CN101688530A - 包括外部辅助阀的正排量泵 - Google Patents

Abstract

一种带有阀的正排量泵，所述阀具有协助其促动的促动导引件。所述阀可以配置成利用阀促动导引件控制相对于所述泵的腔室的流通连通，所述阀促动导引件位于所述腔室外部并配置成协助这种控制。所述阀促动导引件本身可以包括延伸到所述阀下面的所述阀促动组件内的臂。在这种实施方式中，所述臂可以借助曲轴、液压装置或其他装置往复运动。可以选择的是，所述阀促动导引组件可以包括电磁装置来协助所述阀的促动。

Description

包括外部辅助阀的正排量泵

技术领域

所述实施方式涉及用于高压场合的正排量泵所用的阀组件。特别是，叙述了采用机构和支撑件来延长泵阀的寿命，使操作过程中的泵损坏最小并提高体积效率的正排量泵实施方式。

背景技术

正排量泵通常用在油田中与回收碳氢化合物工作有关的大型高压应用场合。正排量泵可以包括由曲轴相对于腔室往复驱动的柱塞，以便在腔室上形成高低压。这样使得它成为高压应用场合的良好选择。实际上，在产生的流体压力超过每英寸数千磅(PSI)时，通常采用正排量泵。

正排量泵可以配置成相当巨大的尺寸并且用在各种大规模油田操作中，诸如钻井、水泥加固、盘管铺设、射流切割、液压碎裂地下岩石。例如，液压碎裂地下岩石通常发生在10000到15000PSI或更高的压力下，将包含固形物的流体导入井孔中，从而从岩缝中释放石油和天然气，进行开采。这种压力和大规模应用，正排量泵都能轻易满足。

如上所述，正排量泵包括相对于可加压腔室往复运动的柱塞，从而泵送包含固形物的流体。更具体地说，当驱动柱塞离开腔室时，腔室内的压力减小，允许腔室的排出阀关闭。因此，腔室与外界环境密封，同时柱塞保持与腔室连通。因此，柱塞继续从腔室缩回，相对其中的吸入压力而言产生低压。最终，该低压将达到足以打开泵吸入阀的水平，以便允许流体流入腔室。接着，可以向着腔室驱动柱塞，再一次在腔室中形成高压。因此，吸入阀可以关闭，排出阀可以再次打开，并且流体从腔室中排出，如上所述。

吸入阀和排出阀的促动主要依靠腔室内产生的压力条件。就是说，需要打开或关闭每个阀的压力量是阀连同用来保持阀相对于腔室处于自然关闭位置的弹簧的物理性质的函数。不幸的是，这样导致了缺乏对阀促动的直接控制，使得阀操作效率固有地效率低下。例如，打开阀需要产生足够的压力变化，从而克服阀的重量及其弹簧的弹性。对于吸入阀而言，需要特别引起注意，因为在排出阀关闭之后，吸入阀并非立即打开，而是必须首先在腔室内产生足够低的压力来克服吸入阀的重量及其弹簧的弹性(即，净正吸入压头(NPSH))。吸入阀的这种延迟打开造成泵操作效率固有地低下。实际上，对于用在油田的标准正排量泵而言，在吸入阀打开之前，腔室内可能需要介于大约10PSI到大约30PSI之间的压力。

如上所述，单纯依靠内部腔室压力来促动阀，导致固有的效率低下并且缺乏直接控制。但是，可能更担心的是，阀的这种促动方式通常让泵本身因空穴效应和“水流冲击”而容易发生严重损坏。就是说，当柱塞从腔室离开时，其中的压力下降，吸入阀打开的固有延迟可能导致空穴效应以及随后的水流冲击，如下所述。

在吸入阀延迟打开并且腔室内产生低压的过程中，流体可能出现一定程度的空穴效应。就是说，可能在流体内形成蒸汽泡，并且蒸汽泡可能在遇到低压时(in the face of the lowered pressure)开始汽化。通过这种方式形成的蒸汽可能在柱塞再一次向腔室前进时随后蒸汽迅速被压缩成液体。液体的这种快速压缩伴随着大量的热量，并且还可能导致通过泵传递一定程度冲击，称为水流冲击。总而言之，由于传统正排量泵的压力促动设计，可能自然发生大量的泵损坏。

