CN104790932B - 一种连续分层压裂投球器及其控制方法 - Google Patents

一种连续分层压裂投球器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体提供了一种连续分层压裂投球器,包括外壳,其内设有高压储球筒,高压储球筒内腔中斜设有弧形排球板,弧形排球板上表面与高压储球筒筒壁之间叠放有多个封堵球,弧形排球板下端铰接往复杆,往复杆连接有旋转杆,旋转杆与外壳外部的步进电机连接,步进电机电连接远程控制器,高压储球筒上部设有探测块、钢丝、滚轮和滚轮轴,探测块通过钢丝连接在滚轮上,滚轮设置在滚轮轴上,滚轮轴设置在高压储球筒内壁上并通过滚轮轴上安装的第一推力轴承延伸至外壳,滚轮轴一端设有复位旋钮,滚轮轴一端连接角度传感器,角度传感器通过信号线与远程控制器连接。该发明实现了封堵球的自动投掷,能够远程控制和精确投封堵球,减少投放时间,提高了工作效率。

Description

一种连续分层压裂投球器及其控制方法
技术领域
本发明涉及油气田勘探开发设备,具体涉及一种连续分层压裂投球器及其控制方法,用于不动管柱连续分层压裂施工。
背景技术
油气井内有多个油气层需要开发时,为了加快压裂开发速度,常采用不动管柱分层压裂施工。不动管柱分层压裂时,要将各个层(段)用封隔器进行封隔,分层压裂时,只需要将各个封隔器之间的滑套开关,通过封堵球打滑套的方式,打开进入新层的通道,同时堵住已压开层位的通道,实现新层的压裂。连续分层压裂就是在压裂施工过程中,不停泵连续注入压裂液的情况下,投入封堵球或尼龙球,打开滑套进行分层压裂施工。
目前,常采用井口阀门或连接在管线上的高压旋塞,在停泵后进行封堵球。如中国专利CN101929330B公开了一种是遥控旋塞式钢球投封堵球系统,至少包括三通,连接在压裂施工的高压管线上;三通两直通端使高压管线贯通;一个高压旋塞连接在三通的垂直端,不同直径的钢球放置在高压旋塞内;一个执行器与高压旋塞连接,用于控制高压旋塞的开口度;一个控制器用于向执行器输入一开口度的命令信号,使执行器对应控制高压旋塞的开口度与投放的钢球直径相一致。
现有连续分层压裂施工过程中封堵球时操作人员面临高压风险,封堵球时间相对较长,封堵球往往要在30分钟以上;当压裂施工层段多,封堵球数量多时,则封堵球时间要达到2-3小时,影响工作时效,且具有一定的安全风险。
发明内容
本发明的目的是克服现有连续分层压裂施工过程中投封堵球时操作人员面临高压风险、投封堵球时间长,影响工作效率的问题。
为此,本发明提供了一种连续分层压裂投球器,包括外壳,所述外壳内设置有高压储球筒,所述高压储球筒内腔中斜设有弧形排球板,所述弧形排球板上表面与高压储球筒筒壁之间形成的空间内自下而上叠放直径依次增大的多个封堵球,所述弧形排球板下端与高压储球筒筒壁之间形成投放口,所述弧形排球板下端铰接有一个往复杆,往复杆通过螺纹连接有旋转杆,所述旋转杆通过第二推力轴承延伸出外壳,并与设置在外壳外部的步进电机连接,所述步进电机电连接有一远程控制器,所述高压储球筒上部设有投封堵球探测装置,该投封堵球探测装置包括探测块、钢丝、滚轮和滚轮轴,所述探测块通过钢丝连接在滚轮上,滚轮设置在滚轮轴上,滚轮轴设置在高压储球筒内壁上并通过滚轮轴上安装的第一推力轴承延伸至外壳,所述滚轮轴一端设有复位旋钮,滚轮轴一端连接角度传感器,所述角度传感器通过信号线与远程控制器连接。
上述远程控制器包括PLC控制器,供电电源和操作箱面板;所述操作箱面板上设有显示屏,电源开关,投封堵球按钮,指示灯,复位开关和安全开关。
上述叠放的多个封堵球的直径自下而上呈等差数列。
上述弧形排球板的轴向为梯形状,上宽下窄,周向为圆弧形状,且该圆弧与高压储球筒的截面圆为同心结构。
