淺談壓裂泵的發(fā)展前景及原理

杜占熊

摘 要：石油被稱為不可再生寶貴的資源，隨著用油量的逐日加大，石油儲量越來越少，也顯得越來越重要。石油是工業(yè)的血液，它決定著整個國家的發(fā)展水平，石油的開采量隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展而日益加大。隨著我國加砂壓裂、酸化壓裂工藝的不斷強(qiáng)化和油氣井深度的不斷增加，壓裂泵愈來愈朝著大排量、高壓力、大功率的方向發(fā)展。在油氣勘探技術(shù)的發(fā)展的同時，油氣井分布也越來越廣泛，并且，對壓裂設(shè)備的移運性的要求會更高。因此，壓裂泵工況更加惡劣，為進(jìn)一步提高壓裂泵的使用壽命并對它進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和整體研究就具有十分重要的意義。本文根據(jù)3000型壓裂泵泵頭的工作原理及設(shè)計要求，確定出其尺寸，確定泵型及總體結(jié)構(gòu)形式，確定液力端結(jié)構(gòu)型式，然后用SolidWorks畫出泵頭三維模型，用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件CAD畫出重要零部件圖，進(jìn)行泵頭和壓裂泵泵閥箱的設(shè)計，然后對壓裂泵泵閥模型用Fluent軟件進(jìn)行分析，找出受力較大易受損部位。

關(guān)鍵詞：壓裂泵;液力端;閥箱;Fluent

隨著我國加砂壓裂、酸化壓裂工藝的不斷強(qiáng)化和油氣井深度的不斷增加，壓裂泵愈來愈朝著大排量、高壓力、大功率的方向發(fā)展。在油氣勘探技術(shù)的發(fā)展的同時，油氣井分布也越來越廣泛，并且，對壓裂設(shè)備的移運性的要求會更高。因此，壓裂泵工況更加惡劣，為進(jìn)一步提高壓裂泵的使用壽命并對它進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和整體研究就具有十分重要的意義。

一、國內(nèi)壓裂泵技術(shù)研究現(xiàn)狀

由于我國的經(jīng)濟(jì)相對那些西方發(fā)達(dá)國家還有一定的差距，一般還處在模仿和在國外同類的產(chǎn)品基礎(chǔ)上改進(jìn)的階段和水平。同樣，應(yīng)用于油氣開采方面的壓裂工藝設(shè)備也和他們不可同日而語，無論在設(shè)計上還是在制造上，和那些壓裂技術(shù)先進(jìn)的國家是沒法比的，其中存在的這種差距的關(guān)鍵問題是：（1）從目前情況來看，我國以自己的實力自行研制和使用的壓裂設(shè)備技術(shù)還不夠成熟，壓裂設(shè)備的功能還不夠齊全;（2）在我國很多油氣田生產(chǎn)線上使用的大多壓裂泵還屬于小排量、壓力上升慢的類型;（3）我國對壓裂技術(shù)的研制水平還沒有那么到位，離引領(lǐng)世界潮流的壓裂工藝研制技術(shù)還差很遠(yuǎn);（4）大部分使用中的壓裂設(shè)備都不能長期承受其惡劣的工作環(huán)境和繁重的工作任務(wù)要求，長期磨損，使用壽命很短，況且大都是價格昂貴的設(shè)備，短時間內(nèi)大量設(shè)備損壞增加了成本，降低了生產(chǎn)效率;（5）我國雖然也存在一些生產(chǎn)壓裂工藝設(shè)備的企業(yè)，但是生產(chǎn)出的產(chǎn)品還沒形成標(biāo)準(zhǔn)化，還滿足不了互相性要求。

近年來，我國實行經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略是西部大開發(fā)戰(zhàn)略，同樣，石油工業(yè)也隨著西部大開發(fā)的發(fā)展而向西部專業(yè)。由于，我國的油氣儲量的逐漸減小，并且隨著國內(nèi)車輛的大量使用，油氣的使用量在逐年大量增加，這些都迫切需要我國必須加快對輸入特殊介質(zhì)的壓裂設(shè)備、沙漠壓裂設(shè)備、淺海灘涂壓裂設(shè)備、深井壓裂設(shè)備的研制速度。因此，我國必須投入大量的人力物力來設(shè)計和生產(chǎn)出大功率、大排量、使用壽命長的壓裂設(shè)備來適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。由于，壓力泵屬于壓裂工藝中最重要的設(shè)備之一，它工作的環(huán)境一般都很惡劣，本身又是工作要求很高，比如功率很大，并且，它的生產(chǎn)和研究過程很復(fù)雜，要求的技術(shù)很高，再加上我國對壓裂工藝設(shè)備的研制技術(shù)還不成熟，因此，我國生產(chǎn)壓裂設(shè)備的廠家數(shù)量較少，主要集中在三家工廠：蘭州通用機(jī)器廠、江漢第四石油機(jī)械廠和成都般發(fā)特種車輛廠。與外國相比，我國在零件設(shè)計加工方面也存在很多不足，缺乏競爭力。與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國的三維CAD技術(shù)在應(yīng)用的深度和廣度方面的差距也很大。我國現(xiàn)在的CAD技術(shù)的應(yīng)用還基本上停留在計算機(jī)輔助設(shè)計上，而且一般還是基于設(shè)計圖紙上的。而且，我國對壓裂設(shè)備的生產(chǎn)過程仍采用鉆.擴(kuò).鉸的傳統(tǒng)加工方式對泵頭大直徑深孔進(jìn)行加工，泵頭加工專用的工藝裝備如刀具、夾具和機(jī)床等的設(shè)計量也很少。

