CO_2密闭混砂装置清砂参数优化及现场试验_聂俊.pdf

第 卷第期 年月非常规油气 引用：聂俊，杨延增，叶文勇 密闭混砂装置清砂参数优化及现场试验非常规油气，（）：，（）：密闭混砂装置清砂参数优化及现场试验聂俊，杨延增，叶文勇，（中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，西安 ；低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 ；中国石油天然气集团公司油气藏改造重点实验室二氧化碳压裂增产研究室，西安 ）摘要：为了促进 干法加砂压裂技术的配套与推广应用，针对 干法加砂压裂施工结束后，核心装备 密闭混砂装置罐体内剩余陶粒砂清理困难，清理效率低下，清理过程存在安全风险的问题，开展了清砂方式改进、风送清砂装置研制以及清砂参数优化等方面的研究工作，并进行现场试验。结果表明：）自动化清砂方案通过设计气驱与输砂螺旋结合的清砂流程，配合专门研制的风送清砂装置，相比负压清砂方案，清砂速度提高了 ，纯清砂速度提高了 ；）自动化清砂方案可实现人不进罐清砂，将陶粒砂直接输送至砂罐车，通过 密闭混砂装置远程控制清砂过程及参数，清砂工作条件大大改善，符合安全化生产要求；）大大减小清砂劳动强度，无需拆装人孔法兰，清砂人数由之前的人减少至人；）优选出最佳清砂参数，即输砂螺旋转速为 ，补压阀开度为，风送清砂装置为档位。以上成果认识，对 干法加砂压裂施工完成后的罐体高效清砂作业具有一定的指导意义。关键词：密闭混砂装置；干法加砂压裂；清砂；试验中图分类号：文献标识码：，（.，.，；.，；.，）：，收稿日期：基金项目：中国石油集团川庆钻探工程有限公司科技项目“干法加砂压裂技术配套与推广应用”（）；中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“干法加砂压裂技术现场试验”（）第一作者简介：聂俊（），男，硕士，工程师，现主要从事 干法压裂相关设备及井下工具的研究。：非常规油气油气工程 ，：），；），；），；），：；引言 干法加砂压裂技术作为一种无水压裂新技术，能消除储层水敏和水锁伤害，保护储层和支撑裂缝，实现自主快速返排，改善压裂改造效果，大幅提高单井产量。密闭混砂装置是 干法加砂压裂技术的核心装备。陶粒砂在施工前按照压裂施工设计要求加入到 密闭混砂装置罐体内。在密闭带压条件下，通过控制装置内输砂螺旋转速控制陶粒砂的加入量，使管线中的砂比浓度满足施工工艺要求。如果设备故障或者由于地层及工艺上的原因导致施工中断失败，密闭混砂装置（后简称装置）内会有陶粒砂剩余，为方便下口井的正常施工，必须将剩下的陶粒砂清理干净。现有的人工清砂方式借鉴负压式清砂原理，需打开罐体人孔进行清砂。具体流程为：首先打开装置罐体端部人孔法兰，待罐内干冰、气体散尽，利用负压清砂原理，通过空压机、负压接头和胶管将陶粒砂“吸”进砂袋，这种清砂方式需要专人拿着胶管进罐移动清砂。对长庆苏里格气田口井采用负压清砂的清砂量、清砂人数及清砂总时间等进行统计，得到负压清砂平均速度为 ，纯清砂速度为 。该清砂方式工作条件恶劣，劳动强度大，清砂速度慢，清砂过程会产生大量粉尘，不符合安全生产要求。针对上述问题，该文重新设计清砂系统流程并对清砂参数进行优化，依靠 密闭混砂装置的密闭特性和可调速输砂螺旋特性，改用气驱与输砂螺旋结合的清砂方式，装置既是清砂对象也是清砂工具，陶粒砂直接进入砂罐车内，整个清砂过程不产生粉尘，人不进罐，高效率清砂的同时大大减小劳动强度，对 干法加砂压裂施工完成后的罐体高效清砂作业具有一定的指导意义。系统组成及原理图自动化清砂系统流程 系统组成系统巧妙地将风送清砂装置与装置本身的硬件及控制系统结合，具体清砂流程如图所示。风送清砂装置出口为快装接头；出口为路管线并 年月聂俊等：密闭混砂装置清砂参数优化及现场试验联，一路为补压管线，另一路为清砂管线，补压管线依次接有流量计、补压阀、装置和出砂口阀；清砂管线依次接有压力传感器、止回阀、耐磨透明管和砂罐车，清砂管线与风送清砂装置、砂罐车以及装置之间分别通过快速接头连接。