大流量压裂液配制设备的橇装化设计刘庆1卢亚平1邱峰2徐占东2潘社卫1宫秀坤2杨春2台广锋1王振华2（1：北京矿冶研究总院，北京100160；2：大庆钻探工程公司井下作业工程公司，松原，138000）摘要: 为了满足大型压裂作业的需求，设计出了大流量压裂液配制装置，配制速度达到8m3/min，实现了现场配制“即配即用”，降低了配制余量，节省了配液成本，提高了压裂施工效率，该装置在吉林油田中得到了应用，经过多年的大型压裂作业验证，设备运行稳定，达到了装置的研制效果。
本文主要介绍了配液装置的配液工艺流程、装置的组成以及现场应用情况。
关键词:大流量；压裂液；连续混配；配液装置Skid Mounted Design of Large Flow Fracturing Fluid PreparationEquipmentLIU Qing1 , LU Yaping1,QIU Feng2 , XU Zhandong 2 ,PAN Shewei1,GONG Xiukong2,YANG Chun2,TAI Guangfeng1,WANG Zhenhua2(1:Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy , Beijing 100160;2:Downhole Service Engineering Company of Daqing Drilling Engineering,Songyuan,138000) ABSTRACT:In order to meet the demand of large-scale fracturing, large flow of fracturing fluid preparation equipment is developed. liquid mixing velocity reaches 8m3/min, Field liquid mixing ‘ready-to-use’ is implemented, Reduced the liquid allowance, saved the liquid mixing costs, and improved the efficiency of fracturing construction.The device has been used in jilin oilfield, after many years of verification in large-scale fracturing operation, equipment operation was stabled, development effect was achieved. This paper mainly introduces the liquid mixing process, composition and field application of this device.KEY WORDS: large flow; fracturing fluid; continuous mixing; mixing device0 引言现有的水力压裂工艺通常是在施工前在配液站提前配制好压裂液，采用罐车运送至现场，而如今压裂现场呈现出作业点分布广的特点，仅靠固定配液站配液的方式已不能满足大型压裂作业要求，需要开发新的配液方式，以解决压裂准备时间长、罐车拉液成本高、压裂液防腐以及残液环保处理等诸多难题。
连续混配技术在国外80年代已经开始研究使用，但多以油基浓缩液的方式配液，溶解介质使用柴油或轻质原油【1】，而国内大多使用水基压裂液来降低压裂施工成本【2-5】。
目前国内已开发出了移动式配液车或配液橇，配液速度通常是2~4m3/min，可根据现场作业情况灵活调整配液量和配方，极大地降低配液余量，节省了配液成本，对环境的污染明显减少。
本文结合配制压裂液的工艺特点，使配液设备模块化、橇装化，压裂液配制的最大速度为8m3/min，可实现大型压裂作业中的现场配液，大幅提高了现场压裂施工的生产效率。
1配液系统的工艺流程压裂液配液系统采用集成橇装化设计，由原料添加橇、混配橇、缓冲罐和动力控制系统组成，如图1所示。
原料添加橇负责提供胶粉、添加剂供应，胶粉通过原料添加橇的精确输出给混配橇，由混配橇将清水与胶粉混合增黏，当胶粉融合后加入添加剂，待液体快速增黏后，发液到缓冲罐中，缓冲罐与压裂机组相连，确认配制的压裂液满足使用要求后，开始压裂作业。
压裂液混配装置的动力由动力控制系统提供，同时动力控制系统还收集配液信号，输出控制信号，实时调节流速，监控配液过程，保证整个混配系统平稳运行。
图1 配液装置的工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of fluid preparation equipment2配液装置的组成2.1原料添加橇原料添加橇主要包括两台胶粉自动供给装置和三个添加剂供给系统，实现对混配橇的胶粉和添加剂的供应，如图2所示。
粉胶图2 原料添加橇结构图Fig.2 Structure drawing of raw material adding skid（1）胶粉自动供给装置采用定量输送的方式，可随配方和配制过程的变化进行精确供料，保证胶粉在配液期间内连续均匀地输料。
