張志強(qiáng)，周詩(shī)緯，郭波江，趙 真，王永玲

(三一重型能源裝備有限公司 北京 102202)

混砂車(chē)輸砂系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究*

張志強(qiáng)，周詩(shī)緯，郭波江，趙 真，王永玲

(三一重型能源裝備有限公司 北京 102202)

針對(duì)石油混砂車(chē)輸砂系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀與存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種帶減速機(jī)的輸砂系統(tǒng)，即通過(guò)液壓泵、液壓馬達(dá)和減速機(jī)的方案。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，有效的解決了輸砂系統(tǒng)在低速時(shí)的發(fā)卡故障，為進(jìn)一步優(yōu)化混砂車(chē)輸砂系統(tǒng)提供參考。

混砂車(chē)；輸砂系統(tǒng)；馬達(dá)；減速機(jī)

Abstract: Aiming at present technology and shortcomings of the sand convey system in fracturing blender truck. and a sand transport system based on reducer is designed. This scheme adopted hydraulic drive hydraulic pump and reducer. The test validated this scheme can solve the hairpin fault in low speed of sand transport system effectively. A reference is provided for the further optimization of the sand conveying system of sand mixing truck.

Key words: sand mixing truck; sand transport system; motor; reducer

0 引 言

混砂車(chē)被廣泛應(yīng)用于石油、頁(yè)巖氣和煤層氣等行業(yè)，其與供水車(chē)、壓裂車(chē)、管匯車(chē)等設(shè)備協(xié)同作業(yè)形成壓裂設(shè)備組，用于向井內(nèi)注入高壓、大排量的壓裂液，將地層壓開(kāi)，把支撐劑擠入裂縫中，使油氣從裂縫處流出，從而有效提高油氣井采收率。壓裂已經(jīng)成為改造低滲透油氣藏和開(kāi)發(fā)深部油氣藏的主要手段[1]。

混砂車(chē)主要用于混合、攪拌、輸送壓裂作業(yè)需要的砂液等介質(zhì)。在石油壓裂施工過(guò)程中，混砂車(chē)的一些重要參數(shù)符合壓裂施工的設(shè)計(jì)要求，將直接影響壓裂施工的質(zhì)量，如混砂液的砂比、液態(tài)添加劑的比例、干粉添加劑比例等[2]。

輸砂系統(tǒng)是混砂車(chē)的關(guān)鍵部件之一，承擔(dān)著為混砂車(chē)輸送原料的重任，同時(shí)需要精準(zhǔn)的計(jì)量。計(jì)量的準(zhǔn)確性直接影響到這個(gè)壓裂作業(yè)的成敗。在施工工程中常發(fā)生由于加砂過(guò)快慢輸紗器絞龍軸卡阻等故障[3]。輸砂系統(tǒng)在低速時(shí)極易存在發(fā)卡問(wèn)題，嚴(yán)重影響了計(jì)量的準(zhǔn)確性，是整個(gè)壓裂作業(yè)成敗的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)之一。筆者針對(duì)混砂車(chē)低速發(fā)卡故障，改進(jìn)了混砂車(chē)輸砂系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有效的優(yōu)化了混砂車(chē)輸砂系統(tǒng)。

1 輸砂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 輸砂系統(tǒng)總體試驗(yàn)方案

如圖1所示，輸砂試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備組包括絞龍、絞龍支架、稱(chēng)重灌、液壓系統(tǒng)、減速機(jī)、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和試驗(yàn)測(cè)試裝置(測(cè)速傳感器、稱(chēng)重傳感器和NI數(shù)據(jù)采集儀等)。試驗(yàn)用砂從第1個(gè)稱(chēng)重灌自動(dòng)流到第1個(gè)料斗，此料斗經(jīng)第1個(gè)輸砂絞龍把砂輸送到第2個(gè)稱(chēng)重灌，此稱(chēng)重灌的2個(gè)砂子經(jīng)第2個(gè)絞龍輸送到第1個(gè)稱(chēng)重灌，如此往復(fù)循環(huán)。利用第2個(gè)液壓泵分別帶動(dòng)2個(gè)輸砂馬達(dá)，輸砂馬達(dá)再分別帶動(dòng)2個(gè)絞龍轉(zhuǎn)動(dòng)。利用控制系統(tǒng)控制電比例190 mL/r變量泵的排量，進(jìn)而調(diào)節(jié)絞龍的轉(zhuǎn)速。對(duì)混砂車(chē)輸砂系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測(cè)試、連續(xù)性試驗(yàn)。

