กำลังของปั๊ม Frac: พลังงานไฮดรอลิกสู่เครื่องกลสำหรับการแตกหัก

ปั๊มพร่าพรายแปลงพลังงานเป็นของเหลวแรงดันสูงได้อย่างไร

ในการกระจายการแตกหักแบบไฮดรอลิก รถไฟปั๊มมีไว้เพื่อจุดประสงค์เดียว: มัน แปลงพลังงานไฮดรอลิกเป็นพลังงานกลเพื่อส่งของเหลวพร่าพรายแรงดันสูง ในอัตราที่ควบคุมได้ ในทางปฏิบัติ นั่นหมายถึงการเปลี่ยนกำลังเพลาอินพุต (จากเครื่องยนต์ดีเซลหรือมอเตอร์ไฟฟ้า) ให้เป็นการเคลื่อนที่แบบลูกสูบซึ่งจะเพิ่มแรงดันของของไหลใน ปลายของเหลวของปั๊ม .

เส้นทางพลังงานผ่านแพ็คเกจปั๊ม

• Prime Mover ให้กำลังในการหมุน (แรงม้าหรือกิโลวัตต์) ให้กับระบบส่งกำลังหรือชุดทดเกียร์
• ระบบส่งกำลังจะแปลงการหมุนเป็นแบบลูกสูบกลับผ่านเพลาข้อเหวี่ยง ก้านสูบ และครอสเฮด
• ลูกสูบขับเคลื่อนของเหลวที่ปลายของเหลว เช็ควาล์วบังคับให้มีการไหลทางเดียวดังนั้นแรงดันจึงสร้างที่จังหวะการจ่าย
• เหล็กปล่อย แดมเปอร์ และท่อร่วมกระจายของเหลวแรงดันสูงไปยังหลุมเจาะ

เนื่องจากปลายของไหลเป็นระบบการเคลื่อนที่แบบบวก การไหลจึงถูกกำหนดโดยการเคลื่อนที่และความเร็วเป็นหลัก ในขณะที่แรงดันถูกกำหนดโดยข้อจำกัดด้านท้ายน้ำเป็นหลัก (หลุมและการเจาะ) ความต้องการพลังงานเป็นผลผลิตจากทั้งสอง

การกำหนดขนาดปั๊มด้วยการคำนวณที่ใช้งานได้จริงและพร้อมภาคสนาม

ขั้นตอนการทำงานในการกำหนดขนาดที่มีประโยชน์ที่สุดคือ: (1) กำหนดอัตราและความดันที่ต้องการ (2) คำนวณกำลังไฮดรอลิก และ (3) คำนวณกำลังเพลาที่ต้องการกลับโดยใช้ประสิทธิภาพและระยะขอบที่สมจริง

สูตรหลักที่ใช้กับงาน frac

ตัวอย่างการทำงานกับตัวเลข frac-scale จริง

สมมติว่าเวทีต้องการ 80 บาร์เรล/นาทีที่ 10,000 psi อัตราการแปลง: 80 บาร์เรล/นาที × 42 = 3,360 gpm แรงม้าไฮดรอลิกคือ HHP = (10,000 × 3,360) / 1714 data 19,600 แรงม้า .

หากประสิทธิภาพเชิงกลและปริมาตรรวมคือ 0.90 (เช่น 0.95 × 0.95) กำลังของเพลาโดยประมาณคือ 19,600 / 0.90 data 21,800 แรงม้า . ค่าดังกล่าวเป็นตัวขับเคลื่อนในทางปฏิบัติสำหรับจำนวนหน่วยปั๊มที่ต้องออนไลน์ และน้ำหนักของแต่ละตัวในการโหลดโดยไม่ทำให้ร้อนเกินไปหรือเร่งการสึกหรอ

จริงๆ แล้ว "การแปลง" ภายในปั๊ม frac คืออะไร

การแปลงจากกำลังไฟฟ้าเข้าไปเป็นของไหลที่มีแรงดันเกิดขึ้นในสองชุดประกอบที่มีโหมดความล้มเหลวและกลยุทธ์การบำรุงรักษาที่แตกต่างกัน: ปลายกำลัง (กลไก) และปลายของไหล (ระบบไฮดรอลิกแรงดันสูง)

สิ้นสุดกำลัง: การจัดการกำลังทางกลและความร้อน

• เพลาข้อเหวี่ยง แบริ่ง และก้านสูบเปลี่ยนการหมุนเป็นจังหวะเชิงเส้น
• คุณภาพการหล่อลื่นและการควบคุมอุณหภูมิเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของอายุการใช้งานของตลับลูกปืน
• การเร่งความเร็วเกินจะเพิ่มแรงเฉื่อย แรงบิดที่มากเกินไปจะเพิ่มความเครียดจากการสัมผัส—ทั้งสองอย่างสามารถลดอายุการใช้งานได้ แม้ว่าแรงดันจะดู “ปกติ”