两台胶粉自动供给装置可分别给混配橇的两个混合器供料，可以根据配液量的需求一停一用或两个同时用，具有配液的灵活性。
（2）添加剂供给装置分为上液、储液、发液三个过程：上液泵吸入口通过软管插入到助剂原料桶内，抽吸打入到储液罐中；三个储液罐设置有液位仪，显示罐内的助剂量；发液泵可调速，可控制打入到混配橇增黏罐内的添加剂量。
2.2 混配橇混配橇是配制压裂液的核心装置，主要将胶粉与水混合，在最短时间内将压裂基液粘度增加到使用值，主要包括：混合器、增黏装置、发液泵、残液泵等，如图3所示。
图3 压裂液混配橇结构图Fig.3 Structure drawing of fracturing fluid mixing skid（1）混合器供水泵抽吸来自外围供水罐的清水，并泵入到混合器中，混合器设有进水口、进粉口和一个出液口。
通过进水口流入混合器的清水在混合装置中产生负压，胶粉通过进粉口进入与水混合形成胶液，然后进入增黏装置内。
供水泵流量可根据设定值及胶粉的配比自动进行调整，，从而保证水与胶粉的配比。
从实际配液生产分析，泵最小配液速度为3m3/min，因此总配液能力范围是：3~8m3/min，可以很好地满足常规压裂和大规模压裂作业的需要。
（2）增黏装置增黏装置内部划分成多个隔断，隔断内相互连通，且每个隔断内均设有一个强力搅拌装置。
基液在增黏装置内的流动遵循“先进先出”的原则，依次流过多个隔断，在连续搅拌的作用下，不仅保证各种物料得到均匀混合，而且使基液粘度在罐流动时间内得到充分释放，达到快速提高液体粘度的目的。
为提高搅拌装置的增黏效果，在转子外围增设一个筒形的挡板筒（定子），其垂直挡板是为了抑制切向流，将切向流转移为径向流和轴向流，增大湍流和对流循环强度，从而提高搅拌的强度。
（3）残液泵混配橇的成品液通过发液泵向缓冲罐输出，残留在增黏罐内的成品液，可以通过残液泵抽吸到缓冲罐，从而保证罐体的清洁。
综合以上论述，混配橇有以下特点：1）清水和胶粉供给量均采用计量装置，配比精度高。
2）多段强力搅拌可充分释放基液粘度。
3）供水泵采取双泵配置增强系统可靠性和生产灵活性。
2.3 动力控制系统动力控制系统主要由柴油发电机组、PLC控制柜、混配橇控制柜、原料添加橇控制柜和电器仪表设备组成，如图4所示。
图4 动力控制系统图Fig.4 Power control system diagram为适应野外作业环境，设置了一个柴油发电机组作为全套配液设备的动力。
控制系统采用PLC控制，PLC控制柜与混配橇控制柜和原料添加橇控制柜相连，橇控制柜与各个电器、仪表设备相连，从而实现配液过程的自动控制，并对设备的运转情况进行监控。
柴油发电机组和控制室设置在动力厢体内。
厢体中分成两个区间，分别作为柴油发电机组区间和控制室区间，中间隔板采用隔音降噪处理。
PLC控制系统带有触摸屏，控制系统对配液过程中各系统的启动顺序、工作时间进行精确控制，并通过仪表对流体状态进行检测。
3现场配液的情况2012年5月配液装置进行联机调试，配液速度达到8 m3/min。
6月开始在吉林油田井区进行现场配液压裂施工，瓜尔胶配比可实时调节，缓冲罐出口粘度到实验室最高粘度的90%以上，实现了压裂液的连续混配。
同时可以根据现场压裂施工的情况，调整压裂液配液量，减少配液成本，截止9月底，共压裂施工7口井，累计现场配液近40000m3，与设计配液量相比节省了37%，也省去了前期配液和长途运输时间，加快了配液速度，极大地提高了压裂施工的效率。
经过多年的现场施工，配液设备一次连续配液时长可达4小时，日最大配液量2500m3，截止2015年底共配制压裂液17余万方，运行平稳可靠。
4结语大流量压裂液配液装置通过胶粉、清水的精确供给、高效水粉混合、快速增黏等方式，能够快速配制出压裂基液，基液配制速度能够达到8m3/min。
同时可精确添加各种压裂液添加剂，与压裂机组紧密配合控制配液流量，使连续混配与压裂施工组成了一个有机整体。
压裂液配液装置运行过程完全实现自动控制，降低了劳动强度，提高了生产效率、实现了节能降耗。
大流量连续混配技术解决了连续混配压裂的瓶颈问题，实现了油田“万方液，千方砂”大型压裂施工的要求，依据此技术可以将配液速度加大到16m3/min，甚至更大，同样可以应用在山地、海洋等油区的大型压裂项目中，为压裂液配制技术指明了新的发展方向。
参考文献：[1] 卢拥军.九十年代国外压裂液技术发展的新动向.[J].石油与天然气化工,1998,27(2):115~125.[2] 胥云.中国压裂技术的未来.[J].石油与装备,2012,47(6):43~45[3] 卫秀芬,刚晗.大庆油田压裂工艺技术创新发展与前景展望.[J].石油规划设计,2012,23(5):1~6.[4] 潘社卫,卢亚平.石油压裂液高效配制技术的研究与应用.[J].矿冶,2012, 21(1):68~76.[5] 黄朝阳,张林业,刘迎春等.GR-11改性胍胶压裂液配制工艺的改造与应用.[J].机械,2004,31(3):61~64.作者简介：刘庆，生于1982年。
2007年毕业于哈尔滨工业大学，工学硕士，高级工程师。
现从事石油压裂液配制设备的研究和设计工作。
E-mail:liu_qing@专利：国家发明专利一种压裂液大流量配液系统及配液方法（201110457842.6）；国家实用新型专利大流量撬装式配液装置(201120570705.9)。