專利名稱：用于泵的流體端的預應力處理方法
用于泵的流體端的預應力處理方法技術領域一^:而言，本發(fā)明涉及一種為了在缸體的流體端內引入殘余壓應力而 對多缸體往復泵的流體端進行機械預處理的預應力處理方法(autofrettage process )。
背景技術：
井下巖層的水力壓裂對于誘導油流來說是一項緊急工作。通常，這是 在井下較高壓力處通過真空泵油使鄰近井下的泥土和巖石破裂來完成的。 然后石油可通過這些斷層流到井下以顯著提高井產能(well productivity)。 往復式泵、尤其是三缸泵一般用于泵送井下高壓壓裂液。然而，泵的流體 端反復暴露于高壓下將導致流體端的缸體易受疲勞破壞的影響。于是，要 求增強多缸體往復式泵的流體端缸體的抗疲勞性。發(fā)明內容預應力處理方法可用于在多缸體往復式泵的流體端內壁中產生壓縮殘 余應力，這樣流體端在抽運周期內所受的抗拉應力最小。在預應力處理方 法中，流體端的缸體腔暴露在高的流體靜壓下，這將導致流體端的內側區(qū) 域塑性屈服，而外側區(qū)域的變形則是彈性的。當:f又消壓力時，流體端的外 側區(qū)域彈性地復原，而產生塑性形變的內側區(qū)域這時則處于壓應力下。這 種壓應力增強了流體端的抗疲勞性。本發(fā)明的目的是提供一種能提高多缸體往復泵流體端的使用壽命的預 應力處理方法。在一實施例中，本發(fā)明包括用于具有中心缸體和至少兩個 側缸體的多缸體往復泵流體端的預處理的多步驟預應力處理方法，其中， 該方法包括對中心缸體進行預應力處理；以及對至少兩個側釭體進行預應 力處理。在此方法中，對中心缸體的預應力處理和對至少兩個側缸體的預 應力處理獨立進4亍。


通過結合附圖參考下面的詳細描述可以更好地理解本發(fā)明的這些以及其他特征和優(yōu)點。附圖中圖1為用于本發(fā)明的預應力處理方法中的多缸體往復泵的透視圖；圖2為圖1所示的多缸體往復泵的流體端缸體之一的橫截面圖；圖3為本發(fā)明的預應力處理方法的一實施例的簡圖；圖4為用于本發(fā)明的預應力處理方法中的另一多缸體往復泵的示意圖；圖5為本發(fā)明的預應力處理方法的另一實施例的簡圖；圖6為本發(fā)明的預應力處理方法的又一實施例的簡圖。
具體實施方式
如上所述，在油井和天然氣井中，多缸體往復泵常用于泵送井底高壓 壓裂液以增加井產能。圖1示出了這樣的泵10的一個實施例。在圖示的實 施例中，泵10為具有三個缸體12A-12C的三缸泵，每一缸體都具有被設置 成相對于其可移動的相應活塞14A-14C。對于本文件而言，將三個缸體中 的中心缸體稱為中心缸體12B,而將其余的兩個缸體稱為側缸體HA， UC。 但是，正如下面進一步所論述的那樣，泵10可以為具有任何合適的缸體數(shù) 量的泵，例如五個缸體的泵(五缸泵)或七個缸體的泵(七缸泵)。如下面將進一步描述的那樣，在本圖所示的實施例中，泵10包括兩部 分，動力端16和流體端18。動力端16包括由電機組件(未示出)提供動 力的曲軸20，用以驅動泵的活塞14A-14C;流體端18包括缸體12A-12C， 活塞14A-14C在缸體中往復運動以吸入低壓流體并排出高壓流體。為簡化起見，圖2僅示出了往復泵的流體端的一個缸體12的橫截面。 但是，圖示的缸體12代表如三缸泵、五缸泵或七缸泵、及其他合適的泵之 類的多缸體往復泵中的那些缸體中的任一個。因此，下面任何關于流體端 缸體12的討論都同樣適用于圖1中三缸泵10的所有三個缸體12A-12C，或 五缸泵和七缸泵中的任何一個缸體；并且下面任何關于活塞14的討論都同 樣適用于圖1所示的三缸泵10的所有三個活塞14A-14C,或五缸泵和七缸 泵中的任何一個活塞。如圖1所示，并如下面所討論的那樣，圖示的三缸泵10中每一個流體 端缸體12A-12C都包括被設置成可相對于缸體移動的活塞14A-14C。通常， 當用于油層壓裂時，每個活塞14A-14C的直徑約為4.5英寸到約6.5英寸， 每個活塞14產生的壓力可高達約12, 000磅/平方英寸(12千磅/平方英 寸)。