专利名称：用于泵的流体端的预应力处理方法
用于泵的流体端的预应力处理方法技术领域一^:而言，本发明涉及一种为了在缸体的流体端内引入残余压应力而 对多缸体往复泵的流体端进行机械预处理的预应力处理方法(autofrettage process )。
背景技术：
井下岩层的水力压裂对于诱导油流来说是一项紧急工作。通常，这是 在井下较高压力处通过真空泵油使邻近井下的泥土和岩石破裂来完成的。 然后石油可通过这些断层流到井下以显著提高井产能(well productivity)。 往复式泵、尤其是三缸泵一般用于泵送井下高压压裂液。然而，泵的流体 端反复暴露于高压下将导致流体端的缸体易受疲劳破坏的影响。于是，要 求增强多缸体往复式泵的流体端缸体的抗疲劳性。发明内容预应力处理方法可用于在多缸体往复式泵的流体端内壁中产生压缩残 余应力，这样流体端在抽运周期内所受的抗拉应力最小。在预应力处理方 法中，流体端的缸体腔暴露在高的流体静压下，这将导致流体端的内侧区 域塑性屈服，而外侧区域的变形则是弹性的。当:f又消压力时，流体端的外 侧区域弹性地复原，而产生塑性形变的内侧区域这时则处于压应力下。这 种压应力增强了流体端的抗疲劳性。本发明的目的是提供一种能提高多缸体往复泵流体端的使用寿命的预 应力处理方法。在一实施例中，本发明包括用于具有中心缸体和至少两个 侧缸体的多缸体往复泵流体端的预处理的多步骤预应力处理方法，其中， 该方法包括对中心缸体进行预应力处理；以及对至少两个侧釭体进行预应 力处理。在此方法中，对中心缸体的预应力处理和对至少两个侧缸体的预 应力处理独立进4亍。
通过结合附图参考下面的详细描述可以更好地理解本发明的这些以及其他特征和优点。附图中图1为用于本发明的预应力处理方法中的多缸体往复泵的透视图；图2为图1所示的多缸体往复泵的流体端缸体之一的横截面图；图3为本发明的预应力处理方法的一实施例的简图；图4为用于本发明的预应力处理方法中的另一多缸体往复泵的示意图；图5为本发明的预应力处理方法的另一实施例的简图；图6为本发明的预应力处理方法的又一实施例的简图。
具体实施方式
如上所述，在油井和天然气井中，多缸体往复泵常用于泵送井底高压 压裂液以增加井产能。图1示出了这样的泵10的一个实施例。在图示的实 施例中，泵10为具有三个缸体12A-12C的三缸泵，每一缸体都具有被设置 成相对于其可移动的相应活塞14A-14C。对于本文件而言，将三个缸体中 的中心缸体称为中心缸体12B,而将其余的两个缸体称为侧缸体HA， UC。 但是，正如下面进一步所论述的那样，泵10可以为具有任何合适的缸体数 量的泵，例如五个缸体的泵(五缸泵)或七个缸体的泵(七缸泵)。如下面将进一步描述的那样，在本图所示的实施例中，泵10包括两部 分，动力端16和流体端18。动力端16包括由电机组件(未示出)提供动 力的曲轴20，用以驱动泵的活塞14A-14C;流体端18包括缸体12A-12C， 活塞14A-14C在缸体中往复运动以吸入低压流体并排出高压流体。为简化起见，图2仅示出了往复泵的流体端的一个缸体12的横截面。 但是，图示的缸体12代表如三缸泵、五缸泵或七缸泵、及其他合适的泵之 类的多缸体往复泵中的那些缸体中的任一个。因此，下面任何关于流体端 缸体12的讨论都同样适用于图1中三缸泵10的所有三个缸体12A-12C，或 五缸泵和七缸泵中的任何一个缸体；并且下面任何关于活塞14的讨论都同 样适用于图1所示的三缸泵10的所有三个活塞14A-14C,或五缸泵和七缸 泵中的任何一个活塞。如图1所示，并如下面所讨论的那样，图示的三缸泵10中每一个流体 端缸体12A-12C都包括被设置成可相对于缸体移动的活塞14A-14C。通常， 当用于油层压裂时，每个活塞14A-14C的直径约为4.5英寸到约6.5英寸， 每个活塞14产生的压力可高达约12, 000磅/平方英寸(12千磅/平方英 寸)。