圖1 輸砂系統(tǒng)試驗(yàn)方案圖

1.2 輸砂系統(tǒng)試驗(yàn)方案布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸砂系統(tǒng)試驗(yàn)方案液壓原理對(duì)比如圖2所示，圖2(a)為某類(lèi)型的混砂車(chē)輸砂系統(tǒng)液壓原理圖，圖2(b)為試驗(yàn)臺(tái)輸砂系統(tǒng)液壓原理圖，圖2(c)為增加減速機(jī)后的改進(jìn)試驗(yàn)方案。其中試驗(yàn)臺(tái)采用水冷的形式冷卻液壓油。由圖2可看出二者為520 mL/r輸砂馬達(dá)提供的流量是基本相等的，完全能滿足試驗(yàn)要求(混砂車(chē)用泵的排量為100 mL/r,轉(zhuǎn)速為2 739 r/min，流量為273.9 L/min；實(shí)驗(yàn)方案用泵的排量為190 mL/r,轉(zhuǎn)速為1 440 r/min, 流量為273.6 L/min)。

圖2 液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案圖

機(jī)械結(jié)構(gòu)采用兩組相同的絞龍和稱(chēng)重灌。當(dāng)采用相近的轉(zhuǎn)速時(shí)，可保證試驗(yàn)的連續(xù)性。

電氣系統(tǒng)采用三一公司集團(tuán)專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的控制功能。即扳動(dòng)轉(zhuǎn)向選擇鈕子，便可使相應(yīng)的電磁鐵得電，從而控制絞龍的旋向；扳動(dòng)速度調(diào)節(jié)鈕子，便通過(guò)程序控制變量泵的斜盤(pán)角度，從而通過(guò)調(diào)節(jié)流量改變絞龍轉(zhuǎn)速大小。

2 輸砂系統(tǒng)計(jì)算

2.1 計(jì)算方法及公式

2.1.1 螺旋葉片直徑的計(jì)算(為實(shí)體式螺旋葉片)

D=3Q(47k1·n·φ·λ·ε)

(1)

式中：D為螺旋葉片直徑，m；Q為輸砂量，t/h；k1為螺旋螺距與直徑的比例系數(shù)，一般傾斜取K1≤0.8(取0.7)，n為螺旋轉(zhuǎn)速，1～400r/min；φ為填充系數(shù)，取0.35；λ為單位體積質(zhì)量，t/ m3；ε為斜輸送系數(shù)(根據(jù)不同的角度取不同的值，見(jiàn)表1)。

表1 傾斜角和斜輸送系數(shù)表

2.1.2 單個(gè)絞龍功率的計(jì)算

總的軸功率應(yīng)包括物料運(yùn)行需要功率P1，空載運(yùn)轉(zhuǎn)所需功率P2以及由于傾斜引起的附加功率P3等三部分。

P=P1+P2+P3

=QLμ/367+DL/20+QHsinβ/367

(2)

H=L·sinβ

(3)

式中：P為螺旋軸所需功率，kW；P1為物料運(yùn)行需要功率，kW；P2為空載運(yùn)轉(zhuǎn)所需功率，kW；P3為由于傾斜引起的附加功率，kW；L為輸送距離，m；H傾斜高度，m；μ為物料運(yùn)行阻力系數(shù)，β為傾斜角。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

N=ε·P·η

(4)

式中：N為驅(qū)動(dòng)需要的總功率，kW；ε為功率儲(chǔ)備系數(shù)，一般取1.2～1.4，η為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率，η≤0.9,一般為了方便取0.9。

