0 引言

水平井分段压裂在施工规模、施工强度以及施工时间上都远超传统压裂作业。这就要求参与施工的设备除了具有较高的性能参数之外，还必须有足够的可靠性来保障施工的顺利进行。混砂车是压裂施工的关键设备，施工过程一旦发生故障会直接导致施工中断。因此，国内各大油田在进行此类压裂施工时通常会配备2台HSC20型混砂车，即按照“一备一用”进行规划^[1-2]。虽然这种方案在一定程度上降低了施工风险，但存在如下问题：①一旦主施工混砂车发生故障，混砂车切换时需操作人员到现场手动开闭60多个ø101.6 mm(4 in)蝶阀，工作量大，切换时间长，影响施工质量；②现场切换阀门时，操作人员要进入高压区，增加了安全隐患。

为解决上述问题，烟台杰瑞石油装备技术有限公司于2014年10月开发了一套HSC40型混砂车，将“一备一用”的2台HSC20型混砂车集成到1台底盘车上，总排量达到40 m³/min；2套系统完全独立，既可以独立工作，也可以同时工作，满足超大排量施工作业要求，并且2套系统可以一键切换。

1 设计思路

分析常规HSC20型混砂车(见图 1)的结构可以发现：常规混砂车将各个功能模块独立设计，其主要功能模块包括吸入离心泵、搅拌罐、加砂绞龙和排出离心泵。随着排量的增加，混砂罐的有效容积也需要加大，其目的是保证混砂罐有足够的容积冗余，保证液位控制可靠和液体搅拌充分。常规HSC20型混砂车的混砂罐有效容积已经超过2 m³，混砂罐的直径也达到了2 m，而且随着搅拌处理液体量的增加，其所消耗的搅拌功率也成正比例增加^[3]。因此，如果仅仅考虑将2套HSC20型混砂系统集成到1台底盘车上，基于目前的设计思路难以实现。

20世纪80年代国外研究人员结合立式离心泵的结构形式成功开发了一款半开放式的混砂泵(闭式混砂泵)^[4]。其将吸入离心泵、混砂罐和排出离心泵整合为1台闭式混砂泵(见图 2)，按照即混即排的设计思路，充分利用离心泵的搅拌功能实现支撑剂的混合搅拌，无需设计大容量的搅拌罐，在机械尺寸上满足了横向布置2套混砂系统的要求。

但该混砂泵也有其固有缺陷：①自吸能力不足，如果布置在车台上，就需要在进液端增加轴流泵；②该泵顶部为开放式的加砂口，在停泵之后容易出现“返液”现象。鉴于此，首先在混砂系统上集成1套平行四杆机构，在施工时将该泵移动到靠近地面的最低点，以保证混砂车的充足供液，运输过程则将该泵举升到车台上，以满足车辆道路行驶要求。其次，在控制上进行设置，保证混砂泵的进液排液阀门按照顺序动作，以解决停泵时的“返液”问题；通过对液体添加系统的液压控制系统进行专门设计，实现了任意一台发动机都能独立驱动6套液添系统的功能，实现了真正意义上双系统的互为备用。

2 技术分析

HSC40型混砂车的总体布局如图 3所示。整车纵向对称布置2套20 m³排量的混砂模块，2套系统的配置完全一致，其吸入排出管汇可互相切换。2套系统既可以单独作业，满足常规20 m³排量的混砂施工要求，也可以同时作业，最大满足40 m³排量的混砂施工要求。通过设置电控液压驱动的阀门组，实现混砂系统(动力系统、液添系统和闭式混砂泵)一键切换的功能。整套系统的管汇原理如图 4所示。

闭式混砂泵和吸入管汇整体安装在平行四杆机构上，排出管汇的一段直管集成在平行四杆机构的一组摇杆上。车辆行驶时，通过平行四杆机构将闭式混砂泵和吸入管汇整体平移到车台上；车辆施工时，通过平行四杆机构将闭式混砂泵和吸入管汇整体平移到地面，最大程度降低闭式混砂泵高度，保证进液充足。如果在排出管汇上集成一组翻转机构，也可以实现闭式混砂泵在台上和台下的移动，但是这种方式在车辆行驶时后悬的重心偏高，不利于行车安全。因此，采用平行四杆机构进行平移为最优方案。

2.1 控制与操作系统

整车采用PLC集中控制，控制模块安装在车台控制室内，执行机构采用电控气动或者电控液动的方式实现。自动控制系统采用串联、闭环、混合和比例等多种延伸的PID控制方法，实现了过程、配方式批量、配方式手动、双系统一键切换、屏上手动和机上手动等控制方式。

自动控制系统主要由混砂自动控制、液添自动控制和干添自动控制组成，实现了集中监控、数据存储和曲线绘制等功能。采用恒压稳流控制方式使混配更加稳定，自动控制原理如图 5所示。