如图2所示，每个缸体12包括流体腔22。各活塞14可滑动地被安装 于与其相应的缸体12内并在流体腔22中往复运动。活塞14往复运动的作 用是改变流体腔22内的流体容积。缸体12还包括如吸入阀24和排出阀26 之类的止回阀，在活塞14往复运动时这些阀门可控制流入和排出流体腔22 的流体的流动。如上面所提到的那样，通过电机驱动曲轴20旋转可使活塞14往复运 动。由流体和弹簧弹力控制吸入阀24和排出阀26的动作。例如，吸入阀 24 ^f昔助于^皮定位在吸入阀24和弹簧止挡32之间的弹簧30朝吸入阀座28 偏压，即朝关闭位置偏压。类似地，排出阀26借助于被定位在排出阀26 和弹簧止挡38之间的排出阀弹簧36朝排出阀座34偏压，即朝关闭位置偏 压。当活塞14通过密封孔(packing bore ) 40向外运动(朝图2中的左侧) 时，在流体腔22中产生压力降。该压力降导致吸入阀24抵消弹簧30的偏 压而运动到开启位置，并使流体通过吸入管25流过吸入阀24而流入流体 腔22。可将活塞14运动的这一阶段称之为"吸入沖程"。当活塞14通过密封孔40向相反的方向运动(朝图2中的右侧)时， 弹簧30使得吸入阀24关闭，流体腔22中的压力升高。压力升高导致排出 阀26开启并迫使流体,人流体腔22通过排出阀26向外流而流出排出管35。 在活塞14持续向流体腔22中的流体施压(通常约2千磅/平方英寸至约 12千磅/平方英寸)的同时排出阀26保持开启。众所周知，活塞14运动 且其中流体通过排出阀26排出的这一高压阶段被称为"排出沖程"。设定泵送频率为2赫兹(即每秒两次压力循环)，在较短的运行寿命内 流体端18经受非常多次数的应力循环。这些应力循环将导致流体端18的 疲劳损坏。疲劳包括在周期应力下部件的自由表面上小裂紋初现的损坏过 程。裂紋以循环应力和材料属性所确定的速率增大，直到裂紋大到足以证 明该部件受损为止。因为疲劳裂紋通常起始于表面，所以阻遏这种破坏机 理的策略是在压缩状态下对该表面施加预应力。这可以通过预应力处理方法来完成，所述预应力法处理包括为了在其
内部自由表面(即暴露于流体端缸体12内的压裂液下的表面)处引入残余 压应力对流体端18进行机械预处理。在预应力处理期间，流体端缸体12 处于高流体静压下。在预应力处理期间的压力引起流体端缸体12壁面内部 区域的塑性屈服。因为应力级沿壁厚衰减，因此壁的外部区域的变形仍然 是弹性的。撤除流体静压被时，壁的外部区域就趋向于回复到它们的原始 结构状态。但是，同一壁的内侧区域的塑性形变限制了这种变形。结果，流体端 缸体12的壁的内侧区域继续承载残余压应力。这种压应力增强了流体端的 抗疲劳性。预应力处理方法的效果取决于内壁面的残余应力范围和它们的量级。预应力处理方法包括作用于多缸体泵的每一缸体的单一流体静压步 骤，也就是说，在三缸泵的情况下，所有的三个缸体同时发生变形。压力 取决于泵的尺寸，例如在活塞直径为5.5英寸的多缸体往复泵内，可采用约 55千磅/平方英寸的预应力压力。然而，计算机模型显示出这种单一步骤的预应力处理方法并不是最佳的，它在流体端的中心缸体内产生较小的残余压应力。其原因是，由于中 心缸体的形变被多缸体泵的侧缸体的共同形变约束，因此在预应力处理期 间中心缸体内产生较小的塑性应变，随后产生小的残余压应力。结果，中 心缸体内的抗拉应力可能较高，致使流体端18的运行寿命较短。在一实施例中，上面所述的多缸体泵10的流体端18的预应力处理方 法包括两步骤方法，在其中的一步中，对中心缸体UB与其余缸体UA， 12C分开地进行预应力处理，而在另一步中，或者对其余缸体12A， 12C或 者对所有缸体12A-12C同时进行预应力处理。计算机模型显示这种两步骤 方法可改善流体端18的残余应力分配，从而导致流体端18的使用寿命延 长。图3示出了用于对具有至少三个缸体(在图1所示的三缸泵10的情况 中为缸体12A-12C )的多缸体往复泵10的流体端18进行预处理的多步骤预 应力处理方法300。下面对结合使用图1所示的泵10的图3所示方法进行 叙述。在一个实施例中，预应力处理方法300包括第一步骤310，该步骤包 括对中心缸体12B与其余缸体、在本情况中为侧缸体12A, 12C分开地进 行预应力处理。步骤310包括只在中心缸体12B上施加流体静压然后释放
