CN205559237U - 水压致裂原地应力测量变流量高压水泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水压致裂原地应力测量变流量高压水泵。所述变流量高压水泵包括三个部分，分别是：高压水泵、变频调速电机和变频控制柜，所述高压水泵即通常在实施水压致裂原地应力测量时所使用的高压水泵，所述变频调速电机即为市售产品，所述变频控制柜为新研制产品。所述变流量高压水泵使用三相电380V电源，所述变频调速电机的功率不超过10kW，可以满足水压致裂原地应力测量40MPa的增压压力要求和4～15L/min的流量要求；所述变流量高压水泵核心部件可拆卸，易于搬运，整机重量约为150kg左右，满足野外工作的运输要求。

Description

水压致裂原地应力测量变流量高压水泵

技术领域

本实用新型属于地质结构勘探测量设备技术领域，具体涉及一种水压致裂原地应力测量变流量高压水泵。

背景技术

中国大陆境内广泛使用的水压致裂原地应力测量系统由六个部分组成：高压流体控制系统、高压水泵(压裂段增压和封隔器增压膨胀系统)、动力系统、数据采集和处理系统、跨接式封隔器和钻杆系统，整体的结构示意图如图1所示。高压水泵(压裂段增压和封隔器增压膨胀系统)是其中的重要组成部分。

实用新型人所在的单位中国地震局地壳应力研究所是开展水压致裂原地应力测试最早的单位之一，所有的水压致裂测试系统均由研究所研发团队自行研发组装，并推广到全国各行各业使用。水压致裂原地应力测量通常的测试程序为：①重复进行多次加压循环，对每一后续循环，渐序延长注压时间；②在各测试循环中，保持注压速率不变；③保持并渐序延长每测试循环之间的停歇间隔时间，以使注入测试段的压裂液得以充分返回。

现场测试时，用钻杆将封隔器放置在选定的待测孔段深度上，钻杆同时亦用作压力液体导管，分别给封隔器和压裂段注液加压。下面简单把测量过程及钻孔横截面受力状态与原地应力之间的关系分步说明如下：

1.密封孔段

用封隔器封隔压裂孔段，这时尚未对压裂段增压，压裂段钻孔横截面尚未承受液压作用，地面泵压显示为零。

2.施加液压

启动高压水泵向压裂段施加液压，压裂段钻孔横截面承受逐渐增大的液压作用，泵压持续增大。

3.岩石破裂

随着连续增压，压裂段内液压持续增大，当孔壁上的切向有效张应力等于或大于岩石的抗拉强度时，就会在最大水平主应力方向的孔壁上产生破裂。此时，由于孔壁破裂液体灌入，导致压力值急剧下降，继而保持在裂缝张开和扩展的压力水平上。

4.关泵

当破裂形成、关闭高压泵后，泵压急速下降，随着破裂面的闭合，转变为缓慢下降，这时便得到了破裂面处于临界闭合时的平衡力，也就是垂直于破裂面的最小水平主应力(S_h)与液压回路达到平衡时的压力，即瞬时闭合压力(P_s)。

5.卸压

在测量出确切瞬时闭合压力后的某一时刻，即进行卸压，使之与大气连通.这时在压裂段钻孔的横截面上不再承受液压作用，水压所形成的破裂面处于完全闭合状态，地面泵压降到零值。

上述五个步骤是水压致裂原地应力测量的基本操作程序，在一个压裂测试段中，通常需要进行3～5个压裂循环，以便取得较为可靠的压裂参数，得到准确的测量结果。

王成虎等人研究发现，对于中国大陆广泛使用的钻杆式水压致裂原地应力测试系统而言，测试系统柔性会对测试结果和水压致裂机理产生深刻影响，并且会影响高压水泵(压裂段增压和封隔器增压膨胀系统)的选型和配置。钻杆式水压致裂测试系统柔性对测试过程中的增压过程影响很大，而在水压致裂原地应力测试记录曲线上需要利用增压过程确定的压力参数有破裂压力P_b和重张压力P_r两个参数。P_b为压裂段岩体破裂的峰值压力，受到系统柔性影响相对较小。计算S_H过程中主要使用重张压力P_r，一般计算中将P-t曲线上在升压阶段偏离线性时的钻孔压力视为重张压力P_r。假设忽略渗入周围岩体的液体和破裂的压力梯度，则钻孔压力变化对破裂裂开的影响用下式表示：

