滤网及管路，检查发电机、起动机、清洗并加注润滑脂。

参考文献：

[1]林蕾.两种压裂车在页岩气开发中的应用分析[J].工程建设与设计，2020（14）：61-62.

[2]冉旭东.水力压裂用混砂车输砂装置研究[J].化工管理，2020（23）：197-198.

[3]杨小涛，白田增，任勇强，陈如鹤.油田混砂车自动控制系统的研究与应用[J].中国新技术新产品，2020（14）：74-75.

[4]吴汉川，王峻乔，仇黎明.混砂车吸入排出性能研究[J].石油机械，2013，41（03）：92-95.