一种双级压差式钻井泵活塞总成的制作方法

1.本实用新型属于活塞式往复泵技术领域，具体涉及一种双级压差式钻井泵活塞总成。


背景技术：

2.现有的钻井泵活塞总成广泛采用了单个皮碗的单级密封结构，但工作寿命短，一般只有 200多小时。在钻井现场更换活塞密封皮碗工作量大，耗时长，对钻井速度有较大的影响。许多研究者提出了延长皮碗工作寿命的方法，如：cn206555084u提出改变密封皮碗的结构形状、cn205955975u提出改变皮碗结构和增加缓冲板等、cn204061151u提出改变皮碗的结构尺寸以减小皮碗与缸套的摩擦力、cn103032305b把皮碗的密封唇口设计成锯齿形结构、cn102691654b 在与缸套接触部位开设凹坑，cn101680441b提出了一种具有压力补偿作用的环状结构本体的活塞。
3.cn103089604a公开了一种可以实现三次密封的串联双皮碗的泥浆泵活塞总成，其在前部一次密封失效后，通过增加硬垫板补偿前部活塞密封磨损量实现二次密封，当前部活塞密封完全失效，通过调整后部活塞芯后端的螺钉使后部活塞皮碗膨胀，实现活塞的第三次密封。无论第几次密封，活塞皮碗都是单级密封，其延长活塞总成工作寿命的方法是一种不拆卸失效活塞皮碗的就实现新密封副工作的方法，皮碗的密封还是单级密封结构。
4.活塞密封的压力是密封皮碗与缸套间摩擦力的主要影响因素，现有的技术都未从考虑这一因素。针对现有技术的缺点，本实用新型特提出了一种双级等压差密封的钻井泵活塞总成。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于：提供一种能克服现有钻井泵活塞密封寿命短的双级压差式密封的钻井泵活塞总成。
6.本实用新型采用的技术方案如下：
7.一种双级压差式密封的钻井泵活塞总成，包括注油堵头、缸套、低压活塞组件、高压活塞组件、锁紧螺母、柱塞套、压差柱塞、压差柱塞小端密封圈、柱塞套密封圈、高压活塞芯密封圈、压差柱塞大端密封圈、低压活塞芯密封圈、活塞杆。
8.所述低压活塞组件包括空气排放堵头、工艺堵头、低压活塞芯、低压皮碗、低压皮碗压板和定位销。
9.所述低压活塞芯上与缸套接触部分，沿半径方向钻小孔，从低压活塞芯小端圆环面沿轴加工形成轴向小孔，并与半径方向小孔相通，在低压活塞芯大端面沿轴向开设螺孔并与半径方向小孔连通，工艺堵头装入半径方向的小孔并与低压活塞芯焊接为一体，空气排放堵头安装在低压活塞芯大端面的轴向螺孔中，在低压活塞芯小端环面与前述轴向小孔成90
°
的位置开设定位销孔。
10.所述低压皮碗安装在低压活塞芯上，且低压皮碗的密封唇口面向低压活塞芯小端
一侧，低压皮碗压板安装在低压活塞芯的小端，其外侧锥面与低压皮碗接触，并将定位销装入低压活塞芯小端环面的定位销孔中。
11.所述高压活塞组件包括高压活塞芯、高压皮碗、高压皮碗压板和卡簧。
12.所述高压活塞芯与缸套接触部分，沿半径方向钻小孔，高压活塞芯与低压活塞芯接触的圆环端面上钻轴向小孔，并与半径方向小孔相通；高压活塞芯与低压活塞芯接触的圆环端面上与半径方向小孔呈180
°
方向开设一径向槽；高压活塞芯与低压活塞芯接触的圆环端面上与半径方向小孔呈90
°
方向开设一定位销孔，确保装配时高压活塞芯与低压活塞芯接触的圆环端面上的轴向小孔能够对正；高压活塞芯的内孔中段开设环形槽，并在其与低压活塞芯接触的圆环端面的径向槽的方向开设轴向凹槽，使环形槽和径向槽连通。
13.所述高压皮碗安装在高压活塞芯上，且高压皮碗的密封唇口面向高压活塞芯小端一侧，高压皮碗压板安装在高压活塞芯的小端，其外侧锥面与高压皮碗接触，卡簧安装在高压活塞芯的小端的环形凹槽中。
14.所述活塞杆大端靠近低压活塞芯的轴段上，沿半径方向钻径向孔，径向孔的外侧部分加工螺孔，用于装配注油堵头；从活塞杆装入低压活塞组件和高压活塞组件的一端，沿活塞杆的轴心线方向钻轴向长孔，并与前述径向孔连通；在活塞杆与高压活塞组件配合的轴段上与前述径向孔呈180
°
的圆周方向上钻另一个与前述轴向长孔连通的径向孔，其轴向位置要保证其与高压活塞芯上的环形槽连通；轴向长孔右端分别扩孔成同轴的压差柱塞大端配合圆柱孔、柱塞套的外密封圆柱孔、圆柱塞套的固定螺孔；活塞杆与高压活塞芯配合段开设安装高压活塞芯密封圈的环形槽，活塞杆的右端外圆柱面设置螺纹。
15.所述低压活塞芯密封圈安装到活塞杆上，并使其与活塞杆上的定位台阶面接触，将低压活塞组件装配到活塞杆上并其中的低压活塞芯的大端与活塞杆上的定位台阶面接触，将高压活塞芯密封圈装到活塞杆上的环形槽中，再将高压活塞组件装配到活塞杆上，并使其中的高压活塞芯有径向槽的端面与低压活塞芯小端的端面接触，且低压活塞组件上的定位销插入高压活塞芯的定位销孔中，保证低压活塞芯小端面的轴向小孔与高压活塞芯接触端面的轴向小孔对正，最后将将锁紧螺母装配到活塞杆上。将上述装配好的活塞总成部分装入缸套中后，再将锁紧螺母拧紧。