上述弧形排球板的长度Sn=na1+n(n-1)c/2,其中,a1=d,d为最小封堵球的直径,n为封堵球个数,c为封堵球直径呈等差数列的级差。
上述弧形排球板下端的宽度L=2(Dd/2-d2/4)0.5,其中,D为高压储球筒内径,d为最小封堵球的直径。
上述钢丝为1.0mm不锈钢丝。
上述滚轮轴与第一推力轴承之间设置密封圈一。
上述旋转杆与第二推力轴承之间设置密封圈二。
另外,本发明还提供了一种连续分层压裂投球器的控制方法,包括如下步骤:
1)通过远程控制器控制步进电机旋转而带动往复杆运动,使弧形排球板下端与高压储球筒筒壁之间形成的投放口尺寸达到最小位置,即初始位置;
2)将要投入井内的封堵球,按直径从小到大的次序,装入高压储球筒中;
3)在远程控制器中存储每个封堵球的直径;
4)将组装好的连续分层压裂投球器吊装在井口的顶部,通过法兰盘与井口连接;
5)开始投封堵球;远程控制器控制步进电机旋转,角度传感器检测到的角度信号通过信号线传给远程控制器并与步进电机的角度电信号进行对比,当信号值等于远程控制器中存储的封堵球的直径时,远程控制器控制步进电机停止旋转,进行投封堵球;当信号值小于远程控制器中存储的封堵球的直径时,步进电机继续旋转,调整投放口开度值,直至与封堵球的直径相等;若信号值大于封堵球的直径且能使另一大直径的封堵球投入时,则停止投封堵球;
6)每次投封堵球重复步骤5)操作,直至将高压储球筒内的全部封堵球投入井内,完成不停泵连续分层压裂工艺。
本发明的有益效果:
(1)本发明提供的这种连续分层压裂投球器可根据投放口的开度和封堵球的直径,分别投入不同直径的封堵球,达到了分层封堵球打滑套的要求。
(2)本发明提供的这种连续分层压裂投球器实现了封堵球的自动投掷,且能够远程控制和精确投封堵球,减少了投放时间,提高了工作效率。
(3)本发明提供的这种连续分层压裂投球器有效减少了工作人员高压投封堵球的风险,达到了安全高效施工的要求。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明连续分层压裂投球器的结构示意图。
图2是本发明连续分层压裂投球器中弧形排球板的尺寸示意图。
图3是本发明连续分层压裂投球器控制方法流程图。
附图标记说明:1、密封圈一;2、第一推力轴承;3、滚轮;4、钢丝;5、角度传感器;6、探测块;7、法兰盘;8、封堵球;9、高压储球筒;10、弧形排球板;11、往复杆;12、旋转杆;13、第二推力轴承;14、密封圈二;15、步进电机;16、远程控制器;17、信号线;18、外壳;19、滚轮轴;20、复位旋钮。
具体实施方式
实施例1:
为了克服现有连续分层压裂施工过程中投球时操作人员面临高压风险、投球时间长,影响工作效率的问题,本实施例提供了一种如图1所示的连续分层压裂投球器,包括外壳18,所述外壳18内设置有高压储球筒9,所述高压储球筒9内腔中斜设有弧形排球板10,所述弧形排球板10上表面与高压储球筒9筒壁之间形成的空间内自下而上叠放直径依次增大的多个封堵球8,所述弧形排球板10下端与高压储球筒9筒壁之间形成投放口,所述弧形排球板10下端铰接有一个往复杆11,往复杆11通过螺纹连接有旋转杆12,所述旋转杆12通过第二推力轴承13延伸出外壳18,并与设置在外壳18外部的步进电机5连接,所述步进电机5电连接有一远程控制器16,弧形排球板10通过往复杆11能够沿水平方向移动调整投放口的开度值,实现一次投一个封堵球8,所述高压储球筒9上部设有投封堵球探测装置,该投封堵球探测装置包括探测块6、钢丝4、滚轮3和滚轮轴19,所述探测块16通过钢丝4连接在滚轮3上,滚轮3设置在滚轮轴19上,滚轮轴19设置在高压储球筒9内壁上并通过滚轮轴19上安装的第一推力轴承2延伸至外壳18,所述滚轮轴19一端设有复位旋钮20,滚轮轴19一端连接角度传感器5,所述角度传感器5通过信号线17与远程控制器16连接。
