煤礦井下智能壓裂泵系統(tǒng)研究

李 然，孫曉冬，劉 波，王大龍,4，劉 昊，王統(tǒng)誠，劉明亮，王 超

(1.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399；2.煤炭科學(xué)研究總院 研究生院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部北京 100013；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

水力壓裂技術(shù)在煤炭綠色安全開發(fā)方面具有廣泛的應(yīng)用，如煤層水力壓裂增透技術(shù)，通過注入的高壓水作用下，使煤層產(chǎn)生裂隙并發(fā)發(fā)育成長，增多瓦斯運(yùn)移通道，提高煤層氣抽采效率；堅(jiān)硬難垮落頂板弱化、動(dòng)壓巷道卸壓、巷道定向切頂、沖擊地壓解危等安全開采需求的煤巖體壓裂技術(shù)，用以解決煤礦生產(chǎn)中產(chǎn)生的嚴(yán)重安全威脅[1]。高壓大流量壓裂泵是將壓裂介質(zhì)注入煤層轉(zhuǎn)化為高壓裂隙的動(dòng)力源，是水力壓裂的核心裝備之一。

目前，煤礦井下壓裂泵系統(tǒng)面臨的技術(shù)難題主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：①由于煤礦井下水力壓裂技術(shù)的發(fā)展，對(duì)流量或壓力的需求不斷提升，但煤礦井下對(duì)作業(yè)空間有嚴(yán)格限制，因此對(duì)壓裂泵系統(tǒng)的功率密度提出了更高的要求；②煤礦井下水力壓裂工藝參數(shù)經(jīng)常需要實(shí)際工況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，因此對(duì)壓裂泵控制系統(tǒng)智能化精準(zhǔn)控制需求越來越強(qiáng)烈，實(shí)現(xiàn)壓力、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)和智能匹配是壓裂泵系統(tǒng)的核心技術(shù)難題之一。

針對(duì)以上問題，煤炭科學(xué)研究總院智能控制技術(shù)研究分院依靠單位多年綜采智能供液技術(shù)方面的積累，以高壓大流量乳化液泵站的系列研究成果為依托[2-4]，攻克了泄液回收大流量壓裂壓力控制技術(shù)、變頻壓裂系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)技術(shù)、智能控制和監(jiān)測(cè)技術(shù)等核心技術(shù)難題，總結(jié)產(chǎn)品研發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)煤礦井下水力壓裂的工況需求，成功研制出BYW40/500B(R)型煤礦井下智能壓裂泵系統(tǒng)，并在陜西省榆林市大梁灣煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了超長距離堅(jiān)硬難垮落頂板的弱化及治理的原理性驗(yàn)證。

1 國內(nèi)外水力壓裂技術(shù)現(xiàn)狀

水力壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用主要集中在油氣行業(yè)，但美國、澳大利亞、波蘭等研究者對(duì)水力壓裂技術(shù)在煤礦的應(yīng)用進(jìn)行了研究和討論。賓夕法尼亞州立大學(xué)的Blunschi等[5]綜述了水力壓裂在煤層應(yīng)用的機(jī)理研究，并分析得出常規(guī)煤層水力壓裂處理壓力大于22.6 kPa/m的結(jié)果；澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)Jeffrey及其合作者對(duì)水力壓裂技術(shù)在煤層氣開采的試驗(yàn)及工程應(yīng)用進(jìn)行了長期系統(tǒng)的研究[6-8]。美國、波蘭及澳大利亞的研究人員將水力壓裂技術(shù)在對(duì)采礦行業(yè)和煤礦頂板治理進(jìn)行了探索[9-14]。

國內(nèi)的研究者結(jié)合我國的地質(zhì)及開采條件，在技術(shù)原理、工程實(shí)踐及裝備方面進(jìn)行了更為廣泛的研究?？导t普院士團(tuán)隊(duì)[1,15]對(duì)定向水力壓裂技術(shù)在煤礦堅(jiān)硬難垮頂板控制方面的機(jī)理、裝備、試驗(yàn)及效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深入研究；袁亮等[16]綜述了水力壓裂技術(shù)治理瓦斯的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向，并明確提出了壓裂裝備的系統(tǒng)化、安全化、便捷化和智能化的要求。在裝備研發(fā)方面，中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院和重慶研究院分別研制了井下定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)及裝備[17]和長鉆孔超高壓水力割縫增透技術(shù)及裝備[18]，用以解決礦震、瓦斯抽采增透等安全問題。重慶市能源投資集團(tuán)開發(fā)了較大功率的三缸壓裂泵組并進(jìn)行了工程應(yīng)用[19]。

