浅谈压裂泵的发展前景及原理

浅谈压裂泵的发展前景及原理

摘要：石油被称为不可再生宝贵的资源，随着用油量的逐日加大，石油储量越来越少，也显得越来越重要。石油是工业的血液，它决定着整个国家的发展水平，石油的开采量随着全球经济的高速发展而日益加大。随着我国加砂压裂、酸化压裂工艺的不断强化和油气井深度的不断增加，压裂泵愈来愈朝着大排量、高压力、大功率的方向发展。在油气勘探技术的发展的同时，油气井分布也越来越广泛，并且，对压裂设备的移运性的要求会更高。因此，压裂泵工况更加恶劣，为进一步提高压裂泵的使用寿命并对它进行结构改进和整体研究就具有十分重要的意义。本文根据3000型压裂泵泵头的工作原理及设计要求，确定出其尺寸，确定泵型及总体结构形式，确定液力端结构型式，然后用SolidWorks画出泵头三维模型，用计算机辅助设计软件CAD画出重要零部件图，进行泵头和压裂泵泵阀箱的设计，然后对压裂泵泵阀模型用Fluent软件进行分析，找出受力较大易受损部位。

关键词：压裂泵;液力端;阀箱;Fluent

随着我国加砂压裂、酸化压裂工艺的不断强化和油气井深度的不断增加，压裂泵愈来愈朝着大排量、高压力、大功率的方向发展。在油气勘探技术的发展的同时，油气井分布也越来越广泛，并且，对压裂设备的移运性的要求会更高。因此，压裂泵工况更加恶劣，为进一步提高压裂泵的使用寿命并对它进行结构改进和整体研究就具有十分重要的意义。

一、国内压裂泵技术研究现状

由于我国的经济相对那些西方发达国家还有一定的差距，一般还处在模仿和在国外同类的产品基础上改进的阶段和水平。同样，应用于油气开采方面的压裂工艺设备也和他们不可同日而语，无论在设计上还是在制造上，和那些压裂技术先进的国家是没法比的，其中存在的这种差距的关键问题是：（1）从目前情况来看，我国以自己的实力自行研制和使用的压裂设备技术还不够成熟，压裂设备的功能还不够齐全;（2）在我国很多油气田生产线上使用的大多压裂泵还属于小排量、压力上升慢的类型;（3）我国对压裂技术的研制水平还没有那么到位，离引领世界潮流的压裂工艺研制技术还差很远;（4）大部分使用中的压裂设备都不能长期承受其恶劣的工作环境和繁重的工作任务要求，长期磨损，使用寿命很短，况且大都是价格昂贵的设备，短时间内大量设备损坏增加了成本，降低了生产效率;（5）我国虽然也存在一些生产压裂工艺设备的企业，但是生产出的产品还没形成标准化，还满足不了互相性要求。

近年来，我国实行经济发展战略是西部大开发战略，同样，石油工业也随着西部大开发的发展而向西部专业。由于，我国的油气储量的逐渐减小，并且随着国内车辆的大量使用，油气的使用量在逐年大量增加，这些都迫切需要我国必须加快对输入特殊介质的压裂设备、沙漠压裂设备、浅海滩涂压裂设备、深井压裂设备的研制速度。因此，我国必须投入大量的人力物力来设计和生产出大功率、大排量、使用寿命长的压裂设备来适应经济的发展。由于，压力泵属于压裂工艺中最重要的设备之一，它工作的环境一般都很恶劣，本身又是工作要求很高，比如功率很大，并且，它的生产和研究过程很复杂，要求的技术很高，再加上我国对压裂工艺设备的研制技术还不成熟，因此，我国生产压裂设备的厂家数量较少，主要集中在三家工厂：兰州通用机器厂、江汉第四石油机械厂和成都般发特种车辆厂。与外国相比，我国在零件设计加工方面也存在很多不足，缺乏竞争力。与工业发达国家相比，我国的三维CAD技术在应用的深度和广度方面的差距也很大。我国现在的CAD技术的应用还基本上停留在计算机辅助设计上，而且一般还是基于设计图纸上的。而且，我国对压裂设备的生产过程仍采用钻.扩.铰的传统加工方式对泵头大直径深孔进行加工，泵头加工专用的工艺装备如刀具、夹具和机床等的设计量也很少。

二、国内发展前景

我们国家的压裂设备市场目前的情况正处于高峰期，有持久不断的市场驱动力。2002年，我国的大庆油田在全国首批采用压裂设备实施增加油气产量，也由此大庆油田的增产幅度高达40%.60%。页岩气、天然气的开发、传统油田的增产等非常规气开发将成为以后几年里我国最重要的增产油气产量的重要措施和动力之一。

我国的压裂、酸化等油气田大量使用的专用柱塞泵的设计和制造与国外的柱塞泵的设计水平和制造数量及质量相比存在很大差距，造成这种差距的原因有很多，总结起来其中最重要的是我国开发油气田的历史太短，对油气田专门使用的柱塞泵比如压裂泵等研究制造开始的时间也晚，为了向世界先进的压裂技术靠拢，我们的主要的努力发展方向有以下几方面：努力实现产品系列化、标准化、通用化;压裂工艺设备的基本构件的研究及制造要更全面;压裂设备功能和形式的多样化;压裂设备品种的多样化。随着石油工业在国民生产中发挥的作用越来越大，我国在压裂泵工艺技术研究及压裂泵设备的制造方面也以很快的速度发展，与世界压裂技术先进的国家的差距也会越来越小。

三、压裂泵的工作原理

压裂泵的重要工作就是在很高的压强下将压裂液运输到井底，致使井底的岩石裂开，次年改成很多裂缝，用这种方法来提高油气渗透率，增加油气在地层下面快速的流动，从而增加油气的产量。压裂液包括酸化液和混砂液。酸化液是压裂时对地层起腐蚀作用的一定浓度的酸液，如盐酸等，它可以扩大裂缝，并能够促使窟窿的形成。混砂液一般是在清水、粘性液体内或原有液体中加入一定比例的支撑剂的混合液体。在压裂过程中，混沙液中的砂粒等支撑剂可以起着很好的支撑的作用，还可以扩大地层裂缝。

总而言之，压裂就是用压裂液体能够传导压力的作用，把高压设备的压力传导给岩层，高压致使岩层产生数条裂纹，增大了岩层下油气的运输通道，提高了运输速度。从而提高了产油率。

在压裂泵的压裂过程中，压裂液传导给地层的压力来自于位于地面上面的高压强的压裂泵。压裂泵的动力端的动能通过液力端转换成压裂液的液体能量，使压裂液以一定的速度注入到地层以下。随着压裂液的不断注入，地层以下的压力也逐渐增大。当压裂液的注入速度大于地层对液体的吸收能力时，就会在地层形成一股逐渐增大的压力，当压力达到一定程度就被撑破岩层，使其产生缝隙或裂纹，从而增大了地层液体的渗透和过流速度，同时油气在地层的流动速度也会增大，这样就使油气产量明显增加，生产效率大大的提高。

停泵以后，为了防止在上部岩石的重力作用下裂缝重新闭合，必须要向