壓裂泵柱塞密封副優化技術的發展與展望

王國榮 廖代勝 何 霞 鐘 林 李夢媛 魏 剛

1. 西南石油大學機電工程學院 2. 西南石油大學能源裝備研究院

0 引言

目前，壓裂技術已被證實是提高油氣采收率的成熟工藝技術[1-2]，尤其在非常規油氣資源（如頁巖氣[3]等）的規?；_采中發揮了重要的作用。而壓裂泵作為壓裂作業中不可或缺的組成部分，由于其長期泵送腐蝕性的酸性介質并處于高壓、循環載荷作用下，工作環境十分惡劣[4]，壓裂泵液力端部件失效事故頻發。其中，柱塞密封副在交變載荷、往復摩擦及高壓、酸性壓裂液的共同作用下，成為最易發生失效的組件之一，密封失效將導致壓裂液泄漏并竄入壓裂泵動力端損壞其他組件，進而降低壓裂泵的使用壽命，影響壓裂酸化作業的正常實施。因此，提高壓裂泵柱塞密封副的使用壽命是改善壓裂泵設備可靠性和穩定性的關鍵，為提高我國壓裂技術水平，從而實現非常規油氣資源的規模、效益開采提供有力的技術支撐。

針對目前存在的問題，通過總結壓裂泵柱塞密封副的研究現狀，探討將摩擦學、材料學、潤滑理論及制造工藝學等領域的新技術、新方法引入壓裂泵柱塞密封副優化研究中的可行性，以期能找到新的思路和方法來進一步優化、改進我國現有的壓裂泵柱塞密封副。

1 柱塞密封系統密封機理及失效的研究現狀

從實際使用情況來看，壓裂泵液力端部件失效事故頻發，主要表現為泵閥沖蝕磨損、閥箱疲勞斷裂以及柱塞的密封失效等，如圖1所示。

壓裂泵液力端結構如圖2所示，其中柱塞密封系統由柱塞、密封后壓帽、密封環、注油孔、泵頭體、支撐環、密封橡膠、壓環和前支撐環組成。在壓裂作業過程中，壓裂泵動力端的曲柄—滑塊機構推動液力端的柱塞作往復運動，以實現液力端腔室體積和壓強的周期性變化，進而通過抽吸作用循環吸入和泵出壓裂液以完成壓裂液的增壓過程。

1.1 柱塞密封系統密封機理

圖1 壓裂泵液力端組件失效示意圖

圖2 壓裂泵液力端半剖結構示意圖（參見本文參考文獻[4]）

壓裂泵中的柱塞密封系統是一種典型的往復密封系統。往復密封的研究起源于早期的活塞密封，其密封原理是依靠密封圈與往復運動金屬件間的過盈配合以及密封介質壓力的作用，使密封圈唇部緊貼往復運動金屬件表面，當介質壓力增大時，密封圈唇部與金屬件表面間的接觸壓力也增大，從而產生自封效果。Gronau[5]早在1935年便開始了往復密封技術的研究工作，隨后，White和Denny[6]分別利用不同形狀的塑性密封件進行試驗，探究密封壓力、往復運動速度、溫度、材料性能、密封結構等因素對密封組件接觸壓力、摩擦磨損、泄漏量、油膜形成與破裂的影響，奠定了往復密封技術的理論研究基礎。19世紀50年代末，Dowson和Higginson[7]通過數值理論計算和實驗研究提出了彈性流體動力潤滑理論，并利用該理論解釋了活塞桿密封泄漏的原因。隨著對密封理論研究的深入，業內逐漸將密封接觸壓力、往復運動速度、泄漏量、摩擦力以及潤滑油膜厚度視為往復密封的主要影響因素并通過理論和實驗研究揭示其影響規律和作用機理[8-11]。相比于國外，國內的往復密封技術研究起步較晚，對柱塞泵等涉及往復密封的設備的研制始于20世紀80年代，而研究方法、內容也與國外相似，主要通過計算機建模進行理論分析和開展實驗來進行往復密封機理[12-13]、密封性能的影響因素[14-15]、密封壽命與可靠性[16-17]等方面的研究。

