采油機(jī)械課件-壓裂與酸化設(shè)備

壓裂與酸化設(shè)備第一節(jié)概述一、酸化壓裂工藝

1、作用：壓裂和酸化是目前油、氣井增產(chǎn)和注水井增注的有效措施。

2、壓裂過(guò)程：利用高壓液體(壓裂液)在井底生產(chǎn)層造成裂縫或擴(kuò)展原始裂紋，再用支撐劑(砂子或其它固體顆粒)充填，以形成高滲透率區(qū)域。（1）形成高壓（2）形成裂縫（3）填充支承劑

3、酸化過(guò)程：向井底注入酸液，以解除井底堵塞或溶去一部分地層巖石顆粒，從而提高油層滲透率。

近年來(lái)，在裂縫性灰?guī)r中發(fā)展了一種酸化-壓裂聯(lián)合處理的有效方法。這種方法實(shí)質(zhì)上是壓裂，只不過(guò)用酸液代替了壓裂液，不加支撐劑。經(jīng)過(guò)酸化-壓裂處理后，可得到導(dǎo)流能力強(qiáng)，裂縫長(zhǎng)的通道，增產(chǎn)效果好。實(shí)踐證明，進(jìn)行壓裂或酸化后，油、氣井產(chǎn)量可增加幾倍至十幾倍。

二、壓裂酸化設(shè)備進(jìn)行壓裂和酸化，需要整套的壓裂和酸化設(shè)備。（1）壓裂設(shè)備由壓裂車(或壓裂機(jī)泵組)，混砂車、運(yùn)砂車、儲(chǔ)罐車、管匯車、儀表車及井口附件等組成。

（2）酸化設(shè)備還應(yīng)配備酸罐車或酸化車。壓裂和酸化設(shè)備的性能和工作好壞是影響油井壓裂和酸化效果的重要因素。三、壓裂酸化設(shè)備國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)隨著我國(guó)油、氣井深度的不斷增加及壓裂和酸化工藝的日益強(qiáng)化：（1）壓裂和酸化設(shè)備愈來(lái)愈朝著高壓力、大排量和高功率的方向發(fā)展。（2）海洋和偏遠(yuǎn)等地區(qū)鉆采事業(yè)的發(fā)展又要求這些設(shè)備具有高度的運(yùn)移性和適應(yīng)性。（3）壓裂和酸化操作質(zhì)量的不斷提高則要求工藝過(guò)程的檢測(cè)和控制更加自動(dòng)化。我國(guó)生產(chǎn)的壓裂和酸化設(shè)備就是按照上述的方向不斷地完善和改進(jìn)的。

第二節(jié)壓裂與酸化設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)和作用原理一、泵注設(shè)備

一般稱為泵車。壓裂用泵車叫壓裂車。低壓酸化時(shí)，用固井水泥車.

高壓酸化時(shí)，特別是酸化壓裂時(shí)直接用壓裂車進(jìn)行。

用途：低壓酸化時(shí)，用水泥車向井中注入酸液。國(guó)產(chǎn)SNC-H300型水泥車的外形圖1、水泥車

SNC-H300型水泥車裝在JN一150型黃河牌載重汽車底盤上。主要由固井泵系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)、水泥漿混合系統(tǒng)，管匯系統(tǒng)和底座構(gòu)架系統(tǒng)等五部分組成。（1）固井泵系統(tǒng)由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)(6135型柴油機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速1800r／min時(shí)額定功率為118kW)經(jīng)汽車變速箱和功率分配箱，驅(qū)動(dòng)固井泵。固井泵為臥式雙缸雙作用活塞泵。

★注：SNC-H300型水泥車的最關(guān)鍵設(shè)備是固井泵。該泵是臥式雙缸雙作用活塞泵?；拘阅軈?shù)：最高壓力30.0MPa

最大排量1.27m3／min

沖程次數(shù)26～117min

沖程長(zhǎng)度250mm

JRPS50型固井泵撬

（2）水泵系統(tǒng)由專用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)(NJ-70型，當(dāng)轉(zhuǎn)速2800r／min時(shí)最大功率為52kW)通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)水泵。水泵用立式三缸單作用柱塞泵，最大壓力為1.5MPa，當(dāng)轉(zhuǎn)速204r／min時(shí)最大排量為1m3／min?？衫米兯傧錂n次的改變來(lái)調(diào)節(jié)水量。（3）水泥混合系統(tǒng)由水力式混合器（漏斗）、水箱和泥漿槽組成。水力式混合器的生產(chǎn)能力為1t/min（干水泥），它是一個(gè)漏斗裝置，在漏斗下部有噴嘴，利用高速水流在噴嘴頂部區(qū)域造成一定真空度，使水泥從漏斗上不自動(dòng)吸入，然后和水混合成水泥漿，再經(jīng)固井泵加壓，注入井筒。水箱容積為3m3，用隔板分為兩半，便于測(cè)水量。泥漿槽容積為0.25m3。（4）管匯系統(tǒng)管匯系統(tǒng)是連接固井泵系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)和水泥漿混合系統(tǒng)的管線以及各種閥門。（5）底座構(gòu)件系統(tǒng)包括以上各系統(tǒng)的底座和金屬構(gòu)件。2．壓裂車(或壓裂機(jī)泵組)

