表面織構化的壓裂泵柱塞及其動密封系統(tǒng)性能測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種表面織構化的壓裂泵柱塞及其動密封系統(tǒng)性能測試方法，密封組合的左側(cè)為強制潤滑劑，柱塞右側(cè)為腔內(nèi)壓裂液，在柱塞圓柱面上設有圓柱形或圓錐形織構，表面織構為沿柱塞圓柱面圓周方向均勻分布或交錯分布的若干圓柱形或圓錐形凹坑。測試時，組裝試驗部件、調(diào)試試驗裝置、記錄初始數(shù)據(jù)、啟動電機并采集該實驗階段各傳感器的讀數(shù)、對柱塞試件和密封組合試件的磨損量及表面磨痕進行觀測、對記錄的實驗數(shù)據(jù)進行處理分析。本發(fā)明將表面織構技術應用到壓裂泵柱塞上，實現(xiàn)表面織構技術應用到剛性材質(zhì)與柔性材質(zhì)的接觸方式的動密封領域的突破；起到了顯著降低動密封系統(tǒng)的摩擦系數(shù)、減小溫升的效果，提高了動密封系統(tǒng)的使用壽命。
【專利說明】表面織構化的壓裂泵柱塞及其動密封系統(tǒng)性能測試方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于石油開采設備領域，尤其涉及一種表面織構化的壓裂泵柱塞及其動密封系統(tǒng)性能測試方法。
【背景技術】
[0002]壓裂泵是油田進行壓裂、酸化作業(yè)，提高油氣井產(chǎn)量的重要設備。柱塞動密封系統(tǒng)是其關鍵部件，也是主要易損部件，它的密封性能和摩擦學性能好壞直接影響酸化作業(yè)的正常實施，在較高的沖次下，柱塞表面與密封圈表面會產(chǎn)生較多的摩擦熱，加速橡膠件老化，使之過早的失去彈性，減小對柱塞的徑向抱緊力。壓裂泵隨著壓裂環(huán)境的惡劣，即井深的增加，以及壓裂酸化半徑的擴大，迫切需要強化壓裂酸化工藝，即要求注入高壓力、高砂t匕、高酸度壓裂液，這無疑是柱塞動密封系統(tǒng)的工作條件變得更加苛刻，導致了柱塞動密封系統(tǒng)的嚴重腐蝕、磨料磨損和疲勞失效，這樣柱塞的耐磨性能和密封系統(tǒng)的防泄漏能力就下降了，最后導致壓裂泵的使用壽命降低。
[0003]壓裂泵柱塞密封的效果和摩擦學性能取決于柱塞動密封系統(tǒng)的防泄漏和潤滑、減磨性能的好壞，這將直接決定壓裂泵的使用壽命。因此為了進一步提高壓裂泵的酸化、壓裂效率及使用壽命，壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)的泄漏和磨損是目前亟待解決的問題。必須采用新的技術和工藝來提高壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)的摩擦學性能和密封性能，和尋求一種能夠?qū)崟r監(jiān)測壓裂泵內(nèi)部數(shù)據(jù)變化并獲取動密封系統(tǒng)性能參數(shù)實驗的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種表面織構化的壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)，旨在改善傳統(tǒng)壓裂泵柱塞動密封摩擦副的密封失效較快及磨損嚴重的問題。本發(fā)明的另一目的在于提供一種柱塞動密封系統(tǒng)的性能測試方法，旨在解決壓裂泵在運動過程中密封性能與摩擦性能難以實時觀測的問題設計出一種能夠較好完成對壓裂泵動密封系統(tǒng)內(nèi)部性能參數(shù)實施檢測的方案。從而具有方案來判定某種表面織構參數(shù)能否有效提高柱塞動密封系統(tǒng)流體動壓密封和摩擦學性能。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，如圖1所示，壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)主要包括柱塞及密封組合，所述的密封組合主要包括密封圈和夾布密封圈，所述密封組合的左側(cè)為強制潤滑劑，所述的柱塞右側(cè)為腔內(nèi)壓裂液，在所述柱塞的圓柱面上設有圓柱形或者圓錐形的表面織構，所述表面織構為沿柱塞圓柱面圓周方向均勻分布或交錯分布。
