压裂泵泵送带磨损性介质的压裂

压裂泵泵送带磨损性介质的压裂

油气砂压裂技术是油田高产的一项重要技术。石油气裂的影响与压裂设备的性能和工作质量直接相关。压裂设备的核心是压裂泵。在超高压大排量的压裂工作过程中,压裂泵泵送磨砺性强的压裂液时,压裂泵液力端零部件的磨损非常严重。如果压裂泵只负责泵送无砂压裂液,而磨砺性强的压裂液通过泵外加砂装置在压裂泵出口端加入,就避免了压裂液流经泵时对泵的磨损,之前的不利情况就会得到极大改善。随着非常规油气资源的开发,特别是页岩油气资源的开发,要求压裂设备能够满足大功率、超大排量(≥2.5m针对超高压力、超大排量的压裂作业特点,本文首次提出了一种基于射流掺混原理的泵外加砂装置设计。该装置的特点是结构紧凑、混砂效率高,为超高压泵外加砂技术提出了一种切实可行的方案。尽管射流掺混理论已被广泛应用于射流泵、喷射泵技术中,但是其在超高压泵外加砂领域还处于研究阶段1该方案的介绍和设备的设计1.1砂罐及砂浆泵送到泵加砂装置图1为泵外加砂方案及流程,其工作流程为:压裂液罐中的无砂压裂液进入到柱塞泵中增压,之后由柱塞泵经高压管线2泵送到泵外加砂装置的高压端;砂罐中的砂浆由低压管线3进入砂泵,之后由砂泵经低压管线4泵送到泵外加砂装置的低压端;在泵外加砂装置的射流抽吸作用下,与高压端的无砂压裂液在装置内进行混合,混合后在泵外加砂装置的出口端形成满足压裂作业时井口压力的混合液,并经高压管线5排入井口,实现泵外加砂的作业流程。1.2装置工作原理图2为泵外加砂装置的结构剖视,泵外加砂装置中关键部件包括:喷嘴、混合室、喉管、扩散管;其中,喷嘴内衬采用耐磨的陶瓷材料,并烧结在管内壁面;各部件之间通过法兰连接,加工精度保证射流中心的同轴度。泵外加砂装置基于高速射流的抽吸、掺混原理,实现在压裂泵出口高磨砺性介质的低压加入及混合。无砂压裂液通过喷嘴高速喷出,在喷嘴出口产生低于吸入端的压力,从而使砂浆被吸入混合室,而后利用湍流的掺混效应在混合室及喉管部完成砂液混合,最后通过扩散管将大部分动能转换为压能,在泵外加砂装置的出口处形成具有一定压力并具有一定混合均匀度的压裂液和砂的混合液2装置抽吸特性分析泵外加砂装置的特征参数包括结构参数和操作参数2部分,主要结构参数及其变量代号如下:喷嘴直径d、喷嘴收缩角α、混合室收缩角β、喉嘴距L泵外加砂装置工作特性的好坏是衡量其特征参数是否合理的标准抽吸特性表征了泵外加砂装置抽吸砂浆的能力(或形成真空度的能力),抽吸特性越强,表示装置能抽吸具有更低压力的砂浆液。换言之,当砂浆液为大气压力时,装置的抽吸能力越强,则可适应的压裂泵出口压力越高。压降特性表征了装置在抽吸时产生真空度后的回压能力。对于泵外加砂装置来讲,抽吸特性越强、压降特性越弱则代表装置的性能越优。参考流体机械以及射流泵设计理论中的关于流动特性和结构参数的无因次值描述方式,本文引入无因次参数流量比、面积比等来描述泵外加砂装置的相关特性式中Q面积比表示为式中F压力比表示为式中p效率表示为泵外加砂装置的关键参数包括喷嘴直径d、喷嘴收缩角α、喉嘴距L喷嘴直径是影响泵外加砂装置性能最重要的参数式中φ为流量系数;ρ为水的密度,kg/m3在设备内部流场特征的数值模拟中泵外加砂装置是针对大排量高压力的压裂作业要求而设计的,本文设定的压裂作业流量为3.36m3.1网格职业模型的建立泵外加砂装置主要结构参数如下:喷嘴直径11mm、喷嘴收缩角20°、混合室收缩角45°、喉嘴距22mm、喉管直径22mm、喉管长度176mm、扩散角10°、入口1直径60mm、入口2直径60mm、出口直径70mm。