1）壓裂車(或壓裂機(jī)泵組)的主要作用：（1）向井內(nèi)注入高壓大排量的壓裂液，將油、水層造成人工裂縫，并向裂縫里注入帶支撐劑(如砂)的混合液，支撐住已形成的裂縫，提高井底附近地層的滲透率。（2）酸化壓裂時(shí)，用酸化壓裂泵來(lái)沖洗油井，帶出臟物，然后注酸，并用頂替液把酸全部擠到油層中。

2）分類：

壓裂車(或壓裂機(jī)泵組)一般分為車裝式和撬裝式兩大類。車裝式壓裂機(jī)泵組通常就叫做壓裂車。撬裝式壓裂機(jī)泵組專供交通不便地區(qū)和海上作業(yè)用，所用設(shè)備和壓裂車完全一樣。3）

典型壓裂車：YLC-850型壓裂車(蘭州通用機(jī)器廠生產(chǎn))

裝在SH161型交通牌載重汽車(改型)的底盤上。由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、壓裂泵、控制系統(tǒng)和管匯系統(tǒng)等幾部分組成。發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)12V180ZJ型柴油機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速1500r／min時(shí)最大功率為735kW，額定功率為669kW。

壓裂泵是YLC-850型壓裂車中最關(guān)鍵的設(shè)備

壓裂泵是臥式三缸單作用柱塞泵

主要性能參數(shù)：

最高壓力:85MPa

最大排量:24.3L／s(87.5m3/d）

輸入功率：482kW

水功率：400kW

沖程長(zhǎng)度：160mm

沖程次數(shù)：157～450min-1

柱塞直徑：75和100mm采用：泵外行星減速箱減速，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

（1）壓裂泵的驅(qū)動(dòng)部分（動(dòng)力端）

由箱體、曲軸、連桿一十字頭組、滑道、盤根盒等零部件組成。壓裂泵（YLC-850型壓裂車）結(jié)構(gòu)

A、曲軸：整體式，有三個(gè)互成120°的曲拐，曲柄偏心距為80mm。曲軸由四個(gè)主軸承支承：中間兩個(gè)為單列短圓柱滾子軸承兩端各為一個(gè)自動(dòng)調(diào)心的雙列向心滾子軸承，以承受輕微的軸向力和限制曲軸沿中心線移動(dòng)。

B、連桿-十字頭組連桿、連桿蓋、連桿大小軸承、十字頭、十字頭橫銷和襯套等組成。

連桿大頭是剖分式，采用剖分式滑動(dòng)軸承

連桿小頭是整體式，內(nèi)嵌襯套。連桿體制成工字形截面，保證重量小而剛度大。十字頭為整體鑄件，用十字頭橫銷和連桿小頭相連。十字頭上下滑動(dòng)表面上銑有油槽，以保證十字頭和滑導(dǎo)間的潤(rùn)滑。

C、盤根盒裝置將驅(qū)動(dòng)部分和水力部分隔開(kāi)，實(shí)現(xiàn)低壓密封。用直通式布置，有利于泵缸吸入。由泵頭(閥箱)、柱塞、柱塞密封、閥和空氣包等零部件組成。（2）壓裂泵的水力部分（液力端）

A、泵頭

用35CrMnSiA鋼鍛制成整體式，并經(jīng)過(guò)熱處理，加工完畢后還需在110MPa壓力下進(jìn)行水壓試驗(yàn)。泵頭內(nèi)流道盡量短而直。

B、柱塞和柱塞密封（組成一對(duì)摩擦副）

a）為了調(diào)節(jié)排量，柱塞配備有兩種直徑：Ф75和Ф100mm。

b）材料：同時(shí)為了適應(yīng)加砂壓裂及酸化壓裂的不同要求，柱塞由兩種不同材料制成：加砂壓裂時(shí)，柱塞材料用鉻鉬鋼加工，并進(jìn)行表面氮化處理；酸化壓裂時(shí)，柱塞材料用20Cr，正火處理后，表面上堆焊一層厚1.5毫米的鎳鉻硼硅耐蝕合金。

c）使用表明，柱塞往往在高壓的水力部分損壞最嚴(yán)重，如果將其調(diào)轉(zhuǎn)方向再用，可延長(zhǎng)使用壽命約l.5～2倍左右。

d）密封方式：柱塞密封采用自封式疊置密封圈。由于柱塞有兩種尺寸，密封裝置也有兩種尺寸。

C、泵閥

分類：a）排出閥位于泵缸的最高點(diǎn)，使缸內(nèi)不滯留氣體，以提高泵缸充滿程度。b）吸入閥和排出閥盡量靠近泵缸，以減小余隙容積和水力損失的影響。

組成：泵閥是自動(dòng)作用式錐形盤閥，用四個(gè)導(dǎo)向翼導(dǎo)向。閥盤和導(dǎo)向翼分成兩體，用螺桿螺母或鎖銷連接。這樣便于單獨(dú)拆換導(dǎo)向翼，加工方便。a）閥盤作成雙工作錐面，可掉轉(zhuǎn)使用。

b）導(dǎo)向翼用薄板沖壓件，以減輕閥重和增加閥的過(guò)流斷面。

材料：a）泵閥材料用30CrMnTi，滲碳淬火，滲碳深度在1mm以上，工作錐面硬度HRC57～61，芯部硬度HRC34～35。耐酸泵閥采用20Cr，表面堆焊鎳鉻硼硅耐腐蝕合金。b）閥密封圈材料一般用耐油合成橡膠，如丁氰膠。目前還用聚氨基甲酸酯(聚胺酯)為密封圈材料，密封效果較好，但在高溫下和高堿性介質(zhì)中，性能受到較大影響。

