固井压裂泵阀理论研究与应用.pdf

第卷第期 年 月 江汉石油 科技 月卫 固井压裂泵阀理论研究与应用 李德清 江汉石油管理局第四机械厂 摘要固井压裂泵是固井压裂设备的核心部件 , 固井车 、压裂车及其撬装设备要 实现其功能 主要依靠其上装的柱塞泵 。 固井压裂泵泵送的液体排量具有脉动性 , 受柱塞数目和入值影响 , 同 时泵阁的开启和关闭是动态的 , 且相对曲抽 或柱塞具有轻微的滞后即开启和关闭滞后 。 固井压 裂泵阀系统主要设计参数有泵阅的升程 、凡 尔座内孔直径 、凡 尔弹黄的刚度及其预压缩全等 , 我们 用试验脸证了这些参数对固井压裂泵容积效率的影响 。 容积效率是衡童固井压裂泵性能的重要指 标 , 研究泵阁理论合理设计这些参数可提高容积效率 一 。 关挂词泵间理论排童脉动性泵阀动态特性关闭滞后泵阁升程凡尔座内孔直径 第四石油机械厂是我国最大的固井压裂泵制造 厂家 , 从上个世纪八十年代陆续从美国公司引 进了泵和泵设计制造技术 , 从美国 公司引进压裂泵设计制造技术 , 近几年 , 我 们在参照 助如和 公司的基础上 , 开 发了 仪 泵和泵以及五缸泵系列 。 固井压裂 泵液力端设计是一项非常复杂的工作 , 其中泵阀的 设计相当重要 , 它直接影响泵的工作性能 , 特别是泵 的容积效率 。 我们在引进或参照这些国外泵时基本 上是实物测绘或直接外购组装 。 近几年 , 我们在完 善和扩展我国固井压裂泵系列 , 将功率的筱盖范围 从到 刃 , 每一种柱塞泵的直径从 一 到形成系列 , 以及力争使国产固井压裂泵效率 提高 石 , 使其性能参数达到国际水平过程 中 , 泵阀理论的研究和泵阀设计尤为重要 。 固井压裂泵阀理论研究 固井压裂泵阀的工作原理是当柱塞从泵头体 腔抽出时 , 泵头体腔容积增加 , 腔内压力下降 , 因为 抽送液体的相对不可压缩性 , 很小的柱塞行程就能 引起一个压降 , 当腔内压力完全降到吸人压力以下 时 , 压差开始打开吸人阀即升起凡尔体 , 液流通过吸 人阀流入而充满泵头体内由柱塞 、 吸人阀 、排出阀及 吸人堵盖之间围成的腔以下称工作腔 。 当柱塞 在吸人行程的末端减速时 , 吸人阀逐渐返回其阀座 即凡尔体下落回位 。 理想的情况是 , 当柱塞停止时 吸人阀彻底关闭 。 连杆十字头机构的运动引起柱塞 的反向运动 , 从而开始了它的排出行程 , 被截在工作 腔内的液体被压缩 , 直到腔内的压力超过排出压力 足以开始打开排出阀即升起凡尔体 , 工作腔内液体 流人排出集流腔通过排出管汇排人井口 , 当柱塞在 排出行程的末端减速时 , 排出阀逐渐返回其阀座即 凡尔体下落回位 。 同样理想的情况是 , 当柱塞的运 动停止时 , 排出阀恰好关闭 。 关于泵阀理论 , 我们主要对以下几个方面进行 了研究 。 液流排且的脉动特性 柱塞的线位移即行程长度为 卜 。。。 ‘一 价 冬 , ’ 式中连杆大头中心与主轴中心距在曲轴中为 轴承轴颈中心与曲拐中心距 或曲柄半径 一连杆大小头孔中心距也称连杆长度 柱塞的往复运动速度决定液体从工作腔中排出 的流量 , 柱塞往复运动瞬时速度为 , 。 、 下了 刀廿十一二丁一 目 ’ 乙入 式中 入二 骊一 一一 份 一主轴 曲轴转速 作者简介李德清 , 工程师 , 年生 , 臾抖年毕业于 大庆石油学院机械制造工艺与设备专业 , 现在从事固井压裂 设备研发工作 。 