16.所述压差柱塞的大端截面积为小端截面积的n倍，压差柱塞7小端承受高压时，大端面承受的压力为小端面压力的高压活塞组件400两侧的压差为压差柱塞7小端压力的高压活塞组件400两侧的压差为压差柱塞7小端压力的倍，低压活塞组件300两侧压差为压差柱塞7小端压力的倍，从而实现钻井泵活塞的双级压差密封；压差柱塞的大端截面积等于小端截面积的2倍时，可以实现钻井泵活塞总成的等压差密封，即高压皮碗的密封压差等于低于皮碗的密封压差，均为压差柱塞7小端压力的二分之一。
17.所述压差柱塞大端密封圈、小端密封圈分别安装到压差柱塞上的对应环形槽中，将压差柱塞大端向里推入活塞杆上的圆柱孔中，把柱塞套密封圈安装到柱塞套上的外环形槽中后，将柱塞套的内孔套入压差柱塞的小端，柱塞套的外部圆柱插入活塞杆上的圆柱孔中，并旋转柱塞套使其螺纹与活塞杆上的螺纹孔连接。
18.所述低压活塞组件上的空气排放堵头在卧式钻井泵中应处于正上方。
19.所述空气排放堵头和注油堵头被拆卸后，从活塞杆上的径向孔加注润滑油，润滑油通过活塞杆轴向孔、径向孔、高压活塞芯的环形槽、轴向凹槽、径向槽进入高压活塞组件和低压活塞组件之间的环形空间，并将其中的空气通过高压活塞芯上的径向小孔、轴向小孔，低压活塞芯上的轴向小孔、径向小孔，从低压活塞芯的螺孔排出。
20.所述高压活塞组件中的高压皮碗在钻井泵配液过程中承受钻井液的高压作用，同时钻井液的高压作用在压差柱塞的小端；由于高压活塞组件和低压活塞组件之间的环形空间及相关通道已充满润滑油的可压缩性很小，通过压差柱塞的向内小幅度轴向移动，将压差柱塞小端的高压降低到高压活塞组件和低压活塞组件之间的环形空间所需的较低压力。
21.所述高压活塞组件中的高压皮碗在吸入钻井液的过程中承受负压作用，同时负压作用在压差柱塞的小端；压差柱塞的向外轴向移动距离受柱塞套的限制，在向高压活塞组件400 和低压活塞组件之间的环形空间加注润滑油时，压差柱塞向外轴向移动已处于受柱塞套的限制的位置，因此吸入钻井液的过程中，高压活塞组件和低压活塞组件之间的环形空间的压力为常压，高压活塞组件两侧所受压差与普通钻井泵活塞一样，低压活塞组件两侧所受压差为零。
22.所述高压活塞组件和低压活塞组件之间的环形空间充满的润滑油对高压活塞组件与缸套的接触部位很好的润滑作用。
23.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：(1)活塞皮碗密封压差低，活塞组件与缸套的摩擦副润滑良好，摩擦力小；(2)活塞总成有自扶正作用，活塞及缸套磨损均匀；(3)散热效果好；(4)寿命长；(5)维护保养简单方便。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
25.图1为本实用新型的一种双级压差式钻井泵活塞总成结构原理图；
26.图2为本实用新型的一种双级压差式钻井泵活塞总成的低压活塞组件示意图；
27.图3为本实用新型的一种双级压差式钻井泵活塞总成的高压活塞组件示意图；
28.图4为本实用新型的一种双级压差式钻井泵活塞总成的活塞杆内部结构示意图；
29.图5为本实用新型的一种双级压差式钻井泵活塞总成的压差活塞结构示意图
30.图中标记：1
‑
注油堵头，2
‑
缸套，300
‑
低压活塞组件,301
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空气排放堵头，302
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工艺堵头，303
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低压活塞芯，304
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低压皮碗压板，305
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低压皮碗压板，306
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定位销，400
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高压活塞组件，401
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高压活塞芯，402
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高压皮碗，403
‑
高压皮碗压板，404
‑
卡簧，5