2 煤礦井下智能壓裂泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

BYW40/500B(R)型煤礦井下智能壓裂泵系統(tǒng)主要包括清水過濾站、多功能水箱、BYW40/500B(R)型壓裂泵、流量傳感器、液位傳感器、電控流量閥、變頻器、監(jiān)控主機(jī)、高壓管路、動(dòng)力電纜、控制線纜及管路線路附件等，其組成如圖1所示。其中，BYW40/500B(R)型壓裂泵為五缸臥式柱塞泵，功率500 kW，最大工作壓力40 MPa時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)38 m3/h大流量下的全功率輸出。整套系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，使用環(huán)境靈活的特點(diǎn)。

圖1 BYW40/500B(R)型井下智能壓裂系統(tǒng)三維示意

礦井水在經(jīng)過清水過濾站的過濾后進(jìn)入多功能水箱存儲(chǔ)，液位傳感器對(duì)水箱液位進(jìn)行檢測(cè)并將數(shù)據(jù)傳輸至控制器，通過控制器發(fā)出信號(hào)來調(diào)整電控截止閥的開閉，以實(shí)現(xiàn)水箱的自動(dòng)補(bǔ)水。變頻器根據(jù)壓裂工作面的工況，控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速配合電控流量閥來調(diào)整泵站的輸出流量，以滿足壓裂過程中各階段對(duì)系統(tǒng)壓力增速的不同要求。監(jiān)控主機(jī)能夠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中所有傳感器的信號(hào)，并通過系統(tǒng)控制軟件在顯示器中實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)壓力、流量、水箱液位及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

2.2 工作原理

系統(tǒng)可以通過2個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)輸出流量進(jìn)行控制：①通過變頻器的輸出頻率的變化，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)整泵站輸出流量。當(dāng)變頻器輸出頻率為50 Hz時(shí)，泵站輸出流量為38 m3/h，當(dāng)變頻器輸出頻率在10～50 Hz內(nèi)變化時(shí)，泵站輸出流量也會(huì)隨之等比例調(diào)整。②通過電控流量閥通道開啟量的變化，控制系統(tǒng)短路流量大小進(jìn)而調(diào)整泵站輸出流量。在系統(tǒng)主管路中并聯(lián)一路電控流量閥，當(dāng)流量閥關(guān)閉時(shí)，泵站輸出流量全部到達(dá)壓裂工作面，系統(tǒng)壓力持續(xù)升高，升高速度與泵站輸出流量大小有關(guān)；當(dāng)系統(tǒng)需要在某一壓力狀態(tài)下保持時(shí)，流量閥按照系統(tǒng)需求調(diào)整至某一開啟狀態(tài)，變頻器在定壓控制的模式下，可以根據(jù)流量閥的開啟狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整輸出頻率，使系統(tǒng)管路形成短路狀態(tài)，泵站輸出流量均通過流量閥返回水箱，從而使系統(tǒng)壓力可以維持在某一設(shè)定值(圖2)。

圖2 BYW40/500B(R)型井下智能壓裂系統(tǒng)液壓原理

3 壓裂泵系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 泄液回收大流量壓力控制技術(shù)

適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況及操作工藝要求的液壓閥類控制元件是壓裂泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓力流量精確可調(diào)的必要條件。研制了最大流量1 000 L/min、額定壓力40 MPa的大流量泄液回收壓力控制閥，能實(shí)現(xiàn)大流量工況下壓力精確控制和泄液回收功能，如圖3所示。

