壓裂基液配制工藝中射流泵結構尺寸優化研究

范富海，趙國寬，黃朝陽，高 進，陳國標 (河南油田分公司井下作業處，河南 桐柏 474780)

壓裂基液配制工藝中射流泵結構尺寸優化研究

范富海，趙國寬，黃朝陽，高 進，陳國標 (河南油田分公司井下作業處，河南 桐柏 474780)

通過對影響射流泵吸氣時間的12個因素的分析，結合現場施工實際情況，確定了配套離心泵射流泵的最佳幾何形狀和結構尺寸：喉管長度80mm，喉管直徑50mm，噴嘴長度700mm，噴嘴錐度8°，噴嘴最小直徑30mm，擴散管長度200mm，擴散管錐度30度，擴散管最小直徑50mm，吸入口長度100mm，吸入口位置為喉管的最左端，吸入口的直徑為25mm，部件用車床加工，螺紋連接。投入應用后，使工作效率提高了將近3倍。

射流泵；結構尺寸；優化

射流泵是一種利用高速射流作為工作動力來傳遞能量和質量的流體機械和混合反應設備，其本身沒有運動部件，具有結構簡單、工作可靠、便于綜合利用等優點，廣泛用于石油工業中。壓裂基液的增稠劑胍膠及其改性產品如羥丙基胍膠、羧甲基胍膠或者聚合物粉劑在溶劑水中的分散就是需要射流泵來完成的。射流泵由噴射管、喉管、擴散管、吸入管4部分組成，其工作原理為將工作流體通過噴嘴高速噴出，同時靜壓能部分轉化為動能，管內形成真空，低壓流體被吸入泵內。兩股流體在喉管內進行混合和能量交換，工作流體速度減小，被吸入流體速度增大，壓力逐漸增加，在喉管出口處速度趨于一致。混合流體通過擴散管時，隨著流道的增大，速度逐漸降低，動能轉化為壓力能，混合流體壓力隨之升高。射流泵部件尺寸對吸氣速度有很大的影響。

射流泵的合適與否直接影響到壓裂基液配制的速度、質量、材料的用量。射流泵的吸氣量過小，導致吸入增稠劑粉劑過慢，使壓裂基液配制時間增長。射流泵與離心泵不配套，就會使增稠劑粉劑在水中分散不好，形成“魚眼”，影響壓裂基液粘度的提高，加大增稠劑的用量。在現場壓裂基液配制過程中，采用天津耐酸泵總廠提供的型號IH125-100-200A，葉輪直徑203mm，流量240m3/h，揚程20.4m，效率75%的離心泵，配套柴油機YB200LZ-2，功率50kW，要求壓裂基液配制時間短，粘度達到標準，節約增稠劑的用量[1]，必須使射流泵達到最大吸氣速度，要對射流泵部件進行優化。下面，筆者對射流泵幾何形狀和結構尺寸對其性能的影響進行了系列研究。

1 試驗部分

圖1 射流泵吸氣速度試驗流程

1.1試驗儀器、設備

秒表(上海飛彩)、塑料容器(200L)、射流泵吸氣速度試驗流程一套(見圖1)、清水。

1.2射流泵的吸氣時間測定方法

按圖1把射流泵吸氣速度試驗流程連接好。啟動離心泵，使流程處于循環狀態，檢查流程的氣密性。完好后把塑料軟管插入盛有200L水的塑料容器內，同時用秒表開始計時。待水吸完后，讀取秒表的讀數。射流泵的吸氣時間越小，說明吸氣速度越大，配制壓裂基液效率越高。

2 討論與結果

為確定適合與離心泵配套的射流泵的最佳幾何形狀和結構尺寸，從喉管長度、直徑、噴嘴長度、錐度、最小直徑、擴散管長度、錐度、最小直徑、吸入口長度、直徑、位置等因素對射流泵吸氣時間的影響開展研究討論。

2.1喉管長度、直徑對射流泵吸氣時間的影響

1)喉管長度對射流泵吸氣時間的影響 喉管為清水與壓裂基液的混合腔，其結構尺寸會影響吸氣時間。為研究喉管長度、直徑對射流泵吸氣時間的影響，固定其他條件，分別做了6次現場試驗，數據見表1和表2。由表1可以看出，隨著喉管長度的增加，射流泵的吸氣時間先減小后增加。喉管長度的增加，使得混合腔體積增大，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間縮小；隨著喉管長度超過8cm以后，混合腔內流速過高會形成較大的流動損失[2]，減小了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增大。

2)喉管直徑對射流泵吸氣時間的影響 由表2可以看出，隨著喉管直徑的增加，射流泵的吸氣時間先減小后增加。喉管直徑的增加，使得混合腔體積增大，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間縮小；隨著喉管直徑超過50mm以后，混合腔主要表現為排出阻力增大，降低了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增大。

2.2噴嘴長度、錐度、最小直徑對射流泵吸氣時間的影響

1)噴嘴長度對射流泵吸氣時間的影響 由表3可以看出，隨著噴嘴長度的增加，射流泵的吸氣時間先減小后增加。噴嘴長度的增加，使得噴射液態流阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間縮小；隨著噴嘴長度超過70cm以后，噴射液態流阻力增大，減慢了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增大。