为了解决空穴效应以及水流冲击造成的泵损坏问题，通常采用的技术是分析泵操作过程中产生的声学数据。但是，依靠对声学数据的检测来解决泵损坏问题，无法充分避免因空穴效应和水流冲击而在第一位置造成的泵损坏。此外，通常在油田将损坏的泵与成阵列的其他泵一起使用并非是不普遍的。因此，损坏可以认为影响了相邻的泵，例如在这些泵上增加了应变或者将有害的水流冲击影响传递到这些泵上。实际上，从中发现大量空穴效应和/或水流冲击的从泵到泵到泵的级联泵失效并不鲜见。

发明内容

提供了一种正排量泵，具有用作可加压腔室的壳体。所述腔室可以局部由用来控制流体进入腔室泵的阀所限定。该正排量泵还可以包括阀促动导引件，该导引件至少局部定位在所述腔室外部并且耦接到所述阀，从而协助控制流体进入所述腔室。

附图说明

图1是采用阀促动导引组件的正排量泵的实施方式的侧视图；

图2是图1所示泵的截面图，揭示了该组件的阀促动导引件的实施方式；

图3是图1所示泵的截面图，揭示了该组件的阀促动导引件的替代实施方式；

图4是图1所示泵的截面图，揭示了该组件的阀促动导引件的另一种替代实施方式；

图5是采用图1所示泵作为多泵操作一部分的油田的局部截面图；

具体实施方式

以下参照用于碎裂操作的特定高压正排量泵组件进行说明。但是，其他正排量泵可以用于各种其他操作，包括水泥加固。不管如何，文中所述的实施方式采用带有阀的正排量泵，所述阀装配有外部促动辅助件。因此，阀促动过程并不单纯依靠泵腔室内的空穴现象引发的条件，这种条件可能通过水流冲击而对泵造成严重损坏。

现在参照图1，示出了正排量泵101的实施方式，该泵采用阀促动导引组件100。泵101可以包括动力源，动力源描绘为耦接到柱塞壳体180的曲轴壳体150，而柱塞壳体又耦接到腔室壳体175。在所示实施方式中，泵部件可以收容在传统滑架103上，以提高机动性，例如，用来放置在油田501中(见图5)。但是，在另一种实施方式中，可以采用泵车或可选的不怎么移动的泵配置。此外，泵101可以是传统如图所示的三缸泵配置。但是，也可以采用其他正排量泵配置。

继续参照图1和2，泵101的腔室壳体175可以配置有阀(250、255)，以吸入、加压并配送操作流体。但是，如图所示，还可以设置阀促动导引组件100，该组件耦接到腔室壳体175。导引组件100可以配置成协助阀(例如，250)来控制或调节流体吸入腔室壳体175和从腔室壳体175排出。如下文详细说明，由导引组件100提供的该阀辅助件可以使得操作过程中泵的损坏最小，并且提高泵101的总体效率。

特别参照图2，导引组件100的阀促动导引件200可以配置成协助促动腔室壳体175的阀255。在所示实施方式中，阀促动导引件200机械耦接到腔室壳体175的吸入阀255。但是，在其他实施方式中，阀促动导引件可以类似地耦接到壳体175的排出阀250或者其他未示出的阀。此外，如图2所示，阀促动导引件200可以是曲轴驱动的配置，如下文所述。但是，在其他一些实施方式中，可以采用液压、电磁或者其他阀促动辅助件。

继续参照图1和2，泵101设置有在柱塞壳体180内相对于可加压腔室235往复运动的柱塞290。通过这种方式，柱塞290在腔室235上形成高压和低压。例如，当柱塞290从腔室235缩回时，其中的压力下降。当腔室压力235内的压力下降时，排出阀250可以关闭，将腔室235返回到密封状态。如果柱塞290继续离开腔室235，而其中的压力继续下降，最终可以在腔室235内形成低压。

