SZB1000型鉆塞泵注系統(tǒng)的研究與試驗(yàn)

趙 丹

（中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司，湖北荊州 434020）

0 引言

近年來，隨著頁巖氣[1-3]、致密油[4-5]等非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)受到了廣泛關(guān)注，“水平井+體積壓裂”作為頁巖氣、致密油等非常規(guī)油氣開發(fā)的主要手段已經(jīng)得到了國內(nèi)外廣泛認(rèn)可。目前，水平井分段體積壓裂主要是采用水力泵送橋塞分段多簇壓裂技術(shù)。鉆銑橋塞是解決水平井分段壓裂后續(xù)問題的關(guān)鍵技術(shù)，目前國內(nèi)外油氣開采公司普遍采用連續(xù)管磨鉆工藝技術(shù)進(jìn)行鉆銑橋塞。因此，與連續(xù)油管作業(yè)機(jī)配套的鉆塞泵注設(shè)備成為該工藝流程中重要的組成部分。

Hydra Rig、BJ 等大型裝備制造公司在連續(xù)油管成套裝備上配有專門的鉆塞泵注設(shè)備，能夠配合連續(xù)油管作業(yè)車完成鉆塞[6-7]、沖洗打撈等作業(yè)任務(wù)，其工程適應(yīng)性已得到市場廣泛認(rèn)可。國內(nèi)在涪陵地區(qū)頁巖氣開發(fā)過程中由于缺乏專業(yè)的鉆塞泵注設(shè)備，故長期使用2臺(tái)大功率壓裂車配合1套配液設(shè)備使用，人員和設(shè)備成本浪費(fèi)嚴(yán)重；同時(shí)，隨著環(huán)境污染問題日漸突出，綠色環(huán)保的電驅(qū)動(dòng)力技術(shù)成為新的發(fā)展趨勢，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變速箱的驅(qū)動(dòng)模式已漸漸無法滿足日趨嚴(yán)苛的環(huán)保要求。目前，國內(nèi)油田網(wǎng)電[8-10]建設(shè)逐步完善，網(wǎng)電石油裝備正逐步得到應(yīng)用，配備電驅(qū)動(dòng)力的鉆塞泵注設(shè)備已成為新的發(fā)展方向。

基于以上背景，本文提出一種新型研制的SZB1000 型鉆塞泵注設(shè)備，在試驗(yàn)和作業(yè)中經(jīng)過測試，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，性價(jià)比高，提高了工作效率，降低了作業(yè)成本，具有良好的現(xiàn)場適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

SZB1000 型鉆塞泵注設(shè)備主要由鉆塞泵撬和VFD 房兩大部分組成，鉆塞泵撬主要用于鉆塞液泵注、固液添加劑添加和工藝液混配。VFD房主要用于將井場10 kV網(wǎng)電轉(zhuǎn)換為鉆塞泵撬所需電力，并實(shí)現(xiàn)對鉆塞泵注撬上變頻電機(jī)的調(diào)速功能。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

鉆塞泵撬主要包括撬架、混合系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、泵注系統(tǒng)、液添系統(tǒng)、干添混合系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。VFD房主要包括高進(jìn)線房、變壓器房和低壓操作房3個(gè)部分構(gòu)成。按照操作需求和結(jié)構(gòu)組成可分為4 個(gè)作業(yè)區(qū)域；控制、添加劑添加作業(yè)區(qū)由控制系統(tǒng)和干添混合系統(tǒng)構(gòu)成；動(dòng)力傳動(dòng)作業(yè)區(qū)由動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成；混合作業(yè)區(qū)由混合系統(tǒng)和液添系統(tǒng)構(gòu)成；高壓作業(yè)區(qū)由泵注系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)用戶需要，鉆塞泵撬有2種作業(yè)方式：（1）動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)泵注系統(tǒng)將外部工藝液泵送至所需設(shè)備或區(qū)域；（2）外加劑通過添加系統(tǒng)進(jìn)入混合系統(tǒng)，與外部工藝液在混合系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行充分混合，形成具備某種功能特性的全新工藝液，再通過泵注系統(tǒng)泵送至所需設(shè)備或區(qū)域。

圖1 鉆塞泵撬及VFD房主要組成

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 泵注系統(tǒng)流量分析

在實(shí)際作業(yè)中，泵注系統(tǒng)作為輸送工藝液的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，因此需要對泵的排量設(shè)計(jì)進(jìn)行理論計(jì)算。由于柱塞泵的活塞運(yùn)動(dòng)速度是變化的，每個(gè)液缸和泵的流量也是變量，因此對每個(gè)單缸引入瞬時(shí)流量Qc，對于吸入過程，則有：