ปลายของของไหล: สร้างแรงดัน ควบคุมการรั่วไหล และรอดจากการกัดเซาะ

• ลูกสูบและบรรจุภัณฑ์จะสร้างซีลที่เคลื่อนที่ได้ซึ่งช่วยให้แรงดันเพิ่มขึ้นในจังหวะการจ่าย
• วาล์วดูดและวาล์วระบายต้องวางตำแหน่งได้อย่างน่าเชื่อถือที่จำนวนรอบสูง ที่นั่งที่ไม่ดีทำให้เกิดความร้อน การชะล้าง และแรงดันกระเพื่อม
• สารโพรเพนต์และของแข็งโจมตีวาล์ว บ่า และการหมุนการไหลภายในเป็นหลัก การกรองและเคมีเป็นการควบคุมการปฏิบัติงาน ไม่ใช่สิ่งที่ตามมาภายหลัง

การเลือก Triplex กับ quintuplex สำหรับของไหลพร่าพรายแรงดันสูง

การออกแบบทั้งแบบสามเท่าและแบบควินทูเพล็กซ์สามารถส่งของเหลวพร่าพรายแรงดันสูงได้ แต่จะแลกกับการเต้นเป็นจังหวะ การโหลดส่วนประกอบ รอยเท้า และการเข้าถึงการบำรุงรักษา การเลือกควรสะท้อนถึงกรอบอัตราความดันและความทนทานต่อการหยุดทำงานของไซต์งาน

ความแตกต่างในทางปฏิบัติที่สำคัญในสาขานี้

• ความเรียบของการไหล: โดยทั่วไปลูกสูบจำนวนมากจะลดแอมพลิจูดของการเต้นเป็นจังหวะ ซึ่งสามารถลดการสั่นสะเทือนในเหล็กและปรับปรุงความเสถียรของเครื่องมือวัดได้
• โหลดต่อลูกสูบ: สำหรับเอาต์พุตรวมที่เท่ากัน ลูกสูบเพิ่มเติมสามารถลดภาระต่อลูกสูบ ซึ่งอาจช่วยปรับปรุงการบรรจุและอายุการใช้งานของวาล์ว
• รูปแบบการบำรุงรักษา: ส่วนประกอบปลายของเหลวที่มากขึ้นอาจหมายถึงการแทรกแซงเล็กๆ น้อยๆ บ่อยขึ้น แม้ว่าแต่ละส่วนประกอบจะเครียดน้อยลงก็ตาม

วิธีที่สร้างสรรค์ในการตัดสินใจคือการแมปแถบการทำงานที่คาดหวัง (ความดันเทียบกับอัตรา) แล้วถามว่า: การกำหนดค่าใดที่ช่วยลดจำนวนชั่วโมงที่ใช้เกินระดับโหลดซึ่งความล้มเหลวเร่งขึ้นในอดีต แม้แต่การลดลงเพียงเล็กน้อยในการโหลดสูงสุดอย่างต่อเนื่องก็สามารถเปลี่ยนชั่วโมงการบำรุงรักษาโดยรวมของแผ่นหลายหลุมได้อย่างมาก

หลีกเลี่ยงการเกิดโพรงอากาศและการสูญเสียด้านดูดที่ทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน

หากด้านดูดขาด ปั๊มจะไม่สามารถแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฮดรอลิกได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยพลังงานจะถูกเผาไหม้แทนการสั่นสะเทือน ความร้อน และความเสียหายของส่วนประกอบ ในการบริการแตกหัก ปัญหาการดูดมักเกิดขึ้นจากอัตราที่ไม่เสถียร การทำงานที่มีเสียงดัง การสึกหรอของบรรจุภัณฑ์เร็วขึ้น และแรงดันในการปล่อยที่ไม่แน่นอน

การควบคุมการปฏิบัติงานที่ช่วยลดความเสี่ยงจากการเกิดโพรงอากาศได้โดยตรง

1. รักษาท่อประปาดูดให้สั้นและใหญ่เกินไป ลดข้อศอกอันแหลมคมให้เหลือน้อยที่สุดที่ต้นน้ำของปั๊มทันที
2. รักษาสภาวะการดูดเชิงบวกโดยใช้ปั๊มเพิ่มแรงดันและการจัดการถังที่มีระเบียบวินัย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการเปลี่ยนแปลงอัตรา
3. ควบคุมคุณภาพของเหลว: ก๊าซที่กักขังและของแข็งที่มากเกินไปจะเพิ่มความสามารถในการอัดและการเสียดสี แรงดันกระเพื่อมและวาล์วทำงานแย่ลง
4. ความเร็วและความดันทางลาด การเปลี่ยนแปลงขั้นตอนจะขยายการสูญเสียการดูดชั่วคราว และอาจกระตุ้นให้เกิดโพรงอากาศชั่วขณะ แม้ว่าสถานะคงตัวจะดูเป็นที่ยอมรับก็ตาม

