闫志琴

YAN Zhi-qin

（晋中学院 机械学院，榆次 030619）

0 引言

石油在各个领域的需求与日俱增。压裂泵是石油行业最为关键的设备，通常用于输送腐蚀性的、含固体颗粒等杂质的介质。通过水力作用使油气层产生裂缝的方式称为压裂。压裂是指利用地上的高压压裂泵组，将粘度较高的压裂液以超过地层接收能力的排量注入井内，当压裂液的压力超过地层岩石抵抗张力的强度时，就会产生裂缝，然后，注入一定量的携砂液对裂缝进行扩展延伸并填充支撑剂，使地层中形成一定长度、宽度和高度的裂缝。该裂缝可增加地层渗透率，挺高开采效率。水力压裂不仅可以加快油气层开发的进程，而且可以大大提高油气层的开采量。压裂泵是整个压裂作业中的关键。压裂泵由动力端和液力端组成，动力端主要用来传递动力，主要包括曲轴、连杆和十字头等。压裂泵液力端的泵头体、泵阀、密封等结构都属于易损件，容易发生失效，造成生产过程的中断，给生产带来巨大的损失。柱塞容易发生磨损失效。下文主要以柱塞为对象进行分析，得出压裂泵柱塞的最优设计。

1 压裂泵工作原理

压裂泵是由若干个曲柄滑块机构（如图1所示）组成。其工作原理为：曲轴带动活塞进行往复运动，活塞左行时缸内形成负压将压裂液吸入，活塞右行时将压裂液增压排到出口管道。

2 柱塞个数的优选

图1 压裂泵的（曲柄滑块）运动机构简图

柱塞的个数和缸的个数相等，压裂泵的排量大小，排量波动等都与缸的个数有关。选择合适的柱塞数是决定泵性能的关键因素。

2.1 排量大小

压裂泵理论平均排量为：

压裂泵的排量与效率紧密相连，排量越大压裂效率越高。由式(1)可知，泵的排量与冲次、曲柄长度、泵缸截面积和缸数有关。

2.2 排量波动

由于压裂泵的原理，曲柄滑块机构中的滑块的速度不恒定，且每一个缸的吸排过程不连续，都会导致泵的排量不均衡，产生排量波动，且该波动是无法消除的。排量波动会引起一系列的不利影响。

泵排量的波动会引起压裂液压力的波动，从而可能会导致液压系统产生振动和噪声。严重时，若液压系统产生的波动频率等于液压系统的固有频率，则会引起液压系统的共振，这对传动轴和轴承的使用以及对管接头和密封件等都有不良的影响。这些都会使液压系统的性能遭到严重的影响和破坏，系统内各液压元件的使用寿命变短，从而影响该液压系统的运行。

2.2.1 单缸压裂泵排量脉动

由图1所示，根据几何关系可得单缸压裂泵柱塞行程：

式中：x为柱塞行程，mm；R为曲柄长度，mm；θ为曲柄转角，rad；

柱塞速度：

式中：ω为曲柄的旋转角速度，rad/min。

速度方向在一个冲次内变化一次，两个方向分别代表吸和排两个过程。

柱塞缸的排量：

单缸压裂泵的瞬时排量：

单缸压裂泵的平均排量：

如图2所示为单缸压裂泵瞬时流量和与时间的关系。从图2可以看出，单缸压裂泵的吸排两个过程是分开的，因此压裂泵的排量波动很大。

图2 单缸压裂泵泵瞬时流量和与时间的关系

图3 缸数为奇数时曲柄分布图

2.2.2 多缸压裂泵排量脉动

1）缸数c为奇数时，曲柄分布如图3所示。

每个缸的瞬时排量：

压裂泵的瞬时排量：

如图4所示缸数为奇数时压裂泵瞬时流量和与时间的关系。由图4可得出泵缸和曲柄尺寸相同时，压裂泵的排量随缸数的增加而增加。排量的波动随缸数的增加而减小。

图4 缸数为奇数时泵瞬时流量曲线

2）缸数c为偶数时，曲柄分布如图5所示。

图5 缸数为偶数时曲柄分布图

每个缸的瞬时排量：

压裂泵的瞬时排量：

如图6所示缸数为偶数时压裂泵瞬时流量和与时间的关系。

图6 缸数为偶数时压裂泵瞬时流量曲线

图7 不同缸数压裂泵的流量曲线

由图6可得出泵缸和曲柄尺寸相同时，压裂泵的排量随缸数的增加而增加。排量的波动随缸数的增加而减小。

3）缸尺寸相同时，不同缸数对应的瞬时排量比较。

表1 不同缸数压裂泵的流量参数

图8 流量参数与缸数的关系曲线

如图7所示为缸尺寸和曲柄尺寸相同时，不同缸数的流量波动情况。由图7可得到缸尺寸和曲柄尺寸相同时，不同缸数压裂泵的流量的最大值Qmax/ARω，最小值Qmin/ARω及其差值ΔQ/ARω和平均流量Q/ARω，如表1所示。由表1作出各种流量参数与缸数的关系曲线，如图8所示。根据图8可以看出，缸尺寸和曲柄尺寸相同时，泵的平均排量和缸数成线性关系。流量波动（最大流量和最小流量的差值）随泵的增加震荡减小，当缸数为奇数时的流量波动小于缸数为偶数时的流量波动。