本发明通过计量滚轮轴19的旋转角度,计算钢丝14在高压储球筒9内的下移距离,通过球下移的距离,确定封堵球是否投入,以及投入球直径的大小。
本发明将弧形排球板10通过往复杆11和旋转杆12与步进电机15连接,通过步进电机15与远程控制器16连接,提高了结构可行性和可靠性。在往复杆11与步进电机15之间设置通过第二推力轴承13安装在高压储球筒9的筒壁上的旋转杆12,使得结构紧凑、稳定,解决了高压大扭矩采用低压低扭矩传动的技术问题,减去了减速机构,销减了因高压造成的螺纹变形误差,使得控制更为精准。
本发明提供的这种连续分层压裂投球器可根据投放口的开度和封堵球的直径,分别投入不同直径的封堵球,达到了分层封堵球打滑套的要求。
实施例2:
在实施例1的基础上,为了操作方便,所述远程控制器16包括PLC控制器,供电电源和操作箱面板;所述操作箱面板上设有显示屏,电源开关,投封堵球按钮,指示灯,复位开关和安全开关;这样,操作人员不必接近投球器即可远距离进行操作,实现了安全生产。
所述钢丝4为1.0mm不锈钢丝。
所述滚轮轴19与第一推力轴承2之间设置密封圈一1;所述旋转杆12与第二推力轴承13之间设置密封圈二14。
所述叠放的多个封堵球8的直径自下而上呈等差数列,使用时,所投封堵球8的直径可以是这个等差数列中的任何一个或几个。
本实施例中封堵球8数量为28个,封堵球8直径为19~98mm,封堵球8最小级差为3mm,高压储球筒9直径为100mm,高压储球筒9承压为150MPa;该投球器中的连接方式为法兰连接或由壬连接,控制方式为30米以上远控投入,检测方式为接触式检测,具有自动计数与调试功能。投球器中的封堵球8须从小到大投入井内。
另外,如图2所示,所述弧形排球板10的轴向为梯形状,上宽下窄,周向为圆弧形状,且该圆弧与高压储球筒9的截面圆为同心结构,弧形排球板10的长度Sn=na1+n(n-1)c/2,其中,a1=d,d为最小封堵球的直径,n为封堵球个数,c为封堵球直径呈等差数列的级差,弧形排球板10下端的宽度L=2(Dd/2-d2/4)0.5,其中,D为高压储球筒内径,d为最小封堵球的直径,弧形排球板10的倾角为Arctg(58.6/374)=8.9度。整个弧形排球板10紧密贴在高压储球筒9的内壁上,达到可通过最大封堵球8直径的内通径;当把弧形排球板10水平移动与高压储球筒9壁接触时,弧形排球板10下端圆弧与高压储球筒9接触点形成的空间最大间距,就是控制封堵球8投入的最小直径。当封堵球8的直径大于高压储球筒9半径时,装入高压储球筒9内的封堵球8不会发生大球滚动在下面,小球浮动在上的错乱现象,不需对封堵球8进行从小到大的排列。
弧形排球板10下端最小宽度的确定,如图2所示,设投入封堵球8直径为d,高压储球筒9内径为D,单位均为mm;能卡住封堵球不下掉,不左右掉出的最小弧形排球板10宽度L值计算过程如下:由于弧长ACG=AFG,且弧度相等,又EF为圆的半径,且垂直于AG;FC=d,所以FC=FB+BC,FB=FC,AB=BG=L/2,BF=BC=d/2,在直角三角形ABE中,BE=D/2-d/2,AE=D/2;根据勾股定理:
AB=(D2/4-(D/2-d/2)2)0.5
=(Dd/2-d2/4)0.5
L=2AB=2(Dd/2-d2/4)0.5
当d=19,D=100时,L=58.6。
弧形排球板10最大宽度的确定,当高压储球筒9内封堵球8的直径大于该高压储球筒9半径之后,高压储球筒9内的封堵球8不需进行专门的排列,只需将封堵球8从小到大装入高压储球筒9中,封堵球8始终在高压储球筒9中会从小到大排列,而不发生错乱现象,因此,弧形排球板10的最大宽度以D/2为宜,因通过计算,其最小端长度已超过其半径,因此,其上端宽度也选58.6mm。
