大儲量低功耗輸砂裝置的研制與應用

廖波蘭，邱 峰，舒 峰，徐占東，楊 春，潘社衛，王振華，盧亞平

（1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.大慶鉆探工程公司井下作業工程公司，吉林松原 138000）

油氣工程

大儲量低功耗輸砂裝置的研制與應用

廖波蘭1，邱 峰2，舒 峰1，徐占東2，楊 春2，潘社衛1，王振華2，盧亞平1

（1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.大慶鉆探工程公司井下作業工程公司，吉林松原 138000）

介紹了一種大儲量低功耗移動式連續輸砂裝置，具有撬裝式結構便于運輸，大容量儲砂，低功耗低磨損輸砂的優點，解決了目前現有輸砂裝置無法滿足大規模壓裂大量快速精確輸砂的問題。本裝置已成功在東北某油田中工程化應用，現場運用效果良好。

輸砂；撬裝式；儲砂罐

水力壓裂是國內外石油天然氣開采的常用增產措施。輸砂通常是指石英砂的添加、計量，以及與壓裂液的混合等作業過程，是石油壓裂施工的重要環節[1-5]。傳統的石英砂添加（簡稱加砂）一般采用砂罐車與混砂車協作完成。砂罐車抵達壓裂現場后，砂罐在底盤舉升油缸的作用下形成傾斜狀態，操作人員手動打開卸砂閥門，罐內石英砂在自重作用下流入混砂車接料斗內，通過混砂車螺旋提升機將石英砂輸送至攪拌罐內與壓裂液混合，然后泵送到壓裂泵進口端。采用這種傳統的方式，輸加砂量調節完全由工人手動控制完成，無法進行精確調節控制，而施工中加砂量數值是通過螺旋提升機的轉速換算獲得，換算值與實際值之間存在較大誤差。隨著壓裂規模的大型化，國內單井單層的加砂量已經達到100 m3，由于傳統加砂方式存在不連續性和不準確性的問題，容易引發“砂堵”事故，導致壓裂作業失敗。

1 輸砂裝置總體方案設計

為了解決國內現有輸砂設備不能夠滿足大規模工廠化壓裂“萬方液千方砂”的輸砂加砂要求，本文研制了大儲量低功耗移動式連續輸砂裝置（工藝流程見圖1），采用撬裝式結構，能夠靈活轉場，采用多級套罐形式保證了安全運輸同時又實現了有限空間大容量儲砂，采用變頻皮帶精確計量輸砂量，能夠低功耗、低磨損地快速向砂罐補充原料和輸出石英砂，解決了目前現有輸砂裝置無法滿足大規模壓裂大量快速精確輸砂的問題。設備總體布置圖（見圖2）。

圖1 連續輸砂裝置工藝流程圖

圖2 輸砂裝置總體布置圖

2 核心設備研制

2.1 低功耗石英砂輸送裝置的研制

石英砂陶粒是一種油田壓裂常用的支撐劑，能夠提升壓裂造縫效果，增加石油產量。對于石英砂陶粒類固體物料輸送通常可以采用斗式提升機、刮板機、氣力輸送、皮帶機、螺旋上料機等形式的物料輸送提升方法。

石英砂支撐劑輸送可采用皮帶機輸送和螺旋輸送兩種方式。由于與皮帶機相比，采用螺旋機構輸送石英砂陶粒存在設備易磨損、能耗大、輸送能力小，計量精度差等缺點，因此本論文中采用皮帶輸送機。本論文設計的連續輸砂裝置最大輸砂量可達到3 m3/min，選擇波狀檔邊皮帶輸送機型號為TC180，皮帶寬度為500 mm，表面線速度設為2 m/s，電動滾筒功率4 kW，皮帶電動滾筒直徑320 mm，皮帶最大輸送傾角45°。具體輸送裝置運輸與工作狀態（見圖3）。

圖3 輸送裝置運輸與工作狀態圖

2.2 大容量儲砂罐的設計

為了滿足壓裂施工平穩有序，一般要求在現場儲存足夠多的石英砂支撐劑，少則幾立方米多則幾十立方米。現有的砂罐形態固定，其體積與其占地面積有關，往往容積越大，則占地面積越大。而實際井場的面積是有限的，隨著大型壓裂施工對砂量需求的增加，現場需要布置更大容量的砂罐，這與節約井場占地面積存在矛盾，同時超大儲砂罐無法滿足轉場時的安全運輸要求。