平均排量相同时，不同缸数对应的瞬时排量比较。

图9 不同缸数压裂泵的流量曲线

如图9所示为平均流量相同时，不同缸数的流量波动情况。由图9可得到平均流量相同时不同缸数压裂泵的流量的最大值Qmax/ARω，最小值Qmin/ARω及其差值ΔQ/ARω和平均流量Q/ARω，如表2所示。

表2 不同缸数压裂泵的流量参数

图10 流量参数与缸数的关系曲线

由表2作出各种流量参数与缸数的关系曲线，如图10所示。根据图10可以看出，压裂泵平均流量相同时，流量波动（最大流量和最小流量的差值）随泵的增加震荡减小，当缸数为奇数时的流量波动小于缸数为偶数时的流量波动。

3 柱塞水平分布的优化

泵在工作时，工况一定则每个曲轴受到的力是一定的，但曲轴所受合力却会因曲柄相对位置（柱塞水平分布）的不同而不同。

由2.2节可知当缸数为奇数时，压裂泵的排量波动较小，此处以常用的5缸泵为例进行受力均衡分析。分析如表3所示的A、B两种布局其结构示意图如图11所示。

表3 不同布局曲柄相对角度

图11 曲柄布局结构示意图

建立简易模型，假设曲轴长为5个单位长度，两端轴承支撑，五个曲柄分别在0.5、1.5、2.5、3.5、4.5的位置上，且径向力相等，均为单位1。则A、B两种布局曲轴所受弯矩如图12、图13所示。

图12 A布局时曲轴弯矩

图13 B布局时曲轴弯矩

根据图12、图13，可以看出采用B布局时的曲轴弯矩比采用B布局时的曲轴弯矩小得多。所以设计时采用B布局，相邻曲柄间的角度尽量最大，弯矩可相互抵消，使得最大弯矩减小。

4 压裂泵柱塞密封优化

柱塞密封是压裂泵的关键零部件之一，其极易磨损。柱塞密封的性能直接影响压裂泵的工作性能，甚至使压裂泵失效。柱塞密封不好会对使用者带来因维修而导致的大的经济损失。

4.1 柱塞往复运动速度和表面质量

当柱塞以较高的速度做往复运动时，柱塞和密封圈的表面会相互摩擦，产生大量的热量，会导致温度上升，进而使得密封圈材料加速老化，失去弹性，最终导致密封圈对柱塞的径向抱紧力大为减小。柱塞是压裂泵系统中的薄弱环节（即易损件）。随着石油开采的进度，目前的石油开采环境变得越来越恶劣，从而使得油井加深，所需的压裂酸化半径加大，这些都对酸化压裂工艺提出了更高的要求。向井内注入的压力液的压力、含沙比和酸度都要提高，这些改变使得柱塞的工作环境更加恶劣，会大大降低柱塞的使用寿命。现有的柱塞为提高柱塞表面的耐磨性、耐热性和耐蚀性，一般采取的措施是表面镀铬，但在实际使过程中效果并不理想。柱塞损坏后，会导致酸性的压裂液泄漏渗入曲轴箱，和曲轴箱内的润滑油混合导致其变质失去润滑作用，从而导致曲轴箱内的部件（十字头、拉杆和轴承等等）产生严重的腐蚀和磨损，导致重大事故发生。为避免或减轻上述情况发生，采用热喷涂技术对柱塞表面强化，根据相关实验结果，对柱塞表面进行喷焊处理。喷焊后在对其进行磨削加工。处理后的柱塞，表面质量增强，其使用寿命也大幅度提高。

4.2 密封圈材料选择

密封圈适用范围的关键条件和使用寿命是由其材质决定的。密封圈在工作时的失效形式有很多种，包括偏磨、疲劳磨损、磨料磨损、永久变形、烧伤等。其中主要的失效形式是烧伤，烧伤一旦发生，密封则会立即丧失工作能力，其他失效形式都是一个累积的过程，到达一定的界限后才会失效。根据工作环境和失效形式，对密封圈材质的要求是耐热性好，目前常用的是单一的夹布橡胶。但夹布橡胶的耐磨、耐压、耐温和耐酸性腐蚀性能均较差，因而密封不严，使用寿命较短。新密封圈是将耐磨、耐酸、耐温、耐压、耐老化能较好的聚氨酯橡胶和承载能力强，耐高、低温性能好耐油与耐蚀能力强，抗老化，摩擦系数小和自润滑性能好填充聚四氟乙烯（填料为青铜粉）两种材料制成，经相关实验证明该混合材质密封圈的性能较好，使用寿命也相比于传统橡胶有很大的提高。

5 结论

在设计压裂泵的过程中，先考虑泵的排量是否满足压裂要求，一般为加快压裂工程进度，要求排量越大越好。另一方面要求流量的波动越小越好，由前文计算分析可得当缸数为奇数的流量波动相比于缸数为偶数时的流量波动效果好，因此在设计时常取缸数为3、5、7，因为缸数越大泵的加工难度和加工成本都会增加，当泵数超过5时，增加的幅度会很大，因此折中的结果取缸数为5。设计时，相邻曲柄间的角度尽量最大，弯矩可相互抵消，使得最大弯矩减小。柱塞的密封效果与其表面质量和密封圈材质等有关。柱塞密封的设计就是要使之适应以上复杂工况并使之有良好的密封效果直接影响到泵的性能，甚至影响到泵能否正常工作，因此在设计时要着重考虑密封要求。可从密封材料，密封结构处进行优化，以使得泵的性能稳定并使其寿命延长。

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