D、壓裂泵的吸入空氣包

由總管(內(nèi)徑Ф156mm)、支管(內(nèi)徑Ф104mm)和法蘭等組成。支管插入總管中心處進(jìn)行焊接，作吸入空氣包，以改善吸入條件。二、混合設(shè)備

混砂車工作的好壞和機(jī)械化程度的高低對(duì)壓裂施工質(zhì)量以及壓裂工人的勞動(dòng)強(qiáng)度有很大影響?；焐败嚨膭?dòng)力一般就用裝載汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，必要時(shí)可另裝發(fā)動(dòng)機(jī)。（一）概述

作用：壓裂時(shí)，需將壓裂液和支撐劑(如石英砂)按一定比例混合(有時(shí)還需將固體和液體的化學(xué)添加劑以不同比例加入)，供給壓裂車。壓裂用的混合設(shè)備稱為混砂車，是壓裂施工中不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備之一。（二）組成1-控制盤2-混合裝置3-工作螺旋輸砂器；4-焊接儲(chǔ)罐7、8-進(jìn)、出口管匯9-散裝材料送給量調(diào)節(jié)器10-汽車底盤的框架11-離心式砂泵12-液壓系統(tǒng)5-裝料螺旋輸砂器；6-氣動(dòng)發(fā)振器混砂車主要由供液系統(tǒng)、輸砂系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。1、供液系統(tǒng)

（2）作用：供給壓裂液以及將壓裂液和砂子混合均勻后輸送到壓裂車上。供液泵將儲(chǔ)罐里的壓裂液輸送到混砂罐內(nèi)，在混砂罐里壓裂液和砂子進(jìn)行混合，然后用砂泵將混砂液打入壓裂車的吸入管線。供液泵多為離心泵，也有用齒輪泵。在供液泵的出口管線上安裝流量計(jì)和控制閘門，用于測(cè)量和調(diào)節(jié)流量。（1）組成：供液泵、混合裝置、砂泵、控制閘門及管線等。2、輸砂系統(tǒng)

（1）作用:

根據(jù)混砂液不同的混砂比，將砂子從地面或某一高度輸送到混砂罐內(nèi)。輸砂系統(tǒng)必須工作可靠，上砂均勻并能調(diào)節(jié)砂量等要求。輸砂系統(tǒng)的輸砂量一般應(yīng)在30～l00t／h范圍內(nèi)。A、螺旋輸砂式

原理：利用螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)，使砂子沿螺旋槽斜面向前推移，達(dá)到輸砂的目的。優(yōu)點(diǎn)：可靠、輸砂量大、功率消耗小和對(duì)砂子溫度的適應(yīng)性強(qiáng)。應(yīng)用較廣。（2）輸砂方式

B、氣力輸砂式

原理：利用高速空氣流來(lái)輸送砂子。分類：吸氣式、壓氣式和混合式三種。以

吸氣式氣力輸砂裝置（HSC--45型混砂車）為例：組成：由鼓風(fēng)機(jī)，卸料器(即混砂罐）、控制風(fēng)門、吸入軟管和吸嘴等組成。原理：由于鼓風(fēng)機(jī)的抽吸作用使管道內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，砂子隨氣流經(jīng)吸嘴和吸入軟管進(jìn)入卸料器?？諝膺M(jìn)入卸料器后，流速降低，砂子便全部沉降下來(lái)，而分離出來(lái)的空氣電鼓風(fēng)機(jī)排出口排出。優(yōu)點(diǎn)：（氣力輸砂式與螺旋輸砂式比）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作范圍較廣，操作方便。只要一個(gè)人移動(dòng)吸嘴和吸入軟管就可從任何位置將砂子輸送到混砂罐去。3、傳動(dòng)系統(tǒng)混砂車的傳動(dòng)方式有機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩種。

機(jī)械傳動(dòng)一般是用分動(dòng)箱把汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力引出，驅(qū)動(dòng)供液泵、砂泵、輸砂系統(tǒng)和機(jī)械攪拌器等。

液壓傳動(dòng)是用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵，再用管線把壓力油經(jīng)控制閥分送到幾個(gè)油馬達(dá)，由油馬達(dá)帶動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。液壓傳動(dòng)的突出優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)簡(jiǎn)單、能無(wú)級(jí)變速和自動(dòng)控制等。

(1)水力式混合法

從供液泵出口管線引出2～3根支管，支管出口作成噴嘴形。壓裂液進(jìn)入支管后，從噴嘴中向混砂罐內(nèi)壁和底部按一定角度高速噴出，液體在罐內(nèi)形成旋渦，和砂子均勻混合。也有使砂、液先在喉管內(nèi)進(jìn)行混合，然后再送到罐內(nèi)。