$\frac{dP}{dt}=\frac{Q}{({\mathrm{dV}}_c/dP)+C_t}---\left(1\right)$

其中，dV_c是由于破裂裂开引起受压液体体积的变化；Q是增压泵流量；C_t是测试系统的柔性。因为流量Q和系统柔度C_t是常数，所以方程(1)说明，P-t曲线偏离线性取决于dV_c/dP的变化和它们与C_t的相对值。即在破裂裂开前，dV_c/dP＝0，钻孔压力P随t呈线性增加。水压致裂裂缝张开后，dV_c/dP变得大于0，P-t曲线将会偏离线性达到一定程度。然而，在破裂裂开起始阶段，典型水压致裂系统的系统柔度C_t等于或大于几百cc/MPa，其值远大于dV_c/dP。结果，在P-t曲线上随着P持续增加没有出现明显变化。当P值最后等于S_h时，任意处的垂直于破裂表面的应力近似等于或小于S_h。这样一个平衡应力条件导致了一个临界状态，即破裂缝隙会随钻孔压力微增而陡增，Ito等对破裂裂开情况进行了详细地讨论。结果，与C_t相比，dV_c/dP变得很大，最终P-t曲线趋向偏离最初的线性，这就最终导致实际的重张压力P_r0和利用P-t曲线斜率变化确定的视重张压力P_r(a)之间有很大的差别。

根据前面的论述可知，系统柔性过大对于准确判断重张压力P_r0影响十分明显，同时高压泵流量Q对于判读P_r0的影响仅次于系统柔性C_t。根据Ito的研究结果，为了准确确定测试过程中的重张压力，要求高压水泵的流量越小越好，但是实际上在传统水压致裂过程中，过低的高压泵流量非常不利于测试工作。如公式(1)所示，如果水泵的流量过低，系统柔性过大，会出现无法增压的现象，进而无法完成整个压裂工作。由公式(1)可以看出，如果高压泵流量相对于系统柔性过小，就会将增压速率降低，进而会使得测试增压时间拉长，随着测深增大，增压速率越来越低。过长的增压测试时间会产生另一个方面的负面影响，对于低渗透岩体而言，时间加长并不会影响测试结果，而对于高渗透岩体，如果无法忽略在测试时间段内渗入岩体的液体量，那么这一过程就会严重影响测试结果，进而影响参数计算。高压水泵的流量过大也不好，因为在高压泵输出额定压力一定的情况下，流量越大，功率越高，高压流体单位时间内做功能力越强。由公式(1)可知，如果Q相对于C_t过大，那么井孔压力在很短的时间内就可以达到破裂压力P_b，由于增压过程非常短，水压致裂应力测量P-t记录曲线的增压段几乎为一条直线，利用P-t曲线确定P_r0将更为困难。由于水压致裂产生的诱发裂缝尺度规模与流量是密切相关的，那么如果泵体流量过大，水压致裂产生的诱发裂缝长度可能会超过实验段，且在重张过程中会出现岩体的二次破裂现象，而这些现象都会影响整个水压致裂应力测量过程的成功与否。

由此可见，钻杆式水压致裂测试系统柔性对高压水泵设备选型也有一定的影响。通过对前面系统柔性的分析可知，测试过程中应该根据测试深度不同时测试系统柔性的变化，而选择不同额定流量和压力的泵。王成虎等人根据自己研究组多年从事水压致裂原地应力测试工作的经验积累，按照特定测试深度的测试系统柔性和地应力场垂直应力的标准，给出高压水泵选型的建议方案。一般泵的最低流量最好能满足一分钟内将钻孔孔压提高到利用垂直应力估算的可能最大流体压缩量时的压力要求，而高压泵一般在满负荷工作状况下，流量输出大约只有额定流量的90％，故应该在前面估算的基础上再乘以一个1.1的因子。

表1 参考垂直应力和钻杆式水压致裂测试系统柔性而提出的高压水泵设备选型表

注：岩体容重按照2.65×10⁴N/m³。

在实际原地应力测试过程中，由于测试深度是不断变化的，传统的钻杆式测试系统的柔性也随之变化，故要求配套的测试增压高压水泵的泵量也能做相应调整，鉴于以上客观技术原因，非常有必要开发新一代的“水压致裂原地应力测量变流量高压水泵”。

实用新型内容

为了满足水压致裂原地应力测试过程中，希望配套的测试增压高压水泵的泵量能依据测试环境做相应调整的实际需求，本实用新型提供一种水压致裂原地应力测量变流量高压水泵。所述变流量高压水泵在前一代恒流量高压柱塞式水泵的基础上进行升级改造，以在同一台柱塞式高压泵上实现变流量调节的功能，同时需要满足以下一些性能指标：

