大功率壓裂泵液力端發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)研究

隨著非常規(guī)油氣井開發(fā)難度的增加，“大功率、超高壓、大排量、連續(xù)施工”的壓裂作業(yè)時(shí)，對(duì)大功率壓裂泵液力端的使用壽命要求越來越高。研發(fā)長壽命液力端及其易損件，對(duì)于解決大型壓裂作業(yè)連續(xù)性，降低工程成本和勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。介紹了國內(nèi)外大功率壓裂作業(yè)裝備及壓裂泵技術(shù)發(fā)展情況，分析并闡述了國內(nèi)外壓裂泵液力端的閥箱、泵閥及盤根密封技術(shù)現(xiàn)狀；通過對(duì)超深層、大規(guī)模連續(xù)壓裂施工作業(yè)下的液力端適應(yīng)性不足的分析，提出了大功率壓裂泵液力端發(fā)展趨勢；基于有限元仿真分析，開展了液力端關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)選、工藝改進(jìn)等技術(shù)研究及產(chǎn)品研制?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：長壽命液力端閥箱壽命提升400～600 h、長壽命泵閥壽命提升近1倍，高性能盤根壽命提升2倍以上。研究結(jié)果可為大功率壓裂泵液力端技術(shù)迭代升級(jí)和發(fā)展提供參考。

壓裂；大功率壓裂泵；液力端；發(fā)展趨勢；技術(shù)研究

TE934

A

015

Development Trend and Key Technologies of Hydraulic

End of High-Power Fracturing Pump

Yu Dawei Tan Lijun Shi Xijun

（Sinopec SJ Petroleum Machinery Co.，Ltd.）

As the development of unconventional oil and gas wells is increasingly difficult in China，the requirements are raised for the service life of hydraulic end of high-power fracturing pump in continuous fracturing operations with high power，ultrahigh pressure，and large displacement.The research and development of long-life hydraulic ends and their vulnerable parts are of great significance for continuous large-scale fracturing operations with reduced engineering costs and labor intensity.In the paper，the technologies of high-power fracturing equipment and fracturing pump in China and abroad were introduced，and the valve housing，pump valve and packing seal at hydraulic end of fracturing pumps were elaborated.By analyzing the insufficient adaptability of the hydraulic end under continuous large-scale fracturing operations in ultra-deep layers，the development trend of the hydraulic end of high-power fracturing pumps was presented.Finally，based on finite element simulation analysis，technologies and products were developed for the structure optimization of key parts，material selection and process improvement of the hydraulic end.Field application demonstrates that the service life of the valve housing has been increased by 400-600 hours，the service life of the pump valve nearly doubled，and the service life of high-performance packing more than tripled.The research conclusions provide reference for the iterative upgrading and development of hydraulic end of high-power fracturing pump.

fracturing；high power fracturing pump；hydraulic end；development trend；technical research

0 引 言

我國非常規(guī)油氣資源埋藏較深，壓裂作業(yè)施工難度巨大，壓裂泵作為大型壓裂裝備的關(guān)鍵部件，面臨的工況比國外更加惡劣。隨著壓裂工藝以及電驅(qū)壓裂設(shè)備的快速發(fā)展，壓裂施工壓力從70 MPa攀升至110 MPa，部分作業(yè)區(qū)塊施工壓力甚至達(dá)到125 MPa以上^［1］；施工排量范圍從14～16 m³/min上升至20 m³/min及以上；壓裂作業(yè)也由2～3段/d向10 h/d再到24 h連續(xù)施工轉(zhuǎn)變，壓裂設(shè)備負(fù)載率范圍從30%～60%逐漸向70%及以上的比例提升。但是，國內(nèi)頁巖油氣藏多處于山區(qū)，井場面積受限、設(shè)備布置困難，壓裂設(shè)備更多采用“小體積、大功率”的單泵技術(shù)路線，以提高單機(jī)功率密度、減少井場設(shè)備數(shù)量和井場占地面積^［2］。因此超高壓、大排量、連續(xù)工況對(duì)大功率壓裂泵提出了更高的挑戰(zhàn)。

