国内外压裂泵的研发现状及发展趋势
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2016年第12期
科学管理
国内外压裂泵的研发现状及发展趋势
常亮朱春雨刘兴刚吕呈斌
北 方 重 工 集 团 有 限 公 司 工 程 设 计 研 究 院 辽 宁 沈 阳 110141
摘 要 ：随着世界已有油田资源的不断开采，油井的产量日益减少，压裂酸化已成为目前提高油气井采收率的最有效 措施之一，因而对于低渗透油气井和深部油气井的开采就需要大功率和大排量的压裂设备。压裂泵则是压裂设备中压裂车 的核心部分，能够实现压裂泵的自主生产是降低压裂车成本的唯一途径。为适应未来压裂作业的发展趋势，压裂泵正在向 高压力、大功率、排量大、结构紧凑等特点的方向发展，它不仅要能满足未来压裂设备的需求，还要能使其具有更强的市 场竞争力，提高油井的生产能力，以达到增产目的。本文主要介绍了压裂泵的工作原理及组成部分、国内外压裂泵研发现 状、压裂泵的关键技术以及未来发展趋势。
到目前为止，国内生产压裂设备的厂家有中国石化江 汉石油管理局第四机械厂、烟台杰瑞石油服务集团股份有
限公司、北方重工集团有限公司、三一重型能源装备有限 公司、南阳二机石油装备集团股份有限公司等，但大部分 生产的压裂成套设备中压裂泵都从国外进口。国内生产的 压裂泵与国外相比：可靠性能差，易损件寿命短，故障出 现频率髙；加工质量差，零部件标准化程度低；自动化程 度低等。 3 压裂泵的关键技术
也 要 容 易 排 出 ；剩 余 间 隙 容 积 应 较 小 ；制造加工工艺性 好 ；方便拆卸，易损零件工作寿命长；
在工况中，曲轴承受周期性变化的载荷作用，其疲劳 寿命分析为设计主要问题，进而优化曲轴的结构设计[3]； 连杆在承受一个工作周期载荷变化后，经分析得出连杆最 大应力发生在连杆小头与杆身圆弧处，是危险的部位，为 连杆的优化设计提供了理论依据[4]；十字头与滑道装配方 式为间隙配合，滑道接触摩擦面大，润滑条件差，极易造 成十字头与滑道拉伤的问题，因而在设计中要优化十字头 体 的 结 构 ，进而改善润滑条件[5]；泵头体承受髙振幅的脉 动交变应力，因此在泵头体的研发设计当中，除了需要保 证有足够的机械性能外，还需要保证其在运行过程中的安 全性、可靠性和长的使用寿命。泵头体采用整体式锻造泵 头 ，直通式结构，原因是通过流性好、剩余的间隙容积 小 ；柱塞是容易损坏的零件，它的密封好坏直接关系到压 裂泵能否正常工作，因此柱塞设计在密封材料的选择上是 非常重要的[6]; 泵 的 动 力 端 由 于 功 率 大 、转 速 髙 等 ，采用 压力润滑。 4 压裂泵未来发展趋势
表ຫໍສະໝຸດ Baidu 压裂泵对比表
压裂泵厂家 型号 柱塞直径/mm 柱塞数量 最大工作压力 重量/kg 冲程/腿 传动比 外形尺寸/mm
SPM QWS2800 3.75”/95.25 5 20,000psi/139.7MPa 9065 10”/254 6.933:1 2336.8x3048x1016
GD 3000 4.5”/114 3 20,000psi/137.9MPa 8368 11”/279 7.8:1 2467.6x2419x1146
国内压裂成套装备的制造从20世纪80年代左右开始， 江汉四机厂通过引进美国Cooper公司O P I压裂泵制造技 术 ，然后在此基础上开发出系列压裂泵，装机功率最髙 为2500H P ，最髙压力达到105M P a ，它的2000型和2500型 压裂机组已经在江汉、胜 利 、辽 河 、大庆等油田得到应 用 ，同时也是其最成熟的髙端技术。 目前四机厂正在研发 制造装机功率3000H P 的压裂车，压裂泵输出水马力也将 达到2800H Pm 。而烟台杰瑞股份有限公司最早以维修压裂 设备、配件以及贸易起家，但其在压裂设备的成套技术上 已经取得了迅速的发展。杰瑞公司已经生产出2500型压裂 车 ，年生产能力18套左右，并应用于中石油长城钻探压裂 服务公司。
压裂泵主要由液力端、动力端和润滑系统组成。动力 端主要由曲轴、连 杆 、十 字 头 、齿 轮 、壳体及泵壳盖等组 成 ；液力端主要由泵头体、柱塞、凡尔总成、阀盖和吸人 管等部件组成。 2 国内外压裂泵的研发现状
国外从二十世纪五十年代就开始研究压裂成套设备，
