電驅混砂裝置技術方案設計分析

劉文寶,姚 孔,王元忠

(1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730714；2.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314；3.機械工業油氣鉆井裝備工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730314； 4.甘肅省油氣鉆采裝備工程研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

壓裂作業是油田增產的最有效措施之一，通過全套的壓裂裝置來實現，其裝置主要包括壓裂裝置、混砂裝置、儀表裝置、管匯裝置及施工作業配套添加劑罐裝置、運砂裝置等，其中混砂裝置是壓裂混砂施工中的關鍵設備，其性能好壞決定壓裂作業成敗的關鍵因素[1]。混砂裝置用于混配壓裂液及給壓裂裝置提供具有一定壓力的壓裂液。傳統混砂裝置由柴油發動機作為動力源，驅動液壓系統，電控液完成壓裂液混配，該技術方案不僅噪音大、排放高、能耗高、傳動效率低、控制系統復雜而且壓裂液的砂密度、添加劑輸送比例等作業參數的控制精度較低，直接影響壓裂施工質量。電驅動混砂裝置與傳統混砂裝置相比，傳動結構簡單緊湊，各系統控制點少，控制精度高，維護成本低，砂液配比精度高，在油田環保綠色生產體系下，電驅混砂裝置將是壓裂混砂裝備新的發展方向，未來在油氣田得到大力推廣應用。

傳統的發動機驅動液壓系統和液壓系統驅動機械執行端的驅動方式存在的主要問題是驅動形式單一、傳動效率低且壓裂液混配質量不高。筆者旨在研究大排量混砂裝置的動力驅動形式，通過一組變頻電機直接驅動各機械裝置執行端，變頻矢量控制電機轉速達到控制機械執行端的排量，其目的實現壓裂液的高質量混配及供液，提高作業效率與質量，降低設備施工排放和噪聲[2]。

1 技術方案

電驅混砂車由運載底盤、構架副梁及上裝三部分組成，其中底盤和臺裝之間通過構架副梁連接。臺裝部分包括吸入系統、排出系統、攪拌系統、輸砂系統、管匯系統、液添系統、干添系統、電氣控制系統。

吸入系統由吸入低壓管匯、吸入電磁流量計、吸入變頻電機及吸入離心泵組成；排出系統由排出低壓管匯、排出電磁流量計、排出變頻電機及排出離心泵組成；攪拌系統由攪拌軸、攪拌變頻電機及不銹鋼混合罐組成；輸砂系統由2個輸砂絞龍、2臺輸砂變頻電機及2個轉速傳感器組成；管匯系統由吸入低壓管匯與排出低壓管匯組成；液添系統由4臺液添變頻電機、4臺液體添加劑泵及4個轉速傳感器組成；干添系統由干添變頻電機、干添螺旋輸送機及1個轉速傳感器組成；電氣系統由臺上電氣控制室、電氣控制操作臺及西門子控制器組成。構建電驅混砂車技術方案如圖1所示。

圖1 電驅混砂車技術方案

2 實現機理

電驅動混砂車技術方案通過一組變頻電動機直接驅動吸入離心泵、排出離心泵、混合罐攪拌軸、2個輸砂絞龍、4臺液體添加劑泵及1臺干添螺旋輸送機實現壓裂液的混配。

其工作過程為吸入變頻電機驅動吸入離心泵將壓裂基液從基液罐吸入通過低壓管匯吸入口排出到混合罐，同時4臺液添變頻電機驅動4臺液體添加劑泵將液態添加劑從液體添加劑罐吸入通過添加劑膠管排出到混合罐及低壓管匯排出管匯中，同時2臺輸砂變頻電機驅動2個輸砂絞龍將壓裂支撐劑從輸砂斗輸送到混合罐中，同時干添變頻電機驅動干添螺旋輸送機將干粉從加料斗輸送到混合罐中，同時在混合罐中，攪拌變頻電機驅動混合罐攪拌軸將壓裂基液、液體添加劑、壓裂支撐劑、干粉添加劑在混合罐中混配均勻，然后排出變頻電機驅動排出離心泵將混配均勻的壓裂液從混合罐吸入排出到低壓管匯排出管匯中再通過膠管輸送到壓裂車低壓管匯中。電驅混砂車的實現機理如圖2所示。