即使如上所述的腔室235内的产生低压，也可以避免明显的空穴效应。就是说，阀促动辅助件可以设置到吸入阀255，以使其如图2所示那样打开。如图所示，阀促动导引件200可以用来确保吸入阀255抬起，以允许操作流体源245和腔室235之间形成连通路径201。因此，可以实现操作流体托举而不单纯依靠低压来克服吸入弹簧275。因此，可以避免操作流体在腔室235内发生严重汽化。

通过这种方式避免操作流体严重汽化可以显著减小柱塞290重新压缩和凝缩操作流体时可能发生的泵损坏情况。就是说，可以显著避免因汽化的操作流体快速凝缩而发生的水流冲击损坏。因此，在所示实施方式中，可以将柱塞290推向腔室235，增大其中的压力。压力增大将最终足够克服排出弹簧270产生的力而打开排出阀250。

在泵101用于碎裂操作的实施方式中，可以通过上述方式实现超过2000PSI的压力，更优选超过10000PSI或更高。此外，这种正排量泵101特别良好地适合于包含磨蚀物的操作流体的高压应用场合。实际上，文中所述实施方式可以用于水泥加固、盘管铺设、射流切割和如图所示的液压碎裂操作，等等。

如图所示，阀促动导引件200配置成促动吸入阀255，如上所述，但是阀促动导引件200可以具有各种配置以提供这种辅助。例如，在图2的特定实施方式中，阀促动导引件200具有曲轴驱动的配置。因此，臂205设置成从吸入阀255远离腔室235延伸，并向着导引组件100延伸。在如图所示的实施方式中，臂205通过销209耦接到可旋转曲轴207。曲轴207可以围绕中心轴210旋转。因此，随着曲轴207旋转，它用来抬高和降低所述臂205。通过这种方式，根据曲轴207的旋转实现了吸入阀255的促动，而不是仅仅倚靠腔室235内的低压，如上所述。

如上所述，促动吸入阀255的正常时序取决于柱塞290相对于腔室235的位置。因此，如下所述，可以提供让阀促动导引件200及其曲轴207与柱塞290的时序同步的机构。此外，在所示实施方式中，臂205以线性方式往复运动，从而在导引件100和操作流体源245之间保持隔离。这可以通过采用传统直线作用曲轴设计来实现。可以选择的是，在导引组件100和操作流体源245之间实现密封的其他方法也可以采用，或者可以允许两者之间存在容许程度的连通。

如上所述，并增加参照图1，可以设置让阀促动导引件200和柱塞290时序同步的机构。如图1所示，正排量泵101包括表现为同步带125的同步机构，该同步带在曲轴壳体150和阀促动导引组件100之间运行。更具体地说，同步带125定位在曲轴壳体150的曲轴齿轮155和导引组件100的组件齿轮110之间。曲轴齿轮155可以耦接到曲轴壳体150的曲轴，该曲轴驱动柱塞290。与此对照，组件齿轮110可以耦接到导引组件100的曲轴207。因此，曲轴壳体150的曲轴旋转，驱动柱塞290，如上所述，同时也驱动阀促动导引件200。因此，通过适当确定相干齿轮155、110以及其他设备部件的尺寸，可以实现阀促动导引件200与往复运动柱塞290的时序精确同步。此外，在其他一些实施方式中，阀促动导引件200可以通过替代装置机械联结泵101的动力输出端。无论如何，采用这种程度的同步设置，可以改善泵操作的体积效率，以及明显消除空穴效应以及泵损坏。

继续参照图2，阀促动导引件200的臂205描述为吸入阀255和可旋转曲轴207之间的整体连杆。但是，在一种实施方式中，臂205可以收缩，类似于传统减震器。通过这种方式，在可旋转曲轴207停止旋转或者因其他原因无法正确操作时，吸入阀255可以根据腔室235内的压力而压力促动。例如，利用可收缩的臂205，可以避免吸入阀255堵塞在如图2所示的打开位置，如果阀促动导引件200发生故障或停止操作的话。