[0006]進一步，所述柱塞采用20號鋼材料制成，柱塞表面噴涂T15E-10材料，且噴涂厚度為0.4mm，所述密封組合的密封圈為丁晴橡膠材料，夾布密封圈的材料為夾布丁晴橡膠。
[0007]進一步，所述的柱塞圓柱面的表面織構為沿其圓周方向上均勻分布或交錯分布的圓柱形凹坑時，所述圓柱形凹坑的直徑d為50 μ m?400 μ m,所述圓柱形凹坑的面積比Sp為0.5%?5%,且所述圓柱形凹坑的深度h為5μηι?30μηι ;當所述的柱塞圓柱面的表面織構為沿其圓周方向上均勻或交錯分布的圓錐形凹坑時，所述的圓錐形凹坑的大端直徑d為60 μ m?700 μ m,所述圓錐形凹坑的面積比Sp為0.5%?8%,且所述圓錐形凹坑的深度h % 10 μ m ?50 μ m。
[0008]進一步，所述的柱塞表面的圓柱形織構沿柱塞圓柱面圓周向均勻分布，凹坑直徑d為0.2mm，面積比為2%，深度為10 μ m時，壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)的潤滑減阻性能最優(yōu)，相比無織構柱塞的運動摩擦系數(shù)減小50%以上，壓裂液溫升也降低30%以上。
[0009]進一步，所述的柱塞的表面織構是通過激光雕刻技術完成的，步驟為先將表面織構形貌通過繪圖軟件繪制出，然后導入激光雕刻機自帶路徑軟件生成代碼從而進行雕刻，最后對激光雕刻完后的柱塞進行拋光處理去除毛刺。
[0010]所述柱塞動密封系統(tǒng)性能測試方法，包括組裝試驗部件、調(diào)試試驗裝置、記錄初始數(shù)據(jù)、啟動電機并采集該實驗階段各傳感器的讀數(shù)、對柱塞試件和密封組合試件的磨損量及表面磨痕觀測、對記錄的實驗數(shù)據(jù)進行處理分析。具體步驟如下:
[0011]步驟一、組裝測試壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)密封性能和摩擦學性能的各試驗裝置部件；
[0012]步驟二、調(diào)試試驗裝置，運行該實驗裝置，調(diào)整各傳感器的輸出信號使其都為電壓信號或電流信號，調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率保證各傳感器都能采集到信號且采集的數(shù)據(jù)信號滿足后續(xù)實驗數(shù)據(jù)處理的要求；
[0013]步驟三、記錄初始數(shù)據(jù),包括實驗前柱塞試件的質(zhì)量ml、密封組合件的質(zhì)量m2,柱塞試件和組合密封圈實驗前的表面形貌；
[0014]步驟四、啟動電機運行該實驗裝置，同時采集該實驗階段各傳感器的讀數(shù)，這里定義液體壓力傳感器采集的柱塞動密封系統(tǒng)左側(cè)的潤滑劑壓力為Pi (t)，液體壓力傳感器采集的閥體工作腔內(nèi)的壓裂液壓力為P2 (t)，溫度傳感器采集的柱塞動密封系統(tǒng)的摩擦副的溫升為T (t)，加速度傳感器采集的柱塞往復運動加速度為a (t)，輪輻式拉壓力傳感器采集的柱塞往復作用力為F(t)；
[0015]步驟五、分解壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)，對柱塞試件和密封組合試件的磨損量及表面磨痕觀測，記錄試驗后柱塞的質(zhì)量為m3、密封組合試件的質(zhì)量為m4 ；
[0016]步驟六、對記錄的實驗數(shù)據(jù)進行處理分析。
[0017]進一步，所述的柱塞動密封系統(tǒng)性能測試的實驗裝置包括電機、與電機相連的減速器和聯(lián)軸器組合、連接于聯(lián)軸器的曲軸、曲軸連接于連桿、連桿通過轉(zhuǎn)動銷連接于十字頭、十字頭連接于柱塞，而柱塞安裝于閥體的工作腔內(nèi)，與閥體內(nèi)的密封組件組成壓裂泵的柱塞動密封系統(tǒng)，十字頭與柱塞之間連接有輪輻式拉壓力傳感器和加速度傳感器，軸向力傳感器與十字頭通過螺紋相連，然后通過螺栓與柱塞連接，而加速度傳感器通過螺紋連接于柱塞內(nèi)部的螺紋孔，所述的柱塞動密封系統(tǒng)壓裂泵上連接有強制潤滑裝置和液體壓力傳感器，所述柱塞動密封系統(tǒng)部位連接有溫度傳感器，所述壓裂泵的吸入端通過灌注泵和吸入管匯與壓裂液池相連，所述壓裂泵的排出端通過排出管匯和調(diào)壓閥后，經(jīng)冷卻池冷卻后再與壓裂池連接，從而形成壓裂泵吸入、排出過程壓裂液的循環(huán)利用，所述壓裂泵的鎖緊螺母部位連接有測量工作腔壓裂液壓力變化的液體壓力傳感器，所述的液體壓力傳感器和、溫度傳感器、軸向力傳感器、加速度傳感器均與高頻數(shù)據(jù)采集卡連接，所述數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)顯示裝置連接。