優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，效果好。

缺點(diǎn)是影響供液泵的排量和不適于高粘度壓裂液。(2)機(jī)械攪拌式混合法通常在混砂罐內(nèi)裝三個(gè)四葉片漿式攪拌器進(jìn)行攪拌混合。此法適用于高粘度壓裂液，混合可靠。攪拌器軸的轉(zhuǎn)速以5O～80min-1為宜。4、混合裝置(混砂罐)

作用:

將不同性質(zhì)的壓裂液和支撐劑，按不同比例均勻混合?；旌戏绞接兴κ胶蜋C(jī)械式兩種，也有兩種方式聯(lián)合應(yīng)用的。三、運(yùn)料設(shè)備為了配合高速混合及泵注設(shè)備的需要，供料速度必須大大提高。采用散裝裝運(yùn)可提高運(yùn)料效率，同時(shí)可降低包裝及裝運(yùn)費(fèi)用。（1）作用（運(yùn)砂車）：

運(yùn)砂車是和混砂車配套使用的，它的作用是運(yùn)砂和將砂子輸送給混砂車，（2）組成：包括砂罐(或砂槽)和輸砂裝置。

水平輸砂器把砂槽內(nèi)的砂子送到斜輸砂器的入口，然后再由斜輸砂器送到混砂車輸砂器的入口。（3）運(yùn)砂車典型結(jié)構(gòu)

我國(guó)各油田已制成不同類型的運(yùn)砂車。圖4-14為某油田使用的運(yùn)砂車傳動(dòng)示意圖。

A、砂槽容積為10m3

B、有兩個(gè)水平螺旋輸砂器

C、一個(gè)斜螺旋輸砂器。

運(yùn)砂車也有用氣力輸送的，用壓縮空氣排出砂罐內(nèi)的存砂。四、儲(chǔ)罐設(shè)備

1、作用：運(yùn)送和儲(chǔ)存壓裂和酸化所需液體(水、油、壓裂液、酸液等)的車輛。

在某些儲(chǔ)罐車上，由于在儲(chǔ)罐前面裝了一臺(tái)立式三缸柱塞泵或離心泵，因而擴(kuò)大了使用范圍。液體可以從別的容器打入罐內(nèi)或由罐內(nèi)抽取，也可由一個(gè)容器打到另一個(gè)容器或在罐內(nèi)循環(huán)。2、結(jié)構(gòu)：如圖4-15示，儲(chǔ)罐是臥式橢圓形的鋼板焊制容器，容積為9m3，

（1）罐內(nèi)有四塊波形隔板，把儲(chǔ)罐分成連通的五格，其目的是為了減小行車時(shí)液體的振蕩。

（2）罐頂有加液孔與呼吸閥，后端裝有浮標(biāo)式液面測(cè)量計(jì)。

（3）在罐內(nèi)還有蒸氣盤管供加熱液體用。五、管匯設(shè)備

在油氣井壓裂和酸化過(guò)程中，安裝壓裂、酸化設(shè)備和井口裝置的連接管匯是一件既費(fèi)時(shí)又繁重的操作。實(shí)際上，管匯安裝時(shí)間常常超過(guò)整個(gè)工藝過(guò)程本身所需時(shí)間好幾倍。為了簡(jiǎn)化管匯安裝工作和縮減安裝時(shí)間，提高設(shè)備的運(yùn)移性和適應(yīng)性，同時(shí)為了便于檢測(cè)工藝過(guò)程的主要參數(shù)(流量、壓力和密度)，保證工作的連續(xù)性和可靠性，應(yīng)該采用管匯組或管匯車。

管匯組或管匯車組成：

必須包括分配集管和壓力集管。（1）分配集管是從液源到混合設(shè)備的管匯。（2）壓力集管是和泵注設(shè)備排出管線相連的管匯。六、檢測(cè)和控制設(shè)備一般稱為儀表車．作用：集中檢測(cè)和控制壓裂和酸化過(guò)程的主要設(shè)備和工藝參數(shù)。對(duì)于壓裂過(guò)程，主要是壓裂車和混砂車；對(duì)于酸化過(guò)程，主要是酸化壓裂車和酸罐車。

工作：包括計(jì)量和自動(dòng)記錄壓力、流量、累積流量、混砂比等參數(shù)，并能進(jìn)行自動(dòng)控制。有時(shí)為了指揮方便，儀表車上還裝有擴(kuò)大器或送話器等通訊聯(lián)絡(luò)設(shè)備，所以又叫儀表指揮車。在儀表車中應(yīng)注意檢測(cè)儀器的防震性以及能發(fā)出光和聲的警報(bào)裝置等。七、井口附件

壓裂和酸化用井口附件是井口壓裂頭。圖8-31投球器結(jié)構(gòu)圖壓裂及酸化設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)八、輔助設(shè)備及工具