第 期李德清固井压裂泵阀理论研究与应用 固井压裂泵的液流排量的脉动特性受柱塞数目 和入值 入二 影响 。 表和表是柱塞数目变化时和 相对于平均流量的变化情况 。 入二工变化时 美国街击 切叮 协会推荐的固 井压裂泵在各种冲程下允许的最大冲次 , 见 表 表不同泵冲程下的最大 卫 泵冲程最大 表柱塞数目对平均流上下变化的影晌 入大致为 类型柱塞数目 平均值以 上 平均值以 下 总变化量 肠 柱塞相位 角 双缸 。 三缸 。 四缸 五缸 六虹 七缸 九缸 加 根据表可以计算出不同柱塞直径在相应冲程 下液体流过泵阀允许的最大平均出流速度 。 通过阀的平均出流速度可用下面这个公式 计算 衰三缸泵 入值的变化对平均流 上下变化的影晌 二 乏 巨 竺互 衅 入 平均值以上平均值以下总变化盆 式中一通过阀的流量 扩 一阀的出流面积 。 阀的出流面积是指凡尔体锥面与凡尔密封 圈锥面围成的环形圆锥体空间截面积 。 其计算公式 为 忆酝“肠 式中一升程 一凡尔座内径 一凡尔座出 口斜面与柱塞运动中心线的夹角 凡尔座内孔直径理论计算可用下面这个公式 乃 东 ⋯ ‘仙 ︵ 几 困且‘曰﹄ ⋯⋯ 嘴 一 从表和表可知 , 增加柱塞数量或泵头体腔 泵送缸数及增加 入值会降低排出流量的脉动 。 泵阀的动态特性 泵阀的动态特性是对泵阀压力变化的机械响 应 。 泵阀的打开和关闭相对曲轴旋转和柱塞运动都 有一个轻微 的滞后 。 通常 , 曲轴旋转大约 一 “ 时柱塞开始运动 , 阀打开的滞后归因于需要克服的 泵阀的惯性和阀簧的预载以及液体分子与阀和阀座 即凡尔总成和凡尔座的密封面之间存在的粘着 力泵阀静摩擦力 。 泵阀延时关闭是指柱塞达到 它的行程的终点和阀彻底关闭时间内曲轴旋转的角 度 , 通常为 “ 一 “。 泵阀延时开启对泵的综合 性能影响较小 , 但泵阀延时关闭对泵的性能影响较 大 , 特别是对泵的容积效率的影响 。 凡尔座内孔直径 凡尔座内孔直径影响泵的流量和流过泵阀的速 度 。 根据美国 肠 玩 切叮田对 协会推 荐 , 对固井压裂泵 , 理想的流过泵阀的平均液流速度 为 一 英尺每秒 一 耐 。 。 当输送液体为悬 浮浆液时 , 通过阀的最大流速不宜超过 叮 , , 以防悬浮颗粒分离 , 最小不低于 叮 。, 以防悬浮 颗粒沉降 。 二 匡 习涵 式中一通过凡尔座孔的理论流量 一通过凡尔座孔的最大瞬时流速 耐 , 凡尔座内孔直径设计的原则是在不超过最大 设计流速的前提下 , 使凡尔座内径尽可能小且能允许 足够多的液体流过泵阀 。 美国各厂家固井压裂泵凡 尔座大部分都统一型号了 , 其内孔直径尺寸见表 。 表凡尔座内孔直径 柱塞直径 一 一 一 一 一石 凡尔座型号 一 一 一 一 一 一 一 一 凡尔座内孔 直径 对应的阀 升程 江汉石油 科技第 卷 泵阀升程确定 泵阀升程要满足以下条件在吸人冲程 , 为了保 证泵的灌注吸人阀要开启快且具有足够的升程升 程能充分让全部固体颗粒通过 吸人阀和排出阀 , 在循环末能立即关闭 吸人和排出阀 。 对于固井 压裂泵因采用翼板导向的锥面阀 , 升程可用下列公 式计算 式中汪一升程 凡一平均速度 爪爪八 一泵阀开启或关闭的结束时的速度 价拍了 泵阀开启或关闭的加速度 玲 一 少专 旦 卫 瓷 万 一 弓 其中 二 一 卫蜓生一一 , 二 一 式中一泵阀刚开启或刚要开始关闭时的速度 , 二 凡尔体受力 泵阀开启或关闭末尾时凡尔体的受力 二 、 泵阀刚开启或刚要开始关闭时的受力 二 里色 丑 △ 朽万丽 仃 下不 一一 略 式中 最大瞬时流量面 凡尔弹簧刚度功 弹簧预负荷一阀关闭 泵送液体的密度功 己 阀的重量功一凡尔体 、凡尔胶皮质量和 凡尔弹簧质量一半之和 凡尔座内孔的面积 根据国外经验 , 固井压裂泵阀升程在 ” 一 ”范围内比较理想。 