壓裂泵柱塞優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

閆志琴

YAN Zhi-qin

（晉中學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，榆次 030619）

0 引言

石油在各個(gè)領(lǐng)域的需求與日俱增。壓裂泵是石油行業(yè)最為關(guān)鍵的設(shè)備，通常用于輸送腐蝕性的、含固體顆粒等雜質(zhì)的介質(zhì)。通過(guò)水力作用使油氣層產(chǎn)生裂縫的方式稱為壓裂。壓裂是指利用地上的高壓壓裂泵組，將粘度較高的壓裂液以超過(guò)地層接收能力的排量注入井內(nèi)，當(dāng)壓裂液的壓力超過(guò)地層巖石抵抗張力的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫，然后，注入一定量的攜砂液對(duì)裂縫進(jìn)行擴(kuò)展延伸并填充支撐劑，使地層中形成一定長(zhǎng)度、寬度和高度的裂縫。該裂縫可增加地層滲透率，挺高開(kāi)采效率。水力壓裂不僅可以加快油氣層開(kāi)發(fā)的進(jìn)程，而且可以大大提高油氣層的開(kāi)采量。壓裂泵是整個(gè)壓裂作業(yè)中的關(guān)鍵。壓裂泵由動(dòng)力端和液力端組成，動(dòng)力端主要用來(lái)傳遞動(dòng)力，主要包括曲軸、連桿和十字頭等。壓裂泵液力端的泵頭體、泵閥、密封等結(jié)構(gòu)都屬于易損件，容易發(fā)生失效，造成生產(chǎn)過(guò)程的中斷，給生產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失。柱塞容易發(fā)生磨損失效。下文主要以柱塞為對(duì)象進(jìn)行分析，得出壓裂泵柱塞的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

1 壓裂泵工作原理

壓裂泵是由若干個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（如圖1所示）組成。其工作原理為：曲軸帶動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞左行時(shí)缸內(nèi)形成負(fù)壓將壓裂液吸入，活塞右行時(shí)將壓裂液增壓排到出口管道。

2 柱塞個(gè)數(shù)的優(yōu)選

圖1 壓裂泵的（曲柄滑塊）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

柱塞的個(gè)數(shù)和缸的個(gè)數(shù)相等，壓裂泵的排量大小，排量波動(dòng)等都與缸的個(gè)數(shù)有關(guān)。選擇合適的柱塞數(shù)是決定泵性能的關(guān)鍵因素。

2.1 排量大小

壓裂泵理論平均排量為：

壓裂泵的排量與效率緊密相連，排量越大壓裂效率越高。由式(1)可知，泵的排量與沖次、曲柄長(zhǎng)度、泵缸截面積和缸數(shù)有關(guān)。

2.2 排量波動(dòng)

由于壓裂泵的原理，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊的速度不恒定，且每一個(gè)缸的吸排過(guò)程不連續(xù)，都會(huì)導(dǎo)致泵的排量不均衡，產(chǎn)生排量波動(dòng)，且該波動(dòng)是無(wú)法消除的。排量波動(dòng)會(huì)引起一系列的不利影響。

泵排量的波動(dòng)會(huì)引起壓裂液壓力的波動(dòng)，從而可能會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。嚴(yán)重時(shí)，若液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的波動(dòng)頻率等于液壓系統(tǒng)的固有頻率，則會(huì)引起液壓系統(tǒng)的共振，這對(duì)傳動(dòng)軸和軸承的使用以及對(duì)管接頭和密封件等都有不良的影響。這些都會(huì)使液壓系統(tǒng)的性能遭到嚴(yán)重的影響和破壞，系統(tǒng)內(nèi)各液壓元件的使用壽命變短，從而影響該液壓系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2.1 單缸壓裂泵排量脈動(dòng)

由圖1所示，根據(jù)幾何關(guān)系可得單缸壓裂泵柱塞行程：

式中：x為柱塞行程，mm；R為曲柄長(zhǎng)度，mm；θ為曲柄轉(zhuǎn)角，rad；

柱塞速度：

式中：ω為曲柄的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/min。

速度方向在一個(gè)沖次內(nèi)變化一次，兩個(gè)方向分別代表吸和排兩個(gè)過(guò)程。

柱塞缸的排量：

單缸壓裂泵的瞬時(shí)排量：

單缸壓裂泵的平均排量：

如圖2所示為單缸壓裂泵瞬時(shí)流量和與時(shí)間的關(guān)系。從圖2可以看出，單缸壓裂泵的吸排兩個(gè)過(guò)程是分開(kāi)的，因此壓裂泵的排量波動(dòng)很大。

圖2 單缸壓裂泵泵瞬時(shí)流量和與時(shí)間的關(guān)系

圖3 缸數(shù)為奇數(shù)時(shí)曲柄分布圖

2.2.2 多缸壓裂泵排量脈動(dòng)

