壓裂施工中液添技術應用概述

李龍杰

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壓裂施工中液添技術應用概述

李龍杰

（中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州 434024）

液添系統主要用于在壓裂作業過程中根據工藝需求添加壓裂交聯劑，以滿足壓裂工藝中同時添加不同種類交聯劑的需求。通過對比各類液添泵的應用效果，進行技術性概括，闡述液添技術的發展歷程。

壓裂施工；混砂；液添技術；交聯劑

混砂車的液添系統屬于壓裂施工的必備功能部件，主要用于在作業過程中根據工藝需求添加壓裂交聯劑。其主要由液添泵系統、驅動系統和數據采集控制系統組成。一臺混砂車上往往配置有2~4套液添系統，以滿足同時添加不同種類交聯劑的需求。

1 混砂車液添設備與數采系統的構成及原理

混砂車液添系統由伺服閥、液添泵、流量計及控制和數據采集單元組成，在現場作業過程中，控制系統控制伺服閥的過油量，進而實現對液添泵轉速的控制，液體泵的實時排量通過安裝在液添排出管線上的流量計進行采集，并將數據實時反饋至混砂車數據采集系統。

2 液添泵的種類及應用效果對比

目前混砂車的作業多采用泵后膠聯的方式，通過技術調研，混砂車液體泵根據排量及功能的不同，主要有柱塞泵、齒輪泵、螺桿泵、凸輪泵、離心泵等幾種，其優缺點比較如表1所示。

表 1 液添泵優缺點比較

類型優點缺點 柱塞泵額定壓力與轉速較高、容積效率高、壽命較長、變排量快、單位功率的質量輕結構較復雜，零件數較多；自吸性差；制造工藝要求較高，成本較貴 齒輪泵結構簡單、體積小、工作可靠、自吸性能好、對油液污染不敏感、維護方便等流量和壓力脈動大、噪聲大、排量難調節以及容積效率低等 螺桿泵壓力和流量范圍大；運送液體的種類和黏度范圍大；可使用較高的轉速；吸入性能好，具有自吸能力加工和裝配要求較高；泵的性能對液體的黏度變化比較敏感 凸輪泵使用壽命長；安裝便捷，維護清洗方便，易損件少；高效節能，故障率低，密封可靠，噪音低。可輸送介質黏度為≤2.0×10 6 CP以及含固量為60%的漿料物料中不能含有焊渣、鐵屑等硬性雜質，需安裝過濾網

2.1 單螺桿泵技術

單螺桿泵的轉動部件主要由三部分組成，分別是轉子、連軸桿和驅動軸。轉子、驅動軸與中間的連軸桿通過2 個萬向節連接起來，當螺桿泵工作時，轉子的運動軌跡為圓周運動和上下往復運動復合而成。萬向節內預裝潤滑油，外面用橡膠護套密封，從而保證萬向節內運動部件的自潤滑。為了形成嚴格的密封腔，轉子與橡膠定子是過盈配合的。

從上述結構特點來看，單螺桿泵在液添泵的應用主要存在如下幾方面的隱患：①啟動扭矩大，超低速運行時穩定性差。轉子與定子是過盈配合，所以啟動時轉矩大。此外在極低轉速運行時，轉動可能不太平穩，出現抖動、轉動不連續等問題。②磨損嚴重。轉子與橡膠定子采用過盈配合結構，磨損不可避免。當添加劑中含有固體顆粒物時，磨損尤其嚴重。一旦磨損后，將不能形成嚴格的密封腔，導致泄漏量增加，輸出流量和壓力急劇下降，不能滿足工況要求，因此橡膠定子需要經常更換。③禁止干運轉。泵腔內無介質時干運轉對橡膠定子的影響將是致命的。這時金屬轉子與橡膠定子直接干摩擦（過盈配合結構），溫度短時間內急劇升高，橡膠定子極易燒毀。因此，吸入口意外斷料或發生誤操作而引起螺桿泵燒毀的例子屢見不鮮。

2.2 齒輪泵技術

齒輪泵的特點是結構簡單、成本較低，只有2個轉動部件，在潤滑性介質的輸送上面應用廣泛。但將這種容積泵技術應用在混砂車液體添加劑輸送方面時，出現的問題如下：①齒輪磨損嚴重。在轉動過程中，相互嚙合的齒之間會先發生擠壓，然后沿齒廓面發生直接刮擦，最后分開。因此，齒與齒之間的磨損是直接的刮擦，而不像螺桿泵的滾動摩擦，同時添加劑潤滑性又差，因此齒與齒的磨損會格外嚴重。一旦磨損嚴重后，壓力、流量等指標均不能滿足要求，只能整泵更換。②不能干運轉。一旦發生干運轉，齒的磨損會急劇加快。但在實際操作中不可能完全杜絕干運轉現象，所以會大大降低泵的正常使用壽命。