一般情况下 , 我们根据表初 选升程 , 最后再按升程公式验算或修正 。 凡尔弹赞刚度及其预压缩 凡尔弹簧的刚度及其预压缩量影响泵阀的开启 和关闭 , 凡尔弹簧施加在凡尔体上的阀开启载荷不 能太大 , 否则泵阀开启延迟 , 影响灌注或排液但凡 尔弹簧施加在凡尔体上的载荷也不能太小 , 否则泵 阀延时关闭时间太长 , 液体回流过多 , 从而影响泵的 容积效率 。 所以弹簧刚度值非常重要 。 固井压裂泵阀的开启或关闭通常要求在曲轴旋 转 , “ 内完成 , 开闭的压力差即凡尔体上 下腔压力差为 一 。 凡尔弹簧刚度计算公式 如下泵阀开启或关闭的时间 甲 式中仍一泵的最高冲次 物一泵阀关闭滞后角 卜泵阀开启或关闭的时间 泵阀开启或关闭的平均速度 式中 △一泵阀开启或关闭时的压力差 , △ 一凡尔座内孔直径 , 凡尔体 、凡尔胶皮质量和凡尔弹簧质量一 半之和 , 纯 。 ,川‘ 二‘、、‘ 。 二 。 , 一 所以根据虎克定律 , 凡尔弹簧刚度 二二三厂卫 固井压裂泵凡尔弹簧刚度一般为 , 一 了 。 一般来说 , 排量越高 , 凡尔 弹簧刚度要求越高 。 凡尔弹簧在阀关闭时会对阀施加一定量的预载 荷 , 这个预载荷帮助凡尔密封圈平稳的紧靠凡尔座 , 从而防止阀的回弹和可能的回流 。 在吸人阀上加太 高的预载荷可能导致较高的净正 吸头玲 。 在排出阀上 , 过大的预载荷可能在阀门正好打开之 前 , 在泵头体腔内引起不正常的高压力峰值 。 凡尔 弹簧预载荷由下列公式确定 尸开 一 鸣 式中一凡尔座内孔面积 一重力加速度 开一泵阀开启压力差 为了保证泵阿在低的吸人条件工作 , 开 通常比 留小 , 一般为 一 。 凡尔弹簧预载荷和凡尔弹簧刚度确定后即可算 出凡尔弹簧预压缩量即 凡尔弹簧装配前压缩量 。 玖 ,二 粤 二“、凡 多 泵阀理论试验验证和应用 容积效率 容积效率是衡量固井压裂泵性能的重要指标 , 第期李德清 固井压裂泵 阀理论研究与应用 泵的容积效率是泵的实际排量与其理论排量之比 , 对固井压裂泵 , 若泵送的介质不含气体 , 则容积效率 可推导为 刀 , 中。 岭 一尸 变形写成 其中 式中、一容积效率 物一关闭滞后角 一液体压缩系数 , 护 一’ 一泵的平均排出压力 一容积损失系数 ,一’ 。一绝对刚性液缸容积 、 一泵的冲程容积 可见泵的容积损失率由三部分组成 由吸人阀和排出阀滞后关闭而引起的回流 量比例 一 卿 。 泵头体腔中 , 由于存在着死区容积液体不 能排出和液体介质的可压缩性造成的容积损失率 吕 一 ’ 在排出压力下泵头体腔容积增大引起的容 积有关 。 只 年月 , 我们在厂泵总成试验台上 作加泵盘根对比试验时 , 同时用试验验证了这些 参数对容积效率的影响 。 凡尔弹簧刚度对容积效率的影响 凡尔弹簧必须有足够的刚度 , 刚度偏低导致泵 阀延时关闭时间太长即关闭滞后角 沪。过大 , 液体 回流过多 , 容积效率偏低 。 表是在 ’, 泵上 用进口弹簧和自制弹簧作的对比试验结果 。 