该静压。在一个实施例中，该流体静压可以处于约55千磅/平方英寸到约 65千磅/平方英寸的范围内。第二步骤320包括同时对其余的缸体进行预应力处理，在本情况中为 同时对侧缸体12A， 12C进行预应力处理，但不对中心缸体12B进行预应 力处理。该步骤320包括仅对侧缸体12A, 12C施加流体静压然后释放该流 体静压。在一个实施例中，此流体静压可以处于约55千磅/平方英寸到约 65千磅/平方英寸的范围内。在一个实施例中，上述步骤的顺序即步骤310和320可以颠倒，也就 是说，可以先实施对侧缸体12A, 12C进行预应力处理的步骤320;其次实 施对中心缸体12B进行预应力处理的步骤310。在任一种步骤顺序中，对中 心缸体12B的预应力处理压力可以高于对侧缸体12A, 12C的预应力处理 压力。尽管前面给出了示例性的预应力处理压力，仍可以采用其他合适的 压力，即使这些压力超出了上述范围。在一个实施例中，从适当的计算机 模型中可确定出最优的预应力处理压力，它考虑到了流体端材料的机械性 能、预应力处理方法的压力、预应力处理压力施加在流体端上的面积、其 他因素之一。通过相应地增加预应力处理步骤的数量，可将多步骤预应力处理方法 运用到三缸泵或具有多于三个缸体的泵上。例如，图4示意地示出了具有 五个缸体412A-412E的五缸泵的流体端418。图5所示的多步骤预应力处理 方法500示出了对于这种泵的预应力处理步骤的一个实施例。如图所示，在一个实施例中，第一步骤510包括对中心缸体4UC与其 余的缸体分开地进行预应力处理。在这种情况中，其余的缸体包括紧邻中 心缸体412C的第一组侧釭体412B， 412D以及与中心缸体412C相隔一个 缸体的第二组侧缸体412A， 412E。步骤510包括仅向中心缸体4UC施加 流体静压然后撤销该流体静压。在一个实施例中，该流体静压可处于约55 千磅/平方英寸到约65千磅/平方英寸的范围内。第二步骤520包括对第一组侧缸体412B， 412D同时进行预应力处理， 而不对中心缸体412C和第二组侧缸体412A, 412E进行预应力处理。该步 骤520包括仅向第一组侧缸体412B， 412D同时施加流体静压然后撤销该流 体静压。在一个实施例中，所述流体静压可处于约55千磅/平方英寸到约 65千磅/平方英寸的范围内。 第三步530包括对第二组侧缸体412A, 412E同时进行预应力处理，而 不对中心缸体412C和第一组侧缸体412B, 412D进行预应力处理。该步骤 530包括同时向第二组侧缸体412A, 412E施加流体静压然后撤销该流体静 压。在一个实施例中，所述流体静压可处于约55千磅/平方英寸到约65 千磅/平方英寸的范围内。对于乂人中心缸体412C再新增的每一组侧缸体可用增加预应力处理步骤 来实现。在一个实施例中，上述步骤510， 520和530可以颠倒和/或以任 意顺序实施。尽管前面给出了示例性的预应力处理压力，仍可以采用其他 合适的压力，即使这些压力超出了上述范围。如上所述，在一个实施例中， 可以从适当的计算机模型中确定出最优的预应力处理压力。图6示出了用于对具有至少三个流体端缸体的多缸体往复泵的流体端 18进行预处理的多步骤预应力处理方法600。如图所示，在一个实施例中， 第一步骤610包括同时对流体端的所有缸体进行预应力处理(例如，图1 所示的三缸泵的所有缸体12A-12C，或图4所示的五缸泵的所有缸体 412A-412E)。该步骤610包括同时向所有釭体施加流体静压然后撤销该流 体静压。