弧形排球板10长度的确定,若所投入的封堵球8为等差数列,则弧形排球板10长度按等差数列的长度Sn计算,其投入的封堵球8最大直径为高压储球筒9半径D/2,最小直径为d,级差为c,封堵球8个数或级数为n,则弧形排球板10长度Sn=nd+n(n-1)c/2;其中n=(D/2-d)/c+1。
弧形排球板10倾角计算:Arctg(58.6/374)=8.9度。
本实施例中弧形排球板10厚度及材质采用不锈钢材质,其厚度以2mm为宜,确保高压储球筒9的最大过球直径。
实施例3:
在实施例1的基础上,本实施例提供了一种连续分层压裂投球器的控制方法,包括如下步骤:
1)通过远程控制器16控制步进电机15旋转而带动往复杆11运动,使弧形排球板10下端与高压储球筒9筒壁之间形成的投放口尺寸达到最小位置,即初始位置;
2)将要投入井内的封堵球8,按直径从小到大的次序,装入高压储球筒9中;
3)在远程控制器16中存储每个封堵球8的直径;
4)将组装好的连续分层压裂投球器吊装在井口的顶部,通过法兰盘7与井口连接;
5)开始投封堵球;远程控制器16控制步进电机15旋转,角度传感器5检测到的角度信号通过信号线17传给远程控制器16并与步进电机15的角度电信号进行对比,当信号值等于远程控制器16中存储的封堵球8的直径时,远程控制器16控制步进电机15停止旋转,进行投封堵球;当信号值小于远程控制器16中存储的封堵球8的直径时,步进电机15继续旋转,调整投放口开度值,直至与封堵球8的直径相等;若信号值大于封堵球8的直径且能使另一大直径的封堵球8投入时,则停止投封堵球;
6)每次投封堵球重复步骤5操作,直至将高压储球筒9内的全部封堵球8投入井内,完成不停泵连续分层压裂工艺。
其中,在远程控制器16上设计安装有PLC控制器,对步进电机15进行远程控制;对计数器上的信号进行处理,通过进行逻辑运算,进一步判断球是否投入井内,并且做到对投球器的投放口开度值进行微量调整,其微调的最大尺寸,以2~3mm为宜,保证不使投放口开度值达到下个封堵球8的投入开启度,防止将下个封堵球8投入。
在操作箱面板上设计有a、显示屏,显示屏上显示有封堵球的尺寸参数,第几号封堵球,通过按钮改变数字参数,将属于的数字存储在PLC控制器中;b、电源开关,打开或关闭面板上的电源;c、投入按钮,投入球时,按下按钮,只能投入一个封堵球;d、球是否投入的指示灯,当球顺利投入时,该灯显示为绿色;当投封堵球后,没有检测到球下移信号时,则显示为红色;e、复位开关,投封堵球结束后,将投球器的投放口的开度复位,以便于下次装球;f、安全开关,只有打开该开关时,才能按下投封堵球按钮,防止连续按投封堵球按钮,发生误投。
实施例4:
在实施例1基础上,本实施例提供了本发明连续分层压裂投球器中部件精确控制的计算:
(1)摩擦阻力的计算
1)旋转杆的摩擦阻力
通过第二推力轴承,将高压下向筒体外推出的力分解在该旋转杆上,通过直径为8mm的旋转杆,在70MPa的压力下,按淬火钢与淬火钢的摩擦系数0.001,计算其旋转摩擦F=70*9.8*0.82*3.14/4*0.001=0.344kg=3.4N;
2)密封圈二的摩擦阻力
取密封圈二的直径为1mm,两道密封圈二,计算其在70MPa下的摩擦力,取橡胶与旋转杆的磨擦系数为0.05~0.1
F=70*9.8*0.8*3.14*0.1*0.1
=17.23Kg
=172.3N
因旋转杆的直径为8mm,该旋转杆转动的扭矩
J=0.008m*172.3
=1.37Nm。
通过以上的设计与计算,采用本发明的结构,在高压投封堵球条件下,形成了最大为1.37Nm以下的扭矩,这样就可以用扭矩较小的步进电机,直接驱动旋转杆,不用设计安装减速变矩器,进一步简化了精确控制的部件;避免了在高压下,将传动螺纹设计在筒体外边,形成的高压推力,造成螺纹及螺杆受力变形,且压力越高,其变形程度越大的影响精确控制因素,达到了精确控制元器件—步进电机性能的要求。为了确保可靠的控制,优选5Nm扭矩的步进电机。