對于排出過程，則有：

式中：F為柱塞截面積；r為曲柄長度；ω 為曲軸轉(zhuǎn)速；λ 為曲柄連桿比；φ為曲軸轉(zhuǎn)角。

實(shí)際上，柱塞泵都是由幾個(gè)液缸組成，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)1 周范圍內(nèi)，幾個(gè)液缸按一定規(guī)律交替進(jìn)行吸入和排出。因此，整臺(tái)泵的瞬時(shí)流量是同一時(shí)刻各液缸瞬時(shí)流量疊加而成。

設(shè)曲柄與水平軸線的夾角為φm；柱塞泵缸數(shù)為i；曲柄序號(hào)為m；以1號(hào)曲柄與水平軸線的夾角φ1＝φ為變參數(shù)，則曲邊轉(zhuǎn)角可以表示為：

各液缸瞬時(shí)流量可表示為：

對于整臺(tái)柱塞泵，其瞬時(shí)流量為各液缸相同時(shí)刻(QcB＝相同） 瞬時(shí)流量的疊加值，即：

本文SZB1000 型鉆塞泵注設(shè)備所采用的是QPA1000 五缸柱塞泵，其曲軸上各相鄰曲柄之間間隔4π/5（即144°）。因此，在考慮到閥滯后角時(shí)（且設(shè)排出閥滯后角和吸入閥滯后角相等，皆為φ0），五缸泵第1～5 缸的瞬時(shí)流量（依次記作Φ1(Q1)～Φ5(Q1))為：

根據(jù)式（6）便可以做出五缸泵第1～5 缸的瞬時(shí)流量曲線，如圖2所示。

圖2 五缸泵第1至第5瞬時(shí)流量曲線

本文選用的是五缸單作用柱塞泵，瞬時(shí)流量最大時(shí)，在不考慮λ對流量不均度影響的情況下，計(jì)算得最大瞬時(shí)流量：

QcBmax＝1 177 L/min

本文所采用的是單作用五缸柱塞泵，因此其理論平均流量為：

式中：i 為缸數(shù)；S 為曲軸偏心距，取值152.4 mm；F 為柱塞截面積；V為泵的沖次。

根據(jù)沖次與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系有：

式中：n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，取值范圍0～2 000 r/min；k 為傳動(dòng)比，取4.6。

但實(shí)際上，柱塞泵在工作時(shí)，由于吸入閥和排出閥一般不能及時(shí)關(guān)閉，泵閥、活塞和其他密封處可能有高壓液體漏失等因素，因而柱塞泵的實(shí)際平均流量要低于理論平均流量，設(shè)實(shí)際平均流量為Q，則：

式中：α為流量系數(shù)，一般在0.97～0.99之間。

經(jīng)式（7）～（9）計(jì)算，得五缸柱塞泵的理論平均流量為1 502 L/min。

2.2 柱塞泵強(qiáng)度分析

SZB1000 型鉆塞泵注設(shè)備采用的是QPA1000 型柱塞泵，在泵頭體相貫線處容易因?yàn)閼?yīng)力集中造成疲勞破壞，因此利用有限元建立三維模型，根據(jù)泵頭體整體結(jié)構(gòu)具有對稱性的特點(diǎn)，截取泵頭體第一個(gè)腔的1/2結(jié)構(gòu)為仿真分析模型。網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，整體尺寸10 mm；內(nèi)腔處由于存在應(yīng)力集中所以進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，尺寸細(xì)化為5 mm。泵頭體分析模型如圖3 所示。運(yùn)用 ANSYS 對模型進(jìn)行有限元分析，得到 了 58 MPa 和 66 MPa 兩種工況下的應(yīng)力云圖如圖4、圖5 所示。由圖可知，在工作壓力66 MPa下，應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力也不超過300 MPa，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 泵頭體分析模型

圖4 66 MPa工況下交變應(yīng)力

圖5 58 MPa工況下交變應(yīng)力

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 型式試驗(yàn)

SZB1000 型鉆塞泵注設(shè)備在完成了研制之后，首先進(jìn)行了相關(guān)型式試驗(yàn)工作。試驗(yàn)對整機(jī)VFD 房的高壓變電系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)，鉆塞泵撬的干/液添系統(tǒng)、泵注系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行了功能試驗(yàn)；對鉆塞泵撬柱塞泵、泵注電機(jī)等進(jìn)行了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)試如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，SZB1000型鉆塞泵注主要技術(shù)指標(biāo)和主要功能需求均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)與型式試驗(yàn)結(jié)果對比

3.2 現(xiàn)場測試

2018年6 月，SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備在涪陵頁巖氣開發(fā)示范區(qū)完成了工業(yè)試驗(yàn)，前后共配合連續(xù)油管作業(yè)機(jī)完成3口井共計(jì)45個(gè)橋塞的鉆銑工作，設(shè)備共運(yùn)轉(zhuǎn)207 h，單泵最長運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間10 h。