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锁紧螺母，6
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柱塞套，7
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压差柱塞，8
‑
压差柱塞小端密封圈，9
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柱塞套密封圈，10
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高压活塞芯密封圈，11
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压差柱塞大端密封圈，12
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低压活塞芯密封圈，13
‑
活塞杆。
具体实施方式
31.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本
实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
32.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.需要说明的是，术语“上”和“下”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
34.以下结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。
35.实施例1
36.本实用新型的一种双级压差式钻井泵活塞总成的实施例提供的一种双级压差式钻井泵活塞总成，包括注油堵头1、缸套2、低压活塞组件300、高压活塞组件400、锁紧螺母5、柱塞套6、压差柱塞7、压差柱塞小端密封圈8、柱塞套密封圈9、高压活塞芯密封圈10、压差柱塞大端密封圈11、低压活塞芯密封圈12、活塞杆13。
37.低压活塞组件300包括空气排放堵头301、工艺堵头302、低压活塞芯303、低压皮碗 304、低压皮碗压板305和定位销306；低压皮碗304安装在低压活塞芯303上，且低压皮碗 304的密封唇口向低压活塞芯303小端一侧，低压皮碗压板305安装在低压活塞芯303的小端，其外侧锥面与低压皮碗304接触。
38.低压活塞芯303上与缸套2接触部分，沿半径方向钻小孔，从低压活塞芯303上小端圆环面沿轴加工形成轴向小孔，并与半径方向小孔相通，同时在低压活塞芯303大端面沿轴向开设螺孔并与半径方向小孔连通，工艺堵头302装入半径方向的小孔并与低压活塞芯303 焊接为一体，空气排放堵头301安装在低压活塞芯303大端面的轴向螺孔中；在低压活塞芯 303小端面与前述轴向小孔成90
°
的位置开设定位小孔，并将定位销306装入该销孔中。
39.高压活塞组件400包括高压活塞芯401、高压皮碗402、高压皮碗压板403和卡簧404；高压皮碗402安装在高压活塞芯401上，且高压皮碗402的密封唇口向高压活塞芯401小端一侧，高压皮碗压板403安装在高压活塞芯401的小端，其外侧锥面与高压皮碗402接触，卡簧404安装在高压活塞芯401的小端的环形凹槽中。
40.高压活塞芯401与缸套2接触部分，沿半径方向钻小孔，与低压活塞芯303接触的圆环端面上钻轴向小孔，并与半径方向小孔相通；高压活塞芯401与低压活塞芯303接触的圆环端面上与半径方向小孔呈180
°
方向开设一径向槽；高压活塞芯401与低压活塞芯303接触的圆环端面上与半径方向小孔呈90
°
方向开设一定位小孔，确保装配时高压活塞芯401与低压活塞芯303接触的圆环端面上的轴向小孔和低压活塞芯303小端圆环面上的轴向小孔对正；高压活塞芯401内孔中段开设环形槽，并在其与低压活塞芯303接触的圆环端面的径向
槽的方向开设轴向凹槽，使环形槽和径向槽连通。
41.活塞杆13的大端靠近低压活塞芯303的轴段上，沿半径方向钻径向孔13a，径向孔的外侧部分加工螺孔，用于装配注油堵头1；从活塞杆13装入低压活塞组件300和高压活塞组件400的一端，沿活塞杆13的轴心线方向钻轴向长孔13b，并与径向孔13a连通；在活塞杆 13与高压活塞组件400配合的轴段上与径向孔13a呈180
°
的圆周方向上钻径向孔13c，并与轴向长孔13b连通，径向孔13c的轴向位置要保证其与高压活塞芯401上的环形槽连通；轴向长孔13b右端扩孔成同轴的压差柱塞大端配合圆柱孔13d,圆柱孔13d的右侧扩成柱塞套 6的外密封圆柱孔13e,圆柱孔13e的右侧加工柱塞套6的固定螺孔13f；活塞杆13与高压活塞芯401配合段开设安装高压活塞芯密封圈10的环形槽，活塞杆13右端外圆柱面设置螺纹。
