1、题目：800 型压裂泵总体设计目 录中外文摘要 11 绪论31.1 前言31.2 研究目的和意义31.3 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向42 800 型压裂泵运动的分析及工作载荷研究 62.1 已知泵的性能参数62.2 曲柄连杆机构的运动分析62.2.1 柱塞运动规律 62.2.2 连杆的运动规律 102.3 泵的压力112.3.1 泵的吸入压力 122.3.2 泵的排出压力 122.4 作用于泵传动端的力122.5 对柱塞、十字头、连杆和曲轴进行力学分析132.5.1 计算柱塞力 132.5.2 对柱塞、十字头和连杆进行力学分析 142.5.3 曲轴受力分析 152.6 泵动力端工作载
2、荷及运动的 MATLAB 编程分析 182.6.1 连杆对十字头的作用力曲线图 182.6.2 导板对十字头的作用力曲线图 202.6.3 连杆对曲轴的作用力曲线图 212.6.4 曲轴偏心质量惯性力曲线图 222.6.5 曲轴所受连杆力的力矩曲线图 233 800 型压裂泵动力端关键零件的 Pro/E 三维建模 243.1 连杆组件 243.2 曲轴 253.3 十字头 273.4 拉杆 273.5 十字头连接螺丝 283.6 800 型压裂泵动力端曲柄连杆机构的装配及动画 284 800 型压裂泵动力端关键零件的 ANSYS 有限元分析 294.1 分析连杆294.1.1 连杆有限元分析的
3、理论模型建立294.1.2 使用 PRO/E 创建简化三维实体模型294.1.3 导入 ANSYS 的模型结果304.1.4 选择材料属性及单元类型304.1.5 边界约束条件分析324.1.6 结果与分析354.2 分析曲轴374.2.1 用 Pro/E 建立曲轴简化模型374.2.2 导入 ANSYS 的模型结果374.2.3 选择材料属性及单元类型384.2.4 边界约束条件分析394.2.5 结果与分析455 论文总结47参考文献 47附录一（主要零件图及装配图） 49附录二（MATLAB 程序） 53摘 要第 1 页 （共 60 页）800 型压裂泵总体设计摘要 随着现代计算机技术的
4、高速发展，高新技术在现代设计中应用的越来越广泛，如 CAD, CAM, CAE 等计算机辅助设计方法在国际上应用越来越普遍。这些现代设计方法不但提高了设计速度，而且使设计出来的产品更加可靠和美观，并且可以节省大量的人力、物力，大大的提高产品的竞争力。在此论文中，笔者大量用到了计算机辅助设计及编程软件，如 Auto_CAD、Pro/E、ANSYS 以及编程软件 MATLAB等。压裂泵作为一种石油矿场设备，在作业过程中所处工况较其它常见机械设备更恶劣，其所承受工作载荷也随着压裂压力的不断提高而越来越大。因此有必要对压裂泵的运动部件及各承受高压的部件进行结构分析。我本次对 800 型压裂泵的主要设计
5、过程如下：第一步，在理论方面对压裂泵的作用进行了一定的学习，清楚地认识到压裂泵在油井开采中的重要作用。第二步，对压裂泵的具体结构进行了认识。第三步，对压裂泵动力端的曲柄连杆机构进行了运动分析及受力分析的理论计算。第四步，用 MATLAB 软件对泵动力端的工作载荷及运动进行编程分析。第五步，用 Pro/E 软件对 800 型压裂泵的关键零件创建三维模型并装配。第六步，用 ANSYS 对连杆和曲轴进行有限元分析。关键词 压裂泵 连杆 曲轴 有限元 800 型压裂泵总体设计第 2 页 （共 60 页）Design to 800-Fracturing PumpAbstract With the rap
6、id development of modern computer technology，the advanced technology is used in modern design more widely;such as the CAD, CAM, CAE and other computer-aided design application in the international community are more generally.These modern design methods not only raise the design speed, but also make
7、 products design by these methods more reliable; And its appearance is more beautiful. It can save a lot of human and physical sources, thus the competitive of the products is increased. In this paper, I used a large computer-aided software, such as Auto_CAD, Pro / ENGINEER, ANSYS and MATLAB. As a k
