0 引言
压裂液是压裂工艺技术的一个重要组成部分,其主要功能是造缝并沿张开的裂缝输送支撑剂。在油田压裂作业中,压裂液的混配质量是保证压裂作业成功的重要因素[1-4]。目前国内油田在压裂施工过程中采用先配后用的方式,在现场布置大量的储液罐,提前把基液配好[5-7]。这种配液方式有一个很大的弊端就是储液罐要占用大量现场空间,造成井场设备间相互拥挤,影响施工安全。虽然近些年作业现场出现了小排量的配液装置,但随着国内石油及天然气的大规模勘探和开发,油气田压裂施工规模在逐渐增大,促使压裂机组趋向大功率、高压力和大排量方向发展,国内油田局部区块气井施工排量达到16 m3/min,常规设备已经无法满足现场配液的需要[8-9]。为此,笔者设计开发了大型压裂液连续混配装置——SPY20Q配液橇。该装置采用液液混配为主、干液混配为辅的设计方案,最大配液能力达20 m3/min,能够适应目前压裂液体系下的“即混即配”连续施工配液要求。
1 技术分析 1.1 结构SPY20Q配液橇结构如图 1所示。
SPY20Q配液橇采用橇装一体式结构,橇座前端装发动机,与分动箱通过飞轮壳连接,分动箱上装有4组油泵。橇座后端装有一个高能混合罐,吸入和排出管汇对称分布在高能混合罐两侧,橇中间装有操作台,操作台下方空间布置6个液添泵和6套卷管器。干添系统安装在橇座后端,方便干粉的添加。通过以上合理装配使SPY20Q配液橇整机载荷分布均匀,结构紧凑,操作方便。
1.2 工作原理SPY20Q配液橇是油田压裂作业中用于原料供给和添加剂混配的专用设备。SPY20Q配液橇的动力全部由自带发动机提供。发动机输出动力驱动分动箱,分动箱的4个输出口驱动4组油泵,分别驱动高能混合罐搅拌、风扇、吸入泵、排出泵、喷射泵和液添泵。整套系统通过设置在仪表台上的电控旋钮或计算机进行操作。工作时,吸入泵将地面水池中的清水泵送至高能混合罐内,同时干添系统通过高压射流喷头技术,将干粉添加剂通过高压水流携带至混合罐,与混合罐中清水产生强烈的冲撞而释放黏度。液添系统可以同时添加6种液体添加剂,最后经排出泵泵送至压裂作业区,具体工作原理见图 2。整套设备采用计算机对流量进行统一控制,操作人员可在网络控制箱上通过手动调节,或者输入相应的参数来达到对添加剂量的自动控制。配液橇的最大排量可达20 m3/min (清水)。
1.3 主要技术参数
最大排量:20 m3/min;
高能混合罐容积:9.5 m3;
添加剂种类:6种液添+1种干料;
加料精度:±1%;
配比精度:±2%;
液压系统额定工作压力:21.0 MPa;
电气系统额定电压:DC24 Ⅴ;
整橇外形尺寸(长×宽×高):9.5 m×2.4 m×3.0 m;
整橇质量:15 t。
2 关键技术 2.1 混合罐混合罐结构如图 3所示。
混合罐采用多舱式结构,结合了大表面积的原理,确保清水和干添在混合罐中停留最长的时间,以保证干添和清水的均匀混合,液体在自身重力下经多舱成S形流向,其液体流向图如图 4所示。混合罐容量为9.5 m3,能在最短时间内将固体添加剂、液体添加剂和清水混合均匀,从而保证排出泵达到20 m3/min的排量。
当清水经过吸入泵加压以最大流量20 m3/min进入混合罐中第1仓,水流速度急剧减小,由能量守恒定律知,第1仓必然会瞬间聚集大量的液体,通过理论计算分析和后期试验验证,得出每个仓的容积配比和仓开口的比例,保证了液体在每个仓中不漫灌。同时,在混合罐上安装的雷达液位计实施监测混合罐的液位,并将数据反馈到控制系统,控制系统会根据液位情况自动调节吸入泵的转速,控制混合罐的进水量。
整个过程遵循先进先出的原则。混合罐带有3套搅拌器,分别安装在混合罐的最后3个舱中,3套搅拌器能连续不断地将清水和干添搅拌成均匀的混合液。