大型頁巖油氣施工壓力超過110 MPa后，傳統(tǒng)的壓裂設(shè)備技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)性明顯下降，其中壓裂泵液力端及其易損件壽命較70 MPa左右的施工工況大幅縮短，部分區(qū)塊液力端壽命只有原來壽命的20%～40%，使得勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)作業(yè)成本大幅增加，一定程度上也影響了施工效率。尤其是2500型及以上的大功率壓裂泵施工時(shí)面臨的問題包括：一是施工時(shí)面臨強(qiáng)酸性腐蝕環(huán)境、高壓交變載荷、高速高壓沖蝕固液介質(zhì)、連續(xù)作業(yè)條件下的耐久使用等方面的挑戰(zhàn)；二是高壓動(dòng)密封面臨更優(yōu)異的接觸疲勞性能、更好的耐磨損性能、更長的使用壽命需求的挑戰(zhàn)。壓裂泵液力端采用中低合碳金鋼或初期不銹鋼閥箱，以及普通泵閥和盤根密封等易損件時(shí)其使用壽命短，更換維修頻繁，嚴(yán)重影響了油氣田開發(fā)效率和經(jīng)濟(jì)效益，成為制約國產(chǎn)壓裂技術(shù)進(jìn)步的重要因素之一。

為滿足市場對(duì)高可靠、長壽命大功率壓裂泵液力端及其易損件的迫切需求，進(jìn)一步開展基礎(chǔ)理論研究工作，重點(diǎn)攻關(guān)材料及熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)超長使用壽命，并形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，滿足壓裂提速提效需求，解決壓裂工程瓶頸問題，這對(duì)于降低非常規(guī)油氣開發(fā)綜合成本和提高設(shè)備安全性和可靠性均具有重要意義。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

1.1 國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，國外尤其是以美國為代表的壓裂裝備制造廠商，已形成成熟的壓裂泵系列化研發(fā)技術(shù)體系。大型壓裂泵制造商Gardner Denver、Halliburton、SPM、Kerr、FMC、Schlumberger、Dragon等公司，2000年前以制造2000型以下的壓裂泵為主^［3］。隨著北美地區(qū)砂巖和頁巖油氣的開發(fā)，對(duì)大功率的壓裂設(shè)備需求越來越多，大功率壓裂泵開發(fā)也呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，用于大型壓裂裝備的壓裂泵單泵制動(dòng)功率逐步從1 860 kW提升到3 730 kW。因五缸泵的流量不均勻度優(yōu)于三缸泵，流量波動(dòng)更小，容積效率更高^［4］，壓裂泵結(jié)構(gòu)形式也由三缸結(jié)構(gòu)向五缸及五缸以上結(jié)構(gòu)發(fā)展，其中五缸壓裂泵液力端是當(dāng)前大功率壓裂主流產(chǎn)品。

為滿足連續(xù)作業(yè)的高要求，各壓裂泵及泵配件生產(chǎn)廠商加大技術(shù)研發(fā)投入，以提升泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力，其關(guān)注重點(diǎn)除了動(dòng)力端的連續(xù)高負(fù)荷可靠性，還包括閥箱、泵閥、盤根密封等液力端關(guān)鍵易損件的使用壽命。

就液力端閥箱來說，國外大部分油氣井的作業(yè)壓力一般在105 MPa以下。早期國外的壓裂泵閥箱材料采用35CrMo、42CrMo等中碳低合金鋼鍛制，平均使用壽命短。后續(xù)開發(fā)了淬透性、韌性兼?zhèn)涞?0CrNi3MoV等中碳Cr-Ni-Mo-V系鋼種，延長了該部件使用壽命。但在惡劣壓裂環(huán)境的作用下，液力端閥箱的使用壽命一般也只有300 h左右。循環(huán)壓力下的腐蝕疲勞是其早期失效的主要方式^［5］，這嚴(yán)重影響了壓裂施工效率。2011年至2012年間，國外推出了不銹鋼閥箱，該閥箱采用17-4PH不銹鋼合金鍛制而成，其使用壽命達(dá)到800 h以上，為傳統(tǒng)合金鋼閥箱使用壽命的2～3倍。此后，美國Halliburton公司、Schlumberger公司及Caterpillar公司等近10家公司研發(fā)的不銹鋼閥箱，其材料均以沉淀硬化性不銹鋼17-4PH和15-5PH為主^［6-7］。隨著不銹鋼閥箱應(yīng)用及近十年的技術(shù)迭代升級(jí)，國外的閥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料耐腐蝕性能等方面的研究取得了重大突破，其使用壽命普遍達(dá)到1 200～2 000 h，為傳統(tǒng)合金鋼產(chǎn)品使用壽命的4～6倍。由于閥箱使用壽命取決于實(shí)際應(yīng)用場景，所以這個(gè)壽命并不是決定性的。鑒于不銹鋼閥箱相對(duì)傳統(tǒng)合金鋼閥箱使用性能優(yōu)勢明顯，國外生產(chǎn)的不銹鋼閥箱已占閥箱總數(shù)的一半以上，部分公司不銹鋼閥箱占比甚至達(dá)到80%以上，不銹鋼閥箱逐漸取代合金鋼閥箱。