(1)变流量高压水泵使用三相电380V电源；

(2)变流量高压水泵变频调速电机功率不超过10kW；

(3)变流量高压水泵可以满足水压致裂原地应力测量40MPa的增压压力要求和4～15L/min的流量要求；

(4)变流量高压水泵核心部件可拆卸，易于搬运，同时整机重量约为150kg左右，以满足野外工作的运输要求。

为实现上述目标，本实用新型采用以下技术方案：

1、变流量高压水泵的理论基础

目前水压致裂原地应力野外测量普遍使用的高压水泵为三柱塞往复泵，如图3所示，主要工作原理是当泵运转时，曲轴通过连杆带动柱塞运动，使柱塞在泵头内部产生轴向冲程，加上进出水单向阀，使泵头内液体能够快速的向一个方向传送。

高压水泵在单位时间内的排量取决于柱塞截面积F、冲程长度(行程)S、泵速n以及泵缸数m，即如公式(2)所示：

Q_p＝mFSn＝(π/4)D²mSm (2)

由公式(2)可知，泵的排量(后称流量)与压力无关，泵的流量需要由更换柱塞大小来调节，泵的总效率主要由机械效率、容积效率和水力效率决定的；与此同时，泵的效率与泵的结构、转速、尺寸等有关，也与泵的负荷有关。

通过前面对泵的工作原理的讨论，对于一个特定的额定流量的高压水泵而言，如果想实现流量调节的功能，就需要调节泵速，进而需要对驱动泵头转动的电机转速进行调节以实现调节泵头排量(流量)的功能。为了实现对高压泵流量的调节，必须采用三相异步电动机驱动泵头转动，但是三相异步电动机起动性能较差，较大容量的电动机往往采用绕线式异步电机改善起动特性；同时异步电动机的激磁电流必须由电网供给，功率因数总是滞后的，增加了系统的无功负担。

异步电动机的转速可以根据生产机械的要求，人为地或自动地进行调节称为调速。异步电动机的转速公式为如下式所示：

$n=\frac{60f}{p}(1-s)---\left(3\right)$

式中，n是转速，等同于泵速，r/min，p是磁极对数，f是电源频率，s是转差率。因此，异步电动机的调速方法只能有以下几种：改变供电电源频率，改变电动机的极对数，改变转差率。目前既经济又可靠的变频办法是改变电源频率。而晶闸管整流技术的发展，为获得变频电源提供了新的途径，促进了变频调速技术的应用。变频调速技术以其优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因数、节能效果、广泛的应用范围及其它许多优点被国内外公认为最有发展前途和发展最为迅速的技术之一。由此采用变频调速电机和变频控制柜动力组成泵头的动力装置，并以此来控制泵速。

无极变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，其特点为效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；控制调节方便，轻易实现自动控制；最大限度的节约能源。

针对变频器节能原理有以下三种具体描述：

变频节能：由流体力学可知，W(功率)＝Q(流量)×H(压力)，流量Q与转速n的一次方成正比，压力H与转速n的平方成正比，功率W与转速n的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速n可成比例的下降，而此时轴输出功率W成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为55kW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16kW，省电48.8％，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875kW，省电87.5％。

功率因数补偿节能：无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式W＝S_wa×CosФ，Q_wno＝S_wa×SinФ，其中S_wa是视在功率，W是有功功率，Q_wno是无功功率，CosФ是功率因数，可知CosФ越大，有功功率W越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，CosФ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

软起动节能：由于电机为直接起动或Y/D起动，起动电流等于(4-7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，起动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软起动功能将使起动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。

对于控制单台变频调速电机连续运行的变频器，其容量可以按照如下公式计算：

$P\≥K\sqrt{3}{U}_0{I}_0{10}^{-3}---\left(4\right)$

I≥KI₀ (5)

式中，P是变频器的额定容量，kVA；U₀是电机的额定电压，V；I₀是电机在工频电源时的额定电流，A；I是变频器的额定电流，A；K是电压波形修正系数，PWM(脉宽调制技术)方式时为1.05～1.00。

通过前面的论述及公式(2)、(3)可知，水压致裂原地应力测量变流量高压水泵的流量可以通过变频器输出频率和原高压水泵的额定流量和额定输入电流频率确定，如公式(6)所示：

