水力压裂用混砂车输砂装置研究

冉旭东(川庆钻探井下作业公司，四川 成都 610200)

0 引言

对于混砂车而言，最重要的部分是输砂系统，该系统最主要的任务是对原料进行输送，并进行精准的计算，计算结果的准确性将直接决定压裂效果。在施工时，常出现加砂的速度过慢或者加砂过快的现象。当在低速状态下作业时，输砂系统极容易出现卡阻的故障，进而影响到系统计算的准确性，因此可以看出部件是否准确将直接影响水裂作业效果。由于受到国际环境的影响，再加上资源日益短缺，国际油价正逐渐上涨，导致压裂井的数量也在不断增加，随之对压裂设备提出了更高的要求。

1 混砂车的简介

对于混砂车而言，其主要任务是对施工砂料进行输送，对施工材料进行充分搅拌，促使施工砂料有效混合。混砂车的主要组成部分可以分为两个部分，也就是混砂车台上部分以及混砂车底盘部分。施工作业效果与某些参数有着密切关系，施工具体要求进行影响到混砂车的参数变化，例如在混合液体中，砂量所占的比例是否处于合理的范围；在施工中，使用的添加剂比例是否满足施工标准等，这些因素都会对混砂车的作业效果产生影响。对于我国油田开采过程中所使用的混砂车而言，主要来源于国外进口的混砂车以及国内自主生产的混砂车，通过对国外进口的混砂车进行改装设计，能提高油田的开采效率，同时也能提高混砂车的使用性能。

对于压裂作业而言，其使用的输砂装置通常是螺旋输砂器，该输砂器的主要组成部分有：马达、出入口处的料斗以及输送机等，该输砂器在作业过程中，主要受到以下因素的影响，比如电力装置的输送效率以及系统的驱动功率等。造成这些因素变化的有：螺旋尺寸大小、叶片的直径以及螺旋的转动速度等，对输砂装置进行研究，主要是为了分析装置部件对运行效果产生的影响，进而确定影响参数，为提高输砂装置的运行效果，提供强有力的保障。对于生产井的压裂作业而言，主要是依据压裂设备得以实现的，一般而言，压裂设备的主要组成部分有：压裂车以及混砂车等，对于压裂作业效果而言，混砂车是影响其效果的最主要因素。为满足绿色环保的发展理念，可以对混砂车的动力装置进行转变，通过对混砂车的功率进行调整，进而提高系统运行的稳定能力。

2 现代水力压裂用混砂车输砂装置的应用

2.1 混砂车大排量的发展趋势

由于受到国际环境的影响，再加上资源日益短缺，国际油价正逐渐上涨，导致压裂井的数量也在不断增加，随之对压裂设备提出了更高的要求，这一点在页岩气的开采中更加明显，在进行一次开采作业时，所需要使用到的砂量高达数千方，进而推动了混砂车大排量的发展。现如今，国内混砂车的排量达到160 桶，国外的混砂车排量能达到250 桶。对于混砂车的设计而言，最大的困难在于大排量的设计，就国内看来，压裂井的场地平整程度不高，混砂车底盘的设计不够合理，由于混砂车的底盘承载能力较好，因此可以通过增加重量的方式，进而加大混砂车的排量，同时由于对于混砂车的底盘选择面较小，这就要求不但要增加底盘的重量，同时还要进一步提高混砂车的排量。

2.2 强化混砂车的双向功能

压裂井的场地面积较小，可供设备摆放的空间受到限制。一般而言，在混砂车的侧面不仅可以摆放压裂车，同时还可以摆放水罐车，在这样的形势下，促使混砂车具备双向功能的液口。对于混砂车的双向功能，每个厂家对其的定义不同，比如五机厂对其的定义是参考国家标准的，也就是双吸双排功能，基于这样的形势下，应当对其双向功能进行强化。对于混砂车的作业性能而言，搅拌罐是非常重要的，搅拌罐的搅拌效果在一定程度上能决定混砂车的性能，也就是搅拌效果好，混砂车的工作性能就好，搅拌罐的搅拌效果不好，混砂车的作业性能将会降低，通常情况下，搅拌罐的结构为双层形式结构，由于搅拌罐具有双层结构，进而促使大液面与支撑剂能充分混合。

2.3 通过对混砂车设计蛟龙方式，进而对输砂量进行调整

由于混砂车的双筒结构受到一定的限制，导致不能对砂量的尺寸进行调节，也不能对其进行精确的计算，当在低速状态下运行，混砂车具有较大的不稳定性，进而不能对砂量进行精确的计算，在一定程度上，将直接影响整体施工的质量，当输入砂量较小时，混砂车的稳定性将不能得到有效保障。在混砂车的基础上设计三个蛟龙，设计一个蛟龙的尺寸大小较大，将其余两个蛟龙的尺寸设计较小，通过这样的设计方式，在实际施工时，能满足输砂量的要求，也就是从较小范围到较大范围，由于能达到这样的设计目的，因此这种设计在混砂车设计方面得以重视。