2.2 干添喷射系统整个干添喷射系统包括干添吸入管汇、增压泵、螺旋输送机、文丘里混合器和干添喷射管汇。工作时,先打开增压泵,提高增压泵转速,待增压泵转速增大到一定程度时,打开三通上的蝶阀,添加干添剂,最后打开干添混合器马达。作业结束后,先关闭干添混合器和蝶阀,最后关闭增压泵。
用于水力压裂的压裂液性能对压裂施工作业的成败起着重要作用。在自然条件下水与胶粉的融合时间需要4~5 h[10]。由于橇装式压裂液水化装置的空间有限,需要研究多介质快速水合技术,提高液体流动能量,以提高干粉和清水融合速度,实现“现配现用”、快速混拌的功能。为此,笔者查阅了有关文丘里设计的相关文献,在此基础上通过研究液体吸空形成负压的原理建立干添系统的吸入部分,文丘里原理示意图如图 5所示。
2.3 液添系统
根据压裂作业要求,该装置配备有不同的化学剂添加系统,满足页岩气施工作业的要求。系统制定出6种液体介质的配备方案,设计了6路液体添加线路,主要由6台液添泵、6台液压马达、6套联轴器、5台自动卷管器、5只质量流量计、1只涡轮流量计、液添泵支座和管汇件等组成。其中,根据现场工艺参数确定液添泵的型号及排量覆盖范围;卷管器含15 m软管,能够实现现场的远程连接;质量流量计能够实现小流量的精确控制。
在液液混配过程中,可同时按照不同的比例添加6种不同的液体添加剂,满足压裂工艺各个环节的需求,整个操作过程可以通过计算机自动控制。6路液添管线可实现多种组合,实现液添系统排量1~290 L/min全覆盖。
2.4 自动控制系统连续混配装置控制系统采用24 Ⅴ直流供电,系统包括控制台、计算机、操作面板、传感器、变量泵和多路阀等[5]。各部件之间满足相互独立、工作可靠、抗振和抗干扰等条件。控制柜侧面预装了数据通信接口,可为将来扩展数据提供方便。
依据油田压裂工艺要求,结合压裂液水化装置,实现化学添加剂的自动控制。采用定比例混输控制方法、工艺存储模块和施工数据监测系统等,实现水化装置作业自动控制,一旦将施工程序事先编好并输入计算机,在工作期间不用操作人员协助,压裂液水化装置将依据程序执行基液的配制。无论作业过程中液体流速和配比如何变化,系统可以实现多信号采集及反馈,实现压裂液连续混配的自动控制,具备作业参数自动录入功能,作业过程中实现故障报警功能。
3 试验情况 3.1 型式试验2014年9月,SPY20Q配液橇样机制造完成后开展了样机的型式试验。试验内容主要包括发动机功率测试、配液橇排出能力测试、各液添泵计量精度测试、液添系统稳定性能测试和干粉加料能力测试等。测试完成后,清水试验最大排量达到21 m3/min,液添加料精度达到1%,满足设计要求。
3.2 现场试验SPY20Q配液橇样机于2015年5月发往焦石区块进行现场试验。设备在焦石区块53#平台参与压裂连续混配流程,与混砂车同步施工,干粉减阻剂按1%的比例添加。试验期间,SPY20Q配液橇样机圆满完成快速混配和供液等工序。试验结果表明:整橇结构设计合理,现场吊装方便,在大排量的“即混即配”施工中具有极大优势;自动控制系统操作简单、反应灵敏、安全可靠,各项功能指标均达到设计要求。
4 结论(1)SPY20Q配液橇采用橇装一体式结构,以液液混配为主、干液混配为辅,最大配液能力达20 m3/min,能同时满足6种液体介质+1种干料的添加;整橇混配能力强,作业效率高,整体移运方便。
(2)高能混合罐体积大,采用多舱式结构,使液体经多舱成S形流向,结合了大表面积的原理,确保清水和干添在混合罐中停留最长的时间;6套液添线路的配置,在目前工艺下可适应多种减阻剂类型。
(3)该装置改变了传统的压裂液混配模式,实现了基液的“即混即配”,可以大大提高油气井开发效率,降低施工风险和作业成本,同时提高资源开发效益,具有可观的经济效益。
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