如圖2所示，每個缸體12包括流體腔22。各活塞14可滑動地被安裝 于與其相應的缸體12內并在流體腔22中往復運動。活塞14往復運動的作 用是改變流體腔22內的流體容積。缸體12還包括如吸入閥24和排出閥26 之類的止回閥，在活塞14往復運動時這些閥門可控制流入和排出流體腔22 的流體的流動。如上面所提到的那樣，通過電機驅動曲軸20旋轉可使活塞14往復運 動。由流體和彈簧彈力控制吸入閥24和排出閥26的動作。例如，吸入閥 24 ^f昔助于^皮定位在吸入閥24和彈簧止擋32之間的彈簧30朝吸入閥座28 偏壓，即朝關閉位置偏壓。類似地，排出閥26借助于被定位在排出閥26 和彈簧止擋38之間的排出閥彈簧36朝排出閥座34偏壓，即朝關閉位置偏 壓。當活塞14通過密封孔(packing bore ) 40向外運動(朝圖2中的左側) 時，在流體腔22中產生壓力降。該壓力降導致吸入閥24抵消彈簧30的偏 壓而運動到開啟位置，并使流體通過吸入管25流過吸入閥24而流入流體 腔22?？蓪⒒钊?4運動的這一階段稱之為"吸入沖程"。當活塞14通過密封孔40向相反的方向運動(朝圖2中的右側)時， 彈簧30使得吸入閥24關閉，流體腔22中的壓力升高。壓力升高導致排出 閥26開啟并迫使流體,人流體腔22通過排出閥26向外流而流出排出管35。 在活塞14持續(xù)向流體腔22中的流體施壓(通常約2千磅/平方英寸至約 12千磅/平方英寸)的同時排出閥26保持開啟。眾所周知，活塞14運動 且其中流體通過排出閥26排出的這一高壓階段被稱為"排出沖程"。設定泵送頻率為2赫茲(即每秒兩次壓力循環(huán))，在較短的運行壽命內 流體端18經受非常多次數(shù)的應力循環(huán)。這些應力循環(huán)將導致流體端18的 疲勞損壞。疲勞包括在周期應力下部件的自由表面上小裂紋初現(xiàn)的損壞過 程。裂紋以循環(huán)應力和材料屬性所確定的速率增大，直到裂紋大到足以證 明該部件受損為止。因為疲勞裂紋通常起始于表面，所以阻遏這種破壞機 理的策略是在壓縮狀態(tài)下對該表面施加預應力。這可以通過預應力處理方法來完成，所述預應力法處理包括為了在其
內部自由表面(即暴露于流體端缸體12內的壓裂液下的表面)處引入殘余 壓應力對流體端18進行機械預處理。在預應力處理期間，流體端缸體12 處于高流體靜壓下。在預應力處理期間的壓力引起流體端缸體12壁面內部 區(qū)域的塑性屈服。因為應力級沿壁厚衰減，因此壁的外部區(qū)域的變形仍然 是彈性的。撤除流體靜壓被時，壁的外部區(qū)域就趨向于回復到它們的原始 結構狀態(tài)。但是，同一壁的內側區(qū)域的塑性形變限制了這種變形。結果，流體端 缸體12的壁的內側區(qū)域繼續(xù)承載殘余壓應力。這種壓應力增強了流體端的 抗疲勞性。預應力處理方法的效果取決于內壁面的殘余應力范圍和它們的量級。預應力處理方法包括作用于多缸體泵的每一缸體的單一流體靜壓步 驟，也就是說，在三缸泵的情況下，所有的三個缸體同時發(fā)生變形。壓力 取決于泵的尺寸，例如在活塞直徑為5.5英寸的多缸體往復泵內，可采用約 55千磅/平方英寸的預應力壓力。然而，計算機模型顯示出這種單一步驟的預應力處理方法并不是最佳的，它在流體端的中心缸體內產生較小的殘余壓應力。其原因是，由于中 心缸體的形變被多缸體泵的側缸體的共同形變約束，因此在預應力處理期 間中心缸體內產生較小的塑性應變，隨后產生小的殘余壓應力。結果，中 心缸體內的抗拉應力可能較高，致使流體端18的運行壽命較短。在一實施例中，上面所述的多缸體泵10的流體端18的預應力處理方 法包括兩步驟方法，在其中的一步中，對中心缸體UB與其余缸體UA， 12C分開地進行預應力處理，而在另一步中，或者對其余缸體12A， 12C或 者對所有缸體12A-12C同時進行預應力處理。計算機模型顯示這種兩步驟 方法可改善流體端18的殘余應力分配，從而導致流體端18的使用壽命延 長。圖3示出了用于對具有至少三個缸體(在圖1所示的三缸泵10的情況 中為缸體12A-12C )的多缸體往復泵10的流體端18進行預處理的多步驟預 應力處理方法300。下面對結合使用圖1所示的泵10的圖3所示方法進行 敘述。在一個實施例中，預應力處理方法300包括第一步驟310，該步驟包 括對中心缸體12B與其余缸體、在本情況中為側缸體12A, 12C分開地進 行預應力處理。步驟310包括只在中心缸體12B上施加流體靜壓然后釋放
