王敬平，宋艷春，邵宏宇

（大慶油田裝備制造集團(tuán)，黑龍江 大慶 163411）

1 引言

目前，油氣田壓裂施工作業(yè)傳統(tǒng)的配液模式，不僅存在著施工周期長(zhǎng)，配液強(qiáng)度大的問題，也增加了作業(yè)成本與環(huán)保壓力。通過對(duì)高效壓裂配液設(shè)備的改進(jìn)和研制，可將多種液體和干粉添加劑混合，實(shí)現(xiàn)水、聚合物、瓜膠等多種物質(zhì)的均勻混配、快速增粘，沒有“魚眼”和水包粉現(xiàn)象產(chǎn)生。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

該壓裂配液撬的結(jié)構(gòu)如圖1所示，所有設(shè)備都安裝在撬裝底架上，主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、混配系統(tǒng)、超重力快速增粘裝置、供排液泵送管匯、干粉儲(chǔ)存計(jì)量上料系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、撬裝底架及固定結(jié)構(gòu)件等。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組為裝置動(dòng)力源，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力通過分動(dòng)箱傳遞給液壓泵，由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來提供整機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力，整個(gè)裝置一共有3個(gè)電比例控制液壓泵，液壓泵帶動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)進(jìn)水離心水泵、出液離心水泵、快速增粘裝置的液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、負(fù)壓上料系統(tǒng)的液壓馬達(dá)。設(shè)備還配有空壓機(jī)和發(fā)電機(jī)，為裝置提供氣源和電控系統(tǒng)的電源。

圖1 ZBPY-1200C配液撬示意圖

2.2 工作原理

配液撬作業(yè)時(shí)，根據(jù)壓裂液的設(shè)計(jì)要求，瓜膠粉料經(jīng)粉料計(jì)量系統(tǒng)輸送至高能恒壓混合器，輸送量通過螺旋輸送機(jī)的控制轉(zhuǎn)速適時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)粉料供給；清水泵從外部吸取清水經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后，進(jìn)入高能恒壓混合器與粉料進(jìn)行混合；計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的流量對(duì)清水泵流量進(jìn)行調(diào)整，粉料則根據(jù)水量的變化，相應(yīng)地調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，維持設(shè)定的配比。從高能恒壓混合器噴射出來的混合液經(jīng)擴(kuò)散槽進(jìn)行除氣后，進(jìn)入超重力裝置系統(tǒng)進(jìn)行高效傳質(zhì)，混合液進(jìn)入超重力混配系統(tǒng)可以直接供給混砂設(shè)備作業(yè)。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）最大混配速度：20m3/min。

（2）最大水粉配比：20m3/min時(shí)最大配比2%。

（3）出口粘度 ：≥50mPa·s。

（4）作業(yè)溫度：-20～+45℃。

（5）消除“水包粉”，混配均勻，出口粘度均勻。

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 超重力快速增粘裝置

超重力快速增粘裝置是配液撬的核心裝置，它是利用超重力環(huán)境下進(jìn)行高效傳質(zhì)，液固兩相在比地球重力場(chǎng)大上百倍至千倍的超重力環(huán)境下的多孔介質(zhì)或孔道中產(chǎn)生流動(dòng)接觸，巨大的剪切力和快速更新的多相界面，使相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)的塔器中的提高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，微觀混合和傳質(zhì)過程得到極大強(qiáng)化。

3.1.1 超重力快速增粘裝置整體結(jié)構(gòu)

快速增粘裝置是將傳統(tǒng)的攪拌設(shè)備升級(jí)為高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)裝置，整體結(jié)構(gòu)要具有更高的密封性與加工工藝，這樣不僅大幅度的縮小了裝置體積，并且使壓裂液快速且均勻地實(shí)現(xiàn)微觀混合。

3.1.2 超重力裝置主要部件尺寸的確定

超重力快速增粘裝置主要部件尺寸包括液體進(jìn)出口管徑、噴淋管的結(jié)構(gòu)形式、填料以及外殼尺寸等。

（1）液體進(jìn)出口管徑

取液體流量L=20m3/min，則液體進(jìn)出口管徑為：

其中D1——液體進(jìn)出口管內(nèi)徑，m。L——液體流量，m3/min。V1——液體流速，工程設(shè)計(jì)上取V1=3m/s。經(jīng)計(jì)算可得D1=48.5mm。根據(jù)鋼管規(guī)格，得出相應(yīng)的液體管口尺寸為50mm。

（2）噴淋管的結(jié)構(gòu)形式及尺寸

本設(shè)計(jì)中釆用直管開孔型噴淋管，根據(jù)填料高度、流速以及進(jìn)出口管直徑計(jì)算噴淋面積為：

其中d——噴淋管內(nèi)徑，m。np——噴淋管數(shù)量。VP——噴口速度，m/s；一般VP=1.5V1。經(jīng)過計(jì)算AP=1.31×10-3m2。

其中孔徑為6mm，開口孔總數(shù)為48個(gè)，每側(cè)24個(gè)孔，每側(cè)間距為10mm。

（3）超重力快速增粘裝置外殼尺寸

填料作為超重力快速增粘裝置的主要內(nèi)構(gòu)件，它增大了液體的接觸面積以及湍動(dòng)程度，從而利于傳質(zhì)的進(jìn)行。本裝置采用的是立式旋轉(zhuǎn)逆流傳質(zhì)不銹鋼填料結(jié)構(gòu)，填料結(jié)構(gòu)特性如表1所示，圖2為填料的結(jié)構(gòu)示意圖。其中R1為內(nèi)半徑，b為床層高度，R2為外半徑。

