0 引言

自20世纪90年代以来，页岩气的开采在美国和加拿大等北美国家取得巨大成功，现已成为美国主力气源之一^{[1, 2, 3]}。目前国内页岩气开发尚处于起步阶段，利用压裂机组实施大型水力压裂是其开发的唯一手段。大型水力压裂时所需液量与支撑剂的规模呈指数增长，用砂量达到“千方级”规模。常规压裂时支撑剂需求量在几十立方米左右，通常采用多台运砂车来回倒运并直接加入砂斗进行施工，在页岩气大排量高砂比时，砂量需求大，且要求快速添加，采用常规压裂时的加砂方式无法满足3~8 m³/min的加砂需求^{[4, 5, 6, 7]}。

北美地区均采用连续输砂装置进行大规模供砂，该装置能够实现不同种类支撑剂的快速供给，具有效率高和输砂量大等特点。国内专门针对页岩气大型压裂的加砂装备文献少有报道，因此笔者针对页岩气井工厂加砂需求，提出了以连续输砂装置为核心的连续输砂方案，研制出连续输砂关键设备，从整体结构、部件设计和试验测试等方面进行研究，实现了页岩气压裂工程中大量、多种类支撑剂的快速添加^{[8, 9, 10, 11]}。

连续输砂方案总体布置如图 1所示，主要包括储砂罐以及连续输砂装置2大部分。储砂罐下部安装螺旋输砂绞龙，内部为相互独立隔舱，通过吊车起吊砂袋方式将砂加入储砂罐，可提供2种或3种支撑剂的储存空间；作业时，储砂罐内不同种类的支撑剂在自身重力的作用下自流进入下部的输砂绞龙，绞龙在电机的驱动下将支撑剂旋转输送至连续输砂装置中，随后通过连续输砂装置上的传送带输送至混砂车的砂斗，完成连续加砂。

图 1 连续输砂方案总体布置图 Fig.1 Overall layout of the continuous sand transport scheme

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连续输砂装置采用橇装式大倾角波状挡边带式输送机结构，由电动滚筒、挡边胶带、控制箱、支架、连接机架和出砂口等部分组成，具有输送能力强，调节控制性能好，结构紧凑，占地面积小和安装拆卸方便等特点，其结构如图 2所示。

图 2 连续输砂装置结构示意图 Fig.2 Structure of the continuous sand transport unit 1—电控箱；2—改向滚筒；3—导料槽；4—缓冲托辊；5—复式下托辊；6—固定支架；7—压带轮；8—改向滚筒；9—铰轴；10—上支撑杆；11—转动支架；12—挡边胶带；13—电动滚筒；14—头部护罩；15—头部漏斗；16—下支撑杆；17—卸料溜管；18—电动三通。

图选项

输砂装置通过电控箱启动电动滚筒，带动挡边胶带运转，根据输砂量的需求调节转速大小，挡边胶带被改向滚筒、压带轮压缩形成张力，在右端的改向滚筒上安装螺旋张紧装置，使改向滚筒能左、右移动至合适位置，便于提高输砂效率。支撑剂由储砂罐进入导料槽后随挡边胶带运动，沿上托辊进入护罩所罩的头部漏斗，随后通过三通换向阀控制头部漏斗中的蝶阀开启/关闭，出料导管分流后进入混砂车的不同砂斗。

最大输送能力8 m³/min，输送倾角45°，输送带带宽1.2 m，出口漏斗分砂口2个，出口漏斗离地间隙≥1 m，整机质量13 t，整体外形尺寸10.0 m×2.2 m×3.0 m。

采用大倾角波状带式输送结构输砂时，输砂量大、设备体积和质量受限，合理的动力配置、传动机构、控制方式以及旋转式橇座成为设备研制的关键。

连续输砂装置采用电动滚筒作为动力，输砂动力配置直接决定输砂量的大小。为适应橇装结构，电动滚筒采用内置变频电机和减速器等结构方式满足小体积安装要求，可以实现10~50 Hz频率范围内的无级调速，不同频率下的转速适应不同砂量；电机采用油冷油浸方式，带逆止器，防止输砂时带载停机发生倒转或顺滑现象。

电动滚筒安装在转动支架上，输砂时挡边胶带与电动滚筒之间产生摩擦力，推动挡边胶带向前输砂。决定电动滚筒功率的因素有输砂速度、滚筒圆周阻力和砂量提升高度等，电动滚筒应配置额定功率大于30 kW的内置电机，以满足电动滚筒表面最大线速度2 m/s时，输砂量8 m³/min的加砂要求。

传动机构用于石英砂的输送并分流至混砂车的左、右砂斗，主要由挡边胶带、导料槽、改向滚筒、压带轮和托辊等组成。其结构特点有：①挡边胶带的基带设计为普通的平带，带宽1 200 mm，在基带的两侧加上波状挡边，设计后的带体比普通带具有更大的横向刚度，当输送带绕过滚筒或过渡段时，挡边上部可以自由伸展或压缩，以适应几何形状的要求；②改向滚筒轴承座安装在具有螺旋张紧装置的支撑座上，能够水平移动250 mm，以适应不同输砂工况，满载启动及运行时，调整挡边胶带张紧力，使其与传动滚筒间不打滑、不跑偏，使输送设备正常运转。

页岩气压裂连续输砂设备的控制系统具备本地控制与远程控制功能，本地控制在电控箱仪表板上进行，配置了远程线控开关，实现远程/本地转换；远程控制系统采用基于CAN总线模式，可实现远程操作和控制，并入压裂环网实现群控。整机的所有控制操作均可在电控箱内面板上完成，具有整机启动、停机、三通阀左、右出口控制及变频器调速控制等功能，系统参数状态具有可视化功能。

旋转式橇座有工作状态和运输状态2种形式，主要用于支撑动力装置、传动结构和控制系统等。旋转式橇座主要由固定支架、转动支架、铰轴和上、下支撑杆等组成。工作时，利用吊机起吊转动支架，使转动支架绕铰轴运转至一定高度后，上支撑杆和下支撑杆同时对转动支架进行支撑，形成橇座高度4 550 mm的工作状态；运输时，卸下上、下支撑杆销轴，转动支架旋转下降，使橇座高度下降至3 000 mm时锁定，形成运输状态。

为了验证连续输砂设备的工作性能，利用100 m³的储砂罐存储定量40~70目石英砂，将电动滚筒电机的运行频率分成10、15、……、50 Hz共9个挡位进行输砂能力测试，结果如图 3所示。

图 3 实测输砂量与理论输砂量 Fig.3 Measured and theoretical amounts of sand transport

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测试过程中输砂装置运行平稳，电动滚筒和三通换向阀动作灵敏，各逻辑功能准确无误。设备的最大输砂量实测值8.1 m³/min，最小输砂量1.5 m³/min。理论输砂量与实际输砂量误差控制在8%以内，能够满足不同砂量的添加要求。

(1)连续输砂装置采用带式橇装输砂结构，具有结构紧凑、输砂量大和安装拆卸方便的特点。

(2)通过输砂结构设计及试验研究，形成的输砂模块为系列化连续输砂装置优化提供了参考。

(3)连续输砂系统具有自动控制和砂量连续可调等功能，能够实现8 m³/min的连续加砂，简化了现场加砂程序，满足当前页岩气大型压裂施工中多种类、大砂量的加砂需要，且提高了加砂效率。