混砂车吸入排出性能研究_吴汉川

use requirement of fracturing truck. Taking largedisplacement sand blender as the example，the performance of the centrifugal pump for suction and discharge as well as the effect of the external junction manifold on the pump performance was analyzed. The displacement and power requirement of the pump in different operating conditions was verified through the test. The experimental findings show that selection of suction pump should consider pump efficiency with displacement satisfaction as the precondition. In selecting the discharge pump，it should be first considered whether it reaches the requirement of practical displacement of sand blender， and then assessed whether the operating pressure of the pump contains the operating pressure of sand blender in the precondition of satisfying high pump efficiency. The number of suction and discharge pipeline junctions for sand blender is different under different operating displacements. Key words: sand blender; suction pump; discharge pump; junction pipeline; discharge performance; centrifugal pump; test verification 要求进行比例混合，然后以一定的压力输出到与其 连接的压裂车。混砂车的吸入、排出流量以及排出 压力取决于压裂车的使用需求。随着压裂工艺的发 展，特别是非常规油气资源的开发对混砂车的排量 要求逐步提高，如何配置混砂车的吸入和排出系统 成为提升其工作能力的关键。
源自文库石 — 92 — 油气田开发工程
油
机
械 2013 年 第 41 卷 第3 期
CHINA PETROLEUM MACHINERY
混砂车吸入排出性能研究
吴汉川 王峻乔 仇黎明
( 江汉石油管理局第四机械厂)
*
摘要： 混砂车的吸入、排出流量以及排出压力取决于压裂车的使用需求。 以大排量混砂车为 例，分析了吸入和排出离心泵的性能以及外部接口管汇对其性能的影响 ， 并通过试验验证了离心 泵在不同工况下的排量和功率需求 。试验结果认为， 混砂车吸入离心泵的选择应在满足排量的情 况下考虑泵效； 混砂车排出离心泵的选择应首先达到混砂车实际排量要求 ， 然后在满足高泵效的 前提下判断离心泵的工作压力是否包含混砂车工况压力 ； 不同施工排量下混砂车吸入和排出管线 接口数量不同。 关键词： 混砂车； 吸入泵； 排出泵； 接口管线； 排出性能； 离心泵； 试验验证 中图分类号： TE934 文献标识码： A doi： 10. 3969 / j. issn. 1001 － 4578. 2013. 03. 022
效状况下工作，尽量控制排出压力使泵排量和压力 3 匹配。假设混砂车的最大工作排量为 12 m / min，工 作压力在 0. 07 ～ 0. 20 MPa 之间泵效均达到 80% 以 上，所需要的驱动功率对应为 15 ～ 50 kW。由于该 型离心泵工作效率高、排量覆盖范围广、最大工作 压力在 0. 3 MPa 以下，所以从大排量混砂车所需求 的排量考虑，该泵是较好的吸入泵选择。 通过上面的分析可以看出，混砂车吸入离心泵 的选择首先考虑排量要求， 在供液充足的基础上， 根据排量范围来调节排出压力 （ 通过调节出口阀 门） ，使泵的工作区间尽量在高效区域 。 2. 2 排出离心泵 排出离心泵输送的介质是具有一定黏度的砂液 混合物，排出压力的建立是根据压裂车的需求通过 离心泵转速的变化来调节。 根据压裂车的使用要 求，混砂 车 排 出 离 心 泵 的 工 作 压 力 在 0. 3 ～ 0. 6 MPa 之间。长期以来国内外对排出离心泵的选择主 要以清水排量进行标定，随着非常规油气压裂工艺 的变化，混砂车长时间连续工作成为一种工作模 式，所以国外部分厂家的混砂车排出离心泵开始以 混合液的排量进行标定，这样会使离心泵的驱动功 率增加 30% 以上。 根据排量和工作压力的范围合 理选择排出离心泵，降低功率需求是设计时重点考 虑的问题。 离心泵功率计算公式为： P = Qp / η 式中 P— — —功率，W； Q— — —流量，m3 / min； p— — —压力，Pa； — —效率。 η— 304. 8 mm × 254. 0 mm × 584. 2 mm （ 12 in × 10 in × 23 in） 型离心泵是目前国内外大型混砂车普遍 采用的排出泵。图 2 是该泵在 1 200 r / min 条件下
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对混砂车吸入和排出性能的要求
3 该离心泵流量的合理操作范围为 4 ～ 26 m / min， 工作压力为 0. 04 ～ 0. 26 MPa。为使离心泵能够在高