就泵閥及盤根密封來說，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料和工藝的先進(jìn)性是制約液力端易損件發(fā)展的關(guān)鍵。經(jīng)過多年研究，國外在壓裂泵液力端易損件方面已經(jīng)形成較為成熟的配套體系。泵閥和盤根密封由專業(yè)廠家進(jìn)行研發(fā)和配套，且與現(xiàn)場工藝結(jié)合緊密；產(chǎn)品技術(shù)更新周期短，并形成專業(yè)化的生產(chǎn)能力。據(jù)調(diào)研，整體式閥體和高性能閥密封膠皮的平均使用壽命范圍可達(dá)35～50 h，部分達(dá)到100 h以上；硬質(zhì)合金閥座在行業(yè)局部有一定推廣應(yīng)用規(guī)模，其技術(shù)水平提高幅度較大，甚至可以達(dá)到常規(guī)閥座的5～10倍，其發(fā)展目標(biāo)是與閥箱等壽命使用；盤根密封使用壽命在100～150 h范圍，部分高端產(chǎn)品使用壽命甚至可達(dá)到300 h以上。具備實(shí)力的制造商每年投入較高的科研資金用于液力端易損件的產(chǎn)品研發(fā)，因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步能夠使停機(jī)時(shí)間最小化，壓裂作業(yè)綜合效益最大化，超長使用壽命和閥箱等壽命易損件配套開發(fā)，使北美壓裂泵液力端處于全球技術(shù)領(lǐng)先水平。

1.2 國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀

我國自20世紀(jì)70年代從國外引進(jìn)壓裂設(shè)備及技術(shù)后，通過消化吸收再創(chuàng)新，在壓裂成套裝備的國產(chǎn)化研發(fā)上相繼取得重要突破^［8-9］。以“863”計(jì)劃科技項(xiàng)目“2500型大功率數(shù)控成套壓裂裝備研制”，國家科技重大專項(xiàng)“3000型成套壓裂機(jī)組研制及應(yīng)用示范工程”、“超大功率電動(dòng)成套壓裂裝備研制”等多個(gè)國家級(jí)科研項(xiàng)目或課題為支撐，研發(fā)了2500型、3000型、5500型等系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的壓裂泵裝置。

以中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司為代表的大型壓裂裝備制造商，相繼研發(fā)出2500型、3000型、5000型、6000型及8000型等多系列大功率壓裂成套裝備和配套壓裂泵，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、材料研究、零部件測試、整機(jī)試驗(yàn)方面已形成多項(xiàng)專有技術(shù)，具備了針對(duì)不同油氣田特殊需要進(jìn)行壓裂泵創(chuàng)新研發(fā)的能力。近年來，隨著該公司自主研制的SYL8000型壓裂裝置首次在頁巖油田成功應(yīng)用，標(biāo)志著大型壓裂裝備及大功率壓裂泵研制處于世界領(lǐng)先水平；以提高單機(jī)排量、降低脈動(dòng)為目標(biāo)，開發(fā)形成的連續(xù)滿載8000型全電動(dòng)壓裂裝備及世界最大單機(jī)連續(xù)滿載輸出功率的8000型七缸壓裂泵，使國產(chǎn)壓裂成套裝備及壓裂泵技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢進(jìn)一步增強(qiáng)。表明我國研制的一批適合我國油氣田作業(yè)工藝特點(diǎn)的壓裂泵，掌握了壓裂泵設(shè)計(jì)制造的核心技術(shù)，尤其是在大功率壓裂泵研制技術(shù)方面較國外產(chǎn)品具有突出的技術(shù)參數(shù)優(yōu)勢。