該靜壓。在一個實施例中，該流體靜壓可以處于約55千磅/平方英寸到約 65千磅/平方英寸的范圍內。第二步驟320包括同時對其余的缸體進行預應力處理，在本情況中為 同時對側缸體12A， 12C進行預應力處理，但不對中心缸體12B進行預應 力處理。該步驟320包括僅對側缸體12A, 12C施加流體靜壓然后釋放該流 體靜壓。在一個實施例中，此流體靜壓可以處于約55千磅/平方英寸到約 65千磅/平方英寸的范圍內。在一個實施例中，上述步驟的順序即步驟310和320可以顛倒，也就 是說，可以先實施對側缸體12A, 12C進行預應力處理的步驟320;其次實 施對中心缸體12B進行預應力處理的步驟310。在任一種步驟順序中，對中 心缸體12B的預應力處理壓力可以高于對側缸體12A, 12C的預應力處理 壓力。盡管前面給出了示例性的預應力處理壓力，仍可以采用其他合適的 壓力，即使這些壓力超出了上述范圍。在一個實施例中，從適當?shù)挠嬎銠C 模型中可確定出最優(yōu)的預應力處理壓力，它考慮到了流體端材料的機械性 能、預應力處理方法的壓力、預應力處理壓力施加在流體端上的面積、其 他因素之一。通過相應地增加預應力處理步驟的數(shù)量，可將多步驟預應力處理方法 運用到三缸泵或具有多于三個缸體的泵上。例如，圖4示意地示出了具有 五個缸體412A-412E的五缸泵的流體端418。圖5所示的多步驟預應力處理 方法500示出了對于這種泵的預應力處理步驟的一個實施例。如圖所示，在一個實施例中，第一步驟510包括對中心缸體4UC與其 余的缸體分開地進行預應力處理。在這種情況中，其余的缸體包括緊鄰中 心缸體412C的第一組側釭體412B， 412D以及與中心缸體412C相隔一個 缸體的第二組側缸體412A， 412E。步驟510包括僅向中心缸體4UC施加 流體靜壓然后撤銷該流體靜壓。在一個實施例中，該流體靜壓可處于約55 千磅/平方英寸到約65千磅/平方英寸的范圍內。第二步驟520包括對第一組側缸體412B， 412D同時進行預應力處理， 而不對中心缸體412C和第二組側缸體412A, 412E進行預應力處理。該步 驟520包括僅向第一組側缸體412B， 412D同時施加流體靜壓然后撤銷該流 體靜壓。在一個實施例中，所述流體靜壓可處于約55千磅/平方英寸到約 65千磅/平方英寸的范圍內。 第三步530包括對第二組側缸體412A, 412E同時進行預應力處理，而 不對中心缸體412C和第一組側缸體412B, 412D進行預應力處理。該步驟 530包括同時向第二組側缸體412A, 412E施加流體靜壓然后撤銷該流體靜 壓。在一個實施例中，所述流體靜壓可處于約55千磅/平方英寸到約65 千磅/平方英寸的范圍內。對于乂人中心缸體412C再新增的每一組側缸體可用增加預應力處理步驟 來實現(xiàn)。在一個實施例中，上述步驟510， 520和530可以顛倒和/或以任 意順序實施。盡管前面給出了示例性的預應力處理壓力，仍可以采用其他 合適的壓力，即使這些壓力超出了上述范圍。如上所述，在一個實施例中， 可以從適當?shù)挠嬎銠C模型中確定出最優(yōu)的預應力處理壓力。圖6示出了用于對具有至少三個流體端缸體的多缸體往復泵的流體端 18進行預處理的多步驟預應力處理方法600。如圖所示，在一個實施例中， 第一步驟610包括同時對流體端的所有缸體進行預應力處理(例如，圖1 所示的三缸泵的所有缸體12A-12C，或圖4所示的五缸泵的所有缸體 412A-412E)。該步驟610包括同時向所有釭體施加流體靜壓然后撤銷該流 體靜壓。