油层水力压裂是油(水)井增注的主要措施之一,而压裂设备对于压裂效果起着重要的作用。压裂设备主要包括压裂车、混砂车、
高压管汇
车、拉砂车和仪表车等。
一、井下作业对压裂设备的要求
压裂设备的作用是利用压裂车将压裂液提高压力后挤入地层,使其在井底生产层压开新的裂缝或扩展原始裂缝,并通过混砂车将支撑剂按一定的比例和压裂液混合供给压裂车,使携砂液进入地层,充填压开的裂缝,形成高渗透率区域,从而提高油井的产量和注水井的注入量。
根据压裂设备的作用,压裂设备应满足以下要求。
1.要有一定的压力和排量
油层埋藏在地下几百米到几千米的岩层中,油层越深,压力越大,加之各种岩石的密度不同,因而压力大小也有差异。所以,要求压裂设备有足够的压力压开油层,并要求达到一定的排量,因为排量越大,压开裂缝的半径就越大。
2.要有连续可靠的工作性能
压裂施工不是瞬时间作业,一般浅井的压裂需几十分钟,深井压裂要几个小时。所以,压裂设备是在高压和大排量下连续进行工作的,如果压裂设备发生故障,就会导致压裂施工的失败,因此要求压裂设备具有较高的连续可靠的工作性能。
3.主要设备要有较好的耐磨和耐腐蚀性
压裂车和混砂车的混砂泵、压裂泵等设备是处在带砂、带酸的液体下工作,砂子对零件有磨损作用,酸液对零件起腐蚀作用。因此,要求这些设备的有关零件要有较好的耐磨性和抗腐蚀性,以满足各种压裂施工的需要。
4.要有良好的越野性能
压裂施工都在井场,到井场不可能有正规的路面。所以,要求压裂设备具有良好的越野性能,以适应各种路面行驶的需要。
二、压裂车
压裂车是油层压裂的主要设备,主要由运载汽车、车台发动机、变速箱、压裂泵、操作台和高压管汇等组成。
1.YLC一1000型压裂车
YLC一1000型压裂车是玉门油田研究院设计的,俗称千型压裂车。这种压裂车共有A、B、D三种型号,该车特点是压力高、排量大、冲程长、结构简单、操作使用方便。
1)传动
YLC一1000D型压裂车的传动箱为三轴四挡圆柱斜齿结构,液压换挡,喷油润滑。该传动的特点是采用液压片摩擦离合器双向缸结构;通过电磁润滑阀换向;从变速箱到行星齿轮减速箱,齿轮全为常啮合式,使得换挡无撞击声,也可用于远距离操作。各挡转速和传动路线如下:
Ⅰ挡:下离合器右合,上离合器右合,经齿轮8—7—6—5过行星齿轮减速箱到压裂泵,传动比2.083,输出轴转速535r/min。
Ⅱ挡:下离合器右合,上离合器左合,经齿轮8—7—3—4过行星齿轮减速箱到压裂泵,传动比2.033,输出轴转速738r/min。
Ⅲ挡:下离合器左合,上离合器右合,经齿轮1—2—6—5过行星齿轮减速箱到压裂泵,传动比1.509,输出轴转速996r/min。
Ⅳ挡:下离合器左合,上离合器左合,经齿轮1—2—3—4过行星齿轮减速箱到压裂泵,传动比1.039,输出轴转速1372r/min。
2)压裂泵
压裂泵采用三缸单作用卧式柱塞泵,与一般柱塞泵相比,具有以下特点:
(1)曲轴采用整体铸造,四支撑结构,支撑稳定,重量轻。
(2)连杆采用滑动轴承。
(3)曲轴中心比十字头中心下降50mm,使十字头上、下滑道磨损均匀。
(4)柱塞与十字头采用弹簧杆连接,便于对中,防止柱塞偏磨、蹩动。
(5)泵头与水平、垂直缸盖密封座之间采用高压自封Y形密封,结构简单,密封可靠。
(6)吸入阀弹簧由水平缸盖密封座固定,结构简单,加工和使用均方便。
(7)盘根与阀胶皮均采用聚氨酯橡胶,具有强度高、耐磨耐油好、抗压高等较好的综合性能,延长了使用寿命。
(8)泵外采用行星齿轮减速箱,动力由太阳轮输入,框架输出,行星轮采用滚动轴承,简化了结构。
压裂泵的工作原理与往复泵的相同。