后来因为行业需求下降，很多厂商破产或者被好的厂家收 购。因此，国外柱塞泵厂家在新建和扩建产能方面不再急 功近利，使得每个企业的生产能力在一段时期内没有较大 的增长，从而使国际柱塞泵市场供不应求。迄今为止国际 市场上拥有大功率柱塞泵研发制造能力的企业仅有美国 的H a llib u rto n 、S P M 、 G ardner D e n ve r、F M C 、O F M 、 Byron Jackson等公司。其中H a llib u rto n 、S chlum berger的柱塞泵基 本不对外销售。SPM 和G ardner D e n ve r成为全球最主要的 独立柱塞泵供应商，F M C 和O F M 的规模相对较小。随着全 球 页 岩 气 （页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，中国 主要盆地和地区页岩气资源量约为30万亿左右m3) 开发热 潮的袭来，各大压裂泵生产企业都在争相研发大功率压裂 泵 ，如表1所示。
关键词：压 裂 酸 化 压 裂 泵 核 心 部 分 大 功 率 关 键 技 术
1 压裂泵的工作原理及组成部分 压裂泵的工作原理就是通过底盘车发动机使车台发动
机工作，车台发动机所产生的动力，通过液力传动箱和传 动轴传到压裂泵动力端，再由曲轴回转通过十字头再带动 活塞或柱塞在泵缸内做往复运动，同时混砂车供给的压裂 液通过低压管汇进人压裂泵，经过压裂泵增压后由髙压排 出管排除，进而在吸人和排出阀交替作用下，完成井下压 裂作业。
动力端总体设计准则[2]: 各个零部件应该满足在功率最大情况下的强度和刚度 要 求 ，各个运动副也必须有可靠的润滑；同时采用较大的 连杆比；使工人方便检修和更换易损零件；制造加工的工 艺性要好。 液力端总体设计准则： 过流通道的水力损失要降到低点；通道内的残留气体
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科学管理
2016年第12期
OFM 2800Q 3.75”/95.25 5 20,000psi/139.7MPa 9500 8 ”/203.2 6.933:1 2317x2313x 1205
FMC WQ2700 4 ”/101.6 5 20,000psi/137.9MPa 8325 10”/254 6.95:1 2428x2345x 1143
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国内外压裂泵的研发现状及发展趋势
常亮朱春雨刘兴刚吕呈斌
北 方 重 工 集 团 有 限 公 司 工 程 设 计 研 究 院 辽 宁 沈 阳 110141
摘 要 ：随着世界已有油田资源的不断开采，油井的产量日益减少，压裂酸化已成为目前提高油气井采收率的最有效 措施之一，因而对于低渗透油气井和深部油气井的开采就需要大功率和大排量的压裂设备。压裂泵则是压裂设备中压裂车 的核心部分，能够实现压裂泵的自主生产是降低压裂车成本的唯一途径。为适应未来压裂作业的发展趋势，压裂泵正在向 高压力、大功率、排量大、结构紧凑等特点的方向发展，它不仅要能满足未来压裂设备的需求，还要能使其具有更强的市 场竞争力，提高油井的生产能力，以达到增产目的。本文主要介绍了压裂泵的工作原理及组成部分、国内外压裂泵研发现 状、压裂泵的关键技术以及未来发展趋势。
到目前为止，国内生产压裂设备的厂家有中国石化江 汉石油管理局第四机械厂、烟台杰瑞石油服务集团股份有
限公司、北方重工集团有限公司、三一重型能源装备有限 公司、南阳二机石油装备集团股份有限公司等，但大部分 生产的压裂成套设备中压裂泵都从国外进口。国内生产的 压裂泵与国外相比：可靠性能差，易损件寿命短，故障出 现频率髙；加工质量差，零部件标准化程度低；自动化程 度低等。 3 压裂泵的关键技术
也 要 容 易 排 出 ；剩 余 间 隙 容 积 应 较 小 ；制造加工工艺性 好 ；方便拆卸，易损零件工作寿命长；
在工况中，曲轴承受周期性变化的载荷作用，其疲劳 寿命分析为设计主要问题，进而优化曲轴的结构设计[3]； 连杆在承受一个工作周期载荷变化后，经分析得出连杆最 大应力发生在连杆小头与杆身圆弧处，是危险的部位，为 连杆的优化设计提供了理论依据[4]；十字头与滑道装配方 式为间隙配合，滑道接触摩擦面大，润滑条件差，极易造 成十字头与滑道拉伤的问题，因而在设计中要优化十字头 体 的 结 构 ，进而改善润滑条件[5]；泵头体承受髙振幅的脉 动交变应力，因此在泵头体的研发设计当中，除了需要保 证有足够的机械性能外，还需要保证其在运行过程中的安 全性、可靠性和长的使用寿命。泵头体采用整体式锻造泵 头 ，直通式结构，原因是通过流性好、剩余的间隙容积 小 ；柱塞是容易损坏的零件，它的密封好坏直接关系到压 裂泵能否正常工作，因此柱塞设计在密封材料的选择上是 非常重要的[6]; 泵 的 动 力 端 由 于 功 率 大 、转 速 髙 等 ，采用 压力润滑。 4 压裂泵未来发展趋势