表1 喉管長度對射流泵吸氣時間的影響

表2 喉管直徑對射流泵吸氣時間的影響

表3 噴嘴長度對射流泵吸氣時間的影響

2)噴嘴錐度對射流泵吸氣時間的影響 由表4可以看出，隨著噴嘴錐度的增加，射流泵的吸氣時間先減小后增加。噴嘴錐度的增加，使得噴射液態流阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間縮小；隨著噴嘴長度超過8°以后，噴射液態流阻力增大，減弱了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增大。

3)噴嘴最小直徑對射流泵吸氣時間的影響 由表5可以看出，隨著噴嘴最小直徑的增加，射流泵的吸氣時間先減小后增加。噴嘴最小直徑的增加，使得噴射液態流阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間縮小；隨著噴嘴最小直徑超過30mm以后，噴射液態流能量降低，減緩了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增大。

2.3擴散管長度、錐度、最小直徑對射流泵吸氣時間的影響

1)擴散管長度對射流泵吸氣時間的影響 由表6可以看出，隨著擴散管長度的增加，射流泵的吸氣時間先減小后增加。擴散管長度的增加，使得混合液態流摩擦阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間縮小；隨著擴散管長度超過20cm以后，混合液態流能量降低，減緩了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增大。

2)擴散管錐度對射流泵吸氣時間的影響 由表7可以看出，隨著擴散管錐度的增加，射流泵的吸氣時間先減小后增加。擴散管錐度的增加，使得混合液態流阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間縮小；隨著擴散管錐度超過30°以后，噴射液態流能量降低，放慢了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增大。

表4 噴嘴錐度對射流泵吸氣時間的影響

表5 噴嘴最小直徑對射流泵吸氣時間的影響

表6 擴散管長度對射流泵吸氣時間的影響

3)擴散管最小直徑對射流泵吸氣時間的影響 由表8可以看出，隨著擴散管最小直徑的增加，射流泵的吸氣時間先減小后增加。擴散管最小直徑的增加，使得混合液態流阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間縮小；隨著擴散管錐度超過30°以后，噴射液態流能量降低，減弱了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增大。

2.4吸入口長度、直徑、位置對射流泵吸氣時間的影響

1)吸入口長度對射流泵吸氣時間的影響 由表9可以看出，隨著吸入口長度的增加，射流泵的吸氣時間增加。吸入口長度的增加，使得固態流阻力增大，減弱了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增大。

表7 擴散管錐度對射流泵吸氣時間的影響

表8 擴散管最小直徑對射流泵吸氣時間的影響

表9 吸入口長度對射流泵吸氣時間的影響

2)吸入口直徑對射流泵吸氣時間的影響 由表10可以看出，隨著吸入口直徑的增加，射流泵的吸氣時間先減小后增加。吸入口直徑的增加，使得固態流阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間縮小；擴散管錐度超過25mm后，固態流能量降低，減弱了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增大。

3)吸入口位置對射流泵吸氣時間的影響 由表11可以看出，隨著吸入口位置的右移，射流泵的吸氣時間增加。吸入口位置的右移，使得固態流獲得能量減小，減弱了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增多。

表10 吸入口直徑對射流泵吸氣時間的影響

表11 吸入口位置對射流泵吸氣時間的影響

注：以喉管的最左端為測量基準點。

2.5管壁加工工藝對射流泵吸氣時間的影響

表12 管壁加工工藝對射流泵吸氣時間的影響

由表12可以看出，管壁粗糙，射流泵的吸氣時間增加。管壁粗糙，使得工作流體、混合流體、固態流摩擦阻力增加，能量降低，減弱了射流泵的吸氣速度，使吸氣時間增多。

3 射流泵的現場應用

圖2 射流泵結構示意圖

通過12個因素的分析，確定了優化的射流泵的幾何形狀和結構尺寸(見圖2)，喉管長度80mm，喉管直徑50mm，噴嘴長度700mm，噴嘴錐度8°，噴嘴最小直徑30mm，擴散管長度200mm，擴散管錐度30°，擴散管最小直徑50mm，吸入口長度100mm，吸入口位置為喉管的最左端，吸入口的直徑為25mm，部件用車床加工，螺紋連接，這樣的射流泵可以達到在60s以下抽完200L清水。優化結構尺寸加工制作后應用于現場施工，與離心泵配套配制壓裂基液，胍膠粉劑吸入速度為49s/袋(每袋25kg)，遠超過了以前的120s/袋，壓裂基液無“魚眼”出現，大大提高了工作效率。

[1]龍新平，朱勁木.射流泵內部流動的數值模擬[J].武漢大學學報,2002,35(6):1-6.

[2]龍新平，朱勁木，梁愛國，等.射流泵喉管最優長度的數值計算[J].水利學報,2003(10):14-18.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.034

TE933.3

A

1673-1409(2012)08-N103-04

2012-05-12

范富海(1970-)，男,1990年重慶石油學校畢業，工程師，現主要從事壓裂設備技術管理和壓裂酸化工程技術管理方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