經(jīng)測試鉆塞作業(yè)工作壓力40～48.8 MPa、工作排量400～450 L/min、設(shè)備負(fù)載率處于37.7%～46.1%區(qū)間。從鉆塞作業(yè)數(shù)據(jù)和后續(xù)作業(yè)情況來看，作業(yè)效果理想，工作性能穩(wěn)定，維護(hù)檢修方便，自動(dòng)控制程度高，可以由1 人完成鉆塞液混配、泵注作業(yè)，能很好的配合連續(xù)油管作業(yè)機(jī)完成橋塞鉆銑作業(yè)。

4 對比分析

4.1 成本對比

在設(shè)備采購成本方面，使用SZB1000 型鉆塞泵注設(shè)備進(jìn)行連續(xù)油管鉆塞作業(yè)之前，現(xiàn)場通常使用2 臺(tái)2000 型或2300型壓裂車進(jìn)行鉆塞作業(yè)，壓裂車負(fù)載率在30%以下，設(shè)備功率浪費(fèi)嚴(yán)重、配置成本過高；以鉆塞泵注設(shè)備單臺(tái)800萬元計(jì)算，設(shè)備采購成本最高降低64%。

在燃料費(fèi)用方面，SZB1000 型鉆塞泵注設(shè)備完成鉆銑橋塞作業(yè)每24 h 平均用電量7 536 kW·h，當(dāng)前電價(jià)1.28 元/（kW·h），每24 h 電費(fèi)9 646 元；使用壓裂車燃料消耗費(fèi)用每24 h費(fèi)用12 240元。以2017年作業(yè)量初步估算，設(shè)備作業(yè)240天左右，鉆塞泵注設(shè)備燃料費(fèi)用0.964 6萬元×240天＝231.5萬元，壓裂車燃料費(fèi)用1.224 萬元×240 天＝293.76 萬元，燃料費(fèi)用降低22%。成本對比分析結(jié)果柱狀圖如圖7所示。

圖7 成本對分析結(jié)果圖

4.2 各項(xiàng)工況參數(shù)對比

基于現(xiàn)場施工需求，壓力、排量、水功率以及設(shè)備成本是考量一個(gè)泵注系統(tǒng)是否合理優(yōu)秀的關(guān)鍵因素，本文對2000型、2300 型和SZB1000 型鉆塞泵注設(shè)備的各項(xiàng)工況參數(shù)進(jìn)行對比分析，3種類型泵注系統(tǒng)的配置情況如表2所示。分析可知，SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備在壓力、排量、水功率3個(gè)重要因素方面都能滿足井場作業(yè)需求，完成配合連續(xù)油管的不斷作業(yè)。

表2 鉆塞作業(yè)配套設(shè)備對比

在現(xiàn)場作業(yè)中針對不同電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速與各重要因素之間的關(guān)系也進(jìn)行了測試，結(jié)果如表3 和圖8～12 所示。由圖8所示，輸入轉(zhuǎn)速與泵沖次之間處于線性關(guān)系，說明轉(zhuǎn)速越高沖次越高；圖9所示，輸入轉(zhuǎn)速與工作排量之間也是處于線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速越高排量越高；由圖10所示，輸入轉(zhuǎn)速與工作壓力之間呈遞減趨勢，隨著電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速增加，工作壓力先平穩(wěn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到600 r/min 之后便開始遞減；由圖11 所示，水功率隨著電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速先增大后減小，當(dāng)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速處于730～1 000 r/min 之間時(shí)，水功率最大。根據(jù)測試結(jié)果，可以表明SZB1 000 型鉆塞泵注設(shè)備在各方面工況皆能滿足現(xiàn)場需求，同時(shí)優(yōu)化了布局，減少了成本。

表3 各種工況下的性能參數(shù)

圖8 輸入轉(zhuǎn)速與泵沖次的關(guān)系

圖10 輸入轉(zhuǎn)速與工作壓力的關(guān)系

圖9 輸入轉(zhuǎn)速與工作排量的關(guān)系

圖11 輸入轉(zhuǎn)速與水功率的關(guān)系

5 結(jié)束語

綜上所述，SZB1000 型鉆塞泵注設(shè)備整機(jī)設(shè)計(jì)布局合理、自動(dòng)化程度高、集成鉆塞液“混配+泵注”功能，可以減少作業(yè)設(shè)備數(shù)量、降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度；設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)鉆塞液多種介質(zhì)混配、小排量低壓力長時(shí)間作業(yè)，適應(yīng)國內(nèi)鉆塞施工工程需求；設(shè)備使用網(wǎng)電作為動(dòng)力源、配備變頻電機(jī)+柱塞泵動(dòng)力組合，具備噪音小、能耗低、清潔環(huán)保、節(jié)能減排的優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明：SZB1000 型鉆塞泵注設(shè)備能夠滿足鉆塞作業(yè)需求，相較壓裂車配置方案，設(shè)備采購成本最高降低了64%，燃料費(fèi)用降低了22%。