我國雖已具備自主研制成套壓裂裝備及大功率壓裂泵的能力，但在壓裂泵產(chǎn)品的可靠性、關(guān)鍵易損件的使用壽命上與國際領(lǐng)先水平還有一定的差距。以典型的五缸壓裂泵為例，液力端關(guān)鍵結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示，早期引進(jìn)4 330 V等高強(qiáng)度合金鋼制造的閥箱在國內(nèi)油氣田的平均使用壽命約為200～300 h，給壓裂施工帶來極大的不便。因此國內(nèi)各制造廠商自2018年開始陸續(xù)推出不銹鋼閥箱，現(xiàn)場應(yīng)用表明其使用壽命普遍在600 h左右^［10］。目前國內(nèi)壓裂泵液力端易損件制造商有數(shù)十家，閥箱的閥體、閥座、膠皮及盤根密封的使用壽命參差不齊，其最長使用壽命與國外最高壽命仍存在著較大差距。高密封壓力、高交變應(yīng)力的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)下，密封組件的快速磨損、提前失效等難題^［11］一直以來都是困擾國內(nèi)大功率壓裂泵液力端技術(shù)進(jìn)步的重要因素。近年來，隨著有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)泵閥的優(yōu)化研究從理論分析與試驗(yàn)研究逐步轉(zhuǎn)向有限元模擬分析，取得了一系列研究成果^［12-15］，但盤根密封、泵閥密封等受限于橡膠材料技術(shù)，閥箱閥座受工藝局限，與國外的差距仍尤為明顯。

2 發(fā)展趨勢展望

隨著以頁巖油氣為代表的非常規(guī)油氣勘探開發(fā)開展，國內(nèi)壓裂施工總量和規(guī)模迅速增長，“大功率、超高壓、大排量、連續(xù)施工”的壓裂特殊需求，對(duì)壓裂設(shè)備穩(wěn)定性要求也越來越高。壓裂設(shè)備的長時(shí)間穩(wěn)定施工與其“心臟”壓裂泵的可靠性密切相關(guān)，而壓裂泵液力端作為壓裂泵核心組件，其技術(shù)性能直接關(guān)系到現(xiàn)場施工的效果?，F(xiàn)階段國產(chǎn)壓裂泵液力端針對(duì)超深層、大規(guī)模連續(xù)壓裂施工作業(yè)還存在明顯不適的地方，這些方面必然是壓裂泵液力端發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。

（1）不銹鋼閥箱長時(shí)間連續(xù)、超高壓、大排量應(yīng)用與工程需要有一定的不適應(yīng)性。目前，由于國內(nèi)壓裂的工況復(fù)雜程度更高，不銹鋼閥箱相比合金鋼閥箱使用優(yōu)勢明顯。但由于鍛件毛坯材料化學(xué)元素組分、晶粒度、鍛造及熱處理工藝、閥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度，以及非原廠配置等方面的差異性，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，閥箱體相貫線開裂、吸入螺紋失效等問題層出不窮，不銹鋼閥箱使用壽命400～800 h不等，與工程需求矛盾突出。

（2）常規(guī)泵閥不適應(yīng)超高壓、大排量、大砂比壓裂施工需要。提高閥體閥座壽命意味著提高效率，即在更短的時(shí)間內(nèi)通過完成更多段壓裂從而產(chǎn)生更高的收益。整體式閥體避免了摩擦焊接式閥體易掉抓的風(fēng)險(xiǎn)，但針對(duì)大砂比高壓流體強(qiáng)沖蝕下，同閥體集成的閥膠皮存在材料性能不穩(wěn)定、易破損，材料硬度、耐磨性、低變形性能、抗疲勞性能等匹配度不足等問題，閥體整體壽命仍有較大提升空間。閥箱經(jīng)常在閥座肩部區(qū)域內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，閥座破裂就會(huì)出現(xiàn)沖刷點(diǎn)，沖刷點(diǎn)產(chǎn)生的沖洗就會(huì)損傷流體端，且頻繁更換閥座也是維護(hù)難題；國內(nèi)硬質(zhì)合金閥座技術(shù)尚處于工程試驗(yàn)階段，目前仍依賴進(jìn)口。雖然使用壽命理論上是普通閥座的數(shù)倍，但也存在價(jià)格特別高，缺乏綜合性價(jià)比的問題。

