大功率壓裂泵液力端發展趨勢及關鍵技術研究

隨著非常規油氣井開發難度的增加，“大功率、超高壓、大排量、連續施工”的壓裂作業時，對大功率壓裂泵液力端的使用壽命要求越來越高。研發長壽命液力端及其易損件，對于解決大型壓裂作業連續性，降低工程成本和勞動強度具有重要意義。介紹了國內外大功率壓裂作業裝備及壓裂泵技術發展情況，分析并闡述了國內外壓裂泵液力端的閥箱、泵閥及盤根密封技術現狀；通過對超深層、大規模連續壓裂施工作業下的液力端適應性不足的分析，提出了大功率壓裂泵液力端發展趨勢；基于有限元仿真分析，開展了液力端關鍵件結構優化、材料優選、工藝改進等技術研究及產品研制。現場應用表明：長壽命液力端閥箱壽命提升400～600 h、長壽命泵閥壽命提升近1倍，高性能盤根壽命提升2倍以上。研究結果可為大功率壓裂泵液力端技術迭代升級和發展提供參考。

壓裂；大功率壓裂泵；液力端；發展趨勢；技術研究

TE934

A

015

Development Trend and Key Technologies of Hydraulic

End of High-Power Fracturing Pump

Yu Dawei Tan Lijun Shi Xijun

（Sinopec SJ Petroleum Machinery Co.，Ltd.）

As the development of unconventional oil and gas wells is increasingly difficult in China，the requirements are raised for the service life of hydraulic end of high-power fracturing pump in continuous fracturing operations with high power，ultrahigh pressure，and large displacement.The research and development of long-life hydraulic ends and their vulnerable parts are of great significance for continuous large-scale fracturing operations with reduced engineering costs and labor intensity.In the paper，the technologies of high-power fracturing equipment and fracturing pump in China and abroad were introduced，and the valve housing，pump valve and packing seal at hydraulic end of fracturing pumps were elaborated.By analyzing the insufficient adaptability of the hydraulic end under continuous large-scale fracturing operations in ultra-deep layers，the development trend of the hydraulic end of high-power fracturing pumps was presented.Finally，based on finite element simulation analysis，technologies and products were developed for the structure optimization of key parts，material selection and process improvement of the hydraulic end.Field application demonstrates that the service life of the valve housing has been increased by 400-600 hours，the service life of the pump valve nearly doubled，and the service life of high-performance packing more than tripled.The research conclusions provide reference for the iterative upgrading and development of hydraulic end of high-power fracturing pump.

fracturing；high power fracturing pump；hydraulic end；development trend；technical research

0 引 言

我國非常規油氣資源埋藏較深，壓裂作業施工難度巨大，壓裂泵作為大型壓裂裝備的關鍵部件，面臨的工況比國外更加惡劣。隨著壓裂工藝以及電驅壓裂設備的快速發展，壓裂施工壓力從70 MPa攀升至110 MPa，部分作業區塊施工壓力甚至達到125 MPa以上^［1］；施工排量范圍從14～16 m³/min上升至20 m³/min及以上；壓裂作業也由2～3段/d向10 h/d再到24 h連續施工轉變，壓裂設備負載率范圍從30%～60%逐漸向70%及以上的比例提升。但是，國內頁巖油氣藏多處于山區，井場面積受限、設備布置困難，壓裂設備更多采用“小體積、大功率”的單泵技術路線，以提高單機功率密度、減少井場設備數量和井場占地面積^［2］。因此超高壓、大排量、連續工況對大功率壓裂泵提出了更高的挑戰。

大型頁巖油氣施工壓力超過110 MPa后，傳統的壓裂設備技術可靠性和經濟性明顯下降，其中壓裂泵液力端及其易損件壽命較70 MPa左右的施工工況大幅縮短，部分區塊液力端壽命只有原來壽命的20%～40%，使得勞動強度和生產作業成本大幅增加，一定程度上也影響了施工效率。尤其是2500型及以上的大功率壓裂泵施工時面臨的問題包括：一是施工時面臨強酸性腐蝕環境、高壓交變載荷、高速高壓沖蝕固液介質、連續作業條件下的耐久使用等方面的挑戰；二是高壓動密封面臨更優異的接觸疲勞性能、更好的耐磨損性能、更長的使用壽命需求的挑戰。壓裂泵液力端采用中低合碳金鋼或初期不銹鋼閥箱，以及普通泵閥和盤根密封等易損件時其使用壽命短，更換維修頻繁，嚴重影響了油氣田開發效率和經濟效益，成為制約國產壓裂技術進步的重要因素之一。

