[发明专利]表面织构化的压裂泵柱塞及其动密封系统性能测试方法

说明书

技术领域

本发明属于石油开采设备领域，尤其涉及一种表面织构化的压裂泵柱塞及其动密封系统性能测试方法。 

背景技术

压裂泵是油田进行压裂、酸化作业，提高油气井产量的重要设备。柱塞动密封系统是其关键部件，也是主要易损部件，它的密封性能和摩擦学性能好坏直接影响酸化作业的正常实施，在较高的冲次下，柱塞表面与密封圈表面会产生较多的摩擦热，加速橡胶件老化，使之过早的失去弹性，减小对柱塞的径向抱紧力。压裂泵随着压裂环境的恶劣，即井深的增加，以及压裂酸化半径的扩大，迫切需要强化压裂酸化工艺，即要求注入高压力、高砂比、高酸度压裂液，这无疑是柱塞动密封系统的工作条件变得更加苛刻，导致了柱塞动密封系统的严重腐蚀、磨料磨损和疲劳失效，这样柱塞的耐磨性能和密封系统的防泄漏能力就下降了，最后导致压裂泵的使用寿命降低。 

压裂泵柱塞密封的效果和摩擦学性能取决于柱塞动密封系统的防泄漏和润滑、减磨性能的好坏，这将直接决定压裂泵的使用寿命。因此为了进一步提高压裂泵的酸化、压裂效率及使用寿命，压裂泵柱 塞动密封系统的泄漏和磨损是目前亟待解决的问题。必须采用新的技术和工艺来提高压裂泵柱塞动密封系统的摩擦学性能和密封性能，和寻求一种能够实时监测压裂泵内部数据变化并获取动密封系统性能参数实验的方案。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面织构化的压裂泵柱塞动密封系统，旨在改善传统压裂泵柱塞动密封摩擦副的密封失效较快及磨损严重的问题。本发明的另一目的在于提供一种柱塞动密封系统的性能测试方法，旨在解决压裂泵在运动过程中密封性能与摩擦性能难以实时观测的问题设计出一种能够较好完成对压裂泵动密封系统内部性能参数实施检测的方案。从而具有方案来判定某种表面织构参数能否有效提高柱塞动密封系统流体动压密封和摩擦学性能。 

本发明是这样实现的，如图1所示，压裂泵柱塞动密封系统主要包括柱塞及密封组合，所述的密封组合主要包括密封圈和夹布密封圈，所述密封组合的左侧为强制润滑剂，所述的柱塞右侧为腔内压裂液，在所述柱塞的圆柱面上设有圆柱形或者圆锥形的表面织构，所述表面织构为沿柱塞圆柱面圆周方向均匀分布或交错分布。 

进一步，所述柱塞采用20号钢材料制成，柱塞表面喷涂T15E-10材料，且喷涂厚度为0.4mm，所述密封组合的密封圈为丁晴橡胶材料，夹布密封圈的材料为夹布丁晴橡胶。 

进一步，所述的柱塞圆柱面的表面织构为沿其圆周方向上均匀分布或交错分布的圆柱形凹坑时，所述圆柱形凹坑的直径d为50μm～ 400μm，所述圆柱形凹坑的面积比S_p为0.5％～5％，且所述圆柱形凹坑的深度h为5μm～30μm；当所述的柱塞圆柱面的表面织构为沿其圆周方向上均匀或交错分布的圆锥形凹坑时，所述的圆锥形凹坑的大端直径d为60μm～700μm，所述圆锥形凹坑的面积比S_p为0.5％～8％，且所述圆锥形凹坑的深度h为10μm～50μm。 

进一步，所述的柱塞表面的圆柱形织构沿柱塞圆柱面圆周向均匀分布，凹坑直径d为0.2mm，面积比为2％，深度为10μm时，压裂泵柱塞动密封系统的润滑减阻性能最优，相比无织构柱塞的运动摩擦系数减小50％以上，压裂液温升也降低30％以上。 

进一步，所述的柱塞的表面织构是通过激光雕刻技术完成的，步骤为先将表面织构形貌通过绘图软件绘制出，然后导入激光雕刻机自带路径软件生成代码从而进行雕刻，最后对激光雕刻完后的柱塞进行抛光处理去除毛刺。 

所述柱塞动密封系统性能测试方法，包括组装试验部件、调试试验装置、记录初始数据、启动电机并采集该实验阶段各传感器的读数、对柱塞试件和密封组合试件的磨损量及表面磨痕观测、对记录的实验数据进行处理分析。具体步骤如下： 

步骤一、组装测试压裂泵柱塞动密封系统密封性能和摩擦学性能的各试验装置部件； 

步骤二、调试试验装置，运行该实验装置，调整各传感器的输出信号使其都为电压信号或电流信号，调整数据采集卡的采集频率保证各传感器都能采集到信号且采集的数据信号满足后续实验数据处理 的要求; 

步骤三、记录初始数据，包括实验前柱塞试件的质量m1、密封组合件的质量m2，柱塞试件和组合密封圈实验前的表面形貌；