圖3 FYL(1000/40)型壓力控制閥三維模型

關(guān)鍵技術(shù)具體如下：①閥芯硬密封副技術(shù)，通過高硬度金屬熱處理及精密加工工藝探索，運(yùn)用“金屬-金屬”線密封副實(shí)現(xiàn)閥芯關(guān)鍵動(dòng)作密封，解決原有軟密封副(金屬-橡膠、金屬-PEEK)抗污染能力差，壽命差等問題，完成高耐久性的安全閥硬密封結(jié)構(gòu)型式開發(fā)，提升了環(huán)境適應(yīng)性及整體壽命；②閥芯可靠性開啟技術(shù)，通過大剛度彈簧與平衡彈簧座配合設(shè)計(jì)和直動(dòng)式壓力敏感式軸向配合方案，實(shí)現(xiàn)閥芯瞬態(tài)高頻響應(yīng)，保證工況高壓大流量狀態(tài)下的安全卸載；③瞬態(tài)大流量流道和容腔設(shè)計(jì)及泄液回收技術(shù)，通過改進(jìn)閥孔和容腔體積及形狀，滿足1 000 L/min流量下壓力控制閥泄液過流，減少流體對(duì)閥套和閥體沖擊；④壓力檢測(cè)及泄壓技術(shù)，適應(yīng)多種集成供液系統(tǒng)使用工況，增加壓力實(shí)時(shí)檢測(cè)和系統(tǒng)泄壓組件，實(shí)現(xiàn)壓力可視化管理和非工作時(shí)段系統(tǒng)泄壓保護(hù)。

3.2 壓裂過程變頻壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)技術(shù)

根據(jù)壓裂的施工工藝，壓裂過程的壓力控制可以分為3個(gè)階段，分別為坐封、起裂及壓裂，現(xiàn)場(chǎng)工況對(duì)變頻水力壓裂系統(tǒng)的壓力控制主要有3個(gè)要求：①坐封階段需要系統(tǒng)可以緩慢增壓至某一較低壓力狀態(tài)，閾值為3～5 MPa，并且可以進(jìn)行一段時(shí)間的保壓；②起裂階段系統(tǒng)需要可以實(shí)現(xiàn)窄幅壓力區(qū)間內(nèi)的調(diào)節(jié)，且控制方便且可視化；③壓裂階段系統(tǒng)需要能夠迅速調(diào)至滿載工作狀態(tài)，即變頻泵站能夠全流量輸出。

為滿足壓裂施工工藝需求，研制了一種變頻水力壓裂壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)及方法[20]，如圖4所示。該系統(tǒng)包括智能控制器、主通路和旁通路。控制器通過采集壓力傳感器的信號(hào)，按照變頻器的定壓反饋，控制電控流量閥的打開程度。電控流量閥作為系統(tǒng)旁通路的控制單元，一端接入系統(tǒng)主管通路，另一端接回水箱。當(dāng)流量閥關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)旁通路處于截止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)輸出流量全部到達(dá)壓裂工作面；當(dāng)流量閥開啟時(shí)，通過變頻器調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)輸出流量全部或部分經(jīng)過流量閥返回水箱，形成旁路短路，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出流量的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力變化的調(diào)節(jié)。

圖4 壓裂過程變頻壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 智能控制和監(jiān)測(cè)技術(shù)

煤礦井下智能壓裂泵系統(tǒng)具備智能化電氣控制功能，在實(shí)現(xiàn)壓裂泵、水箱、調(diào)壓閥等主要部件自動(dòng)控制功能的基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了整套系統(tǒng)輸出流量智能監(jiān)測(cè)、壓裂壓力實(shí)時(shí)跟蹤、壓力流量匹配關(guān)系分析等關(guān)鍵技術(shù)。

煤礦水力壓裂的施工工藝可分為：坐封、起裂、壓裂、卸壓4個(gè)階段。每個(gè)階段需求的液體流量和系統(tǒng)維持壓力存在階段差異化、實(shí)時(shí)快速突變性等特點(diǎn)。依靠人工觀察和手動(dòng)操作難以滿足實(shí)時(shí)性要求，也無法達(dá)到良好壓裂效果。

