非常规油气开发用大功率液力驱动压裂泵.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷增刊 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY ●技术讨论 非常规油气开发用大功率液力驱动压裂泵 钟功祥 周大志 林 宁 西南石油大学机电工程学院 摘要 在非常规油气开发 中，要求压裂泵具有大排量 、大 功率 、高泵压 ，并且 能进行多阶段 连 续作业，现有压裂泵 已难以满足要求。为此，通过对液力驱动压裂泵结构和性能特 点的总结和 分析 ，结合非常规油气开发对压裂泵的要求 ，指 出应着力 自主研制大功率 的液力驱动压裂泵；参 照现有大功率压裂泵的技术参数，确定 出了适合非常规油气开发压裂泵的技术参数；并为成功研 制出该液力驱动压裂泵指出了应着力解决的关键技术。 关键词 非常规油气 大功率 液力驱动 压裂泵 关键技术 液力驱动压裂泵冲程长 、冲次低 ，大大改善了 泵的工作性能 ；又液压缸中活塞能够在恒流作用下 做恒速的直线运动，在理论上消除了机械式压裂泵 排出流量和压力的波动性【 】 ；还有液力传动本身 体积小，质量轻，寿命长，无冲击，惯性小，易于 实现无级变速 ，激动控制和过载保护等许多优点 ； 最后加上 日趋成熟 的液压控制系统 。因此 ，大功率 的液力驱动压裂泵必然会在非常规油气开发 中占有 一 席之地 。 1 液力驱动压裂泵结构与性能特点 液力驱动压裂泵的工作原理与传统的机械驱动 压裂泵有很大的不同 ，前者的动力端通过动力液推 动活塞 ，把动力传给液力端 ，后者动力端通过 曲柄 连杆机构把动力输传给液力端。动力端驱动方式的 不同，使液力驱动压裂泵在结构和性能上远优于机 械驱动压裂泵。其主要的结构和性能特点如下 1 排出压力是 由动力端 液压力 、动力端活 塞与液力端柱塞横截面积之比来决定的。动力端液 压力越 高，排出压力越高 ；动力端活塞与液力端柱 塞横截面积之 比越大 ，排出压力越高。因而设计和 使用时易于实现泵高压输出； 2 易于实现长冲程、低冲次，泵故障率大 大降低，寿命大大延长； 3 可实现泵排量及压力无脉动 ； 4 结构上易于实现大功率 、大排量； 5 与机械驱动压裂泵 相 比，同功率 的液力 驱动压裂泵的体积和质量大大减小 ，从而可大大提 高压裂车的运移性 ； 6 易于实现 自动控制 ，因而有利于现场施 工参数的控制。 2 液力驱动压裂泵更适合非常规油气 田开发使用 目前我 国非常规油气开发主要集 中在煤层气和 页岩气上 。煤层气一般在井下 3 0 0 0 m左右 ，要求 压裂泵单机排量大 ，能够长时间施工 ，并且功率储 备系数大 ，加砂 比大 ；而我 国四川盆地的页岩气在 3 0 0 0 m 以上 ，为此 ，压裂施工要求压裂泵条件更 苛刻 ，要求水平井多阶段压裂 ，单阶段连续工作 4 h 以上 ，还有就是排量大，功率储备系数达到 1 ． 4倍 以上 ，同时要求压裂车有更好 的运移性 J 。为此， 非常规油气开发对于常规压裂泵是一个挑战。 从液力驱动压裂泵的结构 、性能特点和非常规 油气开发对压裂泵的要求可以看 出，液力驱动压裂 泵更适合非常规油气 田开发使用。如哈利伯顿服务 公司的 H T一 3 0 0 0 B型液力驱动压裂泵，由 H T一 4 0 0压裂车泵提供动力液。具体参数如表 1 所示。 表中 q m a x 表示最大流量 ，q 砂表示泵送砂量 ，t m a x 表 示最长工作时间。 基金项 目省部共建 “ 石油天然气 装备”教育部重点实验室资助项 目 2 0 1 1 s t s 0 3 。 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷增刊 表 1 H T一 3 0 0 0 B型液力驱动压裂泵参数 从表 中参数可知 1 H T一3 0 0 0 B型液力 驱动 压裂泵 的排 量、 压力都能满足非常规压裂施工的基本需求 ； 2 长 冲程 、低 冲次 ，在抽汲腐蚀 液或者高 压磨砺液时 ，具有 良好的疲劳寿命和耐磨损性 ，能 够长期实施压裂工作 ； 3 液力驱动压 裂泵 输 出流量调节 方便 ，并 可以无级调速 ，不用像机械 曲柄式压裂泵更换缸套 才能调节输出流量 ； 4 该泵采用液压控 制系统 ，能够进行 网络 技术控制， 使压裂更能够同步进行，分点控制。 