在一個實施例中，所述流體靜壓可處于約55千磅/平方英寸到約 65千磅/平方英寸的范圍內。第二步驟620包括僅對中心缸體進行預應力處理(例如，圖1所示的 三缸泵的中心缸體12B,或圖4所示的五缸泵的中心缸體4UC)。該步驟 620包括僅向中心缸體施加流體靜壓然后撤銷該流體靜壓。在一個實施例 中，該流體靜壓可處于約55千磅/平方英寸到約65千磅/平方英寸的范 圍內。盡管前面給出了示例性的預應力處理壓力，仍可以采用其他合適的 壓力，即使這些壓力超出上述范圍。如上所述，在一個實施例中，可以從 適當?shù)挠嬎銠C模型中確定出最優(yōu)的預應力處理壓力。與單一步驟過程相比，上面所描述的多步驟預應力處理方法300， 500和600中的每一方法都可使經預處理的泵獲得改善的殘余應力分配，并且 處于殘余壓應力條件下的中心缸體內的面積較大。這使得泵送期間流體端 所經受的抗拉應力最小并可延長流體端運行使用壽命。應注意的是，雖然 以上的討論主要集中于將多步驟預應力處理方法用于對油層壓裂應用中的 多缸體泵進行預處理，但也可將這種預處理泵用于任何其它合適的場合。 例如，在油井工業(yè)中示例性的運用包括盤管應用、水泥應用、其他合適的 應用之一。以上的描述是結合本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行的。本領域技術人員應當 意識到，在不超出本發(fā)明的構思和范圍的前提下，可對所描述的結構和操 作方法作出改型和變換。因此，不應認為以上的描述僅適于附圖中所說明 和圖示的確定結構，而應將以上的描述理解成與最完整且最清楚地記載了 保護范圍的所附權利要求相吻合并用于支持這些權利要求。
權利要求
1、一種用于對包括一個中心缸體和兩個側缸體的三缸泵流體端進行預處理的多步驟預應力處理方法，其中，該方法包括對所述中心缸體進行預應力處理；及對所述兩個側缸體進行預應力處理，其中所述對中心缸體進行預應力處理和所述對兩個側缸體進行預應力處理是獨立執(zhí)行的。
2、 如權利要求l所述的方法，其中，所述對兩個側缸體進行預應力處 理包括同時對該兩個側缸體進行預應力處理。
3、 如權利要求l所述的方法，其中，對所述中心缸體進行預應力處理力處理期間施加于該兩個側缸體的預應力處理壓力。
4、 如權利要求l所述的方法，其中，在所述對兩個側缸體進行預應力 處理的步驟之前執(zhí)行所述對中心缸體進行預應力處理的步驟。
5、 如權利要求l所述的方法，其中，在所述對中心缸體進行預應力處 理的步驟之前執(zhí)行所述對兩個側缸體進行預應力處理的步驟。
6、 一種用于對包括一個中心缸體和兩個側缸體的三缸泵流體端進行預 處理的多步驟處理方法，其中，該方法包括對所述中心缸體施加流體靜壓以在其中產生壓縮殘余應力； 釋放所述中心缸體上的流體靜壓；對所述兩個側缸體施加流體靜壓以在其中產生壓縮殘余應力；及 釋放所述兩個側缸體上的流體靜壓，其中所述對中心缸體施加流體靜 壓和所述對兩個側缸體施加流體靜壓是獨立^M亍的。
7、 如權利要求6所述的方法，其中，所述對兩個側缸體施加流體靜壓 包4舌同時對該兩個側釭體施加流體l爭壓。
8、 如權利要求6所述的方法，其中，施加到所述中心缸體上的流體靜 壓大于施加到所述兩個側缸體中任一個上的流體靜壓。
9、 如權利要求6所述的方法，其中，在所述對兩個側缸體施加和釋》文 流體靜壓的步驟之前執(zhí)行所述對中心缸體施加和釋放流體靜壓的步驟。
10、 如權利要求6所述的方法，其中，在所述對中心缸體施加和釋放 流體靜壓的步驟之前執(zhí)行所述對兩個側缸體施加和釋放流體靜壓的步驟。
11 、 一種用于對包括一個中心缸體和至少兩組側缸體的多缸體往復泵進行預處理的多步驟預應力處理方法，其中，該方法包括 對所述中心缸體進行預應力處理； 對所述至少兩組側缸體中的第一組進行預應力處理；及 對所述至少兩組側缸體中的第二組進行預應力處理，其中所述對中心缸體進行預應力處理和所述對至少兩組側缸體中的第 一和第二組進行預應力處理是獨立執(zhí)行的。