2.3 柱塞泵技術

柱塞泵的特點是高壓力、小流量，主要作為動力泵使用，在液壓系統中作為高壓泵應用普遍。將這種泵型應用在混砂車上輸送添加劑時，主要是考慮到其容積泵的特性，可以作計量泵使用。

但是由于添加劑潤滑性差且含有顆粒物雜質，因此普遍存在如下問題：①盤根易磨損。由于柱塞與缸套間頻繁相對運動，加上添加劑中顆粒物的存在，盤根的磨損極快。一旦盤根密封失效，抽吸時就不能形成足夠的真空度，導致添加劑吸入不足。另外加上介質中顆粒物的存在，有可能造成柱塞和缸套件的磨損，這種磨損對泵而言往往是不可修復的。②泵體的發熱。發熱有兩種情形最為普遍，一是泵長時間工作后，盤根不斷摩擦發熱，由于升溫可能會導致其他部件的失效，而油田有時需要混砂設備盡可能長時間持續工作，這樣柱塞泵就會成為整個混砂車可靠運行的瓶頸；另一種是斷料或吸空后發生的干運轉，盤根發生干磨急劇升溫而燒毀，類似于單螺桿泵情形。

2.4 凸輪轉子泵技術

凸輪轉子泵是一種新型的低壓容積泵，凸輪轉子泵的工作腔內由2個互相不接觸的凸輪配合而成，2個凸輪旋轉的傳動部分是泵腔旁邊的一個獨立的同步齒輪箱，凸輪轉子由泵齒輪箱中的齒輪系驅動，兩根軸同步旋轉從而帶動2個凸輪同步轉動，可提供精確的轉子時序或轉子同步。

凸輪之間互不接觸，凸輪外沿表面與泵殼內表面也不接觸，由于凸輪之間間隙很小，因此容積效率受到的影響并不大。由于混砂車上添加劑輸送應用的壓力一般為低壓（10 Bar以下），因此雖有間隙，但是并未過多影響到凸輪轉子泵的自吸性能。

其結構特點決定了其在混砂車添加劑輸送應用時具有如下優點：①可干運轉。所有運動部件沒有直接接觸，所以可直接干運轉而不會對轉子部件及殼體有任何影響。這一點特別適用于油田惡劣的工況，大大增加了生產工藝和操作的靈活性以及泵的可靠性。②低磨損。非接觸設計及特有的三葉凸輪轉子形狀，可保證即使在介質中含有顆粒物雜質也不會發生嚴重的磨損。另外，凸輪轉子泵的轉子表面和內殼材質做過特殊的耐磨和硬化處理，進一步提高了其抗磨蝕性。③低功耗。齒輪泵、螺桿泵、柱塞泵在工作時都有很大一部分能量轉化為了機械摩擦熱能。而凸輪泵工作時基本不會發熱，能量利用率較高。④在線自清潔和全排空（采用上下進出口時）設計。最大限度避免了停機時添加劑在泵腔內的殘留，防止由于添加劑結冰或干涸在泵內結塊。⑤黏度范圍寬。在黏度從1×106～2×106CP的范圍內工作都不受影響，區別僅在于低黏度時容積效率比高黏度時略差。因此凸輪泵適應介質黏度波動的應用場合。⑥運行維護成本低。檢修非常方便，只需打開前蓋板，擰開凸輪轉子的鎖緊螺母就能對泵腔體進行全面維護，降低了日常維護冗長的停機時間。一般凸輪泵常用備件為機械密封件及O形墊圈，其他主要部件幾乎無損耗。這樣，不僅能使平均無故障工作時間更長，還能降低設備總使用成本。⑦低剪切、占地少、噪聲低。凸輪泵對添加劑的破壞比其他泵型都要低，結構緊湊，節省安裝空間，運行噪聲也比其他傳統泵型低得多。由于凸輪轉子泵具有獨特的干運轉能力、緊湊的結構、良好的正排量特性、無死角的全排空容積腔設計，因此相比傳統容積泵輸送技術而言，其可靠性更高，因此近幾年凸輪轉子泵在混砂設備上得到了大量的應用，從技術性能對比和使用效果來看，混砂車上傳統的容積泵技術應該會逐漸被更為合適的凸輪轉子泵技術所取代。

3 總結

針對目前混砂車各液添泵可能存在的風險及缺陷進行了深入分析，結合液添泵的綜合配置，可以有效提升施工安全、穩定性。

［1］萬仁溥，羅英俊. 采油技術手冊（第9分冊）：壓裂酸化工藝技術（修訂本）［M］.北京：石油工業出版社，1998.

［2］中國石化集團江漢石油管理局第四機械廠.SY/T 5211—2009 壓裂成套設備［S］.出版社不詳，2009.

［3］后建業. 水力壓裂施工關鍵技術的分析與研究［J］.化學工程與裝備，2015，44（3）：72-74.

［4］劉忠族，王秋波.凸輪轉子泵的流場及脈動特性數值分析［J］.排灌機械工程學報，2014，32（03）：208-213.

2095－6835（2019）05－0158－02

TE357

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.158

〔編輯：王霞〕