สิ่งที่นำไปใช้ได้จริง: หากความเสถียรในการดูดดีขึ้น ปั๊มตัวเดียวกันมักจะให้เป้าหมายอัตราความดันเดียวกันที่การสั่นสะเทือนน้อยลงและความถี่ในการบำรุงรักษาต่ำลง ซึ่งช่วยปรับปรุงการแปลงอินพุตทางกล "ใช้งานได้" ไปเป็นเอาท์พุตของไหลแรงดันสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การวางแผนการบำรุงรักษาโดยใช้การคิดตามวัฏจักร

ปั๊ม Frac เป็นเครื่องจักรรอบสูง “ความล้มเหลวลึกลับ” หลายอย่างสามารถคาดเดาได้เมื่อแสดงเป็นจังหวะ ไม่ใช่ชั่วโมง การแปลงรันไทม์เป็นรอบยังช่วยเปรียบเทียบงานที่มีความเร็วและโปรไฟล์หน้าที่ต่างกัน

ตัวอย่าง: การแปลงความเร็วเป็นรอบกลไกและวาล์ว

ที่ 250 รอบต่อนาที ปั๊มลูกสูบจะเสร็จสมบูรณ์ประมาณ 250 จังหวะต่อนาทีต่อลูกสูบ นั่นเท่ากับ 15,000 จังหวะ/ชั่วโมง และ 360,000 จังหวะ/วัน . หากรอบการทำงานดำเนินไปหลายวัน วัสดุสิ้นเปลือง เช่น การบรรจุและวาล์ว สามารถมองเห็นเหตุการณ์นับล้านได้อย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีสารโพรเพนที่มีฤทธิ์กัดกร่อนหรือแรงดันเปลี่ยนแปลง

เป้าหมายการตรวจสอบที่มีผลกระทบสูง

• แนวโน้มการรั่วไหลของบรรจุภัณฑ์: การรั่วไหลที่เพิ่มขึ้นมักเป็นตัวบ่งชี้เบื้องต้นของการให้คะแนนของลูกสูบหรือการเสื่อมสภาพของบรรจุภัณฑ์
• สภาวะที่นั่งวาล์ว: แรงดันกระเพื่อมหรือความร้อนเกิดขึ้นซ้ำอาจบ่งชี้ว่าวาล์วปิดผนึกไม่สนิท
• อุณหภูมิน้ำมันและเศษชิ้นส่วนของระบบส่งกำลัง: อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นหรือค่าละเอียดของโลหะบ่งบอกถึงการสูญเสียจากแรงเสียดทานและปัญหาแบริ่งที่อาจเกิดขึ้น

การแก้ไขปัญหา: เมื่อประสิทธิภาพการแปลงลดลง

เมื่อชุดปั๊มไม่สามารถแปลงอินพุตเชิงกลเป็นเอาท์พุตของไหลพร่าพรายแรงดันสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกต่อไป อาการต่างๆ มักจะแสดงเป็นหนึ่งในสามรูปแบบ: (a) กำลังที่สูงขึ้นสำหรับอัตราความดันเดียวกัน (b) ความดันไม่เสถียรที่ความเร็วคงที่ หรือ (c) อุณหภูมิส่วนประกอบเพิ่มขึ้นโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงการปฏิบัติงานที่ชัดเจน

แผนที่การวินิจฉัยอย่างรวดเร็วจากอาการไปยังสาเหตุที่เป็นไปได้

• กำลังเพิ่มขึ้น เอาต์พุตไม่เปลี่ยนแปลง: การเพิ่มแรงเสียดทานทางกล (ปัญหาการหล่อลื่น) การอัดแน่นเกินไป หรือการวางแนวที่ไม่ตรงในระบบขับเคลื่อน
• แรงดันจะสั่นด้วยความเร็วคงที่: การรั่วไหลของวาล์ว ความอดอยากในการดูด การกักเก็บก๊าซ หรือประสิทธิภาพการทำงานของแดมเปอร์เสื่อมลง
• อัตราลดลงด้วยความเร็วเท่ากัน: การสูญเสียประสิทธิภาพเชิงปริมาตรจากความเสียหายของวาล์ว การลื่นมากเกินไป หรือเส้นทางการรั่วไหลภายในที่ปลายของไหล

กฎของสนาม: หากเป้าหมายความดันและอัตราต้องการแรงม้ามากกว่าช่วงก่อนๆ ของงานอย่างเห็นได้ชัดในสภาวะที่เทียบเคียงได้ ให้ถือว่าเป็นปัญหาด้านประสิทธิภาพการแปลง และตรวจสอบความเสถียรในการดูด วาล์ว และการบรรจุก่อนที่จะโหลดเครื่องให้หนักขึ้น