[实用新型]高压柱塞泵的液力端

说明书

技术领域

本实用新型专利属于油田生产设备，具体为一种高压柱塞泵的液力端。

背景技术

从1947年被首次使用，水力压力技术逐渐成为油田的主要增产措施，特别是过去的二十年期间在北美成功地得到了广泛应用。在高压作用下将压裂液泵送到井底，实现压裂地层，从而实现增加油气产量。该系统的关键组成部分是产生高压的往复式高压柱塞泵，主要由动力端和液力端两部分组成。动力端主要是将驱动轴的旋转运动转换成柱塞的往复运动，而连接着柱塞的液力端主要是通过柱塞的往复运动和阀门的开关来实现其内腔体积的周期性变化。液力端主要是由阀箱、凡尔及凡尔座、柱塞、密封盘根、弹簧和弹簧座等组成。阀箱是由吸入凡尔孔、排出凡尔孔、柱塞孔和堵盖孔等组成。在吸入冲程，柱塞沿着柱塞孔抽出，阀箱内腔的压力迅速下降，使吸入阀开启，吸入阀内外的压差导致液体迅速进入阀箱内腔；在排出冲程，吸入凡尔关闭，流体压力逐渐增大，直至排出凡尔开启，将流体泵送进高压排出管汇。

随着柱塞的往复运动，阀箱经历周期性应力变化。含有砂子、化学添加剂、泥浆或是水泥浆等流体在高压作用下被泵送到井下。化学物质可提高地层的制造裂缝的能力，而砾石等支撑剂则是用于支撑裂缝，防止其在压力卸载后闭合，从而保持油气通道的畅通，但是这些添加物也加剧了在重载工况下阀箱等部件的损害，为高压柱塞泵的制造商提出了新挑战。在循环液压载荷作用下，由高强度钢锻件组成的阀箱常在相贯孔区域萌生疲劳裂纹。同时，在作业过程中，液力端的相贯区域还会观察到严重的磨损。

伴随全球能源供应结构的变化，页岩气和致密油等非常规能源逐渐发挥越来越重要的作用，因此对压裂技术的发展提出更高的要求，如高压柱塞泵具有更高压力及更大排量的泵送能力。对传统的竖直井仅进行一两段压裂，压裂压力通常不超过10000 psi，此阶段的低压力和短时间作业特征对高压泵送系统的要求较低。但是，随着非常规能源的开发（如美国Barnett Shale和Haynesville Shale），如水平井技术等使压裂液的泵送环境变得更加恶劣。压裂作业需要使用更高的压力（高达15000 psi）和更长的作业时间（如连续一周时间），这些将加剧高压泵送系统部件的损坏，特别是液力端阀箱在周期性高压作用下发生疲劳失效和磨损等。因此，高压柱塞泵的制造者都在寻找在复杂环境下延长柱塞泵使用寿命的方法。

为了提高高压柱塞泵的可靠性，主要是通过液力端阀箱的材料及结构优化来提高其抵抗疲劳失效的能力。疲劳过程是指材料在周期性的循环载荷作用下，内部局部区域逐渐形成累积的结构损伤，且材料通常是在远低于其断裂强度的应力水平发生疲劳失效。材料的失效过程依赖于循环应力水平、结构、表面完整性、残余应力及环境（如温度、空气或真空等）。疲劳寿命与应力水平的关系可以近似用Basquin方程进行描述：，其中S_a是有效应力幅，N_f是失效时对应的循环周次，A和B是拟合参数（A>0且B<0）。当施加的载荷S_a增大时，失效对应的循环周次将N_f减小。因此，非常规能源开发需要更高的泵送压力将会加剧泵送系统的疲劳失效。其次，液力端阀箱的快速失效还与几何结构决定的应力集中系数密切相关。正是由于应力集中系数（K）的放大效应，液力端的阀箱在远低于其疲劳极限（如4330钢的疲劳极限为100,000 psi）的工作压力下（P小于20000 psi）常发生疲劳失效，这是由于在失效区域的真实应力水平S_a（=K×P）接近该材料的疲劳极限。