42.压差柱塞7的大端直径φd为小端直径φd的倍，使压差柱塞7的大端截面积为小端截面积的n倍。
43.装配高压活塞组件400和低压活塞组件300时，首先，将低压活塞芯密封圈12安装到活塞杆13上，并使低压活塞芯密封圈12与活塞杆13上的定位台阶面接触，接着，将低压活塞组件300装配到活塞杆13上并使低压活塞芯303的大端与活塞杆13上的定位台阶面接触，其次，将高压活塞芯密封圈10装到活塞杆13上的环形槽中，再次，将高压活塞组件400装配到活塞杆13上，并使高压活塞芯401有径向槽一侧端面与低压活塞芯303小端的端面接触，且低压活塞组件300上的定位销306插入高压活塞芯401的定位孔中，保证低压活塞芯 303小端面的轴向小孔与高压活塞芯401接触端面的轴向小孔对正，最后，将将锁紧螺母5装配到活塞杆13上。
44.将压差柱塞大端密封圈11、压差柱塞小端密封圈8分别安装到压差柱塞7上的对应环形槽中，将压差柱塞大端向里推入活塞杆13上的圆柱孔13d中，把柱塞套密封圈9安装到柱塞套6上的外环形槽中后，将柱塞套6的内孔套入压差柱塞7的小端，柱塞套6的外部圆柱插入活塞杆13上的圆柱孔13e中，并旋转柱塞套6使其螺纹与活塞杆13上的螺纹孔13f连接。
45.将上述装配好的活塞总成装入缸套2中后，再将锁紧螺母5拧紧。
46.对于卧式钻井泵，需使低压活塞组件300上的空气排放堵头301处于正上方。
47.将装配好的活塞总成拉到钻井泵吸液行程的最大位置，取下空气排放堵头301和注油堵头1，从活塞杆13上的径向孔13a加注润滑油，润滑油通过活塞杆13上的轴向孔13b、径向孔13c、高压活塞芯401的环形槽、轴向凹槽、径向槽进入高压活塞组件400和低压活塞组件300之间的环形空间，而高压活塞组件400和低压活塞组件300之间的环形空间中空气通过高压活塞芯401上的径向小孔、轴向小孔，低压活塞芯303上的轴向小孔、径向小孔，从低压活塞芯303上的安装空气排放堵头301的螺孔排出；当安装空气排放堵头301的螺孔中排出润滑油时，将空气排放堵头301安装上并拧紧，再将注油堵头1安装上并拧紧。
48.钻井泵排出钻井液过程中，泵腔内为高压钻井液，高压活塞组件400中的高压皮碗402 的密封唇口及与高压皮碗压板403接触的部分承受缸套2内钻井液的高压作用，同时缸套2 内钻井液的高压作用在压差柱塞7的小端；由于高压活塞组件400和低压活塞组件300之间的环形空间及相关通道已充满润滑油的可压缩性很小，通过压差柱塞7的向内小幅度轴向移动，将压力降低、由润换油经活塞杆13上的轴向孔13d、13b，径向孔13c、高压活塞芯401 上的内孔环形槽、轴向凹槽和径向槽，传递到高压活塞组件400和低压活塞组件300之间的已经充满润滑油的环形空间，由于压差柱塞7的大端截面积为小端截面积的n倍，所以
高压活塞组件400和低压活塞组件300之间的环形空间的压力为缸套2内钻井液压力的n分之一。对于高压活塞组件400，其所受工作压力与活塞背部压力的差值仅为泵腔内钻井液压力的力的对于低压活塞组件300其所受工作压力与活塞背部压力的差值仅为泵腔内钻井液的
49.钻井泵吸入钻井液过程中，泵腔内压力为低于大气压的负压，高压活塞组件400中的高压皮碗402的密封唇口及与高压皮碗压板403接触的部分承受缸套2内的负压作用，同时缸套2内负压作用在压差柱塞7的小端；通过压差柱塞7的向外小幅度轴向移动，压差柱塞7 的向外轴向移动距离受柱塞套6的限制，由于往高压活塞组件400和低压活塞组件300之间的环形空间加注润滑油时，压差柱塞7已处于受柱塞套6的限制的位置，因此吸入钻井液的过程中，高压活塞组件400和低压活塞组件300之间的环形空间的压力为常压，高压活塞组件400两侧所受压差与普通钻井泵活塞一样，低压活塞组件300两侧所受压差为零。
50.高压活塞组件400和低压活塞组件300之间的环形空间充满的润滑油对高压活塞组件 400与缸套2的接触部位很好的润滑作用。
51.在压差柱塞7大端面积为小端的两倍，可实现高压活塞组件400和低压活塞组件300等压差，但高压活塞组件400中的高压皮碗402直接与钻井液接触，由于钻井液中细小岩屑颗粒等磨粒作用，其寿命短于低压皮碗304。为使高压皮碗402、低压皮碗304具有接近相同的寿命，压差柱塞7可采用非等压差结构，即压差柱塞大端面积可小于小端面积的两倍，从而实现高压活塞组件400的工作压差小于低压活塞组件300的工作压差。
52.以上所述仅为本实用新型的一个实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。