目前國內的往復密封研究體系已日趨完善，并且在液壓傳動、水射流切割、水力壓裂作業等方面都有廣泛應用，但與國外相比還有較大差距，相關的密封件也較依賴進口。同時，往復密封本身也存在矛盾，在防止泄漏、保證密封壓力的情況下，密封界面需要很大的接觸應力，必然會使往復運動摩擦增大，這與降低摩擦磨損的要求相矛盾，因此，不論是國內還是國外，在取得較高密封壓力的前提下，密封組件壽命較短的問題仍然比較突出。近年來，隨著鉆井深度和壓裂作業力度的增加，壓裂泵的工作壓力和排量不斷增大（部分地區壓裂泵的工作壓力已超過100 MPa[18]），柱塞密封系統失效的事故頻發。因此，盡可能開展全面的、能準確模擬復雜、惡劣工況下的往復密封試驗，解決在較高密封壓力、往復運動速度下，密封組件的快速磨損、提前失效等難題一直以來都是往復密封技術研究的主要內容。

1.2 柱塞密封系統失效的研究現狀

往復密封的失效通常受工作環境、往復密封結構、材料、密封圈形式以及設備安裝等因素的影響[19]。就壓裂泵柱塞密封系統而言，其實際工況相當復雜和惡劣，已有研究表明，壓裂泵柱塞橡膠密封副的接觸壓力是工作介質壓力的1.23倍[20]，實際工況下接觸壓力可能達上百兆帕，在如此高的接觸壓力作用下，柱塞與密封橡膠不間斷的往復摩擦運動會產生大量的熱和壓力脈動，加上長期泵送的酸性壓裂液，這就需要密封組件擁有良好的耐熱、耐腐、耐磨、耐疲勞等性能；另一方面，柱塞密封橡膠導熱性和結構透熱性差引起的密封圈燒傷[21]、柱塞自重及由于其安裝偏心造成的偏磨[22]以及壓裂液中的硬質小顆粒隨柱塞的往復運動進入密封界面，進而刮擦密封組件造成的磨粒磨損[23]等均會導致柱塞密封系統的提前失效。本文參考文獻[22]統計了某河南鉆井隊所用8臺700型壓裂車更換的150根壓裂泵柱塞失效的模式、頻數及頻率，如表1所示，柱塞的主要失效形式為柱塞表面的摩擦磨損，過度的磨損會產生密封間隙，進而使得密封失效，壓裂液發生泄漏。

解決柱塞密封系統快速失效的問題，是提高壓裂設備性能的關鍵。針對密封橡膠的老化和疲勞磨損失效，朱維兵等[24]、黃志強等[25]通過改變V型密封圈的唇部張角、背部倒角、密封組合數量、密封圈壓縮量及材料來綜合提高密封結構的耐磨性、透熱性和流體動壓效應。杜堅和劉旭[26]建立了柱塞密封系統的二維軸對稱模型，仿真分析了密封圈個數、密封圈過盈量及軸向預緊力對密封性能和密封橡膠Von Mises應力的影響。Avanzini和Donzella[27]基于有限元方法建立了超高壓往復密封件在循環應力作用下的疲勞磨損失效壽命預測模型，探究延緩密封件疲勞磨損失效的方法。對于柱塞類往復運動金屬件表面的摩擦磨損，Zhuk[28]、葉曉琰等[29]分別通過對其表面噴涂納米結構硬涂層、鍍鉻、熱噴涂陶瓷和噴涂鎳基來改善其耐磨性能。汝紹峰等[30]設計了一種表面具有凹槽結構的柱塞并開展柱塞—橡膠動密封有限元理論分析和凹槽參數優化試驗，結果表明，凹槽結構可以提高柱塞—橡膠密封副的密封壓力，降低柱塞表面磨損。此外，Yang和Salant[31]通過建立的U型往復式液壓密封件軟彈流潤滑理論模型計算發現，當表面粗糙度和活塞桿行程確定時，存在一個取決于密封壓力和粗糙度的活塞桿臨界速度，高于該速度，則不會發生密封泄漏。Goharrizi和Sepehri[32-33]利用離散小波變換對往復密封壓力信號進行分解，通過信號解析實時監測由密封失效導致的密封泄漏問題，以期在密封失效發生初期便能被及時發現，以避免更大的經濟損失。

