[實用新型]高壓柱塞泵的液力端

有效

• 申請號: 201320738482.1
• 申請日: 2013-11-21
• 公開（公告）號: CN203548184U
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 張斌;張磊;陳方利
• 申請（專利權）人: 四機賽瓦石油鉆采設備有限公司
• 主分類號: F04B53/10
• 分類號: F04B53/10
• 代理公司: 武漢天力專利事務所 42208
• 代理人: 蘇胤杰

技術領域

本實用新型專利屬于油田生產設備，具體為一種高壓柱塞泵的液力端。

背景技術

從1947年被首次使用，水力壓力技術逐漸成為油田的主要增產措施，特別是過去的二十年期間在北美成功地得到了廣泛應用。在高壓作用下將壓裂液泵送到井底，實現壓裂地層，從而實現增加油氣產量。該系統的關鍵組成部分是產生高壓的往復式高壓柱塞泵，主要由動力端和液力端兩部分組成。動力端主要是將驅動軸的旋轉運動轉換成柱塞的往復運動，而連接著柱塞的液力端主要是通過柱塞的往復運動和閥門的開關來實現其內腔體積的周期性變化。液力端主要是由閥箱、凡爾及凡爾座、柱塞、密封盤根、彈簧和彈簧座等組成。閥箱是由吸入凡爾孔、排出凡爾孔、柱塞孔和堵蓋孔等組成。在吸入沖程，柱塞沿著柱塞孔抽出，閥箱內腔的壓力迅速下降，使吸入閥開啟，吸入閥內外的壓差導致液體迅速進入閥箱內腔；在排出沖程，吸入凡爾關閉，流體壓力逐漸增大，直至排出凡爾開啟，將流體泵送進高壓排出管匯。

隨著柱塞的往復運動，閥箱經歷周期性應力變化。含有砂子、化學添加劑、泥漿或是水泥漿等流體在高壓作用下被泵送到井下。化學物質可提高地層的制造裂縫的能力，而礫石等支撐劑則是用于支撐裂縫，防止其在壓力卸載后閉合，從而保持油氣通道的暢通，但是這些添加物也加劇了在重載工況下閥箱等部件的損害，為高壓柱塞泵的制造商提出了新挑戰。在循環液壓載荷作用下，由高強度鋼鍛件組成的閥箱常在相貫孔區域萌生疲勞裂紋。同時，在作業過程中，液力端的相貫區域還會觀察到嚴重的磨損。

伴隨全球能源供應結構的變化，頁巖氣和致密油等非常規能源逐漸發揮越來越重要的作用，因此對壓裂技術的發展提出更高的要求，如高壓柱塞泵具有更高壓力及更大排量的泵送能力。對傳統的豎直井僅進行一兩段壓裂，壓裂壓力通常不超過10000?psi，此階段的低壓力和短時間作業特征對高壓泵送系統的要求較低。但是，隨著非常規能源的開發（如美國Barnett?Shale和Haynesville?Shale），如水平井技術等使壓裂液的泵送環境變得更加惡劣。壓裂作業需要使用更高的壓力（高達15000?psi）和更長的作業時間（如連續一周時間），這些將加劇高壓泵送系統部件的損壞，特別是液力端閥箱在周期性高壓作用下發生疲勞失效和磨損等。因此，高壓柱塞泵的制造者都在尋找在復雜環境下延長柱塞泵使用壽命的方法。

為了提高高壓柱塞泵的可靠性，主要是通過液力端閥箱的材料及結構優化來提高其抵抗疲勞失效的能力。疲勞過程是指材料在周期性的循環載荷作用下，內部局部區域逐漸形成累積的結構損傷，且材料通常是在遠低于其斷裂強度的應力水平發生疲勞失效。材料的失效過程依賴于循環應力水平、結構、表面完整性、殘余應力及環境（如溫度、空氣或真空等）。疲勞壽命與應力水平的關系可以近似用Basquin方程進行描述：，其中S_a是有效應力幅，N_f是失效時對應的循環周次，A和B是擬合參數（A>0且B<0）。當施加的載荷S_a增大時，失效對應的循環周次將N_f減小。因此，非常規能源開發需要更高的泵送壓力將會加劇泵送系統的疲勞失效。其次，液力端閥箱的快速失效還與幾何結構決定的應力集中系數密切相關。正是由于應力集中系數（K）的放大效應，液力端的閥箱在遠低于其疲勞極限（如4330鋼的疲勞極限為100,000?psi）的工作壓力下（P小于20000?psi）常發生疲勞失效，這是由于在失效區域的真實應力水平S_a（=K×P）接近該材料的疲勞極限。