二、國內(nèi)發(fā)展前景

我們國家的壓裂設(shè)備市場目前的情況正處于高峰期，有持久不斷的市場驅(qū)動力。2002年，我國的大慶油田在全國首批采用壓裂設(shè)備實施增加油氣產(chǎn)量，也由此大慶油田的增產(chǎn)幅度高達(dá)40%.60%。頁巖氣、天然氣的開發(fā)、傳統(tǒng)油田的增產(chǎn)等非常規(guī)氣開發(fā)將成為以后幾年里我國最重要的增產(chǎn)油氣產(chǎn)量的重要措施和動力之一。

我國的壓裂、酸化等油氣田大量使用的專用柱塞泵的設(shè)計和制造與國外的柱塞泵的設(shè)計水平和制造數(shù)量及質(zhì)量相比存在很大差距，造成這種差距的原因有很多，總結(jié)起來其中最重要的是我國開發(fā)油氣田的歷史太短，對油氣田專門使用的柱塞泵比如壓裂泵等研究制造開始的時間也晚，為了向世界先進(jìn)的壓裂技術(shù)靠攏，我們的主要的努力發(fā)展方向有以下幾方面：努力實現(xiàn)產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化;壓裂工藝設(shè)備的基本構(gòu)件的研究及制造要更全面;壓裂設(shè)備功能和形式的多樣化;壓裂設(shè)備品種的多樣化。隨著石油工業(yè)在國民生產(chǎn)中發(fā)揮的作用越來越大，我國在壓裂泵工藝技術(shù)研究及壓裂泵設(shè)備的制造方面也以很快的速度發(fā)展，與世界壓裂技術(shù)先進(jìn)的國家的差距也會越來越小。

三、壓裂泵的工作原理

壓裂泵的重要工作就是在很高的壓強(qiáng)下將壓裂液運輸?shù)骄?，致使井底的巖石裂開，次年改成很多裂縫，用這種方法來提高油氣滲透率，增加油氣在地層下面快速的流動，從而增加油氣的產(chǎn)量。壓裂液包括酸化液和混砂液。酸化液是壓裂時對地層起腐蝕作用的一定濃度的酸液，如鹽酸等，它可以擴(kuò)大裂縫，并能夠促使窟窿的形成?；焐耙阂话闶窃谇逅?、粘性液體內(nèi)或原有液體中加入一定比例的支撐劑的混合液體。在壓裂過程中，混沙液中的砂粒等支撐劑可以起著很好的支撐的作用，還可以擴(kuò)大地層裂縫。

總而言之，壓裂就是用壓裂液體能夠傳導(dǎo)壓力的作用，把高壓設(shè)備的壓力傳導(dǎo)給巖層，高壓致使巖層產(chǎn)生數(shù)條裂紋，增大了巖層下油氣的運輸通道，提高了運輸速度。從而提高了產(chǎn)油率。

在壓裂泵的壓裂過程中，壓裂液傳導(dǎo)給地層的壓力來自于位于地面上面的高壓強(qiáng)的壓裂泵。壓裂泵的動力端的動能通過液力端轉(zhuǎn)換成壓裂液的液體能量，使壓裂液以一定的速度注入到地層以下。隨著壓裂液的不斷注入，地層以下的壓力也逐漸增大。當(dāng)壓裂液的注入速度大于地層對液體的吸收能力時，就會在地層形成一股逐漸增大的壓力，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度就被撐破巖層，使其產(chǎn)生縫隙或裂紋，從而增大了地層液體的滲透和過流速度，同時油氣在地層的流動速度也會增大，這樣就使油氣產(chǎn)量明顯增加，生產(chǎn)效率大大的提高。

停泵以后，為了防止在上部巖石的重力作用下裂縫重新閉合，必須要向注入地層的壓裂液中加入一些如石英砂之類的支撐劑，充填在壓開的裂縫中的支撐劑里，可以起到支撐縫面的作用。與天然的地層巖石相比，這種填砂裂縫的結(jié)構(gòu)要疏松得多，因此，可以在很大程度上改善流體在井底附近地層的流動速度和擴(kuò)散的面積，使油氣的產(chǎn)量成倍增長。