在一个实施例中，所述流体静压可处于约55千磅/平方英寸到约 65千磅/平方英寸的范围内。第二步骤620包括仅对中心缸体进行预应力处理(例如，图1所示的 三缸泵的中心缸体12B,或图4所示的五缸泵的中心缸体4UC)。该步骤 620包括仅向中心缸体施加流体静压然后撤销该流体静压。在一个实施例 中，该流体静压可处于约55千磅/平方英寸到约65千磅/平方英寸的范 围内。尽管前面给出了示例性的预应力处理压力，仍可以采用其他合适的 压力，即使这些压力超出上述范围。如上所述，在一个实施例中，可以从 适当的计算机模型中确定出最优的预应力处理压力。与单一步骤过程相比，上面所描述的多步骤预应力处理方法300， 500和600中的每一方法都可使经预处理的泵获得改善的残余应力分配，并且 处于残余压应力条件下的中心缸体内的面积较大。这使得泵送期间流体端 所经受的抗拉应力最小并可延长流体端运行使用寿命。应注意的是，虽然 以上的讨论主要集中于将多步骤预应力处理方法用于对油层压裂应用中的 多缸体泵进行预处理，但也可将这种预处理泵用于任何其它合适的场合。 例如，在油井工业中示例性的运用包括盘管应用、水泥应用、其他合适的 应用之一。以上的描述是结合本发明的优选实施例进行的。本领域技术人员应当 意识到，在不超出本发明的构思和范围的前提下，可对所描述的结构和操 作方法作出改型和变换。因此，不应认为以上的描述仅适于附图中所说明 和图示的确定结构，而应将以上的描述理解成与最完整且最清楚地记载了 保护范围的所附权利要求相吻合并用于支持这些权利要求。
权利要求
1、一种用于对包括一个中心缸体和两个侧缸体的三缸泵流体端进行预处理的多步骤预应力处理方法，其中，该方法包括对所述中心缸体进行预应力处理；及对所述两个侧缸体进行预应力处理，其中所述对中心缸体进行预应力处理和所述对两个侧缸体进行预应力处理是独立执行的。
2、 如权利要求l所述的方法，其中，所述对两个侧缸体进行预应力处 理包括同时对该两个侧缸体进行预应力处理。
3、 如权利要求l所述的方法，其中，对所述中心缸体进行预应力处理力处理期间施加于该两个侧缸体的预应力处理压力。
4、 如权利要求l所述的方法，其中，在所述对两个侧缸体进行预应力 处理的步骤之前执行所述对中心缸体进行预应力处理的步骤。
5、 如权利要求l所述的方法，其中，在所述对中心缸体进行预应力处 理的步骤之前执行所述对两个侧缸体进行预应力处理的步骤。
6、 一种用于对包括一个中心缸体和两个侧缸体的三缸泵流体端进行预 处理的多步骤处理方法，其中，该方法包括对所述中心缸体施加流体静压以在其中产生压缩残余应力； 释放所述中心缸体上的流体静压；对所述两个侧缸体施加流体静压以在其中产生压缩残余应力；及 释放所述两个侧缸体上的流体静压，其中所述对中心缸体施加流体静 压和所述对两个侧缸体施加流体静压是独立^M亍的。
7、 如权利要求6所述的方法，其中，所述对两个侧缸体施加流体静压 包4舌同时对该两个侧釭体施加流体l争压。
8、 如权利要求6所述的方法，其中，施加到所述中心缸体上的流体静 压大于施加到所述两个侧缸体中任一个上的流体静压。
9、 如权利要求6所述的方法，其中，在所述对两个侧缸体施加和释》文 流体静压的步骤之前执行所述对中心缸体施加和释放流体静压的步骤。
10、 如权利要求6所述的方法，其中，在所述对中心缸体施加和释放 流体静压的步骤之前执行所述对两个侧缸体施加和释放流体静压的步骤。
11 、 一种用于对包括一个中心缸体和至少两组侧缸体的多缸体往复泵进行预处理的多步骤预应力处理方法，其中，该方法包括 对所述中心缸体进行预应力处理； 对所述至少两组侧缸体中的第一组进行预应力处理；及 对所述至少两组侧缸体中的第二组进行预应力处理，其中所述对中心缸体进行预应力处理和所述对至少两组侧缸体中的第 一和第二组进行预应力处理是独立执行的。