表ຫໍສະໝຸດ Baidu 压裂泵对比表
压裂泵厂家 型号 柱塞直径/mm 柱塞数量 最大工作压力 重量/kg 冲程/腿 传动比 外形尺寸/mm
SPM QWS2800 3.75”/95.25 5 20,000psi/139.7MPa 9065 10”/254 6.933:1 2336.8x3048x1016
GD 3000 4.5”/114 3 20,000psi/137.9MPa 8368 11”/279 7.8:1 2467.6x2419x1146
国内压裂成套装备的制造从20世纪80年代左右开始， 江汉四机厂通过引进美国Cooper公司O P I压裂泵制造技 术 ，然后在此基础上开发出系列压裂泵，装机功率最髙 为2500H P ，最髙压力达到105M P a ，它的2000型和2500型 压裂机组已经在江汉、胜 利 、辽 河 、大庆等油田得到应 用 ，同时也是其最成熟的髙端技术。 目前四机厂正在研发 制造装机功率3000H P 的压裂车，压裂泵输出水马力也将 达到2800H Pm 。而烟台杰瑞股份有限公司最早以维修压裂 设备、配件以及贸易起家，但其在压裂设备的成套技术上 已经取得了迅速的发展。杰瑞公司已经生产出2500型压裂 车 ，年生产能力18套左右，并应用于中石油长城钻探压裂 服务公司。
压裂泵主要由液力端、动力端和润滑系统组成。动力 端主要由曲轴、连 杆 、十 字 头 、齿 轮 、壳体及泵壳盖等组 成 ；液力端主要由泵头体、柱塞、凡尔总成、阀盖和吸人 管等部件组成。 2 国内外压裂泵的研发现状
国外从二十世纪五十年代就开始研究压裂成套设备，
后来因为行业需求下降，很多厂商破产或者被好的厂家收 购。因此，国外柱塞泵厂家在新建和扩建产能方面不再急 功近利，使得每个企业的生产能力在一段时期内没有较大 的增长，从而使国际柱塞泵市场供不应求。迄今为止国际 市场上拥有大功率柱塞泵研发制造能力的企业仅有美国 的H a llib u rto n 、S P M 、 G ardner D e n ve r、F M C 、O F M 、 Byron Jackson等公司。其中H a llib u rto n 、S chlum berger的柱塞泵基 本不对外销售。SPM 和G ardner D e n ve r成为全球最主要的 独立柱塞泵供应商，F M C 和O F M 的规模相对较小。随着全 球 页 岩 气 （页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，中国 主要盆地和地区页岩气资源量约为30万亿左右m3) 开发热 潮的袭来，各大压裂泵生产企业都在争相研发大功率压裂 泵 ，如表1所示。
关键词：压 裂 酸 化 压 裂 泵 核 心 部 分 大 功 率 关 键 技 术
1 压裂泵的工作原理及组成部分 压裂泵的工作原理就是通过底盘车发动机使车台发动
机工作，车台发动机所产生的动力，通过液力传动箱和传 动轴传到压裂泵动力端，再由曲轴回转通过十字头再带动 活塞或柱塞在泵缸内做往复运动，同时混砂车供给的压裂 液通过低压管汇进人压裂泵，经过压裂泵增压后由髙压排 出管排除，进而在吸人和排出阀交替作用下，完成井下压 裂作业。
动力端总体设计准则[2]: 各个零部件应该满足在功率最大情况下的强度和刚度 要 求 ，各个运动副也必须有可靠的润滑；同时采用较大的 连杆比；使工人方便检修和更换易损零件；制造加工的工 艺性要好。 液力端总体设计准则： 过流通道的水力损失要降到低点；通道内的残留气体
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科学管理
2016年第12期
OFM 2800Q 3.75”/95.25 5 20,000psi/139.7MPa 9500 8 ”/203.2 6.933:1 2317x2313x 1205
FMC WQ2700 4 ”/101.6 5 20,000psi/137.9MPa 8325 10”/254 6.95:1 2428x2345x 1143