该系统将装置原有的增压管线作为清砂流程中的补压管线，将装置原有的主管线作为清砂管线，补压阀和出砂口阀属于电动开度阀，可以通过装置控制系统自由调节。清砂原理及步骤清砂系统依靠 密闭混砂装置的密闭特性和可调速螺旋输砂特性，采用气驱式清砂方式，装置既是清砂对象也是清砂工具，风送清砂装置提供清砂动力，清砂管线作为清砂通道，将补压管线与清砂管线并联连接，配合流量计、压力传感器，通过补压阀给装置补压，在装置密闭罐体内形成正压，对装置罐内陶粒砂起到气驱的作用，在输砂螺旋和空气共同驱动作用下，清空装置内的陶粒砂。调节补压阀开度、螺旋转速及风送大小，大大提高了清砂效率，降低劳动强度，基本实现机械自动化，并能有效防止清砂过程中陶粒砂在装置或清砂管线中的堵塞现象。具体的清砂步骤如下：）开机开启风送清砂装置，在清砂管线与砂罐车之间形成通路，确保压力传感器显示数值稳定无异常波动。）开阀门将出砂口阀全开，补压阀开至一定开度，给装置罐内补压，在装置内形成正压条件。）启动螺旋开启输砂螺旋，低转速运行，开始清砂，观察耐磨透明管内陶粒砂的举升情况，并观察压力传感器与流量计显示数值是否稳定，若显示数值波动比较大则说明清砂管线内砂流不均匀，极容易发生堵塞，应降低输砂螺旋的转速，直到压力传感器与流量计显示值稳定，再逐步增加输砂螺旋的转速，形成稳定的清砂流程。）停止螺旋观察耐磨透明管，若无陶粒砂通过则表示装置内陶粒砂清扫完毕，先停止输砂螺旋，然后关闭出砂口阀门。）关机关闭风送清砂装置，清砂完成。清砂参数优化为了最大化发挥自动化清砂系统清砂潜力，根据陶粒砂特性，为 密闭混砂装置专门配套设计了风送清砂装置（如图所示），采用双螺旋上砂设计 ，交替上砂，可实现不间断输送，罗茨风机为动力，集装砂和清砂为一体，设计有个风送档位，实现高效率清砂。图风送清砂装置 分析认为，影响清砂效率的关键参数主要有输砂螺旋转速、补压阀开度和风送档位这个因素。另外，由于陶粒砂自身重量，在清砂上移过程中，陶粒砂在管内运移时可能会产生砂堵，因此在室内搭建了清砂参数优化试验平台，通过对个关键参数测试及清砂试验，优选出最佳的自动化清砂参数。图清砂试验测试流程简图 图所示为清砂试验测试流程。该测试流程使用台 密闭混砂装置，通过超耐磨胶管连接。装置至装置清砂流程为：风送清砂装置出口阀通过装置进气管线与装置补压阀连接，装置通过装置清砂管线与装置连接。装置至装置清砂流程为：风送清砂装置出口阀通过装置进气管线与装置补压阀连接，装置通过装置清砂管线与装置连接。该流程在装置与装置之间构非常规油气油气工程 成循环测试条件，可以实现个装置内的陶粒砂互相倒换，方便进行多次清砂试验。室内测试流程还包括转换接头、目陶粒砂 及计时器等。在室内清砂测试过程中发现，不同参数工况下测得的清砂效率不同，清砂效率与输砂螺旋转速、补压阀开度及风送量大小三者并不是简单的线性关系，输砂螺旋转速过大可能会导致出砂口出砂过快，管线内出现砂堵；补压阀开度过小，出砂口的陶粒砂不能顺利下落，出现输砂螺旋被砂卡住等现象。为了分析补压阀开度、螺旋转速及风送量大小三者对清砂效率的影响程度，决定采用正交试验来优选出最佳清砂参数组合。在正交试验 中，确定的个影响因子分别为螺旋转速、补压阀开度和风送清砂装置档位。补压阀为开度阀，开度为 ，螺旋转速为 ，风送清砂装置设为档，制定的因素位级见表，分析每个因素对清砂结果的影响见表。再将清砂时间作为指标，通过（）正交试验，在装置与装置之间进行组清砂测试，每组取个因素不同的位级水平，测试 次，清砂时间取 次的平均值，共进行清砂试验 次，测试结果统计见表。表因素位级表 位级：螺旋转速（）：补压阀开度：风送清砂装置档位 档 档 档表参数说明 因素参数说明输砂螺旋转速决定装置罐体内陶粒砂下落速度。补压阀开度一方面给装置罐内补压，防止罐内部形成负压卡死输砂螺旋；另一方面，对装置罐内陶粒砂产生气驱作用，使其顺利落入清砂管线。风送 清 砂 装 置档位决定风送动力的大小，值越大代表清砂能力越强。