2.1.4 輸砂量計(jì)算

Q=47·D2·S·n·φ·η·ε

(5)

S=K1·D

(6)

傾斜角為45°時(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式為:

Q=0.38·D2·d2·n·P

(7)

式中：Q為輸砂量，m3/h；d為輸砂軸軸直徑，m；為S螺距，m；K1為螺距系數(shù)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的輸送機(jī)，通常螺距為K1取0.8～1.0，當(dāng)傾斜布置或輸送物料流動(dòng)性較差時(shí)K1≤0.8；當(dāng)水平布置時(shí)，K1取值范圍為0.8～1.0[4]。

2.2 公式參數(shù)輸入及計(jì)算結(jié)果

以HS210用螺旋輸砂器為例，計(jì)算輸砂量，其計(jì)算結(jié)果如表2所列。

表2 HS210系列螺旋輸砂器主要參數(shù)表

從上述計(jì)算結(jié)果可看出，在保證2 m3/min的前提下，液壓馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速值需要400 r/min。在液壓泵排量為100 mL/r，轉(zhuǎn)速為2 739 r/min的情況下，選520 mL/r的馬達(dá)時(shí)彎曲滿足轉(zhuǎn)速要求，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到526 r/min.可以考慮在馬達(dá)前加一個(gè)減速比為1.3的減速機(jī)，這樣就保證滿足馬達(dá)轉(zhuǎn)速的情況下，增大了馬達(dá)的扭矩。

3 輸砂系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

(1) 不帶減速機(jī)方案試驗(yàn)

分別啟動(dòng)1#和2#絞龍，逐步提高絞龍轉(zhuǎn)速，檢測(cè)絞龍是否轉(zhuǎn)動(dòng)，絞龍液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)是否正常；不斷變換絞龍轉(zhuǎn)速，檢測(cè)絞龍工作是否有發(fā)卡、干涉、異響等現(xiàn)象；通過(guò)變換正反轉(zhuǎn)控制按鈕，檢測(cè)絞龍正反轉(zhuǎn)功能是否正常。

通過(guò)調(diào)速按鈕，逐步改變絞龍轉(zhuǎn)速，并通過(guò)NI設(shè)備檢測(cè)到的速度-時(shí)間曲線，判定最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

模擬混砂車(chē)絞龍實(shí)際輸砂工況，提供不同密度的砂粒和不同砂液比，使絞龍置于某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行，檢測(cè)絞龍?jiān)诓煌r下的工作性能。

(2) 帶減速機(jī)方案試驗(yàn)

在馬達(dá)后加減速比為1.3的減速機(jī)，按照同樣的方法對(duì)輸砂絞龍進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 功能測(cè)試

表3為功能測(cè)試記錄表。

表3 功能測(cè)試記錄表

測(cè)試結(jié)果總結(jié)如下：

(1) 空載試驗(yàn)工況，絞龍正反轉(zhuǎn)測(cè)試功能正常，其他各項(xiàng)功能均比較正常。

(2) 帶載試驗(yàn)工況，絞龍運(yùn)行一段時(shí)間，停機(jī)后再次啟動(dòng)，低速啟動(dòng)困難，需不斷提升絞龍轉(zhuǎn)速，才可以啟動(dòng)；帶減速機(jī)的絞龍不存在低速啟動(dòng)困難現(xiàn)象。

(3) 帶載試驗(yàn)工況，低速運(yùn)行狀態(tài)下，兩個(gè)絞龍均出現(xiàn)發(fā)卡現(xiàn)象，發(fā)卡時(shí)工作油壓最大值6 MPa，帶減速的絞龍發(fā)卡時(shí)工作油壓為4.5 MPa。

3.2.2 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測(cè)試

表4為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測(cè)試記錄表。

測(cè)試結(jié)果總結(jié)如下：

(1) 不帶減速機(jī)裝置試驗(yàn)時(shí)，1#、2#絞龍最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與理論值有差距，絞龍轉(zhuǎn)速在20 r/min以下，絞龍轉(zhuǎn)動(dòng)不連續(xù)，出現(xiàn)發(fā)卡現(xiàn)象；帶減速機(jī)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在理論范圍之內(nèi)。