试验前对弹簧刚度进测试 , 结果如下 进口吸人弹簧刚度 一 进口排出弹簧刚度 自制吸人弹簧刚度 叭 , 自制排出弹簧刚度 一 一玖 一一 表凡尔弹赞网度对容积效率的影晌 全部装进口弹簧 一 、 ︺︸︺︸ 二﹃ ﹃’ 档 位 冲 次 压力排量 加 理论 月曰‘ 飞 ︸‘ 八,一 今 ﹃、︹ ⋯ ‘ 全部装自制弹簧 曰砧 ︸ , 毖拍廿月呀凡 ︸曰、︸ ︸ 吕佗 ︸一 石 曲护︸ ,‘ 积损失率 档 位 冲 次 压力排是 矽 口山 排量容积效率 勺面 一 理论 肠 班 另外还有高压介质通过密封不 良的吸人阀 、 盘 根 、 吸人盖和排出盖等泄漏至液缸外的容积损失率 , 因设计要求不允许有明显泄露 , 该部分容积损失通 常很小 。 在上述三部分容积损失率中 , 后两项与泵头内 腔设计有关 , 因和很小 , 只有当排出压力足够 大时这两项才有意义 。 当排出压力达到 刃 时 , 要考虑该项 。 第一项主要与泵阀设计有关 。 固井压裂泵阀关 闭滞后角一般为 “ 一 “, 可见当排出压力不是 很大时 , 泵的容积效率最高极限值为 , 。, 即 一 。 泵阀对容积效率的影响 从容积效率理论可知 , 容积效率与泵阀关闭滞 后角成反比 , 滞后角越大 , 容积效率越低 , 这可解释 为泵阀关闭越晚 , 液体通过吸人阀和排出阀回流量 则越大 , 所以容积效率越低 。 泵阀关闭滞后角与泵 阀升程 、凡尔弹簧刚度、凡尔弹簧预压缩量及出流面 注排量实侧值为排量表显示平均值 。 可见用刚度偏低的自制凡尔弹簧泵容积效率比 用进口的稍低 。 试验中还发现自制弹簧缩短 , 弹性 下降 , 影响弹簧固定座到位 , 在试验高冲次 冲下 , 排出弹簧更易断裂 。 泵阀升程对容积效率的影响 排量越大 , 要求有足够的升程即有足够的开度 , 否则会影响泵的排液和吸液 。 可见升程减短后 , 因泵阀开度不够 , 影响排液 , 容积效率降低了 。 凡尔弹簧预压缩量对容积效率的影响 凡尔弹簧预载荷帮助凡尔密封圈平稳的紧靠凡 尔座 , 从而防止阀的回弹和可能的回流 , 过小的预压 缩量产生过小的预载荷后会降低容积效率 。 我们在厂泵总成试验台上用出口泵 。 江汉石油 科技第卷 表升程对容积效率的影晌 排出阀原设计升程装进口弹赞 压力 曰目工乙口盛内‘出月甘少 飞 ︼月,︸口 一 吕 月峥心口 翻别八甘, 皿 班 排童 砂 访 理论 仍 弘, 。 排容积效率 公 坛 冲次档位 排出阀原设计升程装进口弹赞 压力排量排容积效率 公 加 扩 口 。 冲次档位 理论实洲 瞄 加 班 班 衰凡尔弹预压绪且对容积效率的影晌 排出凡尔弹技原设计压编 吸人凡尔弹赞原设计压编盆 土 档 档 位 冲 次 压力 加 排 扩 加 排容积效率 扩 山 姑 侧四刀卯实盯上理论 叨柳 更改后排出凡尔弹技压缩最 更改后吸人凡尔弹技压编盆巧 压力 砰 排 砂 加 凡尔弹簧刚度 、凡尔弹簧预压缩量 以及凡尔座内孔 直径等可以提高泵的泵容积效率 一 。 泵阁理论应用 我们运用泵阀设计理论进行了出口泵 ” 液力端泵阀的设计 , 主要设计参数包括泵阀升 程 、凡尔座 内孔直径 、凡尔弹簧刚度及其凡尔弹簧预 压缩量等 。 出口 仅犯泵总成 ” 液力端性能参数如 下 柱塞直径 ” 最高冲次 冲程 ” 最大额定制动功率 最高压力相应排量价 最大排量相应压力加 佗 采用美国通用标准 , 按表选取泵阀升程 和凡尔座内孔直径 , 泵阀升程为 , 凡尔座 内孔直径为朔 。 