基于仿生原理的泥浆泵活塞耐磨与密封机理研究

Mud pump， as the heart of drilling's blood circulation system, is an important and indispensable drilling equipment,the piston is mud pump core components. The piston's performance directly affects the drilling efficiency, quality and cost. 80% failure of mud pump is caused by the piston severe wear and sealing performance poor. Therefore, prolong the service life of mud pump piston is a key technical problems to be solved on drilling industry. The project using the principle of bionics break through that mud pump piston wear resistance studies focus only on the traditional concept of wear-resistant materials, structure and processing technology. The bionic non-smooth design of piston on the working surface improves the mud pump piston liner system interface lubrication condition，and improve wear resistance of mud pump piston and sealing. According to the mud pump piston working mode and the structure characteristics, the project optimize the selection of typical biological wear form, and invent the bionic piston, develop bionic piston manufacturing technology and processing technology .By simulating the mud pump piston actual working condition, developing a variety of piston performance tester, test results will be closer to the actual situation of piston wear. Through numerical simulation and model test study the bionic form on the impact of the piston wear and sealing performance. We could analyze the bionic piston wear and sealing mechanism, optimize bionic piston structure parameters, and provide the basis for bionic form design of mud pump piston surface with excellent abrasion resistance and sealing performance.

泥浆泵是石油钻井液循环系统的"心脏"，活塞是泥浆泵核心部件，其性能直接影响钻井效率与能耗。泥浆泵80%的失效形式是由活塞磨损严重、密封性能差引起的，因此，延长泥浆泵活塞使用寿命是钻井行业亟待解决的重大技术难题。本项目运用仿生学原理，突破泥浆泵活塞耐磨性能研究只注重耐磨材料、结构和加工工艺的传统理念，通过对活塞工作表面进行仿生非光滑设计，达到改善泥浆泵活塞缸套摩擦系统界面润滑条件，提高泥浆泵活塞耐磨性与密封性的目的。项目根据泥浆泵活塞工作方式与结构特点，对典型生物耐磨形态进行了优化选择，发明仿生活塞，研发仿生活塞制造技术与加工工艺；模拟泥浆泵活塞实际工况，研制多台活塞性能测试仪，使试验结果更接近实际活塞磨损情况；通过数值模拟和模型试验研究仿生形态对活塞磨损和密封性能的影响规律，分析仿生活塞耐磨与密封机理，优化仿生活塞结构参数，为具有优良耐磨和密封性能的泥浆泵活塞仿生表面形态设计提供技术依据。

泥浆泵是石油钻井液循环系统的“心脏”，活塞是泥浆泵核心部件，其性能直接影响钻井效率与能耗。泥浆泵85%的失效形式是由活塞磨损严重、密封性能差引起的，因此，延长泥浆泵活塞使用寿命是钻井行业亟待解决的重大技术难题。项目组对泥浆泵现场作业情况进行了实地考察，分析了泥浆泵活塞磨损失效形式；根据泥浆泵活塞工作方式与结构特点，优化出适合泥浆泵活塞工作条件的凹坑形和条纹形两种仿生耐磨形态，并设计了20种凹坑形和22种条纹形仿生活塞；模拟泥浆泵活塞实际工况，研制了BW160型泥浆泵活塞磨损与寿命试验台，柱塞动密封性能试验台和BW160型泥浆泵活塞密封摩擦性能试验台；针对不同的仿生活塞结构形态与尺寸，研究了不同的加工方法，开发了相应的加工装置与夹具，探索出仿生活塞非光滑表面的制备技术；进行了泥浆泵仿生活塞密封与磨损性能测试，研究了仿生活塞形态参数对磨损性能和密封性能的影响规律，建立了仿生活塞使用寿命和泄露率与仿生活塞非光滑形态、尺寸和分布等结构参数间的定量关系，优化出各种仿生活塞的最优结构参数值。BW160型泥浆泵凹坑形仿生活塞使用寿命比标准活塞提高119.7%，耐磨性提高54.5%，密封性提高77.3%；条纹形仿生活塞使用寿命提高81.5%，耐磨性提高55.8%，密封性提高90.79%，摩擦力减少53.9%；分析了仿生活塞耐磨与密封机理，发现仿生结构优化了泥浆泵活塞工作表面的受力状态，增大了活塞皮碗唇部接触力，减小了活塞皮碗根部等效应力，达到了增强其密封性、减少根部挤伤，延长活塞使用寿命的目的；仿生结构还能够存储泄漏泥浆介质，降低泥浆泄漏速度，通过储存润滑脂和形变，增大活塞与缸套的接触密封面积，并在缸套上形成润滑膜，改善摩擦性能，增强活塞密封性能。进行了F1300型泥浆泵仿生活塞钻井现场应用测试，仿生活塞使用寿命提高94.13%。本项目为开发具有优良耐磨和密封性能的泥浆泵活塞提供了技术依据。