壓裂返排液處理精密固體給料裝置研制★

渠迎鋒， 王永光， 臺(tái)廣鋒， 趙 敏， 劉 慶

（北京礦冶研究總院， 北京 100160）

引言

壓裂作業(yè)是提高油氣產(chǎn)量的方式之一。大量的壓裂作業(yè)產(chǎn)生了較多的壓裂返排液。隨著壓裂返排液的逐漸增多，環(huán)保壓力越來(lái)越大。為了減輕環(huán)保壓力，壓裂返排液資源化處理已迫在眉睫。

由于壓裂返排液成分復(fù)雜，水質(zhì)波動(dòng)大，對(duì)壓裂返排液處理工藝及成套裝備提出了更高的技術(shù)要求。自動(dòng)精密給料工藝環(huán)節(jié)是壓裂返排液處理過(guò)程中關(guān)鍵工藝技術(shù)環(huán)節(jié)之一，自動(dòng)精密給料裝置的實(shí)時(shí)性與精確性直接影響了各階段的水質(zhì)指標(biāo)。

自動(dòng)精密固體給料裝置是專門針對(duì)成分復(fù)雜的油田壓裂返排液研制的工藝設(shè)備，具有精確度高、自動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)控制和模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。

1 壓裂返排液處理精密固體給料裝置簡(jiǎn)介

自動(dòng)精密固體給料裝置主要由主機(jī)體、精密給料模塊、稱量模塊、自動(dòng)化控制模塊組成，如圖1所示。主機(jī)體主要包括設(shè)備支架、外殼和儲(chǔ)料裝置，其主要作用是儲(chǔ)料。精密給料模塊主要由精密給料裝置和下料裝置組成，其主要作用是連續(xù)均勻給料。稱重計(jì)量模塊主要由電子秤檢測(cè)模塊和信號(hào)處理模塊，其主要作用是精確計(jì)量。自動(dòng)化控制模塊主要由在線檢測(cè)模塊、信號(hào)反饋與處理模塊、控制模塊組成，主要作用通過(guò)檢測(cè)壓裂返排液水質(zhì)成分的數(shù)據(jù)來(lái)控制精密給料量，使之適應(yīng)返排液水質(zhì)波動(dòng)的特點(diǎn)。

2 工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

根據(jù)油田壓裂返排液水質(zhì)成分波動(dòng)大的特點(diǎn)，精密固體給料裝置的儲(chǔ)料量也設(shè)計(jì)了0.1 m3、0.3 m3、0.8 m3、1 m3、2 m3、2.5 m3、3 m3等不同系列。為了方便給料并防止產(chǎn)生蓬料現(xiàn)象，主機(jī)體底部采用半圓柱體結(jié)構(gòu)或錐形結(jié)構(gòu)，在主機(jī)體合適位置針對(duì)不同的物料的特性設(shè)計(jì)了防蓬料裝置。

圖1 自動(dòng)精密固體給料裝置

通過(guò)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)壓裂返排液水質(zhì)成分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將相應(yīng)的信號(hào)輸送到信號(hào)處理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，將相應(yīng)控制信號(hào)輸送到電子稱計(jì)量系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)自動(dòng)精密給料裝置的給料速度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制。精密給料計(jì)量裝置將實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)反饋到信號(hào)處理系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。該裝置工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 工作原理示意圖

2.2 精密給料裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)固體物料的物理特性，設(shè)計(jì)了精密給料裝置。精密給料裝置是自動(dòng)精密固體給料裝置關(guān)鍵技術(shù)之一，該裝置采用了在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)精密給料裝置的給料量在一定范圍內(nèi)連續(xù)添加。精密給料裝置設(shè)計(jì)參數(shù)中給料螺旋直徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速、功率、輸送量核算是關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[1-10]。

2.2.1 給料螺旋直徑的計(jì)算

給料螺旋直徑為[11]：

式中：Q為給料能力，0.833 kg/min；K為物料特性系數(shù)，常用物料的K值，取0.0415；φ為填充系數(shù)，取0.35；C為傾角系數(shù)，傾角為0°，取C=1；ρ為物料密度，脫穩(wěn)劑密度ρ=0.93 t/m3。