為滿足市場對高可靠、長壽命大功率壓裂泵液力端及其易損件的迫切需求，進一步開展基礎理論研究工作，重點攻關材料及熱處理工藝，實現超長使用壽命，并形成具有自主知識產權的設計與制造技術，滿足壓裂提速提效需求，解決壓裂工程瓶頸問題，這對于降低非常規油氣開發綜合成本和提高設備安全性和可靠性均具有重要意義。

1 國內外現狀分析

1.1 國外相關產業和技術現狀

經過數十年的發展，國外尤其是以美國為代表的壓裂裝備制造廠商，已形成成熟的壓裂泵系列化研發技術體系。大型壓裂泵制造商Gardner Denver、Halliburton、SPM、Kerr、FMC、Schlumberger、Dragon等公司，2000年前以制造2000型以下的壓裂泵為主^［3］。隨著北美地區砂巖和頁巖油氣的開發，對大功率的壓裂設備需求越來越多，大功率壓裂泵開發也呈現出快速發展趨勢，用于大型壓裂裝備的壓裂泵單泵制動功率逐步從1 860 kW提升到3 730 kW。因五缸泵的流量不均勻度優于三缸泵，流量波動更小，容積效率更高^［4］，壓裂泵結構形式也由三缸結構向五缸及五缸以上結構發展，其中五缸壓裂泵液力端是當前大功率壓裂主流產品。

為滿足連續作業的高要求，各壓裂泵及泵配件生產廠商加大技術研發投入，以提升泵的連續運轉能力，其關注重點除了動力端的連續高負荷可靠性，還包括閥箱、泵閥、盤根密封等液力端關鍵易損件的使用壽命。

就液力端閥箱來說，國外大部分油氣井的作業壓力一般在105 MPa以下。早期國外的壓裂泵閥箱材料采用35CrMo、42CrMo等中碳低合金鋼鍛制，平均使用壽命短。后續開發了淬透性、韌性兼備的30CrNi3MoV等中碳Cr-Ni-Mo-V系鋼種，延長了該部件使用壽命。但在惡劣壓裂環境的作用下，液力端閥箱的使用壽命一般也只有300 h左右。循環壓力下的腐蝕疲勞是其早期失效的主要方式^［5］，這嚴重影響了壓裂施工效率。2011年至2012年間，國外推出了不銹鋼閥箱，該閥箱采用17-4PH不銹鋼合金鍛制而成，其使用壽命達到800 h以上，為傳統合金鋼閥箱使用壽命的2～3倍。此后，美國Halliburton公司、Schlumberger公司及Caterpillar公司等近10家公司研發的不銹鋼閥箱，其材料均以沉淀硬化性不銹鋼17-4PH和15-5PH為主^［6-7］。隨著不銹鋼閥箱應用及近十年的技術迭代升級，國外的閥箱結構設計、材料耐腐蝕性能等方面的研究取得了重大突破，其使用壽命普遍達到1 200～2 000 h，為傳統合金鋼產品使用壽命的4～6倍。由于閥箱使用壽命取決于實際應用場景，所以這個壽命并不是決定性的。鑒于不銹鋼閥箱相對傳統合金鋼閥箱使用性能優勢明顯，國外生產的不銹鋼閥箱已占閥箱總數的一半以上，部分公司不銹鋼閥箱占比甚至達到80%以上，不銹鋼閥箱逐漸取代合金鋼閥箱。

就泵閥及盤根密封來說，設計結構、材料和工藝的先進性是制約液力端易損件發展的關鍵。經過多年研究，國外在壓裂泵液力端易損件方面已經形成較為成熟的配套體系。泵閥和盤根密封由專業廠家進行研發和配套，且與現場工藝結合緊密；產品技術更新周期短，并形成專業化的生產能力。據調研，整體式閥體和高性能閥密封膠皮的平均使用壽命范圍可達35～50 h，部分達到100 h以上；硬質合金閥座在行業局部有一定推廣應用規模，其技術水平提高幅度較大，甚至可以達到常規閥座的5～10倍，其發展目標是與閥箱等壽命使用；盤根密封使用壽命在100～150 h范圍，部分高端產品使用壽命甚至可達到300 h以上。具備實力的制造商每年投入較高的科研資金用于液力端易損件的產品研發，因為技術進步能夠使停機時間最小化，壓裂作業綜合效益最大化，超長使用壽命和閥箱等壽命易損件配套開發，使北美壓裂泵液力端處于全球技術領先水平。