近年来出现了一种新结构、长冲程、低冲次的液动增压泵。液动增压泵的工作原理是以大直径活塞带动小直径柱塞工作,大活塞的动力由普通压裂车打出的高压液体推动,动力液的进排顺序由控制阀控制。泵的最大压力可达155 MPa,冲程为1.534m,压力波动小,可泵送含砂比很高的液体,适应深井和超深井压裂。
2.常用压裂车的技术规范
三、混砂车
混砂车的作用是将压裂液自压裂罐吸进混砂罐,同时将支撑剂输送到混砂罐,进行搅拌、混合后将混砂液供给压裂车,并辅助供输添加剂,配合压裂车施工。
1.混砂车的结构
混砂车主要由运载汽车、车台发动机(或运载汽车发动机)、传动变速箱、供液系统、输砂器、混合系统、排出系统、操作控制和辅助系统组成。
运载汽车均采用性能好、功率大的载重卡车(如黄河、奔驰),载重量大,越野能力强。
车台发动机是为供液、输砂、混合、排液系统提供动力的主机,所提供的功率要大于各工作机功率之和。以前生产的混砂车采用汽油机,功率小,混砂比小;现在生产的混砂车多采用大功率柴油机(如SHC60B型混砂车的车台发动机为0M403柴油机,功率235kW),或同一发动机行驶、车台同用(如HSC一300型混砂车,发动机为康明斯KTA一1150C一600,作业用功率448kW,行车用功率224kW)。
供液系统的作用是将压裂液自压裂罐吸入后供给混合罐,主要由水龙带、吸入管、离心泵等组成。
输砂系统是将支撑剂输送到混合罐中,主要部件由进砂斗、输砂桶、螺旋输砂器、计量器等组成。
混砂系统的作用是将输入的压裂液和支撑剂按一定比例混合搅拌均匀,再由输砂泵供给各压裂车,主要由混合罐、输砂泵和排出管等组成。
操作系统的作用是操纵控制各机构按指令工作运行。
辅助系统的作用主要是进行各种添加剂的输入工作。
供液风吸式混砂车,是将机械螺旋输砂改为风吸输砂,原理是利用鼓风机的抽汲作用,使管道内产生一定的真空度,当空气流速超过砂子的沉降速度时,砂子被旋起,随流动的空气经吸入管进入混砂罐。由车台发动机提供动力,经变速箱减速后传给分动箱,再由分动箱的三根输出轴同时驱动鼓风机、上水泵和砂泵工作,将混合好的携砂液供给压裂车。
2.混砂车的技术规范
四、其他压裂设备
除压裂车、混砂车外,压裂施工中还需一些其他设备,如平衡车、拉砂车、仪表车、管汇车等。
1.平衡车
平衡车用来向封隔器上部套管环形空间注入一定压力的液体,平衡封隔器的部分压差,改善封隔器的工作条件,达到保护封隔器和套管的目的。此外,平衡车还可用于处理压裂砂堵等事故,进行反洗或反循环压井等工作。
平衡车一般由水泥车代替,根据设计平衡压力选用符合其要求型号的水泥车。现场目前浅井采用SNC一300H型水泥车,深井压裂选用SNC一400型水泥车。
2.拉砂车
拉砂车的作用是用来拉运压裂支撑剂(石英砂、陶粒、核桃壳、金属球等),并将支撑剂倒入混砂车的进砂斗,完成加砂任务。拉砂车一般选用重型卡车底盘,上装砂罐,液缸翻转。现场使用的有日野、太托拉、斯太尔、铁马等。YSC一15型运砂车技术规范如下:
载重汽车:铁马(TM)SC2830/6 X6—45
发动机功率:220kW
发动机转速:2500r/min
砂罐容量:10m3
砂罐倾角:45°
最小离地距离:970mm
举升时间:23s
满载质量:2700kg
3.仪表车
仪表车由计量压裂参数的各种仪表、显示器及计算机等组成。它可计量压裂时的压力、流量、累计流量及测定混砂比,显示压裂曲线和压裂动态,计算压裂的各种参数。仪表车还配有联络通信设备,与压裂车和混砂车联系,所以又称压裂指挥车。现场使用的有美国产雪佛兰仪表车、国产四川绵阳制造的华西仪表车。
4.管汇车
管汇车是专门拉动压裂管汇的车辆,车上装有液压吊臂,到井场后,将管汇吊到地面,连接好压裂,施工完再吊到车上拉回。管汇车运载车型一般选用与压裂车相同的载重卡车,便于维修与管理。