本論文設計了一種可伸縮的多級套罐，多級套罐包含固定罐部分和活動罐部分，活動罐是能夠伸出和縮入到固定罐砂料斗的加長套罐壁；加長壁貼近固定罐內側壁，且加長壁為周向封閉、兩端開口的環形結構。活動罐可以通過液壓的升降機構與砂料斗相連。砂罐在使用時，可根據需要利用液壓升降機構使加長壁伸出砂料斗，以增大整個砂料斗的體積，提高其儲砂量。本設計中的砂罐采用了加長壁使其在不增加占地面積的基礎上增大了儲砂量。最大儲砂量可達30 m3，具體設計圖（見圖4）。

圖4 大容量儲砂罐圖

2.3 輸砂計量與調節控制系統的研究

在壓裂施工作業中，石英砂支撐劑通過連續輸砂裝置將其輸送到混砂車與壓裂液混合。如何精確實現輸砂量的精確計量調節十分重要。在本設計中輸砂波狀檔邊皮帶輸送機采用變頻電機驅動，液壓閥精密控制下料口開啟量保證下砂量的平穩可控，下砂量實行實時監測，由可編程控制器自動控制皮帶輸送速度以調節輸砂量，從而滿足壓裂施工要求。連續輸砂控制系統是采用當今工業常用的模糊控制技術，在生產過程中，只需要操作人員在觸摸屏手動輸入輸砂量、輸砂速度等設備工作參數，輸砂計量與調節控制PLC通過模糊控制算法計算出皮帶電機運行頻率數值，通過I/O模塊向運行設備發出工作信號，同時接收已輸送量反饋信號，實時控制和調節輸砂量，完成整個運轉工作。

3 工業化現場運用情況

本大儲量低功耗輸砂裝置研制成功后在東北某油田得到了產業化應用。2017年10月在東北某油田大規模工廠化壓裂過程中成功投產運行，試運行效果良好，解決了大規模壓裂過程中，需要大量砂罐車以及輸砂設備連續接力供砂的現狀，成功采用單臺套設備，保障整個壓裂過程中砂量的平穩供應，滿足了大規模工廠化壓裂需求。截止目前該設備已成功保障多井次大規模壓裂，連續輸送砂量上千立方米。

4 結束語

當前大規模壓裂作業對大儲量低功耗輸砂裝置的需求量很大，通過現場工業運用情況來看，大儲量低功耗輸砂裝置是提高解決傳統輸砂方式不足的有效手段。隨著本項目研究成果的普遍應用，必將提高壓裂作業的增產效果，顯著降低壓裂地面配套裝備的機械磨損和能源消耗，對提高我國壓裂配套裝備的整體技術水平產生積極的推動作用，必將產生良好的社會和經濟效益。

［1］臺廣鋒，潘社衛，舒峰，等.工廠化壓裂連續輸砂裝置智能控制系統研究［J］.礦冶，2015，24（5）：67-71.

［2］潘社衛，趙敏，劉慶，等.寒冷地區移動式石油壓裂液技術研究［J］.礦冶，2014，23（1）：64-67.

［3］廖波蘭，盧亞平.纖維壓裂液性能的基礎性研究［J］.礦冶，2014，23（1）：37-42.

［4］姜瑞忠，蔣廷學，汪永利.水力壓裂技術的近期發展及展望［J］.石油鉆采工藝，2004，26（4）：52-56.

［5］潘社衛，盧亞平.石油壓裂液高效配制技術的研究與應用［J］.礦冶，2012，21（3）：68-72.

Development and application of large reserves and low power dissipation device

LIAO Bolan1，QIU Feng2，SHU Feng1，XU Zhandong2，YANG Chun2，PAN Shewei1，WANG Zhenhua2，LU Yaping1
（1.Beijing Mining and Metallurgy Research Institute，Beijing 100160，China；2.Downhole Service Engineering Company of Daqing Drilling Engineering Company，Songyuan Jilin 138000，China）

This paper introduces a large reserves of low power mobile continuous sand conveying device,a skid mounted structure and convenient transportation,large capacity sand storage,low power consumption and low wear advantages of sand,solves the existing sand device can not meet the large number of large-scale fracturing sand problems quickly and accurately.This device has been successfully applied in a certain oilfield in Northeast China,and its field application is good.

sand transportation；crowding type；sand storage tank

TE938

A

1673-5285（2017）12-0005-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.12.002

2017－11-23

北京礦冶研究總院科研基金“大儲量低功耗輸砂車核心技術的研究”，項目編號：2016-YJ7。

廖波蘭，工學碩士，工程師，從事石油壓裂液配制設備的研究和設計工作，郵箱：liaobolan@bgrimm.com。