Công suất bơm Frac: Năng lượng thủy lực-cơ khí để bẻ gãy

Làm thế nào một máy bơm bẻ gãy chuyển đổi năng lượng thành chất lỏng áp suất cao

Trong giải pháp bẻ gãy thủy lực, hệ thống bơm tồn tại với một mục đích: nó chuyển đổi năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ học để cung cấp chất lỏng bẻ gãy áp suất cao ở một tỷ lệ được kiểm soát. Trên thực tế, điều đó có nghĩa là biến công suất trục đầu vào (từ động cơ diesel hoặc động cơ điện) thành chuyển động tịnh tiến tạo áp suất cho chất lỏng trong đầu chất lỏng của máy bơm .

Đường năng lượng qua gói bơm

• Động cơ chính cung cấp công suất quay (mã lực hoặc kW) cho hộp số hoặc hộp giảm tốc.
• Đầu nguồn chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến thông qua trục khuỷu, thanh nối và đầu chữ thập.
• Pít tông dẫn chất lỏng vào đầu chất lỏng; van một chiều thực thi dòng chảy một chiều để áp suất tăng lên trong hành trình xả.
• Xả sắt, bộ giảm chấn và ống góp phân phối chất lỏng áp suất cao đến giếng.

Bởi vì đầu chất lỏng là một hệ thống chuyển vị dương, dòng chảy chủ yếu được thiết lập bởi chuyển vị và tốc độ, trong khi áp suất chủ yếu được thiết lập bởi hạn chế hạ lưu (giếng và các lỗ thủng). Nhu cầu điện năng là sản phẩm của cả hai.

Định cỡ máy bơm bằng các tính toán thực tế, sẵn sàng tại hiện trường

Quy trình xác định kích thước hữu ích nhất là: (1) thiết lập tốc độ và áp suất yêu cầu, (2) tính toán công suất thủy lực và (3) tính toán ngược công suất trục yêu cầu sử dụng hiệu suất và biên thực tế.

Các công thức cốt lõi được sử dụng trong công việc frac

Ví dụ hoạt động với các số tỷ lệ thực

Giả sử giai đoạn yêu cầu 80 thùng/phút ở mức 10.000 psi. Tốc độ chuyển đổi: 80 thùng/phút × 42 = 3.360 gpm. Khi đó mã lực thủy lực là HHP = (10.000×3.360)/1714 ≈ 19.600 HHP .

Nếu hiệu suất cơ và thể tích kết hợp là 0,90 (ví dụ: 0,95 × 0,95), công suất trục ước tính là 19.600 / 0,90 ≈ 21.800 mã lực . Giá trị đó là yếu tố quyết định thực tế về số lượng bộ máy bơm phải hoạt động và độ cứng của mỗi bộ máy bơm mà không bị quá nóng hoặc tăng tốc độ mài mòn.

Điều gì thực sự “chuyển đổi” bên trong máy bơm frac

Việc chuyển đổi từ nguồn điện đầu vào sang chất lỏng điều áp xảy ra trên hai cụm với các chế độ hư hỏng và chiến lược bảo trì khác nhau: đầu nguồn (cơ khí) và đầu chất lỏng (thủy lực áp suất cao).

Đầu nguồn: quản lý năng lượng cơ học và nhiệt

• Trục khuỷu, vòng bi và thanh kết nối chuyển chuyển động quay thành hành trình tuyến tính.
• Chất lượng bôi trơn và kiểm soát nhiệt độ là yếu tố chính quyết định tuổi thọ ổ trục.
• Chạy quá tốc độ làm tăng tải quán tính; mô-men xoắn quá mức làm tăng ứng suất tiếp xúc—cả hai đều có thể làm giảm tuổi thọ hoạt động ngay cả khi áp suất có vẻ “bình thường”.

Đầu chất lỏng: tạo áp suất, kiểm soát rò rỉ và chống xói mòn

• Pit tông và đệm kín tạo ra vòng đệm chuyển động cho phép áp suất tăng lên trong hành trình xả.
• Van hút và xả phải hoạt động ổn định ở số chu kỳ cao; chỗ ngồi kém gây ra nhiệt, rửa trôi và gợn sóng áp suất.
• Proppant và chất rắn chủ yếu tấn công các van, chỗ ngồi và vòng quay dòng chảy bên trong; lọc và hóa học là các biện pháp kiểm soát hoạt động, không phải là suy nghĩ lại.

Lựa chọn Triplex và Quintuplex cho chất lỏng nứt gãy áp suất cao

Cả hai thiết kế triplex và quintuplex đều có thể cung cấp chất lỏng bẻ gãy áp suất cao, nhưng chúng đánh đổi xung, tải thành phần, dấu chân và khả năng tiếp cận bảo trì. Việc lựa chọn phải phản ánh đường bao mức áp suất và khả năng chịu đựng thời gian ngừng hoạt động của cơ sở.

Sự khác biệt thực tế quan trọng trong lĩnh vực này

• Độ mịn của dòng chảy: nhiều pít tông hơn thường làm giảm biên độ xung, có thể làm giảm độ rung trong sắt và cải thiện độ ổn định của thiết bị đo.
• Tải mỗi pít tông: với cùng một tổng công suất, các pít tông bổ sung có thể giảm tải trên mỗi pít tông, có khả năng cải thiện tuổi thọ của van và đóng gói.
• Mô hình bảo trì: nhiều thành phần cuối cùng hơn có thể có nghĩa là những can thiệp nhỏ thường xuyên hơn, ngay cả khi mỗi thành phần ít bị căng thẳng hơn.