$Q_x=\frac{f_x}{f_0}{Q}_0---\left(6\right)$

式中，Q_x是频率改变后的高压水泵流量；f_x是变频器输出的电流频率；Q₀是高压水泵额定流量；f₀是高压水泵所匹配电机所需的额定输入电流频率。

2、变流量高压水泵的构成

本实用新型所述的水压致裂原地应力测量变流量高压水泵，包括三个部分，分别是：高压水泵、变频调速电机和变频控制柜，所述高压水泵即通常在实施水压致裂原地应力测量时所使用的高压水泵，所述变频调速电机即为市售产品，所述变频控制柜为新研制产品。所述变频控制柜的电源输入端与380V动力电源相连接，所述变频控制柜的电源输出端与所述变频调速电机的电源输入端相连接，所述变频调速电机的传动轴与所述高压水泵的传动轴相连接。

所述变频控制柜由变频器、两个快速三相交流电接头A和B、变频柜冷却风扇、变频柜体、控制面板等部件组成，各部件间的连接关系是：快速三相交流电接头A的一端与三相交流电源连接，另一端与所述变频器相连接；所述变频器的一端与所述三相交流电接头A连接，另一端与所述三相交流电接头B相连接；所述三相交流电接头B的一端与所述变频器相连接，另一端与所述变频调速电机相连；所述变频柜冷却风扇与所述变频器并联在电路上，其一端连接电源，另一端接地；所述变频柜体封闭在所述变频器和风扇的外围，起到封装和保护变频器的作用；所述控制面板为所述变频柜体的前面板，上面安装有电源、运行、停止、调速和急停五个操作开关；所述电源操作开关与所述变频器的电源引脚相连接，功能是为所述变频器加载电源；所述运行操作开关与所述变频器的启动引脚相连接，功能是启动变频器运行；所述停止操作开关与所述变频器的停机引脚相连接，功能是停止变频器运行；所述调速操作开关与所述变频器的频率控制引脚相连接，功能是根据需要调节交流电频率进而调节电机转速；所述急停操作开关与所述三相交流电接头A连接，功能是在紧急情况下关停电源和变频器。

本实用新型所述的水压致裂原地应力测量变流量高压水泵，其工作过程如下：

1)流量确定：根据测量需求，确定高压水泵的输出流量；

2)转速确定：根据高压水泵的输出流量，换算出变频调速电机的转速；

3)电源频率确定：根据变频调速电机的转速，换算出变频控制柜输出电源的频率；

4)调节电源频率：通过变频控制柜面板上的连续调节旋钮，设定输出电源的频率至需求值；

5)高压供液：启动变频调速电机，驱动高压水泵向测试系统供液。

本实用新型的优点和有益效果为：

(1)实现了水压致裂原地应力现场测量过程中可以根据现场测试深度、测试系统柔性调节增压泵流量的功能，为后续提高水压致裂原地应力测量精度提供了设备基础。

(2)利用无极变频器和异步电动机匹配来实现高压水泵流量的无极调控，并且提出了相应的技术方案和参数选型要求，成本低廉，后续推广应用方便。

(3)在设备选型方面，重视了现场推广应用的前景，重量轻，且为分体式连接，方便在交通不便的地方推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为中国大陆境内普遍使用的单回路水压致裂测试系统。

图中，1是钻架，2是钻杆连通测试段，3是高压流体转换推拉阀，4是测试段，5是封隔器，6是实验段、封隔器高压水泵，7是压力传感器，8是高压流体控制阀系统，9是电源，10是表格记录仪，11是计算机。

图2为中国大陆境内普遍使用的双回路水压致裂测试系统。

图中，1是钻架，2是高压软管连通封隔器，3是钻杆连通测试段，4是适配器，5是测试段，6是封隔器，7是实验段、封隔器高压水泵，8是压力传感器，9是电源，10是表格记录仪，11是计算机。

图3为水压致裂原地应力测试过程及压力记录曲线示意图。

图4为高压水泵主要结构和工作原理图。

图中，A是泵头；B是泵体；C是曲轴；D是连杆；E是出水单向阀；F是进水单向阀；G是柱塞连杆；H是柱塞环和柱塞密封；I是柱塞。

图5是变频器工作原理示意图。

图中，1是显示器，2是PWM CPU，3是入口，4是高压水泵，5是变频调速电机，6是出口。

图6为本实用新型所述水压致裂原地应力测量变流量高压泵外部结构图。

图中，1是外部380V工业电源，2是变频柜，3是变频调速电机，4是高压水泵。

图7为本实用新型所述水压致裂原地应力测量变流量高压泵变频器接线及控制面板图。

图中，1是外部380V工业电源，2是快速三相交流电接头A，3是变频器，4是快速三相交流电接头B，5是变频柜冷却风扇，6是急停操作开关，7是电源操作开关，8是运行操作开关，9是调速操作开关，10是停止操作开关。

