压裂基液配制工艺中射流泵结构尺寸优化研究

范富海，赵国宽，黄朝阳，高 进，陈国标 (河南油田分公司井下作业处，河南 桐柏 474780)

压裂基液配制工艺中射流泵结构尺寸优化研究

范富海，赵国宽，黄朝阳，高 进，陈国标 (河南油田分公司井下作业处，河南 桐柏 474780)

通过对影响射流泵吸气时间的12个因素的分析，结合现场施工实际情况，确定了配套离心泵射流泵的最佳几何形状和结构尺寸：喉管长度80mm，喉管直径50mm，喷嘴长度700mm，喷嘴锥度8°，喷嘴最小直径30mm，扩散管长度200mm，扩散管锥度30度，扩散管最小直径50mm，吸入口长度100mm，吸入口位置为喉管的最左端，吸入口的直径为25mm，部件用车床加工，螺纹连接。投入应用后，使工作效率提高了将近3倍。

射流泵；结构尺寸；优化

射流泵是一种利用高速射流作为工作动力来传递能量和质量的流体机械和混合反应设备，其本身没有运动部件，具有结构简单、工作可靠、便于综合利用等优点，广泛用于石油工业中。压裂基液的增稠剂胍胶及其改性产品如羟丙基胍胶、羧甲基胍胶或者聚合物粉剂在溶剂水中的分散就是需要射流泵来完成的。射流泵由喷射管、喉管、扩散管、吸入管4部分组成，其工作原理为将工作流体通过喷嘴高速喷出，同时静压能部分转化为动能，管内形成真空，低压流体被吸入泵内。两股流体在喉管内进行混合和能量交换，工作流体速度减小，被吸入流体速度增大，压力逐渐增加，在喉管出口处速度趋于一致。混合流体通过扩散管时，随着流道的增大，速度逐渐降低，动能转化为压力能，混合流体压力随之升高。射流泵部件尺寸对吸气速度有很大的影响。

射流泵的合适与否直接影响到压裂基液配制的速度、质量、材料的用量。射流泵的吸气量过小，导致吸入增稠剂粉剂过慢，使压裂基液配制时间增长。射流泵与离心泵不配套，就会使增稠剂粉剂在水中分散不好，形成“鱼眼”，影响压裂基液粘度的提高，加大增稠剂的用量。在现场压裂基液配制过程中，采用天津耐酸泵总厂提供的型号IH125-100-200A，叶轮直径203mm，流量240m3/h，扬程20.4m，效率75%的离心泵，配套柴油机YB200LZ-2，功率50kW，要求压裂基液配制时间短，粘度达到标准，节约增稠剂的用量[1]，必须使射流泵达到最大吸气速度，要对射流泵部件进行优化。下面，笔者对射流泵几何形状和结构尺寸对其性能的影响进行了系列研究。

1 试验部分

图1 射流泵吸气速度试验流程

1.1试验仪器、设备

秒表(上海飞彩)、塑料容器(200L)、射流泵吸气速度试验流程一套(见图1)、清水。

1.2射流泵的吸气时间测定方法

按图1把射流泵吸气速度试验流程连接好。启动离心泵，使流程处于循环状态，检查流程的气密性。完好后把塑料软管插入盛有200L水的塑料容器内，同时用秒表开始计时。待水吸完后，读取秒表的读数。射流泵的吸气时间越小，说明吸气速度越大，配制压裂基液效率越高。

2 讨论与结果

为确定适合与离心泵配套的射流泵的最佳几何形状和结构尺寸，从喉管长度、直径、喷嘴长度、锥度、最小直径、扩散管长度、锥度、最小直径、吸入口长度、直径、位置等因素对射流泵吸气时间的影响开展研究讨论。

2.1喉管长度、直径对射流泵吸气时间的影响

1)喉管长度对射流泵吸气时间的影响 喉管为清水与压裂基液的混合腔，其结构尺寸会影响吸气时间。为研究喉管长度、直径对射流泵吸气时间的影响，固定其他条件，分别做了6次现场试验，数据见表1和表2。由表1可以看出，随着喉管长度的增加，射流泵的吸气时间先减小后增加。喉管长度的增加，使得混合腔体积增大，加大了射流泵的吸气速度，使吸气时间缩小；随着喉管长度超过8cm以后，混合腔内流速过高会形成较大的流动损失[2]，减小了射流泵的吸气速度，使吸气时间增大。

2)喉管直径对射流泵吸气时间的影响 由表2可以看出，随着喉管直径的增加，射流泵的吸气时间先减小后增加。喉管直径的增加，使得混合腔体积增大，加大了射流泵的吸气速度，使吸气时间缩小；随着喉管直径超过50mm以后，混合腔主要表现为排出阻力增大，降低了射流泵的吸气速度，使吸气时间增大。

2.2喷嘴长度、锥度、最小直径对射流泵吸气时间的影响

1)喷嘴长度对射流泵吸气时间的影响 由表3可以看出，随着喷嘴长度的增加，射流泵的吸气时间先减小后增加。喷嘴长度的增加，使得喷射液态流阻力减小，加大了射流泵的吸气速度，使吸气时间缩小；随着喷嘴长度超过70cm以后，喷射液态流阻力增大，减慢了射流泵的吸气速度，使吸气时间增大。