上述阀促动导引件200包括曲轴207，用来促动吸入阀255到达如图2所示的打开位置以及关闭位置(例如，当柱塞290返回腔室235时)。但是，这种外部阀辅助可以较大程度或较小程度的存在。例如，在一种实施方式中，阀促动导引件200可以包括可旋转凸轮，取代可旋转曲轴207。因此，在凸轮旋转过程中，可以迫使臂205向上运动，从而打开阀255。但是，阀255返回闭合位置可以依靠腔室235内的压力积累。因此，当吸入阀255打开时，可以避免明显的空穴效应，而不单纯倚靠腔室235内的低压。因此，利用腔室内高压返回来关闭吸入阀255更不可能导致任何严重的水流冲击。

类似地，图中所示实施方式披露了仅靠近吸入阀255的促动导引件200和导引组件100。就是说，对排出阀250的促动还是依靠腔室235内的压力条件。这样可以让设计方案简单，类似于如上所述的阀促动情况，并且可以作为一种实用的选择，因为明显的空穴效应不可能与排出阀250的任何位置相关。但是，在一种实施方式中，外部辅助除了提供给吸入阀255之外，还提供给排出阀250。就是说，类似于上述实施方式的额外促动导引件可以定位在排出阀250附近，并与其耦接，从而进一步提高泵效率。可以通过减少仅依靠腔室235内的压力来打开或关闭排出阀时所需的时间来实现。

现在参照图3，在导引组件100内的描绘了促动导引件300的替代实施方式。就是说，可以采用液压促动导引件300来为阀诸如所示的吸入阀255提供外部辅助。在所示实施方式中，臂305还是从吸入阀25向外部导引组件100延伸，终止于液压腔室309内的板307。如下所述，腔室309内的液压流体可以作用在板307上，从而使得臂305发生往复运动。通过这种方式，可以协助吸入阀255打开到图3所示的位置或者关闭。

继续参照图3，促动导引件300包括所述的液压腔室309，该液压腔室分成泵一侧内部舱330和位于板307任一侧的外部舱340。因此，内部舱内的压力升高可以用来驱动臂305远离相邻的泵设备。在吸入阀255耦接到臂305的情况下，这种压力升高导致阀255关闭以及在流体源245和泵腔室235之间形成连通路径201。可以选择的是，外部舱340内的压力升高可以作用在板307的相反一侧，从而驱动吸入阀255到达图3所示的打开位置。需要注意的是，在液压促动导引件300也耦接到排出阀250的实施方式中，泵一侧内部舱内的压力升高将发生作用来打开阀250。可以选择的是，相反的外部舱内压力升高将发生作用来关闭阀250。这种促动方式得益于排出阀250相对于泵腔室235的独特取向。

返回如图3所示的实施方式，内部舱330以内部液压线路310供给，而外部舱以外部液压线路320供给。因此，在一种实施方式中，双重作用的液压控制机构可以设置在线路310、320之间，来驱动线路310、320之间的液压流体，从而如上所述那样调节舱330、340内的压力。可以选择的是，同步的、独立促动的双重作用气压促动器可以耦接到每一条线路310、320，以引导舱330、340内的压力并实现臂305的往复运动。

与图2所示的曲轴驱动配置类似，图3所示液压阀促动导引件300为吸入阀提供阀促动辅助，从而明显减少柱塞290缩回过程中腔室235内发生空穴效应以及操作流体汽化。此外，如果促动导引件300以同步方式协助吸入阀255打开和关闭，则还可以提高泵的体积效率。此外，在液压促动导引件300还与排出阀250如上所述那样耦接的实施方式中，可以实现额外的体积效率。

在图2所示的曲轴驱动的配置中，臂305还可以是减震器配置，以确保在促动导引件300发生故障的情况下，阀可以连续操作。另外，可以采用液压促动导引件300来协助阀的单向促动(例如，类似于上述凸轮促动的实施方式那样打开吸入阀255)。