1．平衡車壓裂施工中，壓裂管柱最上部封隔器的上、下壓力相差很大，對(duì)封隔器強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響：一旦封隔器受到破壞，壓裂管柱內(nèi)的高壓液體就會(huì)通過(guò)套管環(huán)形空間上竄，使封隔器上部套管壓力突然增大，可能導(dǎo)致套管斷裂或其它惡性事故。平衡車是用以向封隔器上部套管環(huán)形空間打入一定壓力的液體，平衡封隔器的部分壓差，改善封隔器的工作條件，達(dá)到保護(hù)封隔器、防止上述惡性事故的目的。此外，平衡車有時(shí)還用于處理砂堵等事故，進(jìn)行反洗或反壓井等工作。平衡壓力由套管及井口裝置的強(qiáng)度決定，一般以不超過(guò)套管的抗拉強(qiáng)度為上限。壓裂及酸化設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)2、井下工具圖8-32DG0451型噴砂器1-上接頭；2-調(diào)節(jié)環(huán)；3-隔環(huán)；4-彈簧；5-中心管；6-剪釘；7-“O”型膠圈；8-閥；9-滑套芯子；10-閥座；11-鎢鋼套；12-護(hù)罩；13-襯套；14-下接頭壓裂及酸化設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)

圖8-33SL0551型膠囊水力錨

1-上接頭；2-螺釘；3-襯管；4-錨爪；5-定向塊；

6-膠囊；7-錨體；8-壓帽；9-下接頭壓裂及酸化設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)圖8-34DG0351型安全型接頭1-上接頭；2-“O”型膠圈；3-下接頭壓裂及酸化設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)圖8-35HB0351型安全接頭1-上接頭；2、5、6-“O”型膠圈；3-鎖套；4-滑套芯子；7-銷釘；8-下接頭壓裂及酸化設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)九、酸化地面設(shè)備對(duì)油、氣層進(jìn)行酸化處理時(shí)，常用的地面設(shè)備有壓裂車、高壓井口管匯和各種輔助車輛，它們統(tǒng)一布置于井場(chǎng)，組成一個(gè)如圖8—36所示的酸化流程。圖8-36酸化處理井場(chǎng)布置示意圖1-高壓井口裝置；2-高壓管匯；3-高壓管線；4-低壓分配線；5-供配管線；6-壓裂車組；

7-高壓針形閥；8-計(jì)量池；9-平衡車；10-邊配邊注車；11-供酸車；12-儲(chǔ)酸車；13-運(yùn)酸車；14-水罐壓裂及酸化設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)

圖8-37高壓井口管匯

1-壓力表；2-放空閥門；

3-死彎頭；4-大小頭；

5-壓力表閥門；6-短節(jié)；

7-高壓管匯；8-法蘭；

9-總閥門；10-油管掛；

11-套管四通；12-套管頭；

13-套管閥門；14-活動(dòng)彎頭；

15-高壓由壬；16-單流閥；

17-四通；18-三通注：在壓裂和酸化的成套設(shè)備中，最重要的是泵注設(shè)備和混合設(shè)備。需要較深入地進(jìn)行分析研究：

1）泵注設(shè)備中的高壓往復(fù)泵和其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置

2）在混合和運(yùn)料設(shè)備中的螺旋和氣力輸砂裝置的有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇第三節(jié)泵注設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算一、高壓往復(fù)泵設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題

1．高壓?jiǎn)栴}

為了解決深層和低滲透率地層的壓裂酸化問(wèn)題，壓裂泵的排出壓力有愈來(lái)愈提高的趨勢(shì)。壓裂泵的排出壓力最高已達(dá)140～l55MPa。高壓工作對(duì)泵的設(shè)計(jì)和使用提出一系列新問(wèn)題。

例如:

有一臺(tái)高壓往復(fù)泵的柱塞直徑8mm，沖程長(zhǎng)度50mm，在排出壓力85MPa下輸送水，測(cè)得泵的容積效率等于41％.

總?cè)莘e損失:59％間隙的漏失所引起的損失:l0.6%

液體的可壓縮性和泵缸彈性變形所引起的損失:48.4%(后者占整個(gè)容積損失的89.4％)

（1）高壓對(duì)泵效的影響問(wèn)題

1）影響因素:

A、液體的可壓縮性B、泵缸的彈性變形C、泵缸余隙容積尺寸

試驗(yàn)證實(shí):當(dāng)高壓時(shí)(p排≌100MPa)，泵的容積效率顯著降低，在絕大多數(shù)情況下，這不是由于液體通過(guò)縫隙處的漏失，而是由于被輸送液體的可壓縮性和泵缸的彈性變形所引起的。

2）輸送液體的可壓縮性和泵缸的彈性變形對(duì)泵工作的影響A、液體不可壓縮和泵缸為絕對(duì)剛性示功圖：ABCDB、液體可壓縮和缸體為絕對(duì)剛性示功圖：A′BC′DC、液體可壓縮和缸體有彈性變形示功圖：A″BC″D在不考慮漏失條件下，高壓往復(fù)泵的理論容積效率可根據(jù)下式計(jì)算:式中：q——考慮被輸送液體的壓縮性和泵缸彈性變形后，在一個(gè)沖程中排出液體的容積；

b——柱塞在一個(gè)沖程所走過(guò)的容積3）高壓往復(fù)泵的容積效率η容求取為了提高理論容積η容，應(yīng)盡量減小泵缸的余隙容積系數(shù)r。為了降低r值，在高壓往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以從兩方面著手：