1.2 國內相關產業和技術現狀

我國自20世紀70年代從國外引進壓裂設備及技術后，通過消化吸收再創新，在壓裂成套裝備的國產化研發上相繼取得重要突破^［8-9］。以“863”計劃科技項目“2500型大功率數控成套壓裂裝備研制”，國家科技重大專項“3000型成套壓裂機組研制及應用示范工程”、“超大功率電動成套壓裂裝備研制”等多個國家級科研項目或課題為支撐，研發了2500型、3000型、5500型等系列具有自主知識產權的壓裂泵裝置。

以中石化四機石油機械有限公司為代表的大型壓裂裝備制造商，相繼研發出2500型、3000型、5000型、6000型及8000型等多系列大功率壓裂成套裝備和配套壓裂泵，在產品設計、制造工藝、材料研究、零部件測試、整機試驗方面已形成多項專有技術，具備了針對不同油氣田特殊需要進行壓裂泵創新研發的能力。近年來，隨著該公司自主研制的SYL8000型壓裂裝置首次在頁巖油田成功應用，標志著大型壓裂裝備及大功率壓裂泵研制處于世界領先水平；以提高單機排量、降低脈動為目標，開發形成的連續滿載8000型全電動壓裂裝備及世界最大單機連續滿載輸出功率的8000型七缸壓裂泵，使國產壓裂成套裝備及壓裂泵技術領先優勢進一步增強。表明我國研制的一批適合我國油氣田作業工藝特點的壓裂泵，掌握了壓裂泵設計制造的核心技術，尤其是在大功率壓裂泵研制技術方面較國外產品具有突出的技術參數優勢。

我國雖已具備自主研制成套壓裂裝備及大功率壓裂泵的能力，但在壓裂泵產品的可靠性、關鍵易損件的使用壽命上與國際領先水平還有一定的差距。以典型的五缸壓裂泵為例，液力端關鍵結構剖面如圖1所示，早期引進4 330 V等高強度合金鋼制造的閥箱在國內油氣田的平均使用壽命約為200～300 h，給壓裂施工帶來極大的不便。因此國內各制造廠商自2018年開始陸續推出不銹鋼閥箱，現場應用表明其使用壽命普遍在600 h左右^［10］。目前國內壓裂泵液力端易損件制造商有數十家，閥箱的閥體、閥座、膠皮及盤根密封的使用壽命參差不齊，其最長使用壽命與國外最高壽命仍存在著較大差距。高密封壓力、高交變應力的循環往復運動下，密封組件的快速磨損、提前失效等難題^［11］一直以來都是困擾國內大功率壓裂泵液力端技術進步的重要因素。近年來，隨著有限元仿真技術的發展，針對泵閥的優化研究從理論分析與試驗研究逐步轉向有限元模擬分析，取得了一系列研究成果^［12-15］，但盤根密封、泵閥密封等受限于橡膠材料技術，閥箱閥座受工藝局限，與國外的差距仍尤為明顯。

2 發展趨勢展望

隨著以頁巖油氣為代表的非常規油氣勘探開發開展，國內壓裂施工總量和規模迅速增長，“大功率、超高壓、大排量、連續施工”的壓裂特殊需求，對壓裂設備穩定性要求也越來越高。壓裂設備的長時間穩定施工與其“心臟”壓裂泵的可靠性密切相關，而壓裂泵液力端作為壓裂泵核心組件，其技術性能直接關系到現場施工的效果。現階段國產壓裂泵液力端針對超深層、大規模連續壓裂施工作業還存在明顯不適的地方，這些方面必然是壓裂泵液力端發展的驅動力。

