壓裂基液配制工藝中射流泵結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化研究

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

壓裂基液配制工藝中射流泵結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化研究

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

通過對(duì)影響射流泵吸氣時(shí)間的12個(gè)因素的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，確定了配套離心泵射流泵的最佳幾何形狀和結(jié)構(gòu)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(kuò)散管長度200mm，擴(kuò)散管錐度30度，擴(kuò)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(yīng)用后，使工作效率提高了將近3倍。

射流泵；結(jié)構(gòu)尺寸；優(yōu)化

射流泵是一種利用高速射流作為工作動(dòng)力來傳遞能量和質(zhì)量的流體機(jī)械和混合反應(yīng)設(shè)備，其本身沒有運(yùn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、便于綜合利用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于石油工業(yè)中。壓裂基液的增稠劑胍膠及其改性產(chǎn)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(kuò)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(shí)靜壓能部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，管內(nèi)形成真空，低壓流體被吸入泵內(nèi)。兩股流體在喉管內(nèi)進(jìn)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(kuò)散管時(shí)，隨著流道的增大，速度逐漸降低，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，混合流體壓力隨之升高。射流泵部件尺寸對(duì)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(zhì)量、材料的用量。射流泵的吸氣量過小，導(dǎo)致吸入增稠劑粉劑過慢，使壓裂基液配制時(shí)間增長。射流泵與離心泵不配套，就會(huì)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(xiàn)場(chǎng)壓裂基液配制過程中，采用天津耐酸泵總廠提供的型號(hào)IH125-100-200A，葉輪直徑203mm，流量240m3/h，揚(yáng)程20.4m，效率75%的離心泵，配套柴油機(jī)YB200LZ-2，功率50kW，要求壓裂基液配制時(shí)間短，粘度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約增稠劑的用量[1]，必須使射流泵達(dá)到最大吸氣速度，要對(duì)射流泵部件進(jìn)行優(yōu)化。下面，筆者對(duì)射流泵幾何形狀和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其性能的影響進(jìn)行了系列研究。

1 試驗(yàn)部分

圖1 射流泵吸氣速度試驗(yàn)流程

1.1試驗(yàn)儀器、設(shè)備

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

1.2射流泵的吸氣時(shí)間測(cè)定方法

按圖1把射流泵吸氣速度試驗(yàn)流程連接好。啟動(dòng)離心泵，使流程處于循環(huán)狀態(tài)，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(nèi)，同時(shí)用秒表開始計(jì)時(shí)。待水吸完后，讀取秒表的讀數(shù)。射流泵的吸氣時(shí)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(jié)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(jié)構(gòu)尺寸，從喉管長度、直徑、噴嘴長度、錐度、最小直徑、擴(kuò)散管長度、錐度、最小直徑、吸入口長度、直徑、位置等因素對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響開展研究討論。

2.1喉管長度、直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

1)喉管長度對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響 喉管為清水與壓裂基液的混合腔，其結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)影響吸氣時(shí)間。為研究喉管長度、直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響，固定其他條件，分別做了6次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)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(shí)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(shí)間縮小；隨著喉管長度超過8cm以后，混合腔內(nèi)流速過高會(huì)形成較大的流動(dòng)損失[2]，減小了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間增大。

2)喉管直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)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(shí)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(shí)間縮小；隨著喉管直徑超過50mm以后，混合腔主要表現(xiàn)為排出阻力增大，降低了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間增大。

2.2噴嘴長度、錐度、最小直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

1)噴嘴長度對(duì)射流泵吸氣時(shí)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(shí)間先減小后增加。噴嘴長度的增加，使得噴射液態(tài)流阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間縮小；隨著噴嘴長度超過70cm以后，噴射液態(tài)流阻力增大，減慢了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間增大。

表1 喉管長度對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

表2 喉管直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

表3 噴嘴長度對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

2)噴嘴錐度對(duì)射流泵吸氣時(shí)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(shí)間先減小后增加。噴嘴錐度的增加，使得噴射液態(tài)流阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間縮小；隨著噴嘴長度超過8°以后，噴射液態(tài)流阻力增大，減弱了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間增大。

3)噴嘴最小直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)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(shí)間先減小后增加。噴嘴最小直徑的增加，使得噴射液態(tài)流阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間縮小；隨著噴嘴最小直徑超過30mm以后，噴射液態(tài)流能量降低，減緩了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間增大。

2.3擴(kuò)散管長度、錐度、最小直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

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

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

表4 噴嘴錐度對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

表5 噴嘴最小直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

表6 擴(kuò)散管長度對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

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

2.4吸入口長度、直徑、位置對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

1)吸入口長度對(duì)射流泵吸氣時(shí)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(shí)間增加。吸入口長度的增加，使得固態(tài)流阻力增大，減弱了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間增大。

表7 擴(kuò)散管錐度對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

表8 擴(kuò)散管最小直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

表9 吸入口長度對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

2)吸入口直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)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(shí)間先減小后增加。吸入口直徑的增加，使得固態(tài)流阻力減小，加大了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間縮小；擴(kuò)散管錐度超過25mm后，固態(tài)流能量降低，減弱了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間增大。

3)吸入口位置對(duì)射流泵吸氣時(shí)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(shí)間增加。吸入口位置的右移，使得固態(tài)流獲得能量減小，減弱了射流泵的吸氣速度，使吸氣時(shí)間增多。

表10 吸入口直徑對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

表11 吸入口位置對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

注：以喉管的最左端為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.5管壁加工工藝對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

表12 管壁加工工藝對(duì)射流泵吸氣時(shí)間的影響

由表12可以看出，管壁粗糙，射流泵的吸氣時(shí)間增加。管壁粗糙，使得工作流體、混合流體、固態(tài)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(shí)間增多。

3 射流泵的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖2 射流泵結(jié)構(gòu)示意圖

通過12個(gè)因素的分析，確定了優(yōu)化的射流泵的幾何形狀和結(jié)構(gòu)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(kuò)散管長度200mm，擴(kuò)散管錐度30°，擴(kuò)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(dá)到在60s以下抽完200L清水。優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸加工制作后應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)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(yuǎn)超過了以前的120s/袋，壓裂基液無“魚眼”出現(xiàn)，大大提高了工作效率。

[1]龍新平，朱勁木.射流泵內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2002,35(6):1-6.

[2]龍新平，朱勁木，梁愛國，等.射流泵喉管最優(yōu)長度的數(shù)值計(jì)算[J].水利學(xué)報(bào),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(xué)校畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事壓裂設(shè)備技術(shù)管理和壓裂酸化工程技術(shù)管理方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