8、ind of oil field equipment, the application condition of the fracturing pump is worse than other construction machine. The working load is increased with the improvement of fracturing pressure.The main processes of designing 800 fracturing pump are as follows: The first step, I studied about fractur
9、ing pump to make a clear understanding about the role of fracturing pump in the oil. The second step, I had clearly knew about the fracturing pump structure. The third step, I made some analysis of the movement and theoretical calculations for the power of the fracturing pump. The fourth step, I mad
10、e programs used MATLAB software to analysize the pumps work-force load and sports. The firth step, I used thePro / ENGINEER software to create three-dimensional model and assemble the key components of 800 fracturing pump. The sixth step, I used the ANSYS software to make a finite element analysis o
11、f crankshaft and connecting rod.Key words Fracturing pump Linkage crankshaft Finite element绪 论第 3 页 （共 60 页）800 型压裂泵总体设计1 绪论1.1 前言压裂在油田上的应用，只有几十年的历史。在四十年代末期国外开始进行第一口井的压裂试验，到目前国内外各油田大规模的广泛应用 1。压裂的实质是利用压裂泵产生高压液体传导压力，将油层压开，形成一条或数条裂缝，从而改善流体在地层中的渗流条件，减少地下流体的流动阻力。提高油井的生产能力，达到增产增注的目的。压裂已被公认是相当有效的油气井增产措施，成为
12、改造油层，提高油气井生产能力的进攻性措施。实践表明，压裂技术的应用，不仅可以增加井的产量，大大加快油田开发的步伐，而且还能够大幅度地提高石油的可采储量。由此可知，压裂泵在油田中的应用十分有意义 1。1.2 研究目的和意义一般来说，在原始状态下，油层的结构和性质，除受到沉积特点的影响外，都是致密的。因而原油从油层向井筒内渗流时，也是比较缓慢的。于是，用压裂泵产生高压液体，将油层压开，形成一条或数条裂缝，从而改善流体在地层中的渗流条件，减少地下流体的流动阻力。提高油井的生产能力，达到增产增注的目的。压裂施工时利用高压泵组，将具有一定粘度的液体高速向地层内注入。当泵的注入速度大于地层的吸收速度时，就
13、会在井底逐渐形成很高的压力，在外来压力超过地层岩石的抗拉强度时，地层就会产生破裂或使原来的微小裂缝张开，形成较大的裂缝。随着液体的不断注入，已形成的裂缝就向地层内部延伸扩展，泵排量越大所形成的裂缝愈长，直到高压液体的注入速度与渗滤速度相等为止。为了防止停泵以后，裂缝在上部岩石的重力作用下重新闭合，要在注入的液体中加入支撑剂(如石英砂等)。使支撑剂充填在压开的裂缝中，以支撑缝面。由于这种填砂裂缝的结构比天然的地层岩石疏松得多，因此，可以大大改善流体在井底附近地层的流动状况，使油井的产量成倍增长。试验结果表明，压裂过程中挤入地层的液体，一部分是在充填与形成的裂缝中，使裂缝不断向地层内部延伸，而很大
14、一部分则在缝的内外压差的作用下，垂直地从800 型压裂泵总体设计第 4 页 （共 60 页）缝面向两侧地层漏失。油层垂向渗透率愈大，则液体的渗透损失愈大。这种现象正如前面所述，当高压液体的注入速度与渗滤速度相等时，裂缝就会停止延伸和扩展 1。由此可见，若要在地层中压开较长的裂缝，必须采用高泵压、大排量的泵组设备，采用性能良好的压裂液及适宜的支撑剂。也正是由于压裂泵的工况恶劣，要求承受高压、循环载荷作用；要求输送高压带磨砺、腐蚀的介质；要求在恶劣的工况下有更高的使用寿命，要求更高的泵压，更大的排量。因此，压裂泵是压裂工艺实现必不可缺少的设备 2。1.3 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 3