表1 柱塞失效模式頻數統計表

綜上所述，研究人員從結構改進、材料更換、表面涂層噴涂以及計算機仿真分析等方面來改進柱塞密封系統，并取得了一定的效果。但隨著近年來油氣勘探從常規油氣藏走向非常規油氣藏[34]，從中、淺海向深海轉移[35]，對壓裂設備的性能提出了更高的要求，迫切需要對壓裂設備進行進一步的優化和改善。

2 柱塞密封副優化新技術

針對壓裂設備亟待提高的迫切需求以及當前壓裂泵柱塞密封系統的主要失效形式，可以借鑒摩擦學和材料學等相關領域所運用的較為前沿的抗磨減摩技術，如：表面織構技術、材料改性技術以及表面復合涂層技術等。目前，已有少量研究人員在進行嘗試性的工作，若能成功地將這幾種方法引入壓裂泵柱塞密封系統中，并協同起來形成復合優化技術，必將極大提高柱塞密封系統的密封和摩擦學性能。

2.1 表面織構化柱塞

表面織構技術即是通過一定的加工方法在摩擦副表面加工一定尺寸、形狀的微結構陣列（圖3）。其作用機理在于利用這種微結構陣列在不同潤滑條件下所具有的容納磨屑[36]、存儲潤滑介質[37]以及產生流體動壓潤滑[38]的特性來改善摩擦副表面的摩擦磨損。作為摩擦學的一個重要分支，表面織構在近20年迎來了研究熱潮，并且在滑動軸承[39]、汽車發動機缸套[40]、機械密封[41]、切削刀具[42]以及計算機硬盤[43]等領域都有實際應用并取得了不錯的效果。表面織構在機械密封上的成功運用給予了筆者啟迪，是否也能將其用于往復密封中呢？為此，國內部分研究人員近幾年開始嘗試將表面織構技術引入壓裂泵柱塞密封系統中，即通過在柱塞表面加工一定尺寸、形狀的表面織構，利用其產生流體動壓潤滑效應的特性來提高潤滑油膜承載力，減小柱塞和密封橡膠之間的摩擦磨損。本文參考文獻[44-46]分別利用激光加工技術、精密雕刻技術以及納秒燒灼技術在柱塞表面加工不同大小及面積占比的圓柱形、橢圓柱形、方柱形、矩形溝槽及其混合排布的表面織構陣列，綜合考慮加工質量、織構的形狀和參數等影響因素來進行試驗研究。結果表明，表面織構的參數及排布方式合理能夠有效降低柱塞—橡膠密封副的摩擦磨損，若表面織構的參數組合較優，密封橡膠和織構化柱塞試樣的摩擦系數、溫升及磨損量都能降低50%以上。

圖3 表面織構照片（參見本文參考文獻[36]）

由此可見，將表面織構技術引入壓裂泵柱塞密封系統是可行的，并且改善的效果還相當可觀。但目前針對壓裂泵工況下的表面織構設計理論還相當缺乏，無論是理論仿真研究還是織構化柱塞試驗都難以全面、準確地模擬實際工況，并且常規的摩擦磨損試驗機難以滿足實際工況下壓裂泵上百兆帕的壓力加載要求，表面織構對密封泄漏的影響也無法通過摩擦磨損試驗機來測試。后續研究應該搭建全尺寸織構化柱塞密封系統的試驗臺架，以接近實際工況的試驗條件來模擬壓裂泵的工作狀態，切實反映表面織構對密封壓力、密封泄漏量、柱塞和密封橡膠的磨損量及溫升等方面的影響，在此基礎上，設計加工較優形狀、尺度參數的表面織構，并將其應用到實際的壓裂作業中，依據實際使用情況來指導下一步研究工作。