现在继续参照图4，在导引组件100内描绘了促动导引件450的另一种替代实施方式。在这种情况下，促动导引件是导线连接到电磁感应器420的引线421、441的电磁动力源。因此，在如图所示的实施方式中，吸入阀255可以是传统磁性材料或其他磁致响应材料以便可以根据电感器420的极性直接协助阀促动。就是说，电感器420可以具有可转换极性，以使根据流过电感器420的电流的幅值和极性来协助阀255打开或者关闭。

在图4所示实施方式中，促动导引件450保持完全不与吸入阀255耦接，而是通过嵌入吸入阀255下的阀座中并靠近流体导引件245的电感器420来产生电磁力。但是，在另一种实施方式中，类似于图2和3所示的臂可以耦接到阀255并向导引组件100延伸。在这种实施方式中，可以根据需要保持电感机构与流体源245隔离。因此，所述臂，而不是阀255本身，可以由磁性材料或磁致响应材料构成，并受到电感机构的作用，以协助阀促动，类似于图2和3机械和液压实施方式。

相对于前面所述那些实施方式而言，图4所示电磁驱动的配置以显著减小空穴效应的方式为吸入阀提供阀促动辅助。此外，在促动导引件450感生出同步的交变极性来协助吸入阀255打开和关闭时，还可以提高泵的体积效率。此外，在电磁促动导引件450同样耦接到排出阀的实施方式中，可以实现额外的体积效率。

特别参照图3和4，液压和电磁阀促动辅助特别良好地适合与泵动力输出进行非机械同步。就是说，与物理上采用同步带125来联结动力示出和导引组件100不同，可以借助传统传感器或技术来监控柱塞290或者其他泵部件的位置。然后可以将这种信息馈送给处理器，在处理器中可以分析所述信息并将其用于促动所用的液压促动导引件300或电磁促动导引件450。实际上，利用这种可用技术，可以实时调节促动辅助，以确保充分避开空穴效应以及使泵体积效率最大。

继续参照图3和4，表现为液压促动导引件300或电磁促动导引件450的非侵入式促动辅助提供了额外的优势。例如，必须保留的机械移动部件的总数减少。实际上，在电磁促动的情况下，特别是去掉耦接到阀255的臂的方案缓解了对保持流体源245密封的担心。

现在参照图5，描绘了油田510的局部截面图，其中诸如图1所示的泵101用作多泵操作的一部分。每个泵101靠近腔室壳体175装备有位于滑架130顶部的曲轴壳体150。但是，为了减少空穴效应以及泵损坏，泵101各自还装备有外置导引组件100来协助腔室壳体175内的阀促动过程，正如以上实施方式所详述。还可以通过这种方式提高每个泵101的总体泵效率。因此，不可能发生任何给定的泵的不充分操作，并且也不会在相邻的泵上增加应变。

特别在图5中，泵协同操作，通过井孔525输送碎裂流体510，用于在井下碎裂地层515。通过这种方式，可以激励从地层515中回收碳氢化合物。可以采用混合设备590通过歧管575提供碎裂流体510，然后利用泵101将流体510加压并通过井头550输送到压力可能超过20000PSI的井孔525中。虽然如此，由于采用了导引组件100，避免了空穴效应，因此因水流冲击导致的泵损坏可以保持在最小。

通过并不单纯依靠内部泵压力来促动阀的方式，上述实施方式解决空穴效应、泵损坏甚至泵效率问题。因此，特别是可以避免吸入阀的延迟打开，从而基本上消除了空穴效应以及水流冲击。实际上，与仅监控泵条件不同，文中所述实施方式可以用来主动避免水流冲击对泵的损坏。

前述实施方式已经参照目前优选实施方式进行了说明。这些实施方式所属技术领域的技术人员将会理解，在未有意脱离这些实施方式的原理和范围的前提下，可以对所述结构和操作方法进行替换和改动。例如，可以使用伺服马达和/或步进式马达来实现阀促动辅助。通过增大阀关闭速率从而能更为有效地碎裂操作流体携带的磨蚀物，文中详细说明的辅助过程还可以延长阀的寿命。此外，在泵送过程中，通过确保阀开度最大，甚至可以进一步提高文中所述由阀促动辅助所提高的体积效率。此外，前述说明内容不应该认为仅仅涉及文中所述和附图所示的精确结构，而是应该认为与下述权利要求书一致用于支持下述权利要求书，权利要求书才具有最完整最客观的范围。