(2)往复杆及旋转杆螺纹的确定:
旋转杆螺纹的螺距以0.5mm为宜,配合步进电机的旋转角度,使投封堵球控制精度在0.1mm以内。
这两个主要部件采用不锈钢制做,严防在使用以后,螺纹生锈,而使步进电机失灵。
另外,封堵球是否投入的探测技术如下:
(1)滚轮轴两端承受力的大小相等,方向相反;滚轮两端均采用相同直径的滚轮轴进行转动,采用同样尺寸的第一推力轴承及密封圈一,滚轮轴在高压状态下,向外推出的力正好是一对大小相等,方向相反的力,所以,滚轮轴在横向上处于平衡状态,不管高压储球筒内的压力如何变化,对滚轮轴在径向上不会产生推力;所以,第一推力轴承传动的轴向力,只要一个很小的扭矩就可以实现。
(2)滚轮轴直径的确定,以8mm为宜,否则,其一方面要承受探测块的重量,防止滚轮轴变形,造成密封失效,并且会出现滚轮轴变形不能转动,达不到检测的要求;滚轮轴材质以不锈钢为宜。
(3)滚轮上槽直径及宽度的确定,滚轮周向要切槽,便于安装钢丝,高压储球筒的有效长度为1666mm,滚轮的直径以能容纳下1680mm的钢丝为宜,滚轮的直径为80mm;钢丝直径为1mm,则槽的宽度为1680/80*3.14=6.7,取7mm;槽的深度略大于钢丝的直径,以1.5mm为宜。
(4)探测块重量的确定,取密封圈一的直径为1mm,两道密封圈一,计算其在70MPa下的磨擦力,取密封圈一橡胶与滚轮轴在润滑条件下的摩擦系数为0.05~0.1,其为两道密封,计算摩擦力如下为
F=70*9.8*0.4*3.14*0.1*0.1*2=17.2Kg=172N;
因为滚轮轴的直径设计为8mm,其半径为4mm,当滚轮轴发生转动时,其摩擦反扭矩为
J=172*0.004=0.688Nm;
设滚轮的直径为12mm,其半径应用6mm,通过力矩平衡原理,可求出探测块的重量
G=0.688/0.006=114N=11.4Kg;
当用钢材时,探测块体积为11.4/7.8=1.5升,当用铅块时,探测块体积为11.4/13.6=0.84升。通过以上计算,探测块的体积太大,造成投球器体积增大,成本增加,应加大滚轮的直径,进一步缩小其重量。
将滚轮槽直径设计为80mm,其直径较原来增大了80/12=6.7倍,其重量也相应降低6.7倍,为11.4/6.7=1.7Kg。确定滚轮槽的体积为1.7/7.8=0.22升
(5)封堵球落入井内的检测,在滚轮轴的一端安装一个角度传感器,其计量精度可以达到0.1mm,当封堵球落入井内后,探测块下移,带动滚轮转动,进而使滚轮轴转动,通过角度传感器传出的信号,确定封堵球已投入井内;其所投入封堵球尺寸的大小,通过精密控制的弧形排球板的投放口,所掉下封堵球的尺寸来确定,如投入19mm封堵球时,滚轮只需转动19/80/3.14=0.075圈,通过角度传感器,将信号传给就识别出封堵球投入了井内,通过投放口的大小,确定投入的球尺寸为19mm。
综上所述,本发明提供的这种连续分层压裂投球器实现了封堵球的自动投掷,且能够远程控制和精确投封堵球,减少了投放时间,提高了工作效率。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明,并不构成对本发明的保护范围的限制,凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种连续分层压裂投球器的控制方法,连续分层压裂投球器包括外壳(18),所述外壳(18)内设置有高压储球筒(9),所述高压储球筒(9)内腔中斜设有弧形排球板(10),所述弧形排球板(10)上表面与高压储球筒(9)筒壁之间形成的空间内自下而上叠放直径依次增大的多个封堵球(