0 引言

水力压裂是我国低孔、低压和低渗油气田开发的主要增产措施，采用常规压裂施工后的快速放喷返排和控制支撑剂回流相互矛盾^[1]。国内外油气田通过多年试验和探索，形成了纤维加砂压裂工艺技术。该技术通过在压裂液中添加纤维形成纤维压裂液，利用纤维的悬浮携砂能力和支撑剂固定能力，能够有效防止支撑剂在储层缝网中回流，实现快速返排，提高单井油气产量^[2]。

纤维加砂压裂技术需要采用专用装置将纤维注入压裂液并混配均匀，国内专门针对纤维加注的混配装置少有报道。目前施工时纤维的加注以气力输送为主，通过空气压缩机吹送纤维进入旋分器，纤维在重力的作用下落入混砂车的混合罐并混合。输送过程中需要配置纤维输送泵橇、旋风器以及吊机等多模块设备，装备集成化程度低、加注流程复杂；同时，由于纤维密度小且不易被分散，常悬浮于混合罐的上层，停留时间短，易出现纤维聚团和添加不均等问题，难以满足施工工艺作业需求^[3-7]。

针对上述问题，笔者提出了以纤维水合为核心的混配装置。该装置利用螺旋输送机输送纤维，通过文丘里喷射原理产生负压，吸入螺旋机输出的纤维并混配，能够在纤维进入混合罐之前实现纤维与压裂液的混配，具有纤维加注量大、结构简单和混配均匀等特点。

1 技术分析 1.1 混配流程

压裂液纤维水合混配工艺流程如图 1所示，主要包括压裂液循环流程和纤维供给输送流程。施工时，首先建立压裂液的供给流程：压裂液→吸入管汇→喷射泵→电磁流量计→文丘里式混合器→排出管汇→混砂车混合罐。压裂液的供给流程建立后，文丘里式混合器的进料口密闭空间内形成负压区；同时根据不同的施工工艺要求，控制自动开关开启纤维供给输送流程：纤维→螺旋输送机→负压吸料舱→电控球阀→文丘里式混合器。在文丘里式混合器内完成纤维与压裂液的混配，形成水合后的纤维压裂液。

1.2 混配装置结构及工作原理

压裂液纤维水合混配装置主要由底盘、构架、液压系统、吸入管汇、喷射离心泵、喷射管汇、文丘里式混合器、螺旋输送机、负压吸料舱、排出管汇、操作平台和电气控制箱等部件组成，具体结构如图 2所示。

混配装置工作时，利用底盘取力口取力驱动液压泵，分别为喷射泵马达和螺旋输送机提供液压动力；喷射泵马达带动喷射离心泵建立压裂液的供给流程，在文丘里式混合器的进料口区域形成负压；当需要添加纤维时，在电驱控制箱上操作开启电控球阀，导通负压吸料舱与文丘里式混合器；开启螺旋输送机，纤维与压裂液在文丘里式混合器内混合形成纤维压裂液并排出。混配过程中，电磁流量计对压裂液供给流程中的压裂液进行流量监测，同时自动调节螺旋输送机转速，使得纤维与压裂液的配比可调，能够满足不同浓度的纤维添加需求。

1.3 主要技术参数

最大纤维混配量20 kg/min，最大排量2 m³/min，纤维混配液质量分数1%，吸入管路阀门ø101.6 mm蝶阀2个，接口FIG 206，排出管路阀门ø101.6 mm蝶阀、球阀各1个，接口内扣式管牙接口KY100，整机质量≤6 500 kg (含油水)。

2 关键技术 2.1 螺旋式输送机设计

要求螺旋式输送机实现纤维的精确、有效输送，同时具备计量和自动调速功能，为此而设计的螺旋输送机结构如图 3所示。

考虑到纤维输送量大、密度小以及充填系数小，采用3组绞龙进行纤维输送，每组绞龙由左旋绞龙和右旋绞龙组成，通过轴承座安装在机座上。输送纤维时，左、右绞龙反向运动，在垂直方向对纤维形成吸入效应，实现纤维以20 kg/min的混配量快速加入。