將上述參數(shù)代入給料螺旋直徑計(jì)算公式可得D≥19.6 mm，取給料螺旋直徑D=20 mm。

2.2.2 螺旋軸轉(zhuǎn)速計(jì)算

螺旋軸轉(zhuǎn)速在滿足輸送量的條件下不宜過(guò)高，以免物料受過(guò)大的切向力而被拋起，以致無(wú)法向前輸送。因此，螺旋軸轉(zhuǎn)速n不能超過(guò)某一極限轉(zhuǎn)速nj[12]：

式中：A為表示物料綜合系數(shù)，根據(jù)常用物料綜合系數(shù)表取75。將給料螺旋直徑量與物料綜合系數(shù)代入螺旋轉(zhuǎn)速公式可以得出螺旋極限轉(zhuǎn)速為16.77 r/min，將轉(zhuǎn)速圓整為20 r/min。

2.2.3 功率計(jì)算

精密給料裝置所需的軸功率P0[13]：

式中：H為螺旋輸送機(jī)傾斜布置時(shí)在垂直平面上的投影高，mm，H=0；L為螺旋輸送機(jī)水平投影長(zhǎng)度，L=145 mm；w0為物料阻力系數(shù)，1～4，此處取 1.5。

將參數(shù)代入精密給料裝置所需的軸功率P0公式，可以得出功率P0=0.49 kW。

電機(jī)功率P[14]：

式中：K1為功率備用系數(shù)，對(duì)Y型系列電動(dòng)機(jī)K1=1.0；η為驅(qū)動(dòng)裝置總效率，一般取0.90～0.94，本文取0.90。

將參數(shù)代入式（4），計(jì)算得P=0.54 kW。

2.2.4 精密給料裝置的輸送量Im核算[15]

式中：Im為輸送量，t/h；Dg外為螺旋公稱外徑，0.082 m；Dg內(nèi)為螺旋公稱內(nèi)徑，0.068m；S為螺旋螺距，0.032m。

將參數(shù)代入式（5），計(jì)算得Im=20.6 kg/h。

3 調(diào)試實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 調(diào)試實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)精密固體給料裝置通過(guò)變頻控制精密給料速度來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整給料量，因此對(duì)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與油田現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。不同物料具有不同的物料特性，需要分別標(biāo)定給料速度和單位時(shí)間給料量，如表1所示。物料添加速率與頻率曲線圖如圖3所示。

公式（6）為頻率-下料速率曲線的擬合公式。使用該公式可以計(jì)算任意頻率下的固體物料的給料速率。

表1 固體物料添加裝置給料速度標(biāo)定

圖3 藥劑添加裝置頻率－下料速率曲線

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果及推廣前景

自動(dòng)精密固體給料裝置目前已經(jīng)推廣應(yīng)用于中石油、中石化、延長(zhǎng)油田。根據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓裂返排液中離子濃度，通過(guò)電子稱量模塊實(shí)時(shí)調(diào)整固體給料量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)精確添加。設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)，應(yīng)用效果良好，得到了用戶好評(píng)。可根據(jù)用戶使用工況特點(diǎn)將自動(dòng)精密固體給料裝置設(shè)計(jì)成不同儲(chǔ)料量、不同精密給料量和不同設(shè)備配置的系列產(chǎn)品，滿足不同使用要求，其應(yīng)用范圍可推廣至水處理行業(yè)、食品行業(yè)。

4 結(jié)論

1）自動(dòng)精密固體給料裝置的給料速度與工作頻率近似于線性關(guān)系，可以根據(jù)線性關(guān)系自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率。

2）自動(dòng)精密固體給料裝置實(shí)現(xiàn)了壓裂返排液處理中的藥劑在線檢測(cè)、自動(dòng)精確添加的功能，節(jié)約了人工成本。

3）自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)反饋、實(shí)時(shí)控制，根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)變化，自動(dòng)調(diào)整給料量，提高了壓裂返排液處理的指標(biāo)。

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