2.2 密封橡膠材料改性

壓裂泵柱塞密封系統所用的密封橡膠大都為丁腈橡膠（以下簡稱為NBR）。NBR因其較好的耐油性、耐磨性、阻燃性、氣密性以及優良的機械性能而被廣泛應用于汽車工業、石油化工、石油鉆探、軍事后勤裝備等領域[47]，但其導熱性、耐老化性及耐疲勞性則不夠理想[48]。在實際壓裂作業中，密封橡膠因長時間與壓裂泵柱塞作頻繁的往復摩擦運動而極易發生老化和疲勞磨損，致使密封失效，因此，需要通過材料改性來優化NBR性能。

目前，對NBR進行改性的方法主要包括表面處理和加入填料[49]。表面處理一般是在NBR表面沉積聚四氟乙烯（以下簡稱為PTFE）、類金剛石碳（簡稱為DLC）等具有優良摩擦性能的涂層或是使用可與NBR發生化學反應的物質來對其表面進行化學改性，以增強NBR的耐磨性能。本文參考文獻[50]利用非平衡磁控濺射技術在氫化丁腈橡膠（以下簡稱為HNBR）表面沉積含鎢類金剛石碳（簡稱為W-DLC）涂層，并通過干摩擦試驗發現，與未沉積涂層的HNBR相比，其摩擦系數降低80%左右，本文參考文獻[51]通過油潤滑條件下的摩擦試驗發現，經過射頻氬等離子體而表面改性的NBR試樣，其摩擦系數保持穩定并降低了50%。加入填料進行改性則是通過某種加工方法將NBR和其它橡膠、樹脂、纖維等共混或者在NBR基質中加入固體潤滑劑如PTFE、石墨烯及二氧化鉬等。上述兩種方式皆是形成復合材料，通過實現各原材料的優勢互補以提高NBR的材料性能。Li等[52-53]分別利用分子動力學模擬和溶液共混將碳納米管（簡稱為CNT）和氧化石墨烯（以下簡稱為GO）加入到NBR基質中制成復合材料，研究表明，相比于純的NBR，復合材料的摩擦系數和磨損量都顯著降低，當復合材料配方中GO的質量份為0.5份時，復合材料的磨損量可降低70%左右。王修行等[54]通過混煉工藝和雙輥開煉機的壓延效應制備了不同纖維取向和含量的碳纖維/NBR復合材料，并通過試驗測量了復合材料的拉伸性能、表面硬度及摩擦系數等，研究表明碳纖維的引入使得復合材料摩擦系數降低、硬度提高。本文參考文獻[55-57]分別將膨脹石墨（簡稱為EG）、聚氯乙烯（簡稱為PVC）以及經過十六烷基三甲基溴化銨（簡稱為CTAB）改性后的二氧化鉬復合材料混入NBR基質中，結果都顯示出復合材料的耐磨性及耐老化性都得到了不同程度的改善。

可以看出，材料改性是提高NBR綜合性能的有效方法，本文參考文獻[21]也嘗試將由聚氨酯橡膠和經過青銅粉改性后的聚四氟乙烯共混形成的橡膠復合材料作為壓裂泵柱塞密封系統密封橡膠的材料，通過在西南、長慶等油氣田的使用發現，密封圈壽命增長了2倍。因此，可以考慮將改性橡膠復合材料應用于壓裂泵柱塞密封副中，而目前鮮有壓裂泵柱塞密封副采用改性的橡膠復合材料。一方面是考慮成本問題；另一方面是針對壓裂泵實際工況下橡膠材料的改性研究很少，具體效果無從得知。今后應該倡導和積極開展壓裂泵實際工況下的密封橡膠改性研究，低成本、高性能、易于產業化的改性橡膠不僅是國家未來工業密封技術發展的需要，也是影響油氣開采裝備密封技術向前發展的關鍵，在此，筆者建議使用復合橡膠材料來提高密封橡膠的壽命，若能進一步降低產品的成本，必將產生巨大的經濟效益。