[0018]進一步，所述的柱塞動密封系統(tǒng)性能測試的試驗裝置所述軸向力傳感器為輪輻式拉壓力傳感器，溫度傳感器為熱電偶式傳感器。
[0019]進一步，所述的測量柱塞軸向力的輪輻式拉壓力傳感器與十字頭采用螺紋配合連接，然后再通過螺栓與柱塞試件固定。
[0020]進一步，所述的柱塞動密封系統(tǒng)性能測試方法，壓裂泵柱塞在吸入、排出的往復運動中密封組合對柱塞的密封方式為流體動壓密封，柱塞動密封系統(tǒng)左側(cè)潤滑介質(zhì)的壓力Pl(t) >工作腔內(nèi)壓裂液的壓力P2(t)時，柱塞動密封系統(tǒng)不會發(fā)生泄漏。
[0021 ] 進一步，所述的柱塞動密封系統(tǒng)性能測試方法中,假設:1、忽略試驗中柱塞質(zhì)量的變化；
[0022]2、柱塞往復運動過程中柱塞與密封盤根之間的潤滑密封介質(zhì)始終與壓裂液是連通的。
[0023]則動摩擦系數(shù)f由公式:
[0024]
【權利要求】
1.一種表面織構化柱塞動密封系統(tǒng)，其特征在于，所述的表面織構化柱塞動密封系統(tǒng)包括柱塞及密封組合，所述的密封組合主要包括密封圈和夾布密封圈，所述密封組合的左側(cè)為強制潤滑劑，所述的柱塞右側(cè)為腔內(nèi)壓裂液，在所述柱塞的圓柱面上雕刻表面織構，所述表面織構為沿柱塞圓柱面圓周方向均勻分布或交錯分布的若干圓柱形或圓錐形凹坑。
2.如權利要求1所述的表面織構化柱塞動密封系統(tǒng)，其特征在于，所述柱塞采用20號鋼材料制成，柱塞表面噴涂T15E-10材料，且噴涂厚度為0.4mm，所述密封組合的密封圈為丁晴橡膠材料，夾布密封圈的材料為夾布丁晴橡膠。
3.如權利要求1所述的表面形織構化柱塞動密封系統(tǒng)，其特征在于，當所述的柱塞圓柱面的表面織構為沿其圓周方向上均勻分布或交錯分布的圓柱形凹坑時，所述圓柱形凹坑的直徑d為50 μ m~400 μ m,所述圓柱形凹坑的面積比Sp為0.5%~5%,且所述圓柱形凹坑的深度h為5μηι~30μηι ;當所述的柱塞圓柱面的表面織構為沿其圓周方向上均勻或交錯分布的圓錐形凹坑時，所述的圓錐形凹坑的大端直徑d為60 μ m~700 μ m,所述圓錐形凹坑的面積比Sp為0.5%~8%,且所述圓錐形凹坑的深度h為10 μ m~50 μ m。
4.如權利要求3所述的圓柱形織構柱塞動密封系統(tǒng)，其特征在于，所述的柱塞表面的圓柱形織構沿柱塞外圓周向均勻分布，凹坑直徑d為0.2mm,面積比為2%,深度為10 μ m時，壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)的潤滑減阻性能最優(yōu)。
5.如權利要求3所述的圓柱形或圓錐形織構柱塞動密封系統(tǒng)，其特征在于，所述的圓柱形或圓錐形柱塞表面織構是通過激光雕刻技術完成的，步驟為先將表面織構形貌通過繪圖軟件繪制出，然后導入激光雕刻機自帶路徑軟件生成代碼從而進行雕刻，最后對激光雕刻完后的柱塞進行拋光處理去除毛刺。
6.一種壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)的性能測試方法，其特征在于，所述柱塞動密封系統(tǒng)性能測試方法包括:組裝試驗部件、調(diào)試試驗裝置、記錄初始數(shù)據(jù)、啟動電機并采集該實驗階段各傳感器的讀數(shù)、對柱塞試件和密封組合試件的磨損量及表面磨痕觀測、對記錄的實驗數(shù)據(jù)進行處理分析，具體步驟如下: 步驟一、組裝測試壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)密封性能和摩擦學性能的各試驗裝置部件； 步驟二、調(diào)試試驗裝置，運行該實驗裝置，調(diào)整各傳感器的輸出信號使其都為電壓信號或電流信號，調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率保證各傳感器都能采集到信號且采集的數(shù)據(jù)信號滿足后續(xù)實驗數(shù)據(jù)處理的要求； 