表1 喉管长度对射流泵吸气时间的影响

表2 喉管直径对射流泵吸气时间的影响

表3 喷嘴长度对射流泵吸气时间的影响

2)喷嘴锥度对射流泵吸气时间的影响 由表4可以看出，随着喷嘴锥度的增加，射流泵的吸气时间先减小后增加。喷嘴锥度的增加，使得喷射液态流阻力减小，加大了射流泵的吸气速度，使吸气时间缩小；随着喷嘴长度超过8°以后，喷射液态流阻力增大，减弱了射流泵的吸气速度，使吸气时间增大。

3)喷嘴最小直径对射流泵吸气时间的影响 由表5可以看出，随着喷嘴最小直径的增加，射流泵的吸气时间先减小后增加。喷嘴最小直径的增加，使得喷射液态流阻力减小，加大了射流泵的吸气速度，使吸气时间缩小；随着喷嘴最小直径超过30mm以后，喷射液态流能量降低，减缓了射流泵的吸气速度，使吸气时间增大。

2.3扩散管长度、锥度、最小直径对射流泵吸气时间的影响

1)扩散管长度对射流泵吸气时间的影响 由表6可以看出，随着扩散管长度的增加，射流泵的吸气时间先减小后增加。扩散管长度的增加，使得混合液态流摩擦阻力减小，加大了射流泵的吸气速度，使吸气时间缩小；随着扩散管长度超过20cm以后，混合液态流能量降低，减缓了射流泵的吸气速度，使吸气时间增大。

2)扩散管锥度对射流泵吸气时间的影响 由表7可以看出，随着扩散管锥度的增加，射流泵的吸气时间先减小后增加。扩散管锥度的增加，使得混合液态流阻力减小，加大了射流泵的吸气速度，使吸气时间缩小；随着扩散管锥度超过30°以后，喷射液态流能量降低，放慢了射流泵的吸气速度，使吸气时间增大。

表4 喷嘴锥度对射流泵吸气时间的影响

表5 喷嘴最小直径对射流泵吸气时间的影响

表6 扩散管长度对射流泵吸气时间的影响

3)扩散管最小直径对射流泵吸气时间的影响 由表8可以看出，随着扩散管最小直径的增加，射流泵的吸气时间先减小后增加。扩散管最小直径的增加，使得混合液态流阻力减小，加大了射流泵的吸气速度，使吸气时间缩小；随着扩散管锥度超过30°以后，喷射液态流能量降低，减弱了射流泵的吸气速度，使吸气时间增大。

2.4吸入口长度、直径、位置对射流泵吸气时间的影响

1)吸入口长度对射流泵吸气时间的影响 由表9可以看出，随着吸入口长度的增加，射流泵的吸气时间增加。吸入口长度的增加，使得固态流阻力增大，减弱了射流泵的吸气速度，使吸气时间增大。

表7 扩散管锥度对射流泵吸气时间的影响

表8 扩散管最小直径对射流泵吸气时间的影响

表9 吸入口长度对射流泵吸气时间的影响

2)吸入口直径对射流泵吸气时间的影响 由表10可以看出，随着吸入口直径的增加，射流泵的吸气时间先减小后增加。吸入口直径的增加，使得固态流阻力减小，加大了射流泵的吸气速度，使吸气时间缩小；扩散管锥度超过25mm后，固态流能量降低，减弱了射流泵的吸气速度，使吸气时间增大。

3)吸入口位置对射流泵吸气时间的影响 由表11可以看出，随着吸入口位置的右移，射流泵的吸气时间增加。吸入口位置的右移，使得固态流获得能量减小，减弱了射流泵的吸气速度，使吸气时间增多。

表10 吸入口直径对射流泵吸气时间的影响

表11 吸入口位置对射流泵吸气时间的影响

注：以喉管的最左端为测量基准点。

2.5管壁加工工艺对射流泵吸气时间的影响

表12 管壁加工工艺对射流泵吸气时间的影响

由表12可以看出，管壁粗糙，射流泵的吸气时间增加。管壁粗糙，使得工作流体、混合流体、固态流摩擦阻力增加，能量降低，减弱了射流泵的吸气速度，使吸气时间增多。

3 射流泵的现场应用

图2 射流泵结构示意图

通过12个因素的分析，确定了优化的射流泵的几何形状和结构尺寸(见图2)，喉管长度80mm，喉管直径50mm，喷嘴长度700mm，喷嘴锥度8°，喷嘴最小直径30mm，扩散管长度200mm，扩散管锥度30°，扩散管最小直径50mm，吸入口长度100mm，吸入口位置为喉管的最左端，吸入口的直径为25mm，部件用车床加工，螺纹连接，这样的射流泵可以达到在60s以下抽完200L清水。优化结构尺寸加工制作后应用于现场施工，与离心泵配套配制压裂基液，胍胶粉剂吸入速度为49s/袋(每袋25kg)，远超过了以前的120s/袋，压裂基液无“鱼眼”出现，大大提高了工作效率。

[1]龙新平，朱劲木.射流泵内部流动的数值模拟[J].武汉大学学报,2002,35(6):1-6.

[2]龙新平，朱劲木，梁爱国，等.射流泵喉管最优长度的数值计算[J].水利学报,2003(10):14-18.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.034

TE933.3

A

1673-1409(2012)08-N103-04

2012-05-12

范富海(1970-)，男,1990年重庆石油学校毕业，工程师，现主要从事压裂设备技术管理和压裂酸化工程技术管理方面的研究工作。

[编辑] 洪云飞