表正交试验 试验序号：输砂螺旋转速（）：气相调节阀开度：风送清砂装置档位清砂时间 优水平极差 主次顺序最优组合：（注：表中，和表示每个因素各个水平下的清砂时间总和；，和表示每个因素各个水平下的清砂时间均值；极差表示因素对最终指标的影响程度）清砂时间代表清砂效率，值越小表示清砂效率越高。经过组室内清砂试验，利用（）正交试验分析法，分析每个因素的极差，根据 可知，个因素对清砂效率影响大小排序为输砂螺旋转速补压阀开度风送清砂装置档位，所以在现场应用该清砂系统时，应重点调节输砂螺旋转速大小和补压阀开度来实现高效率清砂。分析个因素在不同水平下的清砂时间总和，发现输砂螺旋转速在第个水平下、气相调节阀开度在个水平下、风送清砂装置档位在第个水平下的值分别为 ，和 ，都为最小值，因此得出该清砂系统工作的最佳参数组合为，即输砂螺旋转速为 、补压阀开度为、风送清砂装置为档位时，该清砂系统达到最大的清砂效率，此时 密闭混砂装置出砂口出砂顺畅，陶粒砂在清砂管内流动最为平稳，输砂螺旋不会产生砂卡，超耐磨胶管不会产生抖动甚至砂堵，整个清砂系统运行平稳、效率高。年月聂俊等：密闭混砂装置清砂参数优化及现场试验 现场应用应用优化后的自动化清砂系统，在长庆油田苏里格气田和延长油矿共进行了口井次的现场清砂应用，将装置罐体剩余砂量、放压、接清砂管线及清砂的时间数据记录见表。表自动化清砂系统现场应用 试验井序号清砂人数人剩余砂量放压接清砂管线清砂总计 分析表数据，人即可完成清砂流程，口井中清砂效率最高的为号井，达到了 ，清砂最慢的为号井，达到 （如图所示），平均清砂速度为 ；不计算放压及接清砂管线的时间，纯清砂速度最高的号井清砂速度达到 ，最低的号井清砂速度为 ，口井平均纯清砂速度达到了 。该自动化清砂系统现场应用显示，相比负压清砂方式其清砂速度提高了 ，纯清砂速度提高了 。另外，由于无需拆装人孔法兰，该自动化清砂系统清砂前期准备时间大大减少，由原来的减少至；通过装置远程控制输砂转速和补压阀开度即可完成清砂流程，无需人员拿着清砂管线进罐，清砂工作条件彻底改善，人员劳动强度大大减少，实现了整个清砂过程中人员安全，做到陶粒砂不落地，符合油田生产的安全环保要求。图清砂速度统计图 结论）文章重点设计了自动化清砂流程，密闭混砂装置既是清砂的对象也是清砂工具；配套设计了集输砂和清砂一体的专业化风送清砂装置，实现高效率清砂。）通过清砂正交试验，优选出最佳清砂参数，现场试验表明该清砂流程平均清砂速度达到 ，纯清砂速度达到 。）该文设计的清砂流程，适用于密闭空间内小颗粒及粉状物的清理及输送，对于 干法加砂压裂的推广应用及技术配套起到有效补充作用，可应用于化工生产行业中风送物料的输送及清理。）下一步可通过提高风送清砂装置的整体功率，升级冲砂管线，进一步提升清砂速度。参考文献：宋振云，郑维师，兰建平，等 干法加砂压裂工艺技术成都：油气田勘探与开发国际会议论文集，：，苏伟东，宋振云，马得华，等氧化碳干法压裂技术在苏里格气田的应用 钻采工艺，（）：，（）：，冯治锋，梁永恒，张楠，等一种新型连续负压清砂工具设计与应用 钻采工艺，（）：，（）：，崔益华水平管道负压气力输送 数值模拟港口装卸，（）：，（）：张萌 旋转式筛网在石子煤负压输送系统中的应用研究呼和浩特：内蒙古工业大学，非常规油气油气工程 ：，杨延增，叶文勇，聂俊 密闭混砂装置在长庆苏里格气田的应用石油科技论坛，（）：，（）：王海 煤粉制备系统螺旋输送机的优化改造 水泥技术，（）：，（）：贾宏禹，孔建益，周思柱，等 摩擦因数对 螺旋输送机中颗粒速度的影响研究 煤炭技术，（）：，（）：张鹏涛 钻屑螺旋输送机安全化改造方案设计 机电信息，（）：，（）：李立，胡渊，吴汉川 混砂车螺旋输砂器输砂能力分析及优化石油机械，（）：，（）：刘春雪，周思柱，贾宏禹，等螺旋输砂器模型试验相似设计及数值模拟石油机械，（）：，（）：杨延增，聂俊，章东哲，等一种密闭混砂罐的清砂装置中国专利：，：谷邱鑫 压缩气体输送湿式混凝土物料流动特征及管道振动防堵研究徐州：中国矿业大学，：，矫健 水力压裂用混砂车输砂装置