控制系统主运行界面可显示密度、加砂量、液体添加量、干粉添加量和排出流量等数据。通过管道亮显的方式提示当前开启的主系统及管道流动方式。

2.2 动力系统

HSC40型混砂车的每一个HSC20型混砂模块都减少了1台离心泵和1套搅拌装置。经过匹配，其所需总功率约为490 kW，比常规HSC20型混砂车节省功率90 kW。因此，只需配备2台500 kW左右的发动机即可满足整套设备的动力要求。

每台发动机通过分动器驱动各自的液压系统，2套HSC20型混砂模块各匹配1套闭式液压系统驱动闭式混砂泵，以及2套负载敏感开式系统驱动液添、干添、阀门和油缸等执行部件。

2.3 液体添加系统

液添系统充分利用动力系统和控制室之间的空间，安装了6台转子泵，加注管汇布置在控制室底部，液添管汇除了较长的直管部分采用软管线外，其余部分均采用硬管线连接，这样既节省空间，又使整车外观简洁。通过阀门选择可将液添分别加注到2套混砂模块中。

2.4 干粉添加系统

2套HSC20模块各配备了1套干粉添加装置，干粉通过螺旋输送装置直接加入到闭式混砂泵上部的加料口中。另外配备1套纤维添加装置，通过机械选择装置可分别加入到2个闭式混砂泵中。受其机械结构限制，每台干粉输送器只能对应一台闭式混砂泵，因此干添系统在动力上没有做互换设计，而任意一台发动机都可以驱动纤维添加装置。设计了一个干添操作平台，便于操作人员站立和暂存干粉物料。

2.5 主要技术参数

外形尺寸：11.5 m×2.6 m×4.2 m；

总质量：≤36 t；

最大工作压力：0.6 MPa；

最大清水流量：40 m³/min；

最大排出密度：2 400 kg/m³；

液体添加系统数量：6套；

干粉添加系统数量：2套；

纤维添加系统数量：1套。

3 关键技术 3.1 平行四杆机构的设计计算

根据功能要求，该平行四杆机构必须集成在闭式混砂系统的排出管汇上(见图 6)。其结构设计过程重点从运动学角度考虑设备的运动轨迹，避开干涉和死点。对平行四杆机构各杆件的形状和连接尺寸做详细设计之后，利用动力学知识对各杆件进行受力分析，确定各杆件受力。最后根据每个杆件的受力情况进行稳定性分析、受力校核并进行局部优化。

借助Mathematica或Matlab等数学软件可以加快计算^[5-7]。在实际设计中，利用计算机软件进行精确计算：用NX软件确定系统的重心并进行机构的详细设计，用ADAMS软件对机构进行运动学和动力学分析^[8]，用ANSYS软件对各杆件的结构进行稳定性分析、应力校核，并进行详细设计^[9]。

3.2 双系统一键切换功能的实现

HSC40型混砂车液压系统原理如图 7所示。该系统由2台发动机驱动主要的4套液压系统。发动机A驱动混砂系统A和辅助系统，发动机B驱动混砂系统B和辅助系统。任意启动发动机A或B都可以运行对应的1套混砂系统和公用的辅助系统。

为实现2套HSC20混砂模块完全互为备用，采用公用的辅助系统(包括液添、油缸和阀门)，以实现启动任意一台发动机，辅助系统均可以正常工作，手动一键动力切换以及动力选择。该功能通过一个集成了多个插装阀的动力切换阀组实现，监测2台发动机的启动信号，并根据发动机启动状态将辅助系统的工作负载压力信号反馈到已经启动的发动机所驱动的负载敏感系统上，实现手动和自动的动力切换。

4 应用情况

截至目前，HSC40型混砂车已经在新疆和四川进行了10余井次的施工作业。其中，2014年年底该设备在新疆首次进行的脉冲式压裂具有典型意义。此次对加有纤维支撑剂段塞进行脉冲式注入，系统最大瞬时施工排量达到38 m³/min，使支撑裂缝的压裂导通率提高了1.5~2.5个数量级^[10-11]。

5 结论

(1) HSC40型混砂车将2台HSC20混砂车集成在1台底盘车上，将吸入离心泵、混砂罐和排出离心泵整合为1台闭式混砂泵；通过创新设计的液压控制系统，实现液体添加动力系统的互为备用；在混砂系统上集成1套平行四连杆翻转机构，弥补了闭式混砂泵自吸能力不足的缺陷，同时又可保证井场转移过程中车辆的行驶安全。

(2) 现场应用结果表明：HSC40型混砂车最大瞬时施工排量达到38 m³/min，使支撑裂缝的压裂导通率提高了1.5~2.5个数量级。因此，HSC40型混砂车适用于大规模的压裂作业，在以页岩气开发为代表的大排量非常规压裂施工中具有无可替代的优势。