圖2 快速增粘裝置結(jié)構(gòu)示意圖

表1 填料的結(jié)構(gòu)參數(shù)

超重力快速增粘裝置的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)為限位銷與花鍵固定方式，其中取內(nèi)半徑R1=200mm，b=350mm。壓裂液傳質(zhì)過程主要是在填料的表面液膜與液滴上進(jìn)行，所以填料表面的潤濕性能是液膜形成的關(guān)鍵因素，從傳質(zhì)過程來看，壓裂液是從填料內(nèi)徑向外徑的流動(dòng)，并且流通面積在逐漸增加，以填料外徑為計(jì)算基準(zhǔn)，則噴淋密度不斷減?。?/p>

式中af——填料的比表面積，m2/m3。Umin——最小噴淋密度，m3/（m2·s）。Lw——最小濕潤速率，取0.08，m3/（m·s）。計(jì)算得出R2≤0.406m，取填料外徑為500mm。

外殼的作用是收集填料層甩出的壓裂液，外殼的尺寸對(duì)整個(gè)裝置的穩(wěn)定性起到相應(yīng)的作用，結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

表2 超重力快速增粘裝置外殼結(jié)構(gòu)尺寸

3.1.3 超重力快速增粘裝置傳質(zhì)CFD模擬

選取超重力快速增粘裝置轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行流體計(jì)算分析，CFD軟件選擇solidworks Flow Simulation進(jìn)行建模并計(jì)算區(qū)域離散。模型分為3大部分，包括液體入口區(qū)、空腔區(qū)和填料區(qū)，模擬計(jì)算中的基本參數(shù)按設(shè)備參數(shù)設(shè)定。填料區(qū)的不銹鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成與轉(zhuǎn)子軸平行的絲網(wǎng)構(gòu)成，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)參數(shù)與不銹鋼絲網(wǎng)參數(shù)相同，填料均勻，徑向間隔為3mm。

瓜膠粉與水的混合過程，即固液傳質(zhì)，湍動(dòng)將引起對(duì)流運(yùn)動(dòng)，相與相的界面會(huì)得到及時(shí)更新，這樣就會(huì)減小相與相之間的傳質(zhì)阻力，傳質(zhì)系數(shù)成倍的增長(zhǎng)。模型網(wǎng)格選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)入口速度值、出口速度值進(jìn)行設(shè)定，以填料中心所在線為中心轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)速范圍為0~300r/min。設(shè)定外殼內(nèi)壁為真實(shí)壁面定子。模型湍動(dòng)能方程采用二階迎風(fēng)格式離散計(jì)算。經(jīng)過模擬得到轉(zhuǎn)速300rpm下的湍動(dòng)能云圖，如圖3所示。從圖中可以看出填料在徑向內(nèi)緣處的湍動(dòng)能最大，徑向往外，湍動(dòng)能越來越小，最后保持不變。

圖3 n=300r/min 時(shí)湍動(dòng)能分布云圖

3.2 混配作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)

混配作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以將瓜膠粉和水的投放量輸入到計(jì)算機(jī)然后進(jìn)行自動(dòng)配比，不僅實(shí)現(xiàn)了壓裂液混配數(shù)據(jù)的采集、顯示和自動(dòng)控制，并可以對(duì)施工作業(yè)進(jìn)行自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)和回放。

4 試驗(yàn)和應(yīng)用情況

4.1 壓裂配液撬的廠內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)施：50m3水罐、電熱風(fēng)、進(jìn)排液管匯。檢測(cè)設(shè)備：粘度計(jì)型號(hào)：ZNN-D6，轉(zhuǎn)速：300rpm。試驗(yàn)原料：六合，羥丙基瓜爾膠。試驗(yàn)環(huán)境溫度：4℃。試驗(yàn)水溫：4℃。試驗(yàn)數(shù)據(jù)：配液量15m3，粉料量75kg?；炫渌俣龋?m3/min。試驗(yàn)取樣點(diǎn)：1#、2#、3#、4#。

2020年2月，進(jìn)行了瓜膠母液的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)混配試驗(yàn)，并對(duì)混配好的壓裂液進(jìn)行了瞬時(shí)粘度測(cè)試。集液槽4點(diǎn)處的壓裂液黏度記錄形成表3，配制全過程中瓜膠母液均勻沒有出現(xiàn)“水包粉”現(xiàn)象，出口粘度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 壓裂液粘度測(cè)試記錄

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

該配液撬于2020年3月26日在大慶油田太東110-平116井完成壓裂配液工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，配液全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，配液速度保持在5m3/min，滿足施工要求。

設(shè)備投入使用后，累計(jì)配置瓜膠母液2094m3，配比濃度為0.4%。按比例計(jì)量添加堿液、破乳劑和表活劑3種添加劑，配液設(shè)備在36℃的水溫條件下配液，設(shè)備的瞬時(shí)粘度實(shí)測(cè)為55～58mPa.s，水粉混配均勻，無“水包粉”情況，配液質(zhì)量穩(wěn)定，滿足壓裂所需各項(xiàng)指標(biāo)。

5 結(jié)語

（1）通過該裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)研制，該裝置的負(fù)壓上料技術(shù)和快速增粘技術(shù)有效改善了傳統(tǒng)壓裂配液撬的不足，而且各項(xiàng)性能指標(biāo)都得到了有效的提升。

（2）該裝置操作簡(jiǎn)單、安全可靠，從而能夠大幅地提高壓裂配液的作業(yè)效率、減少作業(yè)人員和降低壓裂作業(yè)成本。