吸入變頻電機、排出變頻電機、4臺液體添加劑變頻電機、2臺輸砂變頻電機及干粉添加劑變頻電機通過PLC控制模塊的讀寫指令控制變頻器實現無極調速，竟而實現吸入離心泵、液體添加劑泵、輸砂絞龍、干粉螺旋輸送機按壓裂施工設計比例添加所需成分，實現壓裂液高精度、高質量混配。

圖2 電驅混砂車實現機理1.吸入離心泵 2.吸入變頻電機 3.干添變頻電機 4.干添螺旋輸送機 5.不銹鋼混合罐 6.攪拌變頻電機 7.輸砂I變頻電機 8.輸砂II變頻電機 9.液體添加劑泵I 10.液添I變頻電機 11.液添II變頻電機 12.液體加劑泵II 13.液添III變頻電機 14. 液體加劑泵III 15. 液添IV變頻電機 16.液體加劑泵IV 17.輸砂絞龍II 18.輸砂絞龍I 19.排出離心泵 20.排出變頻電機

3 配置參數

基于非常規油氣開采需求技術調研，結合水力壓裂常規施工工藝需求，推薦清水排量為20 m3/min的電驅混砂裝置，執行系統配置參數如下：排出離心泵流量與壓力：20 m3/min，P=0.7 MPa；吸入離心泵流量與壓力：20 m3/min，P=0.5 MPa；輸砂器輸砂能力：8 m3/min；混合罐儲量：1.5 m3；液添泵類型、排量、壓力及液體粘度如表1所示。

表1 液添泵類型、排量、壓力及液體粘度

干粉添加螺旋輸送機：1臺流量5 L/min、1臺流量50 L/min。

4 工作特點及實踐效果

電驅動混砂裝置與傳統混砂裝置相比較具有以下工作特點：

(1) 所有機械執行端均采用變頻電機直接驅動，各系統結構簡單緊湊，設計更具合理性。

(2) 關鍵零部件國產化、性價比高、供貨周期短、售后服務效率高。

(3) 自動化程度高，工作效率高：變頻矢量控制電機無極調速，電機可輸出不同功率段，功率利用率高，作業能耗低，節能效果好。

(4) 能源供應方便，作業成本低：采用電力驅動方式，可以直接利用井場附近電網供電，節省燃油運輸成本，降低作業排放。

(5) 易于維護：與柴油機驅動相比，變頻電機的維保簡單，維保指標少，維保周期長，降低工作量和成本。

(6) 工作可靠性高：電機可靠性遠高于柴油機，交流電機免維護可達20年，變頻器、高低壓開關柜、變壓器及整流逆變單元均可保證長期不間斷運行。

(7) 壓裂液混配精度高：通過控制變頻電機轉速，可實現壓裂液各組分添加比例的精確控制，比傳統混砂車采用液壓馬達驅動，傳動精度高，在低速時尤其明顯。

通過建立試驗樣機，對電驅混砂裝置的技術方案進行實踐驗證。與傳統混砂裝置比較，其生產成本降低30%，功率利用率提高15%，噪聲限值100dB降低至80dB，電驅混砂裝置的氮氧化物排放幾乎為零，壓裂液各成分配置比例精度提高5%。同時電機全部選用國內產品，供貨周期，效率高，對實現大型壓裂裝備產品國產化具有重要意義。

5 結 語

通過對傳統混砂裝置驅動形式的特點進行分析，建立了變頻電機組直接驅動機械執行端的電驅動混砂裝置技術方案，對技術方案進行設計與分析，并通過建立試驗樣機對技術方案的可行性及有效性進行驗證。實踐效果表明，電驅動混砂裝置極大地提高了壓裂混砂作業效率與壓裂液混配質量，實現了作業過程中的節能減排。在當前環保政策及油氣田綠色生產要求下，電驅混砂裝置作為清潔、節能的油氣壓裂裝備，勢必將逐步取代現有的柴油機驅動壓裂混砂裝置，未來兩到三年必將占據30%壓裂裝備市場份額。