15、51.3.1 国内我国压裂装备的制造从 20 世纪 80 年代开始起步，由于研制的难度高，国内的大部分生产厂家都是在引进国外的关键零部件的基础上，进行简单的组装成套。引进主要产品包括：BJServices 公司 1000 型压裂机组，Stewart&Stevenson 公司1600 型压裂机组，Western 公司 1400-1800 型压裂机组及 Halliburton 公司的 HQ-2000 型压裂机组等。这些设备的引进使我国的压裂装备有了质的飞跃，并达到同期国际同步水平。目前国内酸化压裂设备主要生产厂家有江汉第四石油机械厂和（中美合资）四机塞瓦石油钻采设备有限公司，其产品代表了国内压裂设
16、备的最高水平。以江汉第四石油机械厂压裂设备的发展过程为代表，通过引进美国Western（西方）公司的压裂机组制造技术、Cooper 公司的压裂泵制造技术、FMC 公司的高压活动弯头制造技术、SPM 公司的高压管汇制造技术，在引进消化基础上开发出系列压裂机组，装机功率从 223.710-1677.825kW(300-2250HP)，最高压力从70-105MPa，并在 1998 年为大庆油田研制出 1800 型成套压裂机组，填补了国内大型成套压裂机组的空白。同时从 1998 年开始，我国各油田将 2000 型成套压裂机组作为更新换代的主要机型，先后有 40 多套机组投入使用，其中 70以上从北美进
17、口，主要生产厂家是StewartStevenson 和 Halliburton 公司。该型压裂车的装机功率为1654kw(2250hp)，配套的压裂泵总成有三缸和五缸 2 种结构。为了占领国内市场，江汉石油管理局第四机械厂于 2001 年研制出首套使用绪 论第 5 页 （共 60 页）3ZB1051490 型三缸柱塞泵的 2000 型压裂机组，并率先在吉林油田使用。2005 年第四石油机械厂开发出具有我国自主知识产权的 SJ2500 五缸柱塞泵，制动功率可达 1866kW(2500hp)，性能达到国外同类产品先进水平，价格比进口同类机型便宜。该机型替代进口产品后，可为国家节约大量的外汇。由于该
18、泵结构紧凑、操作灵活，因此可大大降低工人的劳动强度，显著提高压裂作业质量和效率，有效促进油田的技术进步。五缸柱塞泵的研制成功必将逐渐取代大功率大排量三缸柱塞泵的垄断地位，成为油田压裂作业设备的新一代替代产品 4。目前国内压裂泵发展的主流方向是 高压、大排量。 提高自动化程度、使用寿命、可靠性以及保证排液均匀，解决堵泵等问题。 提高零部件标准化程度和通用性。1.3.2 国外国外对压裂车的研制已经有很长历史，各国的发展水平不尽一样，其中美国的压裂车的性能和技术水平居世界领先地位。1.3.2.1 美国哈里伯顿公司 HQ-2000 压裂酸化机组所用的压裂泵 OPI 1800AWS 型压裂泵。 HT-3
19、000B 增压泵（液压驱动） ，HT-400 泵（曲轴驱动） ，一般情况下，两者配合使用。1.3.2.2 CO2泡沫压裂设备压裂泵型号为 CAT3114 双泵。代表产品有 Haliburton HQ-2000 五缸泵、SPMTWS2250 三缸泵和 SPMQWS250OLW 五缸泵。HQ-2000 型五缸泵液力端配有五种规格尺寸的柱塞，可根据需要的压力和排量选用，同时 HQ-2000 泵采用单一斜齿轮减速器，机械效率在 95%以上，在同等功率下，泵的质量最轻。由于采用五缸结构，大大降低了吸人和排出脉冲，压裂泵的输人端不需要安装减震器；此外，五缸泵在同等排量下可以选用比三缸泵小的柱塞直径，五缸泵
20、一种柱塞便可以覆盖三缸泵的两三种柱塞工作范围，也就是说采用一种柱塞就完全可以胜任大排量和高压力的施工要求。由于其排量大、质量轻和振动小等优点而受到用户的青睐。但是 HQ-2000 泵只用于 Halliburton 公司生产的压裂泵车上，通用性差，尤其是配件的价格非常昂贵，使油田的实际使用用户不多。即使800 型压裂泵总体设计第 6 页 （共 60 页）在美国和加拿大市场，目前还是以三缸泵为主。目前国外压裂泵发展的主流方向是：高压、大排量。另外，提高使用寿命、保证排液均匀、解决堵泵等也是重点考虑的问题。2 800 型压裂泵运动的分析及工作载荷研究机械零件的常规理论计算是传统常规设计计算的重要步骤
21、。当有了设计参数后，紧接着应进行工作是将这些参数应用到实际计算中去，进行压裂泵的受力分析和常规理论计算，分析并计算压裂泵各零件的受力，为结构设计打下基础，以便进行压裂泵的结构分析。常规理论计算是结合结构各部分的结构与运动参数，计算各主要零件上受载荷的大小与特征。由于泵的结构和受力都比价复杂，在进行分析和建立力学压裂泵模型时，要进行泵的整体受力和零件的结构的简化，将零件简化为简单的杆单元、梁单元，考虑零件的质量力、摩擦力等，从建立整体的受力分析分析出发，经过建立零件的力学模型，分析零件之间的运动关系，得出它们的理论计算公式。往复泵常规理论研究的主要对象是动力端。动力端由传动轴、曲轴连杆机构和泵壳三大总成组成。主要部件有传动轴、链轮、曲轴、连杆、十字头、介杆、泵壳、底座等。2.1 已知泵的性能参数最大输入功率： 670kW（800hp）最高泵压： 70MPa（10000psi）柱塞冲程： 203.2 mm额定冲次： 300 冲/min柱塞直径： 114.3 mm、101.6 mm、88.9 mm由于该泵有多个工作参数组合，本论文选择一组最危险工况来进行力学分析，即出口压力为 70Mpa，进口压力为 0Mpa，柱塞直径为 88.9mm。2.2 曲柄连杆机构的运动分析2.2.1 柱塞运动规律 6