Claims (22)

1.一种正排量泵，包括：

用作可加压腔室的壳体；

所述壳体的阀，该阀用于控制流体与所述腔室连通；和

位于该腔室外部并耦接到所述阀用来协助所述控制的阀促动导引件。

2.如权利要求1所述的正排量泵，其特征在于，所述耦接是电磁性质的耦接。

3.如权利要求2所述的正排量泵，其特征在于，所述阀促动导引件是耦接到至少一个电磁感应器的电磁动力源并且所述阀为磁致响应材料。

4.如权利要求3所述的正排量泵，其特征在于，所述至少一个电磁感应器具有可转换极性。

5.如权利要求3所述的正排量泵，其特征在于，所述至少一个电磁感应器收纳在用于接触所述阀的阀座中。

6.如权利要求1所述的正排量泵，进一步包括机械臂，所述机械臂设置在所述阀和所述阀促动导引件之间，用于所述耦接。

7.如权利要求6所述的正排量泵，其特征在于，所述机械臂具有可收缩配置。

8.如权利要求6所述的正排量泵，其特征在于，所述阀促动导引件配置成借助凸轮机构、曲轴机构、液压机构、电磁机构、伺服马达和步进式马达其中之一来驱动用于所述协助的所述机械臂。

9.如权利要求8所述的正排量泵，其特征在于，所述机械臂进一步包括板，所述液压机构具有围绕所述板设置的壳体，从而在所述板任一侧形成可加压的舱，所述臂配置成根据所述舱的压力在驱动过程中往复运动。

10.如权利要求8所述的正排量泵，其特征在于，所述阀促动导引件是电磁动力源，并且所述电磁机构包括至少一个电磁感应器。

11.如权利要求10所述的正排量泵，其特征在于，所述机械臂为磁致响应材料。

12.如权利要求10所述的正排量泵，其特征在于，所述至少一个电磁感应器具有可转换极性。

13.如权利要求1所述的正排量泵，进一步包括：

动力源；

耦接到所述动力源并与所述腔室连通以引导其压力的柱塞；和

设置在所述动力源和所述阀促动导引件之间用来指挥所述协助的时序的定时机构。

14.如权利要求13所述的正排量泵，其特征在于，所述定时机构包括同步带。

15.如权利要求13所述的正排量泵，其特征在于，所述定时机构包括：

用来监控所述柱塞的传感器；和

用来分析来自所述传感器的数据的处理器。

16.如权利要求15所述的正排量泵，其特征在于，所述指挥可以实时调节。

17.如权利要求1所述的正排量泵，其特征在于，所述阀是第一阀，而所述阀促动导引件是耦接到所述第一阀的第一阀促动导引件，所述正排量泵进一步包括：

所述的壳体的第二阀，用来控制流体与所述腔室连通；和

耦接到所述第二阀以协助所述第二阀的控制的第二阀促动导引件。

18.一种定位在油田、在操作过程中向油田的井孔输送流体的正排量泵组件，所述正排量泵组件包括：

用作可加压腔室的壳体；

位于所述可加压腔室附近的流体源；

所述壳体的阀，用于控制流体进入所述可加压腔室；和

位于该可加压腔室外部、耦接到所述阀以协助所述控制的阀促动导引件。

19.如权利要求18所述的正排量泵组件，其特征在于，所述耦接是机械耦接和电磁耦接其中一种。

20.如权利要求18所述的正排量泵组件，其特征在于，所述操作是碎裂操作和水泥加固操作其中一种。

21.一种位于用作正排量泵的可加压腔室的壳体附近的阀促动导引组件，所述组件包括：耦接到所述壳体以控制流体与所述腔室连通的促动导引件，所述促动导引件协助所述控制。

22.如权利要求21所述的阀促动导引组件，其特征在于，所述耦接是电磁耦接和机械耦接其中一种。

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