2.3 復合技術改進柱塞密封系統

表面織構技術、材料改性技術、表面涂層技術等都能起到很好的減摩抗磨作用，如何將這幾種技術協同應用于油氣裝備中，實現優勢集合，是值得深入研究的。目前，已有研究表明表面織構技術和表面涂層技術具有較好的協同作用。如鮑雨梅等[58]利用DH1080型等離子噴涂設備在鈦合金——TC4板上噴涂氧化鋯/羥基磷灰石復合陶瓷涂層，并采用飛秒激光在復合涂層表面加工圓柱形、橢圓柱形表面織構，通過開展氧化鋯陶瓷銷試樣和復合陶瓷涂層塊試樣間的往復運動摩擦磨損試驗發現，帶有表面織構的涂層試樣，摩擦系數明顯小于無織構涂層試樣。Prem和Ramesh[59]采用陰極電弧物理氣相沉積系統在鈦合金表面沉積鉻和氧化鋁鈦雙層復合涂層并利用激光加工工藝在復合涂層上加工表面織構，通過劃痕測試儀進行評估，發現表面織構使得復合涂層與鈦合金基體間的結合強度提高了8%。此外，部分研究也表明，經過改性后的復合涂層，其耐磨、抗氧化、耐高溫等性能可以得到進一步的提高。如本文參考文獻[60-61]分別通過反應熔體滲透結合真空壓力浸漬和熱解將硼化鋯和碳化鋯用來對碳化硅陶瓷基復合材料（以下簡稱為CMC-SiC）進行改性，然后通過氧乙炔火焰和等離子風洞測試發現，改性后的CMC-SiC具有較好的耐高溫和抗燒蝕性能。本文參考文獻[62]則先利用復合電鍍的方法在鎳基單晶高溫合金上沉積鉑—鋯金屬化合物（Pt-Zr）復合鍍層，然后再采用氣相滲鋁的方法制備了經純鋯顆粒改性的鉑鋁合金和鎳基鉑—鋁化物雙相涂層，通過開展熱腐蝕實驗，結果表明經過鋯改性的復合涂層擁有較好的抗熱腐蝕能力。

因此，為使得材料表面的綜合性能更加優越，可以將這3種技術同時引入壓裂泵柱塞密封系統中，即密封橡膠采用改性復合材料，在柱塞表面噴涂改性復合涂層，然后在柱塞涂層表面加工表面織構，利用表面織構的流體動壓效應和容納磨屑等作用進一步減小柱塞—橡膠密封副的摩擦磨損。然而，復合技術引入壓裂泵柱塞密封系統也面臨著許多挑戰。首先，在不同工況下，表面織構、表面涂層以及橡膠復合材料的摩擦性能差異較大，需要開展大量壓裂泵實際工況下的試驗研究，以保證設計、研制或選用的表面織構參數、表面涂層以及材料等能發揮良好的作用；其次，改性復合涂層的厚度、表面光潔度必須滿足柱塞制造工藝以及精度的要求；此外，涂層與基體之間的結合強度、表面織構尺度過大引起的密封泄漏、不同潤滑介質引起的柱塞表面摩擦差異性[63]等問題也需深入考慮。因此，集結構設計、材料改性、表面織構、表面涂層、潤滑介質改良、制造工藝、加工工藝等一體的復合技術，必然是未來壓裂泵柱塞密封副優化設計必須涉及的主要研究內容。

3 結束語

經過近30年的研究，壓裂泵柱塞密封系統已取得了一定的發展，但在實際惡劣工況下的提前失效問題仍然比較突出，而隨著國家油氣資源的勘探開發進入新領域，超深、復雜油氣層對壓裂泵的功率及排量都提出了更高要求。此外，隨著國家工業的轉型升級，性能低劣的密封產品必將遭到淘汰，油氣開發重型裝備的密封理論和技術必須有所突破，而柱塞密封系統作為制約壓裂泵發展的關鍵組件，必須發散思維、開闊視野，尋找新的技術與方法來提高其壽命和密封性能。

多學科、多層次交叉是時代發展的需求，是現代科學技術發展的大勢所趨，將摩擦學、材料學、制造工藝學等領域的相關理論與技術綜合引入壓裂泵柱塞密封副的優化研究中，不僅能集各家之長，更是解決復雜難題的有效途徑。研究結果表明，表面織構、表面涂層以及材料改性均能有效改善柱塞密封系統的摩擦學性能，今后應大力支持和鼓勵開展壓裂泵工況下的相關研究，使壓裂設備的往復密封技術步入新的臺階，為實現超深、復雜油氣藏的規?；_采、提高油氣產量奠定堅實的基礎。