国际上对混砂车性能参数的标定是根据排出泵 在清水工况下的最大排量进行的 ，目前常用的混砂 车有 HS08 、HS12 、HS16 和 HS20 等 4 种规格， 最 3 大输出排量分别为 8 、12 、16 和 20 m / min。 在混 砂车工作过程中，吸入泵将外界提供的压裂液以自 吸的方式吸入并排出到混合罐中 ，排出压力只受管 路节流的影响，在 0. 1 MPa 左右； 而排出泵是从混 合罐内吸入压裂液和其他固、液体添加剂混合后的 液体，再以大于 0. 3 MPa 的压力排出。从排量要求 来看，需要保持吸入和排出流量的平衡 ，输出压力 的不同会使混砂车的吸入和排出离心泵发生变化 。 笔者以大排量混砂车为例，分析吸入和排出离心泵 的性能以及外部接口管汇对其性能的影响 ，并通过 试验验证离心泵在不同工况下的排量和功率需求 。
Research on the Suction and Discharge Performance of Fracturing Blender Truck
Wu Hanchuan Wang Junqiao Qiu Liming
( SJ Petroleum Machinery Co． ，Jianghan Petroleum Administration) Abstract: The suction and discharge flowrate of sand blender as well as its discharge pressure depends on the
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引
言
混砂车是压裂装备的重要组成部分 ，其功能是 将外部提供的压裂液以自吸的方式吸入到混合罐 内，并与压裂砂及多种不同种类的添加剂按照施工
* 基金项目： 国家科技重大专项 “3000 型成套压裂装备研制及应用示范工程” （ 2011ZX05048 ） 。
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吴汉川等: 混砂车吸入排出性能研究
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低，该泵的工作效率将降低。假设混砂车的最大工 3 作排量为 15 m / min， 工作压力 0. 6 MPa， 则需要 的功率在 260 kW 左右。 由于曲线中没有提供低于 0. 6 MPa 压力下的排量和功率，所以无法了解离心
图1 12 in × 12 in × 14 in 型离心泵性能曲线 Performance curve of 12 in × 12 in × 14 in centrifugal pump
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第3 期
m3 / min，并且由于功率的增大造成离心泵转速的 下降。
减少泵的气蚀。建议混砂车的吸入离心泵入口流速 控制在 3. 5 m / s 以下，排出离心泵的出口受压裂车 供液压力的限制， 通 常 情 况 下 压 力 范 围 为 0. 3 ～ 0. 5 MPa。 流速计算公式为： v = Q /A 式中 v— — —流速，m / s； A— — —过流面积，m2 。 根据式 （ 2 ） 可以计算出不同排量下采用 102 mm （ 4 in） 上水接口数量 （ 见表 1 ） 。 在混砂车实 （ 2）
表1 不同排量下采用 102 mm 上水接口数量 Number of the 102 mm water supply junctions in different displacements
排量 / （ m3 ·min － 1 ） 2 4 8 12 16 上水接口数量 / 个 2 3 6 8 11 流速 / （ m·s － 1 ） 2. 04 2. 72 2. 72 3. 06 2. 96
图2
12 in × 10 in × 23 in 型离心泵性能曲线 Fig. 2 Performance curve of 12 in × 10 in × 23 in centrifugal pump
际使用过程中，不同输送介质的黏度和外接软管的 长度对吸入排出性能也会产生影响， 通常情况下 4 m3 / min 以下的排量， 吸入泵上水管线数量要求在 4 根以上，排出泵的出水管线要 2 根； 8 m3 / min 的 排量，吸入泵上水管线要求在 8 根以上，排出泵的 出水管线要 4 根。
泵在工作情况下的数据。 如果直接降低工作压力， 采用公式 （ 1 ） 进行计算， 则该泵的效率成为未知 数。现场 使 用 过 程 中 由 于 工 作 压 力 在 0. 3 ～ 0. 5 MPa 之 间， 实 际 该 泵 的 最 大 流 量 只 能 达 到 14
Fig. 1
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石
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3 的性能曲线。 推荐的最大工作流量是 18 m / min， 合适的工作压力在 0. 6 MPa 以上，如果工作压力降
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2. 1
吸入泵和排出泵的选择
吸入离心泵
混砂车在工作过程中要求吸入泵能实现自动控 制以保持供给混合罐的液体流量恒定，所以吸入端 不能有较高的压头，通常不超过 0. 05 MPa； 同时吸 入泵最大流量要大于排出泵最大流量，以弥补管路 损失和排出流量的突变，所以混砂车吸入泵全部采 用离心泵。混砂车吸入离心泵输送的介质通常以水 基为主，下面对目前常用的离心泵曲线进行分析 。 图 1 是 304. 8 mm × 304. 8 mm × 377. 8 mm （ 12 in × 12 in × 14 in） （ 数字分别表示吸入口、 排出 口和叶轮壳直径） 型离心泵在工作转速 700 ～ 1 250 r / min 下的性能曲线。
图 3 是 355. 6 mm × 304. 8 mm × 558. 8 mm （ 14 in × 12 in × 22 in ） 型离心泵在 1 200 r / min 条件下 的性能曲线。 该泵的最大特点是工作压力范围在 0. 2 ～ 0. 6 MPa 之间， 符合混砂车排出泵正常的工 3 作压力要求。 仍然假设离心泵工作排量为 15 m / min，要求工作压力在 0. 3 ～ 0. 5 MPa 之间，所需要 的驱动功率为 127 ～ 210 kW， 根据公式 （ 1 ） 计算 得到的数据为 124 ～ 210 kW，与曲线数据吻合。