（1）不銹鋼閥箱長時間連續、超高壓、大排量應用與工程需要有一定的不適應性。目前，由于國內壓裂的工況復雜程度更高，不銹鋼閥箱相比合金鋼閥箱使用優勢明顯。但由于鍛件毛坯材料化學元素組分、晶粒度、鍛造及熱處理工藝、閥箱結構設計、加工精度，以及非原廠配置等方面的差異性，導致產品質量參差不齊，閥箱體相貫線開裂、吸入螺紋失效等問題層出不窮，不銹鋼閥箱使用壽命400～800 h不等，與工程需求矛盾突出。

（2）常規泵閥不適應超高壓、大排量、大砂比壓裂施工需要。提高閥體閥座壽命意味著提高效率，即在更短的時間內通過完成更多段壓裂從而產生更高的收益。整體式閥體避免了摩擦焊接式閥體易掉抓的風險，但針對大砂比高壓流體強沖蝕下，同閥體集成的閥膠皮存在材料性能不穩定、易破損，材料硬度、耐磨性、低變形性能、抗疲勞性能等匹配度不足等問題，閥體整體壽命仍有較大提升空間。閥箱經常在閥座肩部區域內部出現裂紋，閥座破裂就會出現沖刷點，沖刷點產生的沖洗就會損傷流體端，且頻繁更換閥座也是維護難題；國內硬質合金閥座技術尚處于工程試驗階段，目前仍依賴進口。雖然使用壽命理論上是普通閥座的數倍，但也存在價格特別高，缺乏綜合性價比的問題。

（3）盤根密封的可靠性不足，易造成柱塞偏磨損傷，影響施工效率。常規的夾布盤根，在長時間連續高壓壓裂時，使用性能降幅較大。國內針對盤根的材料、結構尺寸、密封組合進行了大量研究和技術升級，但獲得的材料上存在差異，造成了盤根使用壽命波動較大。目前針對頁巖油、頁巖氣的大型壓裂施工，性能穩定的盤根密封還不能實現作業區域及工況的全覆蓋。

隨著壓裂技術的深度發展，北美地區壓裂泵液力端的技術突破將對我國壓裂泵液力端的升級迭代起到借鑒作用。國內獨特的作業環境和工況，決定了大功率壓裂泵液力端未來的發展趨勢：向超高壓力、大排量、大砂比的長時間連續施工適應性方向發展；向強韌性超級不銹鋼閥箱技術迭代的超長使用壽命發展；向液力端配套易損件超長壽命甚至與閥箱等壽命方向發展，以降低綜合成本，效益最大化；向液力端能夠耐腐蝕、耐磨損方向發展，使壓裂泵能在惡劣的工況下更長時間可靠地工作。

3 關鍵技術研究

綜合上述國內外壓裂泵液力端的現狀及發展趨勢，針對作業現場痛點問題，重點在幾何尺寸優化設計、易損件材料的選擇和熱處理工藝等方面下功夫，開展長壽命壓裂泵閥箱、閥體閥座、盤根密封等技術升級迭代。

3.1 長壽命液力端閥箱

閥箱作為壓裂泵液力端的關鍵核心，除了需保證高壓承載結構強度外，材料優選和熱加工技術是決定其使用壽命的關鍵因素。基于材料性能評價，采用基礎理論研究和試驗分析比較的方法，優選出適應不同施工要求的一種超級馬氏體不銹鋼閥箱材料，細化了Cr-Ni-Mo-V-Nb等關鍵合金組分比例；開發出高純度不銹鋼閥箱冶煉技術，降低雜質含量30%以上；以降低材料強韌性波動為目標，控制游離鐵素體含量，采用多向大鍛比控溫鍛造技術、過度冷卻淬火熱處理技術，控制晶粒度，實現細晶強化，提高了基體材料的強韌性；以保留高強韌硬化層、減少切削量為目標，研究材料表面性能與切削量的關系，建立閥箱流固耦合模型，優化了閥箱毛坯結構和型腔結構，降低應力峰值10% 以上，新型閥箱有限元分析等效應力圖如圖2所示；通過彈性力學和疲勞理論研究，優化了螺紋幾何尺寸設計和加工工藝，降低螺紋循環交變承載應力13%～15%，形成關鍵區域表面光潔度精細化操作規范，有效解決了不銹鋼閥箱吸入端螺紋易失效的問題。