坐封階段要求在較低流量和壓力狀態(tài)下，使得封孔器膨脹，在孔洞內(nèi)部形成封閉腔體。起裂階段需快速加大輸出流量，保持系統(tǒng)壓力快速均勻上升。壓裂階段需要準(zhǔn)確判斷出系統(tǒng)壓力瞬間突降變化狀態(tài)。卸壓階段則要平穩(wěn)降低輸出流量和系統(tǒng)壓力。針對(duì)上述過程，電控系統(tǒng)配備了系統(tǒng)輸出流量傳感器、系統(tǒng)輸出壓力傳感器、壓裂泵控制系統(tǒng)、監(jiān)控主機(jī)等設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出流量、輸出壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，集成了智能監(jiān)測(cè)、控制和分析功能，系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 壓裂泵智能監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)具體如下：①低壓自動(dòng)坐封技術(shù)，坐封階段通過監(jiān)控主機(jī)向變頻器給定低頻參數(shù)，保證系統(tǒng)以低流量輸出，解決了坐封壓力過高導(dǎo)致封孔器易損的難題，結(jié)合實(shí)時(shí)系統(tǒng)壓力監(jiān)測(cè)，給定變頻參數(shù)逐漸遞增，使得封孔器逐漸膨脹，實(shí)現(xiàn)良好的封孔效果；②壓力自動(dòng)跟隨起裂技術(shù)，攻克壓力曲線自動(dòng)識(shí)別技術(shù)研制壓力自動(dòng)跟隨算法，實(shí)現(xiàn)起裂過程自動(dòng)增加壓力基準(zhǔn)值，輸出流量自動(dòng)匹配系統(tǒng)壓力；③壓裂自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，研究壓力曲線陡降識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓裂完成后自動(dòng)保壓、卸壓功能。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

煤礦井下壓裂泵系統(tǒng)在榆林大梁灣煤礦、陜煤集團(tuán)孟村煤礦和華晉集團(tuán)沙曲一礦完成了井下工業(yè)性試驗(yàn)。其中榆林大梁灣煤礦試驗(yàn)為天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部牽頭的井下千米超長孔復(fù)合壓裂關(guān)鍵技術(shù)型式試驗(yàn)中的關(guān)鍵測(cè)試內(nèi)容之一，旨在對(duì)壓裂流程及智能控制方法進(jìn)行原理性驗(yàn)證。壓裂對(duì)象為煤層頂板，試驗(yàn)鉆孔深度約為800 m，壓裂過程由內(nèi)向外共分為14段。壓裂過程中監(jiān)控主機(jī)顯示并記錄了系統(tǒng)壓力和流量的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)與曲線，如圖6和圖7所示。壓力流量數(shù)據(jù)分析內(nèi)容如下。

圖6 系統(tǒng)總壓力分析

圖7 注水流量分析

壓力尖峰凸起一共14次，對(duì)應(yīng)實(shí)際壓裂次數(shù)14次，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，合計(jì)壓裂次數(shù)14次，巖層起裂時(shí)間范圍在4～15 min，起裂壓力范圍在15～21 MPa，壓裂后維持壓力在12～16 MPa。

實(shí)時(shí)注水流量最大值范圍在37.5～38.5 m3/h。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)注水流量突變14次，注水峰值約38 m3/h,如圖8所示。

圖8 注水總量分析

注水總量整體圖形呈階梯狀遞增，表示注水量是累加值，每次壓裂中注水量都會(huì)遞增，每次壓裂完成后注水停止，此時(shí)注水量為橫向平穩(wěn)臺(tái)階狀。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，最終注水總量為50.0 m3。單次注水總量范圍在1.3～5.5 m3，與壓裂位置的地質(zhì)條件有關(guān)。

5 結(jié) 論

1)開發(fā)設(shè)計(jì)適用于堅(jiān)硬難垮落頂板治理、瓦斯抽采增透的煤礦井下智能壓裂泵系統(tǒng)，壓裂泵能夠滿足最大壓力40 MPa，有效輸出流量38 m3/h。

2)重點(diǎn)攻克泄液回收大流量壓力控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大流量下壓力精確控制及泄液回收；解決坐封、起裂及壓裂過程中由3 MPa到40 MPa大范圍內(nèi)變頻壓力精確控制的技術(shù)難題；研究了基于低壓自動(dòng)坐封、壓力自動(dòng)跟隨起裂和壓裂自動(dòng)識(shí)別等核心技術(shù)的智能控制和監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3)研制的BYW40/500B(R)型煤礦井下智能壓裂泵系統(tǒng)在于陜西省榆林市大梁灣煤礦、陜煤集團(tuán)孟村煤礦和華晉集團(tuán)沙曲一礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)踐證明：系統(tǒng)能夠滿足超長距離堅(jiān)硬難垮落頂板的弱化及治理對(duì)水力壓裂裝備要求。