（3）盤根密封的可靠性不足，易造成柱塞偏磨損傷，影響施工效率。常規(guī)的夾布盤根，在長時(shí)間連續(xù)高壓壓裂時(shí)，使用性能降幅較大。國內(nèi)針對(duì)盤根的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、密封組合進(jìn)行了大量研究和技術(shù)升級(jí)，但獲得的材料上存在差異，造成了盤根使用壽命波動(dòng)較大。目前針對(duì)頁巖油、頁巖氣的大型壓裂施工，性能穩(wěn)定的盤根密封還不能實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)域及工況的全覆蓋。

隨著壓裂技術(shù)的深度發(fā)展，北美地區(qū)壓裂泵液力端的技術(shù)突破將對(duì)我國壓裂泵液力端的升級(jí)迭代起到借鑒作用。國內(nèi)獨(dú)特的作業(yè)環(huán)境和工況，決定了大功率壓裂泵液力端未來的發(fā)展趨勢：向超高壓力、大排量、大砂比的長時(shí)間連續(xù)施工適應(yīng)性方向發(fā)展；向強(qiáng)韌性超級(jí)不銹鋼閥箱技術(shù)迭代的超長使用壽命發(fā)展；向液力端配套易損件超長壽命甚至與閥箱等壽命方向發(fā)展，以降低綜合成本，效益最大化；向液力端能夠耐腐蝕、耐磨損方向發(fā)展，使壓裂泵能在惡劣的工況下更長時(shí)間可靠地工作。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

綜合上述國內(nèi)外壓裂泵液力端的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，針對(duì)作業(yè)現(xiàn)場痛點(diǎn)問題，重點(diǎn)在幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)、易損件材料的選擇和熱處理工藝等方面下功夫，開展長壽命壓裂泵閥箱、閥體閥座、盤根密封等技術(shù)升級(jí)迭代。

3.1 長壽命液力端閥箱

閥箱作為壓裂泵液力端的關(guān)鍵核心，除了需保證高壓承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外，材料優(yōu)選和熱加工技術(shù)是決定其使用壽命的關(guān)鍵因素。基于材料性能評(píng)價(jià)，采用基礎(chǔ)理論研究和試驗(yàn)分析比較的方法，優(yōu)選出適應(yīng)不同施工要求的一種超級(jí)馬氏體不銹鋼閥箱材料，細(xì)化了Cr-Ni-Mo-V-Nb等關(guān)鍵合金組分比例；開發(fā)出高純度不銹鋼閥箱冶煉技術(shù)，降低雜質(zhì)含量30%以上；以降低材料強(qiáng)韌性波動(dòng)為目標(biāo)，控制游離鐵素體含量，采用多向大鍛比控溫鍛造技術(shù)、過度冷卻淬火熱處理技術(shù)，控制晶粒度，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化，提高了基體材料的強(qiáng)韌性；以保留高強(qiáng)韌硬化層、減少切削量為目標(biāo)，研究材料表面性能與切削量的關(guān)系，建立閥箱流固耦合模型，優(yōu)化了閥箱毛坯結(jié)構(gòu)和型腔結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力峰值10% 以上，新型閥箱有限元分析等效應(yīng)力圖如圖2所示；通過彈性力學(xué)和疲勞理論研究，優(yōu)化了螺紋幾何尺寸設(shè)計(jì)和加工工藝，降低螺紋循環(huán)交變承載應(yīng)力13%～15%，形成關(guān)鍵區(qū)域表面光潔度精細(xì)化操作規(guī)范，有效解決了不銹鋼閥箱吸入端螺紋易失效的問題。

長壽命不銹鋼閥箱具有高強(qiáng)度、高沖擊韌性，耐應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞性能好的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了閥箱材料低溫韌性和強(qiáng)度的良好匹配。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，較初期不銹鋼閥箱平均壽命提升400～600 h。

3.2 長壽命泵閥及密封技術(shù)

泵閥耐久使用和密封可靠性能直接決定壓裂施工效率。最大限度地減少拔閥和泵閥更換次數(shù)，是提高施工效率、降低設(shè)備維護(hù)成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的有效途徑。基于瞬態(tài)流體力學(xué)仿真分析凡爾啟閉、密封特性和汽蝕特性，改進(jìn)低應(yīng)力結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了泵閥幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和過盈配合量；開展高淬透性材料和熱處理工藝研究，優(yōu)選閥體閥座材料及碳氮共滲工藝；通過控制閥體閥座的有效淬硬層和芯部硬度，獲得高耐磨性和抗沖蝕能力，提高其綜合機(jī)械性能。閥密封膠皮優(yōu)選高性能聚氨酯彈性體，該彈性體具有耐磨性好、耐水解、耐撕裂、高回彈、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)最大140 MPa以及175 MPa高壓密封耐受，高性能密封更好的避免了密封不嚴(yán)而產(chǎn)生回流、泄漏的問題，能有效防止閥體閥座被壓裂刺壞、刺漏。