1）缸數(shù)c為奇數(shù)時(shí)，曲柄分布如圖3所示。

每個(gè)缸的瞬時(shí)排量：

壓裂泵的瞬時(shí)排量：

如圖4所示缸數(shù)為奇數(shù)時(shí)壓裂泵瞬時(shí)流量和與時(shí)間的關(guān)系。由圖4可得出泵缸和曲柄尺寸相同時(shí)，壓裂泵的排量隨缸數(shù)的增加而增加。排量的波動(dòng)隨缸數(shù)的增加而減小。

圖4 缸數(shù)為奇數(shù)時(shí)泵瞬時(shí)流量曲線

2）缸數(shù)c為偶數(shù)時(shí)，曲柄分布如圖5所示。

圖5 缸數(shù)為偶數(shù)時(shí)曲柄分布圖

每個(gè)缸的瞬時(shí)排量：

壓裂泵的瞬時(shí)排量：

如圖6所示缸數(shù)為偶數(shù)時(shí)壓裂泵瞬時(shí)流量和與時(shí)間的關(guān)系。

圖6 缸數(shù)為偶數(shù)時(shí)壓裂泵瞬時(shí)流量曲線

圖7 不同缸數(shù)壓裂泵的流量曲線

由圖6可得出泵缸和曲柄尺寸相同時(shí)，壓裂泵的排量隨缸數(shù)的增加而增加。排量的波動(dòng)隨缸數(shù)的增加而減小。

3）缸尺寸相同時(shí)，不同缸數(shù)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)排量比較。

表1 不同缸數(shù)壓裂泵的流量參數(shù)

圖8 流量參數(shù)與缸數(shù)的關(guān)系曲線

如圖7所示為缸尺寸和曲柄尺寸相同時(shí)，不同缸數(shù)的流量波動(dòng)情況。由圖7可得到缸尺寸和曲柄尺寸相同時(shí)，不同缸數(shù)壓裂泵的流量的最大值Qmax/ARω，最小值Qmin/ARω及其差值ΔQ/ARω和平均流量Q/ARω，如表1所示。由表1作出各種流量參數(shù)與缸數(shù)的關(guān)系曲線，如圖8所示。根據(jù)圖8可以看出，缸尺寸和曲柄尺寸相同時(shí)，泵的平均排量和缸數(shù)成線性關(guān)系。流量波動(dòng)（最大流量和最小流量的差值）隨泵的增加震蕩減小，當(dāng)缸數(shù)為奇數(shù)時(shí)的流量波動(dòng)小于缸數(shù)為偶數(shù)時(shí)的流量波動(dòng)。

平均排量相同時(shí)，不同缸數(shù)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)排量比較。

圖9 不同缸數(shù)壓裂泵的流量曲線

如圖9所示為平均流量相同時(shí)，不同缸數(shù)的流量波動(dòng)情況。由圖9可得到平均流量相同時(shí)不同缸數(shù)壓裂泵的流量的最大值Qmax/ARω，最小值Qmin/ARω及其差值ΔQ/ARω和平均流量Q/ARω，如表2所示。

表2 不同缸數(shù)壓裂泵的流量參數(shù)

圖10 流量參數(shù)與缸數(shù)的關(guān)系曲線

由表2作出各種流量參數(shù)與缸數(shù)的關(guān)系曲線，如圖10所示。根據(jù)圖10可以看出，壓裂泵平均流量相同時(shí)，流量波動(dòng)（最大流量和最小流量的差值）隨泵的增加震蕩減小，當(dāng)缸數(shù)為奇數(shù)時(shí)的流量波動(dòng)小于缸數(shù)為偶數(shù)時(shí)的流量波動(dòng)。

3 柱塞水平分布的優(yōu)化

泵在工作時(shí)，工況一定則每個(gè)曲軸受到的力是一定的，但曲軸所受合力卻會(huì)因曲柄相對(duì)位置（柱塞水平分布）的不同而不同。

由2.2節(jié)可知當(dāng)缸數(shù)為奇數(shù)時(shí)，壓裂泵的排量波動(dòng)較小，此處以常用的5缸泵為例進(jìn)行受力均衡分析。分析如表3所示的A、B兩種布局其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

表3 不同布局曲柄相對(duì)角度

圖11 曲柄布局結(jié)構(gòu)示意圖

建立簡(jiǎn)易模型，假設(shè)曲軸長(zhǎng)為5個(gè)單位長(zhǎng)度，兩端軸承支撐，五個(gè)曲柄分別在0.5、1.5、2.5、3.5、4.5的位置上，且徑向力相等，均為單位1。則A、B兩種布局曲軸所受彎矩如圖12、圖13所示。

圖12 A布局時(shí)曲軸彎矩

圖13 B布局時(shí)曲軸彎矩

根據(jù)圖12、圖13，可以看出采用B布局時(shí)的曲軸彎矩比采用B布局時(shí)的曲軸彎矩小得多。所以設(shè)計(jì)時(shí)采用B布局，相鄰曲柄間的角度盡量最大，彎矩可相互抵消，使得最大彎矩減小。