A、減小余隙容積，措施：（1）吸入閥和排出閥盡量接近泵缸；（2）盡可能縮小缸蓋和柱塞端面所夾空間；（3）盡可能縮小柱塞和泵缸壁間的縫隙盡可能縮小等。

B、增加泵缸內(nèi)柱塞的排出容積。采用增加沖程長(zhǎng)度比加大柱塞直徑較為有利。（2）高壓泵的缸套冷卻問(wèn)題

缸套需冷卻原因：

1）避免由于液體壓縮所產(chǎn)生的熱量使泵缸溫度過(guò)高；

2）延長(zhǎng)缸套和其它摩擦副的壽命。

(3)高壓泵的柱塞密封部件結(jié)構(gòu)問(wèn)題（５種密封結(jié)構(gòu)）

①壓裂泵的柱塞密封較普遍采用自封式V型多皮碗密封結(jié)構(gòu)V型密封②圖4-19，國(guó)外生產(chǎn)的壓裂泵采用的柱塞密封。它由幾個(gè)特殊的密封環(huán)、兩個(gè)金屬墊環(huán)和一個(gè)彈簧組成，安裝完畢后不需再調(diào)整。密封環(huán)金屬墊環(huán)彈簧③三個(gè)高硬度、高強(qiáng)度的密封漲圈所組成的密封結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：●可以消除在循環(huán)載荷作用下支承漲圈在密封間隙附近產(chǎn)生的疲勞破壞現(xiàn)象●將密封區(qū)域分配到幾個(gè)漲圈，改善了摩擦和溫升情況，當(dāng)工作液有少量漏失時(shí)還能保證柱塞密封較長(zhǎng)的壽命。礦場(chǎng)試驗(yàn)表明，上述的新型柱塞密封比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)提高了壽命8倍，并且維護(hù)和使用也很方便。第一個(gè)密封漲圈(零件7)用橡膠制成；第二個(gè)密封漲圈(零件6)用橡膠和卡普龍纖維混合物制成；第三個(gè)為支承漲圈(零件4)，用聚酰胺制成。

④錐形套筒密封結(jié)構(gòu)：●橡膠密封的外錐面和軸線交角范圍為8～15°，可取11°?！翊蠖说膹较虮诤駪?yīng)為小端徑向壁厚的兩倍以上，●與柱塞相接觸部分長(zhǎng)度至少應(yīng)為大端壁厚的三倍。●密封的徑向尺寸在自由狀態(tài)下應(yīng)略大于密封盒和柱塞間的空間尺寸，以保證壓緊后產(chǎn)生徑向抱緊力。整體式柱塞密封外擠壓套筒

⑤背壓密封硬密封

(4)高壓時(shí)，被輸送液體的粘度變化對(duì)泵總效率的影響試驗(yàn)證實(shí)：當(dāng)壓力從０提高到300MPa時(shí)，40℃的礦物油粘度可提高1500多倍。在同一條件下合成液粘度提高約50倍。顯然，液體粘度增加一定會(huì)增加泵的水力損失，降低泵的總效率。因此，在選配帶泵的發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)應(yīng)該考慮這方面的影響。2．高壓往復(fù)泵的泵缸和柱塞的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

A、高壓往復(fù)泵的泵缸(或泵頭)

一般用鍛鋼制成，可作成組裝式或整體式。當(dāng)泵缸的外徑和內(nèi)徑之比時(shí)，就可當(dāng)作厚壁圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

B、高壓往復(fù)泵的柱塞

高壓往復(fù)泵的柱塞可作成實(shí)心式或空心式。在該結(jié)構(gòu)中，如果其外徑和內(nèi)徑之比時(shí)，也可當(dāng)作厚壁圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

為了給出高壓往復(fù)泵的泵缸和柱塞的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法，下面先分析厚壁圓筒的應(yīng)力變形特點(diǎn)和應(yīng)力計(jì)算公式。(1)厚壁圓筒的特點(diǎn)當(dāng)承受內(nèi)壓或外壓后，厚壁圓筒中將產(chǎn)生三個(gè)應(yīng)力分量：——環(huán)向應(yīng)力，沿壁厚方向非均勻分布——徑向應(yīng)力，沿壁厚方向非均勻分布——軸向應(yīng)力，沿壁厚方向均勻分布根據(jù)彈性理論，在兩端封閉的厚壁圓筒中，用兩個(gè)徑向平面和兩個(gè)同心圓柱面，取出一個(gè)微單元體。徑向應(yīng)力軸向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力在該微單元體的面上作用：當(dāng)作用有內(nèi)壓力和外壓力時(shí)：

A、只有內(nèi)壓力作用，而=0，則上述公式可寫(xiě)作下列形式：

B、如果只有外壓力作用，而=0時(shí)：

從圖中可以看出，在兩種情況下，應(yīng)力最大點(diǎn)均在內(nèi)壁或外壁上。內(nèi)應(yīng)等于泵缸的設(shè)計(jì)壓力，一般為泵缸最高工作壓力的1.1～1.25倍。