步驟三、記錄初始數(shù)據(jù)，包括實驗前柱塞試件的質(zhì)量ml、密封組合件的質(zhì)量m2，柱塞試件和組合密封圈實驗前的表面形貌； 步驟四、啟動電機運行該實驗裝置，同時采集該實驗階段各傳感器的讀數(shù)，這里定義液體壓力傳感器采集的柱塞動密封系統(tǒng)左側(cè)的潤滑劑壓力為Pl (t)，液體壓力傳感器采集的閥體工作腔內(nèi)的壓裂液壓力為P2(t)，溫度傳感器采集的柱塞動密封系統(tǒng)的摩擦副的溫升為T (t)，加速度傳感器采集的柱塞往復運動加速度為a(t)，輪輻式拉壓力傳感器采集的柱塞往復作用力為F(t)； 步驟五、分解壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)，對柱塞試件和密封組合試件的磨損量及表面磨痕觀測，記錄試驗后柱塞的質(zhì)量為m3、密封組合試件的質(zhì)量為m4 ； 步驟六、對記錄的實驗數(shù)據(jù)進行處理分析。
7.如權利要求6所述的壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)的性能測試方法，其特征在于，所述的柱塞動密封系統(tǒng)性能測試的實驗裝置包括電機、與電機相連的減速器和聯(lián)軸器組合、連接于聯(lián)軸器的曲軸、曲軸連接于連桿、連桿通過轉(zhuǎn)動銷連接于十字頭、十字頭連接于柱塞，而柱塞安裝于閥體的工作腔內(nèi)，與閥體內(nèi)的密封組件組成壓裂泵的柱塞動密封系統(tǒng)，十字頭與柱塞之間連接有輪輻式拉壓力傳感器和加速度傳感器，軸向力傳感器與十字頭通過螺紋相連，然后通過螺栓與柱塞連接，而加速度傳感器通過螺紋連接于柱塞內(nèi)部的螺紋孔，所述的柱塞動密封系統(tǒng)壓裂泵上連接有強制潤滑裝置和液體壓力傳感器，所述柱塞動密封系統(tǒng)部位連接有溫度傳感器，所述壓裂泵的吸入端通過灌注泵和吸入管匯與壓裂液池相連，所述壓裂泵的排出端通過排出管匯和調(diào)壓閥后，經(jīng)冷卻池冷卻后再與壓裂池連接，從而形成壓裂泵吸入、排出過程壓裂液的循環(huán)利用，所述壓裂泵的鎖緊螺母部位連接有測量工作腔壓裂液壓力變化的液體壓力傳感器，所述的液體壓力傳感器、溫度傳感器、軸向力傳感器和加速度傳感器均與高頻數(shù)據(jù)采集卡連接，所述數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)顯示裝置連接。
8.如權利要求6所述的壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)的性能測試方法，其特征在于，所述的柱塞動密封系統(tǒng)性能測試的試驗裝置，所述軸向力傳感器為輪輻式拉壓力傳感器，溫度傳感器為熱電偶式傳感器。
9.如權利要求6所述的壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)的性能測試方法，其特征在于，所述的測量柱塞軸向力的輪輻式拉壓力傳感器與十字頭采用螺紋配合連接，然后再通過螺栓與柱塞試件固定； 壓裂泵柱塞在吸入、排出的往復運動中密封組合對柱塞的密封方式為流體動壓密封，柱塞動密封系統(tǒng)左側(cè)潤滑介質(zhì)的壓力Pl (t) >工作腔內(nèi)壓裂液的壓力P2(t)時，柱塞動密封系統(tǒng)不會發(fā)生泄漏。
10.如權利要求6所述的壓裂泵柱塞動密封系統(tǒng)的性能測試方法，其特征在于，在所述的柱塞動密封系統(tǒng)性能測試方法中，假設: a、忽略試驗中柱塞質(zhì)量的變化； b、柱塞往復運動過程中柱塞與密封盤根之間的潤滑密封介質(zhì)始終與壓裂液是連通的； 則動摩擦系數(shù) f 由公式
【文檔編號】G01N3/56GK103807162SQ201310423514
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權日:2013年9月18日
【發(fā)明者】王國榮, 王慶群, 何霞, 李蓉, 鐘林, 楊昌海, 陳新龍, 孫元秀, 陳林燕 申請人:西南石油大學, 中石化石油工程機械有限公司第四機械廠