8),所述弧形排球板(10)下端与高压储球筒(9)筒壁之间形成投放口,所述弧形排球板(10)下端铰接有一个往复杆(11),往复杆(11)通过螺纹连接有旋转杆(12),所述旋转杆(12)通过第二推力轴承(13)延伸出外壳(18),并与设置在外壳(18)外部的步进电机(15)连接,所述步进电机(15)电连接有一远程控制器(16),所述高压储球筒(9)上部设有投封堵球探测装置,该投封堵球探测装置包括探测块(6)、钢丝(4)、滚轮(3)和滚轮轴(19),所述探测块(6)通过钢丝(4)连接在滚轮(3)上,滚轮(3)设置在滚轮轴(19)上,滚轮轴(19)设置在高压储球筒(9)内壁上并通过滚轮轴(19)上安装的第一推力轴承(2)延伸至外壳(18),所述滚轮轴(19)一端设有复位旋钮(20),滚轮轴(19)一端连接角度传感器(5),所述角度传感器(5)通过信号线(17)与远程控制器(16)连接,其特征在于:连续分层压裂投球器的控制方法包括如下步骤:
1)通过远程控制器(16)控制步进电机(15)旋转而带动往复杆(11)运动,使弧形排球板(10)下端与高压储球筒(9)筒壁之间形成的投放口尺寸达到最小位置,即初始位置;
2)将要投入井内的封堵球(8),按直径从小到大的次序,装入高压储球筒(9)中;
3)在远程控制器(16)中存储每个封堵球(8)的直径;
4)将组装好的连续分层压裂投球器吊装在井口的顶部,通过法兰盘(7)与井口连接;
5)开始投封堵球;远程控制器(16)控制步进电机(15)旋转,角度传感器(5)检测到的角度信号通过信号线(17)传给远程控制器(16)并与步进电机(15)的角度电信号进行对比,当信号值等于远程控制器(16)中存储的封堵球(8)的直径时,远程控制器(16)控制步进电机(15)停止旋转;当信号值小于远程控制器(16)中存储的封堵球(8)的直径时,步进电机(15)继续旋转,调整投放口开度值,直至与封堵球(8)的直径相等;若信号值大于封堵球(8)的直径且能使另一大直径的封堵球(8)投入时,则停止投封堵球;
6)每次投封堵球重复步骤5)操作,直至将高压储球筒(9)内的全部封堵球(8)投入井内,完成不停泵连续分层压裂工艺。
2.如权利要求1所述的连续分层压裂投球器的控制方法,其特征在于:所述远程控制器(16)包括PLC控制器,供电电源和操作箱面板;所述操作箱面板上设有显示屏,电源开关,投封堵球按钮,指示灯,复位开关和安全开关。
3.如权利要求1所述的连续分层压裂投球器的控制方法,其特征在于:叠放的所述多个封堵球(8)的直径自下而上呈等差数列。
4.如权利要求1所述的连续分层压裂投球器的控制方法,其特征在于:所述弧形排球板(10)的轴向为梯形状,上宽下窄,周向为圆弧形状,且该圆弧与高压储球筒(9)的截面圆为同心结构。
5.如权利要求3所述的连续分层压裂投球器的控制方法,其特征在于:所述弧形排球板(10)的长度Sn=na1+n(n-1)c/2,其中,a1=d,d为最小封堵球的直径,n为封堵球个数,c为封堵球直径呈等差数列的级差。
6.如权利要求4所述的连续分层压裂投球器的控制方法,其特征在于:所述弧形排球板(10)下端的宽度L=2(Dd/2-d2/4)0.5,其中,D为高压储球筒内径,d为最小封堵球的直径。
7.如权利要求4所述的连续分层压裂投球器的控制方法,其特征在于:所述钢丝(4)为1.0mm不锈钢丝。
8.如权利要求1所述的连续分层压裂投球器的控制方法,其特征在于:所述滚轮轴(19)与第一推力轴承(2)之间设置密封圈一(1)。
9.如权利要求1所述的连续分层压裂投球器的控制方法,其特征在于:所述旋转杆(12)与第二推力轴承(13)之间设置密封圈二(14)。
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