(2)泵缸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

高壓往復(fù)泵的泵缸可以看作只承受內(nèi)壓力的厚壁圓筒。此時(shí)的內(nèi)壓力當(dāng),的絕對(duì)值都達(dá)到最大值和的絕對(duì)值都為最小值。和當(dāng),當(dāng)一定,據(jù)最大切應(yīng)力理論來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：——考慮到壁厚附加量0.3～0.7cm——鋼材的許用拉應(yīng)力缸法蘭與缸蓋壁厚計(jì)算：——蓋板半徑。缸蓋:r蓋＝Ｒ缸內(nèi)；閥蓋:r蓋應(yīng)取閥箱的內(nèi)半徑——鋼材的許用彎曲應(yīng)力（3）柱塞的強(qiáng)度計(jì)算（空心柱塞）——考慮到壁厚附加量0.3～0.7cm——鋼材的許用壓應(yīng)力注意：、、由高壓壓力容器用鋼材的基本許用值加以適當(dāng)修正得出。3、高壓往復(fù)泵沖程長(zhǎng)度和沖程次數(shù)的選擇合理地選擇往復(fù)泵的沖程長(zhǎng)度和沖程次數(shù)對(duì)于提高泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有重要的意義。國(guó)內(nèi)外用于壓裂的三缸單作用柱塞泵太多都采用中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)（活塞中心軌跡通過(guò)曲柄的旋轉(zhuǎn)中心線，即偏心距等于零）。對(duì)于這種泵：曲柄和連桿的長(zhǎng)度比：和值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出其平均數(shù)值：壓裂泵的沖程長(zhǎng)度和沖程次數(shù)的選擇步驟如下：第一步：１）根據(jù)壓裂工藝要求的壓力、排量，并考慮泵的總效率，計(jì)算出壓裂泵所需的輸入功率；２）再根據(jù)輸入功率，由圖4—29查得泵的沖程長(zhǎng)度值，值最后圓整到優(yōu)先數(shù)。第二步，根據(jù)圓整后的值，由圖4一28選擇出泵的最大沖程次數(shù)。二、泵注設(shè)備的動(dòng)力機(jī)選擇問(wèn)題1、柴油機(jī)2、燃?xì)廨啓C(jī)

第四節(jié)混合設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算一、螺旋輸送裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

1．螺旋輸送裝置的結(jié)構(gòu)和輸送原理

螺旋輸送裝置主要用來(lái)輸送各種粉狀、粒狀、小塊狀物料，例如水泥、砂、谷物和小塊煤等。結(jié)構(gòu)與輸送原理:

螺旋輸送裝置特點(diǎn)螺旋輸送裝置優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單橫截面尺寸小密封性能好便于中間裝料和卸料操作安全方便制造成本低

螺旋輸送裝置缺點(diǎn)：輸送過(guò)程中物料易破碎零件磨損較大消耗功率較大螺旋輸送機(jī)使用工況：

(1)環(huán)境溫度:-20°～+50℃(2)物料溫度:<200℃(3)一般輸送傾角β≤20°，也有傾斜到45°左右，甚至垂直使用的。

(4)用于散粒物料的螺旋輸送裝置輸送能力一般不超過(guò)l000kN／h，最大可達(dá)3800kN／h；

(5)輸送長(zhǎng)度一般為30～40m，只有在少數(shù)情況下才達(dá)到50～60m。2．螺旋輸送裝置的基本計(jì)算

(1)螺旋輸送裝置基本尺寸的確定實(shí)體面型螺旋的螺旋輸送機(jī)重量生產(chǎn)率：kN/hF物－－被輸送物料層的橫斷面面積，ｍ2γ物－－被輸送物料的堆積重度，（可作為已知）ｋＮ／ｍ3Ｖ均－－被輸送物料的平均軸向輸送速度，ｍ／ｓ式中：ｍ2Ｄ－－螺旋直徑，ｍβ0－－傾斜布置的輸送裝置對(duì)F物的影響系數(shù)

β0＝1－0.02β（β為小于20度的輸送角）ψ－－料槽的充填系數(shù)，下表中查取。①求F物：ｍ/ｓ將Ｖ物、F物代入Ｑ物計(jì)算式，并使ＫＤ＝ｓ／Ｄ，得：kN/h②V均求?、跶物求取④D（螺旋的直徑）求取驅(qū)動(dòng)功率：N=N1+N2+N3(2)螺旋輸送裝置的驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

螺旋輸送裝置的驅(qū)動(dòng)功率是用來(lái)克服物料輸送過(guò)程中的各種阻力所消耗的能量，主要包括：①提升物料所需的能量。②物料對(duì)料槽壁和螺旋面的摩擦所引起的能量消耗。③物料內(nèi)部各顆粒間相互摩擦(攪拌和破碎)所引起的能量消耗。④物料沿料槽運(yùn)動(dòng)造成止推軸承處的摩擦引起的能量消耗。⑤中間軸承和末端軸承處的摩擦引起的能量消耗。

3.螺旋輸送裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)螺旋輸送裝置設(shè)計(jì)計(jì)算的原始資料：

(1)輸送物料的重量生產(chǎn)率；

(2)輸送物料的性質(zhì)，包括粒度、組成、容重、溫度、濕度、粘度、磨礪性等；

(3)工作環(huán)境：露天或室內(nèi)，干燥或潮濕，灰塵多少，環(huán)境溫度；

(4)輸送裝置布置形式。螺旋輸送裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟包括如下內(nèi)容：