具体实施方式

参见图6、图7，一种水压致裂原地应力测量变流量高压水泵，由变频控制柜2、变频调速电机3和高压水泵4三个部分组成，所述三个部分各自独立，可分装组合。所述高压水泵4采用通常在实施水压致裂原地应力测量时所使用的高压水泵，所述变频调速电机3采用市售产品，所述变频控制柜2为新研制产品。所述变频控制柜2的电源输入端与380V动力电源1相连接，所述变频控制柜2的电源输出端与所述变频调速电机3的电源输入端相连接，所述变频调速电机3的传动轴与所述高压水泵4的传动轴相连接。

所述变频控制柜由变频器CHF100A/7.5G/11P-4、两个快速三相交流电接头A和B、变频柜冷却风扇、变频柜体、控制面板等部件组成，各部件间的连接关系是：快速三相交流电接头A的一端与三相交流电源连接，另一端与所述变频器相连接；所述变频器的一端与所述三相交流电接头A连接，另一端与所述三相交流电接头B相连接；所述三相交流电接头B的一端与所述变频器相连接，另一端与所述变频调速电机相连；所述变频柜冷却风扇与所述变频器并联在电路上，其一端连接电源，另一端接地；所述变频柜体封闭在所述变频器和风扇的外围，起到封装和保护变频器的作用；所述控制面板为所述变频柜体的前面板，上面安装有电源、运行、停止、调速和急停五个操作开关；所述电源操作开关与所述变频器的电源引脚相连接，功能是为所述变频器加载电源；所述运行操作开关与所述变频器的启动引脚相连接，功能是启动变频器运行；所述停止操作开关与所述变频器的停机引脚相连接，功能是停止变频器运行；所述调速操作开关与所述变频器的频率控制引脚相连接，功能是根据需要调节交流电频率进而调节电机转速；所述急停操作开关与所述三相交流电接头A连接，功能是在紧急情况下关停电源和变频器。

本实用新型所述的水压致裂原地应力测量变流量高压水泵的工作过程如下：

1)流量确定：根据测量需求，确定高压水泵4的输出流量；

2)转速确定：根据高压水泵4的输出流量，换算出变频调速电机3的转速；

3)电源频率确定：根据变频调速电机3的转速，换算出变频控制柜2输出电源的频率；

4)调节电源频率：通过变频控制柜2面板上的连续调节旋钮，设定输出电源的频率至需求值；

5)高压供液：启动变频调速电机3，驱动高压水泵4向测试系统供液。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种水压致裂原地应力测量变流量高压水泵，其特征在于：所述变流量高压水泵包括三个部分，分别是高压水泵、变频调速电机和变频控制柜，所述高压水泵即通常在实施水压致裂原地应力测量时所使用的高压水泵，所述变频调速电机即为市售产品，所述变频控制柜为新研制产品；所述变频控制柜的电源输入端与380V动力电源相连接，所述变频控制柜的电源输出端与所述变频调速电机的电源输入端相连接，所述变频调速电机的传动轴与所述高压水泵的传动轴相连接。

2.如权利要求1所述的一种水压致裂原地应力测量变流量高压水泵，其特征在于：所述变频控制柜由变频器、两个快速三相交流电接头A和B、变频柜冷却风扇、变频柜体、控制面板部件组成；各部件间的连接关系是：快速三相交流电接头A的一端与三相交流电源连接，另一端与所述变频器相连接；所述变频器的一端与所述三相交流电接头A连接，另一端与所述三相交流电接头B相连接；所述三相交流电接头B的一端与所述变频器相连接，另一端与所述变频调速电机相连；所述变频柜冷却风扇与所述变频器并联在电路上，其一端连接电源，另一端接地；所述变频柜体封闭在所述变频器和风扇的外围，起到封装和保护变频器的作用；所述控制面板为所述变频柜体的前面板，上面安装有电源、运行、停止、调速和急停五个操作开关；所述电源操作开关与所述变频器的电源引脚相连接，功能是为所述变频器加载电源；所述运行操作开关与所述变频器的启动引脚相连接，功能是启动变频器运行；所述停止操作开关与所述变频器的停机引脚相连接，功能是停止变频器运行；所述调速操作开关与所述变频器的频率控制引脚相连接，功能是根据需要调节交流电频率进而调节电机转速；所述急停操作开关与所述三相交流电接头A连接，功能是在紧急情况下关停电源和变频器。