2.4 压裂设备的发展趋势

压裂设备逐渐向绿色环保、大规模化的方向发展，以便能满足当下市场发展的需求，混砂车的发展趋势也随之发生了变化，比如混砂车的输砂装置更加独立化，具体来说，输砂装置既属于混砂车也独立于混砂车；通过对混砂车的效率进行设计，促使单个设备的运行功率得到明显提高，比如某公司研制出封闭式混合泵，通过该混合泵的作用，排量250 桶的混砂车运输效率得到提高；通过在混砂车上设计双搅拌的装置，当混砂车某个设备在运行中出现故障时，不对整个系统的运行造成影响，系统依然能正常运行，从而能确保施工效率；通过对混砂车的功率进行调整，进而提高系统运行的稳定能力，也就是将较大功率的发动机进一步分成几个较小功率的发动机；为满足绿色环保的发展理念，可以对混砂车的动力装置进行转变，比如使用自然动力装置取代原始动力装置，比如天然气动力装置以及电力装置等，通过对电力装置进行改变，不仅能提高设备的运行效率，同时还能降低单机的重量，对于混砂车的控制方式而言，将会引入互联网的概念，从而能实现对混砂车的有效控制。

2.5 压裂混砂车的研制

对于油田的采收而言，生产井压裂是非常重要的，在采油的过程中，通过使用该方式，能提高对油田的采收率，然而对于压裂环节而言，防砂是该阶段的重要工序，通过将两个过程进行有效结合，设计出来的混砂车不仅能优化施工工序，降低施工过程中所使用的设备数量，同时在一定程度上还能提高作业效果，尤其是位于山区里的作业井，或者是一些地理环境较为苛刻的作业井，在这些方面使用防砂压裂混砂车，其作业效果更为显著，通过使用这种组合而成的混砂车，进而解决车辆拥挤以及无处摆放设备的问题，不仅降低了施工成本费用，还能提高作业效率。

3 水力压裂用混砂车输砂装置的优化

3.1 螺旋输送机输送理论

基于变螺旋具有的螺旋能力，造成物料状态较为复杂，为此假设在合理状态下，借助数值模拟探索运动规律。模拟假设：

(1)假设螺旋运转期间，物料状态发生45 度倾斜，干扰系数设定为0.69，充满状态的系数指标为0.59。

(2)在输送研究过程中，不考虑压缩情况的影响作用。

(3)螺旋与物料之间产生的摩擦作用，认定关系为：物料轴向行速=螺旋叶片轴向移速。

研究变径变螺距时，依据公式：

式中：Sk 为螺距(mm)；L 为入料位置宽度(mm)；Vk 为螺距占据体积(mm)；K 为每转发生入料的体积(mm3/r·mm)。

经过计算推演，获取螺旋叶片直径计算方式，即d=2(x2+y2)-1=2cexp(mt)，假设螺距有20 段，20 组螺旋叶片直径取值范围为[280，340]mm，对应螺距值取值范围为[175，235]mm。

3.2 有限元分析

静力分析方程为：

式中：[M]为质量；[C]为阻尼；[K]刚度系数，三者皆为矩阵；{x}为位移量；{F}为力参数。

叶片平衡方程式为：[M]{b}+[C]{b}+[Mb]{b}+[K]{x}-[Mc]{b}={Qc}+{Qp}-{Fb}+{R}

式中：[M]为质量总和；[C]为阻尼总和，[K]刚度系数总和，三项皆为矩阵；[Mc]为离心力具有的质量，矩阵数据序列；{Qp}为流体产生的等效荷载；{Qc}为未变形时的离心力；{R}为节点位置具有的集中性力；{Fb}为应力产生的等效荷载。

由此方程式可演变成：

此关系式说明：叶片开展静力分析时，时间因素对其未发生影响作用，时间因素无影响的观点成立。

结构分析：

(1)加料时在螺旋输送机输料位置，添加轴承，并施加扭矩力1273.3N·m。

(2)切应力最大值为20.07MPa，应力最大值不足40MPa，位移最大值为1.84mm，此三项数值均不大于允许应用数值，符合设计标准。

3.3 模拟实验

(1)实验设计：转速、搅拌轴直径、倾斜角度、叶片直径、螺距五个参数分别取值，实验应为16 次，从中选择最优配置方案。

(2)实验结果：螺旋入料位置的宽度，可适当加长，防止出口位置宽度不足，减少引起沙料四溅现象发生。

(3)数据分析：螺距与转速应左右主要控制对象，二者对输送砂容量产生较大影响。由于倾斜度发生变化时，引起输砂装置性能的随之改变，倾斜角为45 度时，当叶片直径长度为240mm 时，输送砂总量的最大值为92kg/s，当转速增加时，输送砂量相应增加，引起输送功率的增长。

(4)结论：由分析发现，最优配置方案为：叶片直径取值346mm，螺距取值240mm，螺旋轴直径取值为83mm，转速取值为每分钟311 转，获得最大输送砂量，即每秒输送砂量94kg。

经过模拟实验，对比获得最优的配置方案，优化混砂车输砂装置，提升混砂车输砂装置的应用性能。

4 结语

通过以上的分析可知，对于混砂车而言，其主要任务是对施工砂料进行输送，对施工材料进行充分搅拌，促使施工砂料有效混合；混砂车的底盘承载能力较好，因此可以通过增加重量的方式，进而加大混砂车的排量；搅拌罐的结构为双层形式结构，由于搅拌罐具有双层结构，进而促使大液面与支撑剂能充分混合；在混砂车的基础上设计三个蛟龙，设计一个蛟龙的尺寸大小较大，将其余两个蛟龙的尺寸设计较小，进而能满足输砂量的要求。