(1)確定螺旋輸送裝置的螺旋面型；

(2)計(jì)算出螺旋直徑，再圓整為標(biāo)準(zhǔn)尺寸；

(3)確定螺旋螺距；

(4)計(jì)算螺旋轉(zhuǎn)速；

(5)驗(yàn)算充填系數(shù)：根據(jù)圓整后的螺旋直徑和轉(zhuǎn)速，對(duì)充填系數(shù)ψ進(jìn)行驗(yàn)算?！舻贸龅某涮钕禂?shù)在所推薦的范圍內(nèi)，則認(rèn)為圓整值和是合適的；▲若ψ高于表4-2所列數(shù)值的上限，應(yīng)加大螺旋直徑；▲若ψ低于表列數(shù)值的下限，則應(yīng)降低螺旋轉(zhuǎn)速。

(6)計(jì)算螺旋輸送裝置的驅(qū)動(dòng)功率及選擇所需的電動(dòng)機(jī)。在設(shè)計(jì)螺旋輸送裝置時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)螺旋軸應(yīng)布置為受拉構(gòu)件，即出料口應(yīng)布置在有止推軸承處；

(2)螺旋軸一般用無(wú)縫鋼管制成，通常不須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

(3)中間吊掛軸承的設(shè)計(jì)應(yīng)保證物料的有效流通斷面，不會(huì)發(fā)生物料堵塞現(xiàn)象。

軸承寬度要窄，使螺旋中斷距離減小，并應(yīng)特別注意密封。對(duì)磨礪性小的物料，用滑動(dòng)軸承可簡(jiǎn)化密封；對(duì)磨礪性大的物料，則應(yīng)用滾動(dòng)軸承并采用較完善的密封；

(4)螺旋葉片的厚度一般取4～10mm，螺旋葉片和機(jī)殼間的間隙可取7～10mm.

二、氣力輸送裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

（一）氣力輸送裝置的輸送原理和基本類型在壓裂、固井的混合和運(yùn)料設(shè)備中愈來(lái)愈多地采用氣力輸送裝置，使用效果良好。（1）優(yōu)點(diǎn)：

A、生產(chǎn)率高；

B、可以極大地降低裝卸成本減輕體力勞動(dòng)；

C、運(yùn)輸過(guò)程的密封性好；

D、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

E、管理方便，工作可靠，不僅投資費(fèi)用少，維修費(fèi)用也??；

F、可使運(yùn)輸過(guò)程完全自動(dòng)化。（2）缺點(diǎn)：

A、動(dòng)力消耗量比較大；

B、運(yùn)輸磨礪性物料時(shí)各部分磨損較快，

C、不能用于運(yùn)移潮濕的、具有流動(dòng)性和粘滯性的物品。

氣力輸送裝置已成為現(xiàn)代化的運(yùn)輸工具，是散裝物料(如水泥、砂和糧谷等)的整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程機(jī)械化的發(fā)展方向之一。

（3）應(yīng)用氣力輸送裝置的主要參數(shù)變化范圍很廣：每小時(shí)生產(chǎn)率：可自幾噸到幾百噸，運(yùn)輸長(zhǎng)度：可達(dá)幾千米，提升高度：可達(dá)一百米或更大。（4）分類

氣力輸送基本類型有三種：吸氣式、壓氣式和混合式

相應(yīng)輸送裝置：吸氣式氣力輸送裝置、壓氣式氣力輸送裝置、混合式氣力輸送裝置?；旌鲜綒饬斔脱b置的特點(diǎn)：A、在一些區(qū)段借助于真空度來(lái)工作，在另一些區(qū)段則借助于壓縮空氣來(lái)工作。B、具有裝料簡(jiǎn)單和能遠(yuǎn)距離輸送物料的優(yōu)點(diǎn)。不同運(yùn)送方式的適用范圍：

吸氣式氣力輸送裝置：輸送小顆粒物料

壓氣式氣力輸送裝置：運(yùn)輸距離很長(zhǎng)和較難運(yùn)移的物料（如沉重的粉狀物料和塊狀物料)

混合式氣力輸送裝置：在上述兩種情況下都有使用。（二）氣力輸送裝置的基本計(jì)算（略）（1）裝置型式的選擇（2）重量混合比確定（3）氣流速度計(jì)算（4）空氣消耗量和管路直徑的確定（5）管路中所需空氣壓力的計(jì)算（6）電動(dòng)機(jī)功率的確定（7）氣力輸送裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟第五節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵和泵外加砂裝置簡(jiǎn)介隨著水力壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展，壓裂設(shè)備發(fā)展方向是輸送：高泵壓大排量、高砂比、大砂徑和高酸度、大粘度的新型壓裂液。為了滿足這些要求，國(guó)外發(fā)展了一種液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵以及一種泵外加砂新工藝。一、液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵是利用一般的液壓增壓原理來(lái)提高泵的排出壓力。增壓的倍數(shù)m：等于動(dòng)力缸活塞直徑和泵缸柱塞直徑比值的平方。液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