验算出流速度 ①最大平均出流速度为 令 二 一 二二二二二全上竺二二止二竺二二二竺 ’ 其中出 流速 度 二 优 比 “ 阮 二 皿 邪 二 科计算得 二 功 冲次档位 流速度为 价 于 一 ︸︺﹄ ︸﹃ 耽﹃﹃﹃ 皿 一一 一 液力端上作了试验 可见凡尔弹簧预压缩量明显减少后 , 容积效率 降低了 。 其它因素 影响容积效率的因素还有 凡尔座内孔直径 、介 质密度 、吸人压力 净正吸头 、介质含气量、泵头体 腔尺寸 、泵转速及排出压力 以及泵液力端的密封性 等 。 因凡尔座更换不方便以及厂内试验台条件有 限 , 这些因素暂时还没有去验证 , 又因为上述试验介 质为清水 , 与实际作业现场介质固井水泥浆和压裂 液不同 , 实际作业泵的容积效率会比清水介质低一 些 。 利用泵阁设计提离泵容积效率的措施 从试验验证可知合理设计固井压裂泵阀升程 、 二 口了 了 泵的出流速度在推荐范围之内 , 所以泵阀升程 和凡尔座内孔直径取值是合理的 。 凡尔弹簧刚度计算 已知凡尔升程 二 最大冲次 二 冲凡尔总成重量 。 二 吨 二二下二厂 二二丁二二忍 以 吕石 凡 ,二 洲汉 二 巧 , 州了 二 矶 一一 “二 朋 “ 二 以砚川了 以 洲汉吕 第 期李德清固井压裂泵 阀理论研究与应用 二 。 二二 介 户 石万丽 一百 一 乙 ”’ 工作正常 , 泵阀设计是正确的 。 二 弹簧刚度 二粤二 二 缪 二 黑 杏, 。 〕 爪爪 凡尔弹簧压缩量计算 为提高泵的吸人性能 , 泵阀开启压力尸开取值 为 凡尔弹簧预压力为 互婆匹卫扩一 、 二 所以凡尔弹簧压缩量拟为 沮 验算泵阀升程 冲次为冲 , 时为最大瞬时流量 心 面 二 入 。 一 一一 一 一 二 、 , 、 。 溯 。 掣多少 叮 二 心 已知 刀 二 盯 , 按压裂液密度算 ‘ ,、 , ” 菇贡 ‘ “ ‘矿 代人升程公式注意单位换算 计算得升程 升程取值是合理的 。 从出厂试验和现场应用看 , 犯泵 ”液力端 结束语 通过对泵阀理论的研究和试验验证及应用 , 我 们基本掌握了固井压裂泵阀的设计 , 通过合理设计 泵阀可有效提高泵容积效率 ‘ 。 但是影响 固井压裂泵容积效率的因素还有很多 , 特别是泵头 体内腔结构设计 , 为了提高柱塞泵容积效率 , 还需要 优化设计泵增压系统 、 吸人排出管汇 、 泵头体内腔 结构等部分 。 要提高泵的性能还应要提高泵的机械 效率 , 为此需要对固井压裂泵的泵壳 、齿轮、 曲轴 、 连杆 、十字头等部件的结构设计及其加工精度 以及 润滑系统等方面作更细致的研究 。 目前我们在这些 方面积累了很多的经验 , 这些经验在五缸 柱塞泵上得到了应用 。 我厂要保持固井压裂设备优 势地位必须加大对固井压裂泵的研发力度和资金投 人 , 要建立起完善的柱塞泵试验台 , 为理论研究提供 准确的试验数据 , 要继续引智借脑 , 聘请国外专家和 与高校院所合作方式进行研究 , 使我厂固井压裂泵 效率提高一 , 性能参数达到国际水平 , 不断 完善国产固井压裂泵系列 , 紧跟国际固井压裂施工 作业工艺发展趋势 , 开发出适合新型施工工艺的泵 产品系列 。 只要我们点滴积累 , 持之以恒 , 不懈努 力 , 迎头赶上甚至超越美国固井压裂泵设计和制造 水平并不是梦 参考文献 沈学海钻井往复泵原理与设计〔北京机械工业出 版社 , 一 卡拉西克泵手册【北京 中国石化出版社 , 犯 一粼科 编辑李智勇