12、 如权利要求11所述的方法，其中，所述至少两组侧缸体中的第一 组包括紧邻所述中心缸体的第一侧设置的第 一侧缸体，和紧邻所述中心缸 体的第二侧设置的第二侧缸体。
13、 如权利要求12所述的方法，其中，所述至少两组侧缸体中的第二 组包括紧邻所述第一侧缸体的一侧设置的第三侧缸体，和紧邻所述第二侧 缸体的 一侧设置的第四侧缸体。
14、 如权利要求13所述的方法，其中，同时对所述第一和第二侧缸体 进行预应力处理，其中同时对所述第三和第四侧缸体进行预应力处理，其 中所述对第 一和第二侧缸体进行预应力处理与所述对第三和第四侧缸体进 行预应力处理是独立执行的。
15、 如权利要求11所述的方法，其中，对所述中心缸体进行预应力处 理期间施加于该中心缸体的预应力处理压力大于对所述第一和第二组侧缸 体进行预应力处理期间施加于该第 一和第二组侧缸体的预应力处理压力。
16、 如权利要求11所述的方法，其中，在所述对第一和第二组侧缸体 进行预应力处理的步骤之前执行所述对中心缸体进行预应力处理的步骤。
17、 如权利要求11所述的方法，其中，所述多缸体往复泵为五缸泵。
18、 如权利要求11所述的方法，其中，所述多缸体往复泵为七缸泵。
19、 一种用于对包括至少三个流体端缸体的多缸体往复泵流体端进行 预处理的多步骤预应力处理方法，该方法包括同时对所有所述至少三个流体端缸体进行预应力处理；及对所述至少三个流体端缸体中的中心缸体进行预应力处理，其中所述 对所有至少三个流体端缸体进行预应力处理与所述对中心缸体进行预应力 处理是独立执行的。
20、 如权利要求19所述的方法，其中，对所述中心缸体进行预应力处 理期间施加于该中心缸体的预应力处理压力大于对所有所述至少三个流体 端缸体进行预应力处理期间施加于该所有至少三个流体端缸体的预应力处 理压力。
21、 如权利要求19所述的方法，其中，所述多缸体往复泵为三缸泵， 以致所述至少三个流体端缸体包括三个缸体。
22、 如;f又利要求19所述的方法，其中，所述多缸体往复泵为五缸泵， 以致所述至少三个流体端缸体包括五个缸体。
23、 如权利要求19所述的方法，其中，所述多缸体往复泵为七缸泵， 以致所述至少三个流体端缸体包括七个缸体。
24、 一种用于对包括至少三个流体端缸体的多缸体往复泵流体端进行 预处理的多步骤预应力处理方法，该方法包括同时对所有所述至少三个流体端缸体施加第 一 流体静压以在其上产生压缩残余应力；释放所有所述至少三个流体端缸体上的流体静压；对所有所述至少三个流体端缸体中的中心缸体施加第二流体静压以在 其上产生压缩残余应力；及释放所述中心缸体上的流体静压，其中所述施加第 一流体静压的步骤 与所述施加第二流体静压的步骤是独立执行的。
25、 如权利要求24所述的方法，其中，所述第二流体静压大于所述第 一流体静压。
26、 如权利要求24所述的方法，其中，所述多缸体往复泵为三缸泵， 以致所述至少三个流体端缸体包括三个缸体。
27、 如权利要求24所述的方法，其中，所述多缸体往复泵为五缸泵， 以致所述至少三个流体端缸体包括五个缸体。
28、 如权利要求24所述的方法，其中，所述多缸体往复泵为七缸泵， 以致所述至少三个流体端缸体包括七个缸体。
全文摘要
本发明提供了一种用于对具有一个中心缸体和至少两个侧缸体的多缸体往复泵流体端进行预处理的多步骤预应力处理方法，该方法包括对中心缸体进行预应力处理；以及对至少两个侧缸体进行预应力处理，其中对中心缸体进行预应力处理和对至少两个侧缸体进行预应力处理是独立执行的。采用本发明可延长多缸体往复泵流体端的使用寿命。
文档编号C21D7/04GK101126118SQ20071014640
公开日2008年2月20日 申请日期2007年6月25日 优先权日2006年6月23日
发明者乔·休本施密特, 内森·圣米歇尔, 帕萨·甘格利, 杰赫·帕本, 罗德·沙姆派因 申请人:普拉德研究及发展公司