3 技术参数及关键技术 针对非常规油气开发对压裂泵的要求 ，现有的 压裂泵 已不能满足其开发 的需要 。为此 ，笔者认为 应 自主研制大功率的液力驱动压裂泵。 3 ． 1 技术参数 依据非常规油气开发要求，包括运移性、安全 性 、环保性 、稳定性和适应性 、经济性要求 ，同时 参照 H T一 3 0 0 0 B型液力驱动压裂泵和 2 5 0 0型机械 曲柄式五缸压裂泵的部分技术参数，确定出适合非 常规油气开发的大功率液力驱动压 裂泵 的技术参 数 最高压力 9 0、1 2 0 MP a 非常规油气页岩气施 工压力 通 常 在 7 0 M P a以下 ；最 大 流量 3 ． 5 、2 m ／ mi n ；冲次 2 5 m i n 。 。 ；缸数 3 ；增 压 比 3 ． 0～ 4 ． 0。 3 ． 2关键技术 为成功研制 出适合非常规油气开发的大功率液 力驱动压裂泵 ，应着力解决好如下关键技术 。 1 液压缸 的研制。大 口径 、长冲程液压缸 ， 加上高压力动力液，使液压缸承受很大的应力和冲 击 。设计时应注意 ，材料上应选择强度高材料 ，结 构上应保证伸缩性较小。 2 高压管路 的冲击 问题 ，包括 系统本 身引 起的压力冲击和外载性质引起 的换 向冲击。拟解决 方案_ 5 J ①改善换 向阀的换 向性能；②延长换 向 时间；③合理选择换向阀的过渡机能；④高压管路 应配装蓄能器 。 3 动力端 液压控制系统研 制。液压系统 的 控制一直是一个难题 ，特别是对于大型的液压控制 设备 ，由于设计的控制点较多，综合控制更难。虽 然 目前有较先进 的 G P C M控 制系统 J ，不 过还是 存在压力冲击等问题 ，需要进一步改进 。 4 密封元件 的选择 。密封是液压 系统的关 键 ，密封不好 ，会造成停机和机械损坏等事故。 4 结束语 通过对液力驱动压裂泵结构和性能特点的总结 和分析 ，结合非常规油气开发对压裂泵的要求 ，得 出液力驱动压裂泵更适合非常规油气 田的开发使 用 ，应着力 自主研制大功率的液力驱动压裂泵 ；参 照 H T一3 0 0 0 B型液力驱动压裂泵和 2 5 0 0型机械 曲 柄式五缸压裂泵的部分技术参数 ，确定出了适合非 常规油气开发的大功率液力驱动压裂泵的技术参 数 ；为成功研制出适合非常规油气开发的大功率液 力驱动压裂泵指出了应着力解决的关键技术。 参考文献 [ 1 ] 王新华 ，王建新 ．液压驱动往复泵活塞运动特性分 析 [ J ]．石油机械，2 0 0 2，3 0 5 2 22 4 ． [ 2 ] 周江林 ，王新华 ．液压驱动往复泵压力特性的理论 与实验研究 [ J ]．机床与液压，2 0 1 0 ，3 8 9 2 9 3 3． [ 3 ] 吴汉川 ，刘伯修 ．非常规天然气勘探开发中压裂设 备的研制 [ J ]．石油天然气学报，2 0 1 1 ，3 3 6 3 7 2 3 7 4． [ 4 ] 张阳春 ，杨志康 ．国外石油钻采设备技术水平分析 [ M]．北京石油工业出版社，2 0 0 1 2 2 8 2 3 1 ． [ 5 ] 唐省名 ，胡军科 ．液压驱动往复泵高压管路冲击问 题的研究 [ J ]．中南林业科技大学学报，2 0 1 0 ，3 0 1 2 1 6 1 1 6 6 ． [ 6 ] 贾 光政，王宣银 ．液压驱动往复泵 的设 计特点 [ J ]． 液压与气动 ，2 0 0 2 2 4 4 4 6 ． 第一作者简介 钟功祥，教授，生于 1 9 6 2年，1 9 8 9年 获西南石油学院石油机械工程专业硕士学位 ，现从事石油 机械工程科研和教学工作。地址 6 1 0 5 0 0 四川省成都市。 电话 0 2 8 8 3 0 3 7 2 2 5 。Em a i l z h o n g g x 3 1 7 0 1 6 3 ． o o m。 收稿 日期 2 0 l 1 0 9 2 0 本文编辑刘峰