4 壓裂泵柱塞密封優(yōu)化

柱塞密封是壓裂泵的關(guān)鍵零部件之一，其極易磨損。柱塞密封的性能直接影響壓裂泵的工作性能，甚至使壓裂泵失效。柱塞密封不好會(huì)對(duì)使用者帶來(lái)因維修而導(dǎo)致的大的經(jīng)濟(jì)損失。

4.1 柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度和表面質(zhì)量

當(dāng)柱塞以較高的速度做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞和密封圈的表面會(huì)相互摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，會(huì)導(dǎo)致溫度上升，進(jìn)而使得密封圈材料加速老化，失去彈性，最終導(dǎo)致密封圈對(duì)柱塞的徑向抱緊力大為減小。柱塞是壓裂泵系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)（即易損件）。隨著石油開(kāi)采的進(jìn)度，目前的石油開(kāi)采環(huán)境變得越來(lái)越惡劣，從而使得油井加深，所需的壓裂酸化半徑加大，這些都對(duì)酸化壓裂工藝提出了更高的要求。向井內(nèi)注入的壓力液的壓力、含沙比和酸度都要提高，這些改變使得柱塞的工作環(huán)境更加惡劣，會(huì)大大降低柱塞的使用壽命?，F(xiàn)有的柱塞為提高柱塞表面的耐磨性、耐熱性和耐蝕性，一般采取的措施是表面鍍鉻，但在實(shí)際使過(guò)程中效果并不理想。柱塞損壞后，會(huì)導(dǎo)致酸性的壓裂液泄漏滲入曲軸箱，和曲軸箱內(nèi)的潤(rùn)滑油混合導(dǎo)致其變質(zhì)失去潤(rùn)滑作用，從而導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)的部件（十字頭、拉桿和軸承等等）產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕和磨損，導(dǎo)致重大事故發(fā)生。為避免或減輕上述情況發(fā)生，采用熱噴涂技術(shù)對(duì)柱塞表面強(qiáng)化，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)柱塞表面進(jìn)行噴焊處理。噴焊后在對(duì)其進(jìn)行磨削加工。處理后的柱塞，表面質(zhì)量增強(qiáng)，其使用壽命也大幅度提高。

4.2 密封圈材料選擇

密封圈適用范圍的關(guān)鍵條件和使用壽命是由其材質(zhì)決定的。密封圈在工作時(shí)的失效形式有很多種，包括偏磨、疲勞磨損、磨料磨損、永久變形、燒傷等。其中主要的失效形式是燒傷，燒傷一旦發(fā)生，密封則會(huì)立即喪失工作能力，其他失效形式都是一個(gè)累積的過(guò)程，到達(dá)一定的界限后才會(huì)失效。根據(jù)工作環(huán)境和失效形式，對(duì)密封圈材質(zhì)的要求是耐熱性好，目前常用的是單一的夾布橡膠。但夾布橡膠的耐磨、耐壓、耐溫和耐酸性腐蝕性能均較差，因而密封不嚴(yán)，使用壽命較短。新密封圈是將耐磨、耐酸、耐溫、耐壓、耐老化能較好的聚氨酯橡膠和承載能力強(qiáng)，耐高、低溫性能好耐油與耐蝕能力強(qiáng)，抗老化，摩擦系數(shù)小和自潤(rùn)滑性能好填充聚四氟乙烯（填料為青銅粉）兩種材料制成，經(jīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明該混合材質(zhì)密封圈的性能較好，使用壽命也相比于傳統(tǒng)橡膠有很大的提高。

5 結(jié)論

在設(shè)計(jì)壓裂泵的過(guò)程中，先考慮泵的排量是否滿足壓裂要求，一般為加快壓裂工程進(jìn)度，要求排量越大越好。另一方面要求流量的波動(dòng)越小越好，由前文計(jì)算分析可得當(dāng)缸數(shù)為奇數(shù)的流量波動(dòng)相比于缸數(shù)為偶數(shù)時(shí)的流量波動(dòng)效果好，因此在設(shè)計(jì)時(shí)常取缸數(shù)為3、5、7，因?yàn)楦讛?shù)越大泵的加工難度和加工成本都會(huì)增加，當(dāng)泵數(shù)超過(guò)5時(shí)，增加的幅度會(huì)很大，因此折中的結(jié)果取缸數(shù)為5。設(shè)計(jì)時(shí)，相鄰曲柄間的角度盡量最大，彎矩可相互抵消，使得最大彎矩減小。柱塞的密封效果與其表面質(zhì)量和密封圈材質(zhì)等有關(guān)。柱塞密封的設(shè)計(jì)就是要使之適應(yīng)以上復(fù)雜工況并使之有良好的密封效果直接影響到泵的性能，甚至影響到泵能否正常工作，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮密封要求?？蓮拿芊獠牧希芊饨Y(jié)構(gòu)處進(jìn)行優(yōu)化，以使得泵的性能穩(wěn)定并使其壽命延長(zhǎng)。

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