長壽命不銹鋼閥箱具有高強度、高沖擊韌性，耐應力腐蝕和腐蝕疲勞性能好的特點，實現了閥箱材料低溫韌性和強度的良好匹配。經現場應用，較初期不銹鋼閥箱平均壽命提升400～600 h。

3.2 長壽命泵閥及密封技術

泵閥耐久使用和密封可靠性能直接決定壓裂施工效率。最大限度地減少拔閥和泵閥更換次數，是提高施工效率、降低設備維護成本、降低勞動強度的有效途徑。基于瞬態流體力學仿真分析凡爾啟閉、密封特性和汽蝕特性，改進低應力結構，優化了泵閥幾何結構設計和過盈配合量；開展高淬透性材料和熱處理工藝研究，優選閥體閥座材料及碳氮共滲工藝；通過控制閥體閥座的有效淬硬層和芯部硬度，獲得高耐磨性和抗沖蝕能力，提高其綜合機械性能。閥密封膠皮優選高性能聚氨酯彈性體，該彈性體具有耐磨性好、耐水解、耐撕裂、高回彈、穩定性高等特點，可實現最大140 MPa以及175 MPa高壓密封耐受，高性能密封更好的避免了密封不嚴而產生回流、泄漏的問題，能有效防止閥體閥座被壓裂刺壞、刺漏。

目前長壽命泵閥制造技術的研究已經取得階段性成果，形成的相關技術已經在2800型及以上系列壓裂泵上得到應用，整體使用壽命較普通泵閥提升近1倍，部分作業平臺產品使用壽命提升2倍以上，有效改善了泵閥易失效、連續作業時間短、拔閥勞動強度高的問題。長壽命泵閥在重慶涪陵（測試井1）、山東濟陽（測試井2）、貴州正安（測試井3）、江蘇揚州（測試井4）、四川宜賓（測試井5）等頁巖油氣平臺應用，測試井泵閥應用情況見圖3所示。

3.3 高性能盤根密封技術

盤根密封失效是影響液力端閥箱壽命的關鍵因素之一。盤根刺漏或過早失效易引起閥箱損傷，因此盤根的質量對于液力端整體使用壽命至關重要。基于三維有限元應力分析，以降低根部應力集中為目標，優化頭環、壓力環密封結構形狀和幾何尺寸，優選出雙V壓力環和頭環組合盤根密封結構設計，改進壓力環與壓環配合角度和間隙設計，增強高壓導向保持和密封性能，以適用于多種不同介質、不同溫度的高壓作業環境；基于強度和耐磨性高效匹配要求，以及盤根材料復合成型工藝研究，優選出芳綸復合物雙V壓力環和改性氫化丁腈頭環組合高性能盤根密封材料，提高了基體材料超高承壓復雜環境適應性；通過優化潤滑流量和潤滑壓力精細化設計，確保新型盤根密封達到最佳使用狀態。

形成的系列高性能盤根密封總成在江蘇揚州（測試井1）、湖北利川（測試井2）、四川瀘州（測試井3）、重慶涪陵（測試井4）、四川威遠（測試井5）等頁巖油氣井平臺應用效果較好，整體使用壽命較普通夾布盤根產品提升2倍以上。高性能盤根測試井應用情況如圖4所示。

4 結 論

（1）開發的強韌性超級馬氏體不銹鋼閥箱，實現了在幾何結構設計、材料制備及熱處理工藝方面的技術突破，延緩了大型壓裂超高壓、連續作業液力端閥箱開裂和裂紋萌生時間，壽命延長明顯。

（2）研制的長壽命泵閥及密封，有效改善了壓裂作業泵閥易失效、連續作業時間短、拔閥勞動強度高的問題。

（3）形成的高性能盤根密封技術，實現了盤根使用壽命成倍增加，解決了盤根刺漏或過早失效易引起閥箱損傷的問題，有效降低了停機維護頻次。

（4）研究取得的大功率壓裂泵液力端關鍵技術成果，對提升我國大型壓裂裝備制造及壓裂泵的整體創新能力、非常規油氣田壓裂施工效率、低成本開發，具有十分積極的作用。

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于大偉，高級工程師，生于1986年，2017年畢業于華中科技大學材料工程專業，現從事石油鉆采設備研發工作。地址：（434024）湖北省荊州市。電話：（0716）8429326。email：yudawei6339@163.com。

2024-02-28

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