Một cách mang tính xây dựng để quyết định là lập bản đồ phạm vi hoạt động dự kiến ​​(áp suất so với tốc độ) và sau đó hỏi: cấu hình nào giảm thiểu số giờ sử dụng trên mức tải mà trước đây lỗi tăng tốc? Ngay cả việc giảm tải tối đa một cách khiêm tốn cũng có thể thay đổi đáng kể tổng số giờ bảo trì trên một tấm đệm nhiều giếng.

Tránh hiện tượng xâm thực và tổn thất phía hút gây lãng phí điện năng

Nếu phía hút bị thiếu, máy bơm không thể chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng thủy lực một cách hiệu quả—thay vào đó, năng lượng sẽ bị đốt cháy do rung động, nhiệt và hư hỏng bộ phận. Trong dịch vụ bẻ gãy, các vấn đề về hút thường xuất hiện như tốc độ không ổn định, vận hành ồn ào, độ mòn của đệm tăng tốc và áp suất xả thất thường.

Kiểm soát hoạt động trực tiếp làm giảm nguy cơ xâm thực

1. Giữ đường ống hút ngắn và quá khổ; giảm thiểu các khuỷu tay sắc nhọn ngay phía thượng nguồn của máy bơm.
2. Duy trì điều kiện hút tích cực bằng cách sử dụng máy bơm tăng áp và quản lý bể chứa một cách kỷ luật, đặc biệt là khi thay đổi tốc độ.
3. Kiểm soát chất lượng chất lỏng: khí cuốn theo và chất rắn quá mức làm tăng khả năng nén và mài mòn, làm gợn sóng áp suất xấu đi và hỏng van.
4. Tốc độ và áp suất tăng dần; các bước thay đổi sẽ khuếch đại tổn thất hút nhất thời và có thể kích hoạt hiện tượng xâm thực tạm thời ngay cả khi trạng thái ổn định có vẻ chấp nhận được.

Bài học thực tế: nếu độ ổn định của lực hút được cải thiện, cùng một máy bơm thường cung cấp cùng một mục tiêu tốc độ áp suất ở độ rung thấp hơn và tần suất bảo trì thấp hơn, cải thiện hiệu quả việc chuyển đổi “có thể sử dụng” của đầu vào cơ học thành đầu ra chất lỏng áp suất cao.

Lập kế hoạch bảo trì bằng cách sử dụng tư duy dựa trên chu kỳ

Máy bơm Frac là máy có chu kỳ cao; nhiều “thất bại bí ẩn” trở nên có thể đoán trước được khi được thể hiện bằng nét chữ chứ không phải hàng giờ. Việc chuyển đổi thời gian chạy thành chu kỳ cũng giúp so sánh các công việc có tốc độ và cấu hình nhiệm vụ khác nhau.

Ví dụ: chuyển tốc độ thành chu trình cơ khí và van

Ở tốc độ 250 vòng/phút, một máy bơm pittông hoàn thành khoảng 250 hành trình mỗi phút trên mỗi pít tông. Điều đó tương đương với 15.000 nhịp/giờ và 360.000 đột quỵ/ngày . Nếu chu kỳ làm việc kéo dài nhiều ngày, các vật tư tiêu hao như bao bì và van có thể nhanh chóng phát hiện ra hàng triệu sự kiện—đặc biệt là khi có chất proppant bị mài mòn hoặc sự thay đổi áp suất.

Mục tiêu kiểm tra có tác động cao

• Xu hướng rò rỉ đệm kín: mức độ rò rỉ ngày càng tăng thường là dấu hiệu sớm về điểm số của pít tông hoặc sự xuống cấp của đệm kín.
• Tình trạng chỗ ngồi của van: gợn sóng áp suất lặp lại hoặc nhiệt có thể cho thấy van không được niêm phong sạch sẽ.
• Nhiệt độ dầu đầu nguồn và mảnh vụn: nhiệt độ tăng hoặc cặn kim loại cho thấy tổn thất do ma sát và khả năng hư hỏng vòng bi.

Xử lý sự cố: khi hiệu suất chuyển đổi bị giảm

Khi gói máy bơm không còn chuyển đổi hiệu quả đầu vào cơ học thành đầu ra chất lỏng nứt gãy áp suất cao, các triệu chứng thường xuất hiện dưới dạng một trong ba kiểu: (a) công suất cao hơn cho cùng một mức áp suất, (b) áp suất không ổn định ở tốc độ ổn định, hoặc (c) nhiệt độ các bộ phận tăng lên mà không có sự thay đổi vận hành rõ ràng.

Bản đồ chẩn đoán nhanh từ triệu chứng đến nguyên nhân có thể

• Công suất tăng, sản lượng không đổi: tăng ma sát cơ học (vấn đề bôi trơn), đóng gói quá chặt hoặc sai lệch trong hệ thống truyền động.
• Áp suất dao động với tốc độ ổn định: rò rỉ van, hút kém, cuốn khí hoặc suy giảm hiệu suất của bộ giảm chấn.
• Tốc độ giảm ở cùng tốc độ: tổn thất hiệu suất thể tích do hư hỏng van, trượt quá mức hoặc đường rò rỉ bên trong ở đầu chất lỏng.

Quy tắc trường: nếu mục tiêu áp suất và tốc độ yêu cầu nhiều mã lực hơn đáng kể so với trước đó trong công việc ở các điều kiện tương đương, hãy coi đó là vấn đề về hiệu suất chuyển đổi và kiểm tra độ ổn định của lực hút, van và đệm kín trước khi tải thiết bị mạnh hơn.