目前長壽命泵閥制造技術(shù)的研究已經(jīng)取得階段性成果，形成的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在2800型及以上系列壓裂泵上得到應(yīng)用，整體使用壽命較普通泵閥提升近1倍，部分作業(yè)平臺(tái)產(chǎn)品使用壽命提升2倍以上，有效改善了泵閥易失效、連續(xù)作業(yè)時(shí)間短、拔閥勞動(dòng)強(qiáng)度高的問題。長壽命泵閥在重慶涪陵（測試井1）、山東濟(jì)陽（測試井2）、貴州正安（測試井3）、江蘇揚(yáng)州（測試井4）、四川宜賓（測試井5）等頁巖油氣平臺(tái)應(yīng)用，測試井泵閥應(yīng)用情況見圖3所示。

3.3 高性能盤根密封技術(shù)

盤根密封失效是影響液力端閥箱壽命的關(guān)鍵因素之一。盤根刺漏或過早失效易引起閥箱損傷，因此盤根的質(zhì)量對(duì)于液力端整體使用壽命至關(guān)重要?；谌S有限元應(yīng)力分析，以降低根部應(yīng)力集中為目標(biāo)，優(yōu)化頭環(huán)、壓力環(huán)密封結(jié)構(gòu)形狀和幾何尺寸，優(yōu)選出雙V壓力環(huán)和頭環(huán)組合盤根密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)壓力環(huán)與壓環(huán)配合角度和間隙設(shè)計(jì)，增強(qiáng)高壓導(dǎo)向保持和密封性能，以適用于多種不同介質(zhì)、不同溫度的高壓作業(yè)環(huán)境；基于強(qiáng)度和耐磨性高效匹配要求，以及盤根材料復(fù)合成型工藝研究，優(yōu)選出芳綸復(fù)合物雙V壓力環(huán)和改性氫化丁腈頭環(huán)組合高性能盤根密封材料，提高了基體材料超高承壓復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性；通過優(yōu)化潤滑流量和潤滑壓力精細(xì)化設(shè)計(jì)，確保新型盤根密封達(dá)到最佳使用狀態(tài)。

形成的系列高性能盤根密封總成在江蘇揚(yáng)州（測試井1）、湖北利川（測試井2）、四川瀘州（測試井3）、重慶涪陵（測試井4）、四川威遠(yuǎn)（測試井5）等頁巖油氣井平臺(tái)應(yīng)用效果較好，整體使用壽命較普通夾布盤根產(chǎn)品提升2倍以上。高性能盤根測試井應(yīng)用情況如圖4所示。

4 結(jié) 論

（1）開發(fā)的強(qiáng)韌性超級(jí)馬氏體不銹鋼閥箱，實(shí)現(xiàn)了在幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備及熱處理工藝方面的技術(shù)突破，延緩了大型壓裂超高壓、連續(xù)作業(yè)液力端閥箱開裂和裂紋萌生時(shí)間，壽命延長明顯。

（2）研制的長壽命泵閥及密封，有效改善了壓裂作業(yè)泵閥易失效、連續(xù)作業(yè)時(shí)間短、拔閥勞動(dòng)強(qiáng)度高的問題。

（3）形成的高性能盤根密封技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了盤根使用壽命成倍增加，解決了盤根刺漏或過早失效易引起閥箱損傷的問題，有效降低了停機(jī)維護(hù)頻次。

（4）研究取得的大功率壓裂泵液力端關(guān)鍵技術(shù)成果，對(duì)提升我國大型壓裂裝備制造及壓裂泵的整體創(chuàng)新能力、非常規(guī)油氣田壓裂施工效率、低成本開發(fā)，具有十分積極的作用。

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于大偉，高級(jí)工程師，生于1986年，2017年畢業(yè)于華中科技大學(xué)材料工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆采設(shè)備研發(fā)工作。地址：（434024）湖北省荊州市。電話：（0716）8429326。email：yudawei6339@163.com。

2024-02-28

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