(2) 絞龍的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速均大于300 r/min，且?guī)p速機(jī)的裝置的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速更高。

表4 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測(cè)試記錄表

3.2.3 連續(xù)性試驗(yàn)

表5為連續(xù)性試驗(yàn)工況表(不帶減速機(jī)方案)，表6為連續(xù)性試驗(yàn)工況表(帶減速機(jī)方案)

表5 連續(xù)性試驗(yàn)工況表(不帶減速機(jī)方案)

表6 連續(xù)性試驗(yàn)工況表(帶減速機(jī)方案)

測(cè)試結(jié)果總結(jié)如下：

(1) 不帶減速機(jī)的1#、2#絞龍?jiān)诘娃D(zhuǎn)速(20 r/min以下)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)不連續(xù)，會(huì)出現(xiàn)發(fā)卡，工作油壓波動(dòng)頻繁，最高瞬時(shí)壓力值8 MPa；

(2) 帶減速機(jī)的絞龍：1#絞龍?jiān)? r/min連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，出現(xiàn)2次卡死現(xiàn)象，第一次卡死，油壓5 MPa，第二次卡死，油壓6 MPa，卡死后又恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)；2#絞龍?jiān)? r/min連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，出現(xiàn)一次卡死現(xiàn)象，油壓6 MPa；

(3) 不帶減速機(jī)的絞龍轉(zhuǎn)速在20 r/min以上，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較好，工作油壓波動(dòng)??；帶減速機(jī)的絞龍轉(zhuǎn)速在10 r/min以上，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較好，工作油壓波動(dòng)小。

(4) 高轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩種絞龍工作性能均比較穩(wěn)定，油壓值基本保持在4 MPa或5 MPa。

4 試驗(yàn)結(jié)論

以上兩種絞龍?jiān)囼?yàn)分別運(yùn)轉(zhuǎn)約12 h，其中功能性和穩(wěn)定轉(zhuǎn)速試驗(yàn)1.5 h，連續(xù)性試驗(yàn)8 h，標(biāo)定試驗(yàn)3 h，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康模ㄟ^(guò)以上試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1) 1#、2#絞龍正反轉(zhuǎn)測(cè)試功能正常，試驗(yàn)完成后，各部件工作性能滿足使用要求。

(2) 不帶減速機(jī)的1#、2#絞龍低速(20 r/min以下)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較差，低速運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)發(fā)卡現(xiàn)象，工作油壓波動(dòng)頻繁，高速運(yùn)轉(zhuǎn)比較穩(wěn)定，工作油壓基本保持不變；最終測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，絞龍的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速分別為22 r/min和20 r/min。在絞龍馬達(dá)后加減速機(jī)之后，性能得到較大幅度的提升，最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可達(dá)到11 r/min和10 r/min。

總體來(lái)說(shuō)，1#、2#絞龍加減速機(jī)之后工作性能基本滿足設(shè)計(jì)和使用要求，但還需后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)改進(jìn)和裝配工藝提升，才能提升絞龍的低轉(zhuǎn)速工作性能。

[1] 張小平.壓裂設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2008(10)：364-366.

[2] 鄧斌奇.混砂車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)研究[J].勘探開(kāi)發(fā)，2011(7)：93.

[3] 劉玉明.XC-HS60混砂車(chē)輸砂系統(tǒng)常見(jiàn)故障判斷與處理[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2010(11)：108-109.

[4] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：北京化學(xué)出版社，2007.

Design and Research for the Sand Transport System of Sand Mixing Truck

ZHANG Zhi-qiang, ZHOU Shi-wei, GUO Bo-jiang, ZHAO Zhen, WANG Yong-ling

(SanyHeavyEnergySourcesEquipmentCorporation,Beijing102202，China)

2014-07-21

張志強(qiáng)(1984-)，男，河南周口人，工程師，主要從事于壓裂設(shè)備設(shè)計(jì)與研究方面的工作。

TE358.1

A

1007-4414(2014)04-0134-04