为保证纤维添加的连续性，设置了容积为250 L的加料斗。加料斗采用不锈钢材质，设计为直角或大倾角结构，防止纤维在加料斗中出现挂壁不下落的现象。

考虑到输送绞龙的低转速特性，配置有速比为10:1的减速机，使绞龙最高转速下降至100 r/min，实现液压驱动马达与左、右绞龙的转速匹配。

为保证一个液压马达同时驱动3组绞龙，设计有齿轮箱，同时在齿轮箱上安装有转速传感器，能够实时检测绞龙转速，通过转速与纤维输送量的对应关系，能够进一步实现螺旋输送机对纤维的计量。

2.2 文丘里式混合器

文丘里式混合器由引射管、混合管和喷嘴等部件组成，在文丘里式混合器内形成混合室和扩散室，用于纤维均匀混配，其结构如图 4所示。

考虑到纤维具有密度小和易漂浮的特性，利用文丘里式混合器的高速射流在下料口形成负压，可以将纤维吸入混合器。负压的大小受喷射离心泵的排量、压力以及喷嘴结构的影响，混配时，调节喷射离心泵排量，同时配合螺旋输送机上的纤维计量系统，实现不同浓度下的纤维加入。

考虑到纤维的下入性，下料口直径设计为76 mm (3 in)，这样可防止在最大纤维浓度时，大量纤维聚团并堵塞下料口。

由于混合室在高压水射流的作用下会产生强烈的涡流，能够对纤维进行撕裂和高效搅拌，并在扩散室进一步混合，所以为保证混配效果，水射流需要具备足够大的能量。通过变换喷嘴，调节喷射泵排量与压力，在喷射泵排出压力为0.4 MPa以上时，能够保障纤维压裂液混配均匀，同时将喷嘴设计为螺旋可调式，方便拆卸安装，可适应不同纤维浓度的需求。

2.3 控制系统

为了实现纤维压裂液的精确配比与有效控制，设计了专用的控制系统，其原理图如图 5所示，其功能及结构特点如下：

(1) 考虑操作的便利性，整机的所有控制操作均在电气控制箱上完成，控制系统具有整机启动、停机、油门控制、螺旋输送机转速控制、喷射离心泵排量及压力控制等功能。

(2) 电气控制箱上配置有显示系统，可实时显示液压油温度、喷射泵油压、压裂液瞬时流量、累计流量、纤维瞬时输送量和累计输送量等，实现系统运行状态参数可视化。

3 试验情况

为了全面验证压裂液纤维水合混配装置的工作性能，在清水条件下，采用四川维纶厂提供的维纶纤维进行型式试验。

3.1 试验步骤

(1) 起车，挂合油门进行空运转，检查油温和油压等各项参数是否正常。

(2) 开启喷射离心泵，升油门，清水排量在2 m³/min时稳定转速。

(3) 将76 kg纤维样品等分为8份，每份9.5 kg，将其中1份样品装入加料斗。

(4) 开启电控球阀，使负压吸料舱与文丘里式混合器的下料口导通。

(5) 开启螺旋输送机，以螺旋转速n₁进行纤维输送，记录输送完毕所需时间t₁。

(6) 检查纤维是否堵塞，对纤维压裂液进行取样。

(7) 设定螺旋转速n₂，n₃，......，n₈重复上述过程。

3.2 试验结果

试验过程中混配装置整机及部件运行平稳，混配流程顺畅，喷射离心泵和螺旋输送机控制灵敏，纤维经过混配后在水中分布均匀，混配装置在设计条件下 (螺旋输送机转速100 r/min) 的纤维输送能力为22.56 kg/min，此时对应的纤维质量分数为1.13%，这表明装置的技术参数和指标均达到设计要求。

4 结论

(1) 研制的压裂液纤维水合混配装置集成化程度高，能够实现纤维压裂液的快速混配，提高了纤维的加注效率。

(2) 以纤维水合为核心的纤维混配流程能够保证纤维压裂液混配均匀，有效解决高浓度下纤维聚团和添加不均的问题。

(3) 试验结果表明：混配装置的纤维混配能力强，可实现纤维质量分数 (0.00~1.13)%的任意加注，满足压裂施工作业中不同工艺对纤维不同浓度的需求。