据此建立流域的计算模型,对其进行空间区域离散,根据流域的实际流动特点对网格疏密程度进行调整,并对其进行了网格无关性验证。从喷嘴出口到喉管入口这一区域,高压无砂压裂液从喷嘴流出,砂浆从吸入管道进入泵内。两股流体间形成射流剪切层,并进行剧烈的动量剪切和能量交换,速度梯度大,存在较大的紊流剪切力和能量耗散,此部分网格划分要密一些,其他区域保证网格均匀过渡。无砂压裂液入口和砂浆入口的边界条件均采用速度入口边界条件,无砂压裂液入口的速度为16.5m/s,砂浆入口的速度为3.3m/s。出口边界条件为压力出口边界条件,出口压力按照压裂作业时井口压力设置为50MPa。壁面条件采用无滑移壁面边界条件。3.2湍流模型的选取使用商业软件FLUENT对泵外加砂装置进行流体力学数值模拟研究。选取精度较高的欧拉多相流模型,湍流模型采用标准k-ε模型。流动控制方程组采用有限体积法求解,采用SIMPLE算法耦合压力和速度场,离散格式为二阶迎风差分格式。3.3半压裂管出口压力随时间的变化从图4中可以看出,在泵外加砂装置入口段静压值最大,喷嘴收缩段处由于截面积逐渐减少,压裂液速度逐渐增加,造成喷嘴收缩段静压力逐渐降低;当压裂液从喷嘴喷出后,在等速核区压裂液速度达到最大值,静压力达到最低值,此时整个混合室形成负压区;之后进入喉管内,截面积增大,混合物速度逐渐降低,压力逐步升高,并趋于稳定;进入扩散段后,由于截面积逐渐增加,压裂液速度逐渐降低,静压值逐渐增加,达到所需的出口压力,在出口段压力保持稳定。4砂装置的应用超高压泵外加砂装置工作特性的好坏直接关系到泵外加砂装置能否广泛地应用在压裂工作过程中。面积比、喷嘴直径以及流量比对泵外加砂装置的工作特性有显著地影响。在给定操作参数的情况下(保持总流量Q=Q4.1模拟分析曲线图在面积比R=4、流量比M=0.2的条件下,对不同喷嘴直径d下的泵外加砂装置进行数值模拟分析,得到如图5、图6所示的曲线图。从图5可见,随着喷嘴直径的增加,抽吸特性逐渐减弱。由式(5)可知,喷嘴直径d越大,p从图6可见,随着喷嘴直径的增加,压降特性逐渐减弱。由于入口1压裂液的流量保持不变,喷嘴直径越大,入口1的压力p4.2曲线图的建立在喷嘴直径d=11mm、流量比M=0.2的条件下,对不同面积比R下的泵外加砂装置进行数值模拟分析,得到如图7、8所示的曲线图。从图7可见,随着面积比的增加,抽吸特性逐渐减弱,但减弱的幅度非常小。根据式(5)可知,在流经喷嘴的压裂液流量保持不变的情况下,如果喷嘴直径d保持不变,则压差p从图8可见,随着面积比的增加,压降特性逐渐增加。从图7分析中可知,随面积比的增加,p5装置设计指标及计算参数泵外加砂装置设计时,首先根据设计指标要求,确定高压端、低压端、排出端的流动参数,即进行流动参数匹配分析,然后根据端口的流动参数,设计泵外加砂装置,确定泵外加砂装置的结构尺寸。设计指标:泵外加砂装置高压端进口流量Q根据设计指标要求,装置出口的剩余压力p另一方面,高压端连接了压裂泵,因此高压端所能提供的压力受压裂泵最高压力限制,即流量参数的关系为表1为在流量比M=0.2、面积比R=4的条件下,对不同喷嘴直径的泵外加砂装置进行数值模拟。由表1可以看出,当喷嘴直径d=11.4mm时,泵外加砂装置满足p6装置的流体特性(1)设计了一种基于射流掺混的超高压泵外加砂装置,实现了磨砺性介质(支撑剂等)在压裂泵出口端加入的工作流程,可有效避免介质流经压裂泵时对泵的磨损。(2)建立了泵外加砂装置内部流域的流体力学模型,通过数值模