12、 如權利要求11所述的方法，其中，所述至少兩組側缸體中的第一 組包括緊鄰所述中心缸體的第一側設置的第 一側缸體，和緊鄰所述中心缸 體的第二側設置的第二側缸體。
13、 如權利要求12所述的方法，其中，所述至少兩組側缸體中的第二 組包括緊鄰所述第一側缸體的一側設置的第三側缸體，和緊鄰所述第二側 缸體的 一側設置的第四側缸體。
14、 如權利要求13所述的方法，其中，同時對所述第一和第二側缸體 進行預應力處理，其中同時對所述第三和第四側缸體進行預應力處理，其 中所述對第 一和第二側缸體進行預應力處理與所述對第三和第四側缸體進 行預應力處理是獨立執(zhí)行的。
15、 如權利要求11所述的方法，其中，對所述中心缸體進行預應力處 理期間施加于該中心缸體的預應力處理壓力大于對所述第一和第二組側缸 體進行預應力處理期間施加于該第 一和第二組側缸體的預應力處理壓力。
16、 如權利要求11所述的方法，其中，在所述對第一和第二組側缸體 進行預應力處理的步驟之前執(zhí)行所述對中心缸體進行預應力處理的步驟。
17、 如權利要求11所述的方法，其中，所述多缸體往復泵為五缸泵。
18、 如權利要求11所述的方法，其中，所述多缸體往復泵為七缸泵。
19、 一種用于對包括至少三個流體端缸體的多缸體往復泵流體端進行 預處理的多步驟預應力處理方法，該方法包括同時對所有所述至少三個流體端缸體進行預應力處理；及對所述至少三個流體端缸體中的中心缸體進行預應力處理，其中所述 對所有至少三個流體端缸體進行預應力處理與所述對中心缸體進行預應力 處理是獨立執(zhí)行的。
20、 如權利要求19所述的方法，其中，對所述中心缸體進行預應力處 理期間施加于該中心缸體的預應力處理壓力大于對所有所述至少三個流體 端缸體進行預應力處理期間施加于該所有至少三個流體端缸體的預應力處 理壓力。
21、 如權利要求19所述的方法，其中，所述多缸體往復泵為三缸泵， 以致所述至少三個流體端缸體包括三個缸體。
22、 如;f又利要求19所述的方法，其中，所述多缸體往復泵為五缸泵， 以致所述至少三個流體端缸體包括五個缸體。
23、 如權利要求19所述的方法，其中，所述多缸體往復泵為七缸泵， 以致所述至少三個流體端缸體包括七個缸體。
24、 一種用于對包括至少三個流體端缸體的多缸體往復泵流體端進行 預處理的多步驟預應力處理方法，該方法包括同時對所有所述至少三個流體端缸體施加第 一 流體靜壓以在其上產生壓縮殘余應力；釋放所有所述至少三個流體端缸體上的流體靜壓；對所有所述至少三個流體端缸體中的中心缸體施加第二流體靜壓以在 其上產生壓縮殘余應力；及釋放所述中心缸體上的流體靜壓，其中所述施加第 一流體靜壓的步驟 與所述施加第二流體靜壓的步驟是獨立執(zhí)行的。
25、 如權利要求24所述的方法，其中，所述第二流體靜壓大于所述第 一流體靜壓。
26、 如權利要求24所述的方法，其中，所述多缸體往復泵為三缸泵， 以致所述至少三個流體端缸體包括三個缸體。
27、 如權利要求24所述的方法，其中，所述多缸體往復泵為五缸泵， 以致所述至少三個流體端缸體包括五個缸體。
28、 如權利要求24所述的方法，其中，所述多缸體往復泵為七缸泵， 以致所述至少三個流體端缸體包括七個缸體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于對具有一個中心缸體和至少兩個側缸體的多缸體往復泵流體端進行預處理的多步驟預應力處理方法，該方法包括對中心缸體進行預應力處理；以及對至少兩個側缸體進行預應力處理，其中對中心缸體進行預應力處理和對至少兩個側缸體進行預應力處理是獨立執(zhí)行的。采用本發(fā)明可延長多缸體往復泵流體端的使用壽命。
文檔編號C21D7/04GK101126118SQ20071014640
公開日2008年2月20日 申請日期2007年6月25日 優(yōu)先權日2006年6月23日
發(fā)明者喬·休本施密特, 內森·圣米歇爾, 帕薩·甘格利, 杰赫·帕本, 羅德·沙姆派因 申請人:普拉德研究及發(fā)展公司