CN102979716A - 水力活塞泵换向阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开对水力活塞泵换向阀中的运动副间进行动态密封的方法，以及采用这种方法进行密封的水力活塞泵换向阀。本发明的技术特征是将水力活塞泵的换向阀的所有动配合件间均采用格来圈或斯特封的组合密封件进行密封。本发明解决了水力活塞泵使用水作动力介质时动态密封的问题，并可水力活塞泵所使用动力介质多元化；可使换向阀运行稳定，动密封效果更为可靠；充分发挥水务活塞泵的优点，使其更广泛应用于油田，并取代游梁式的抽油机；可使换向阀密封件寿命大大延长。

Description

水力活塞泵换向阀

技术领域

 本发明涉及一种对应用在油田进行抽油作业的液压元件的运动副间进行动态密封的方法，以及采用这种方法进行密封的液压元件。确切讲，本发明是对水力活塞泵的换向阀的运动副进行动态密封的，特别是应用于油田进行抽油作业的用水作动力液的，在高压条件下进行换向运动的换向阀元件的运动副间进行动态密封的方法，以及采用本发明的方法进行运动部件间动态密封的水力活塞泵换向阀。

背景技术

水力活塞泵系统是一种液压传动的无杆抽汲设备，是一种用于从地下深孔中抽采石油的设备，它是由地面动力泵将动力液增压后经油管或专用通道泵入井下驱动油缸中的活塞和换向阀，实现液马达做上下往复运动，通过井下柱塞泵进行抽汲作业的泵，是一种专门的深抽设备。水力活塞泵系统由井下部分、地面部分和中间部分组成，其中中间部分指动力液管管道以及被抽汲的液体和乏动力液输送管道；地面部分由动力泵、控制阀及动力液处理设备组成，用于供给和处理动力液；井下部分水力活塞泵是水力活塞泵系统的主体，本发明涉及水力活塞泵关键元件换向阀。

水力活塞泵抽油是油田采油使用的主要方式之一，其工作方式严格意义上说属于液压应用领域，其工作介质的压力高达几十MPa。水力活塞泵的液压源在地面，水力活塞泵的工作端则在几千米的井下，水力活塞泵的结构是用液力驱动液压往复马达，实现柱塞泵抽油，液压往复马达核心部件是换向阀，它用液力驱动，控制液压往复马达往复运动。换向阀控制高低压液体有序流动，换向阀在工作时既要频繁灵活运动，同时又要保持在高压状态下运动面不能有泄漏。现有技术水力活塞泵的换向阀是采用刚性的间隙密封，即在运动副间保留适当的间隙，以保证其可以灵活运动，同时避免动力介质从运动间隙泄漏，高压状态下对换向阀运动副间隙有极严格的要求。由于通常的液压系统用油作动力介质，液压油的黏度大，润滑性能好，可以满足在高压条件下能正常灵活运动同时运动面泄漏很小的使用要求。同时，由于油膜的润滑保护作用使换向阀能长期频繁运动不产生过度的磨损。例如按相关的技术规范要求水力活塞泵的配合间隙为0.005mm，这是一个加工精度要求极高的配合间隙。现有技术中用油作为工作介质为时能完全保障水力活塞泵换向阀的正常工作。但用水作动力介质时传统的水力活塞泵换向阀不能满足实用要求，因为水的黏度很小，流动性很好，在井下高温条件下其表面张力急剧减小，流动性加强，以致在高压条件下渗漏严重。另外，采用水作为水力活塞泵工作介质时，在频繁的换向运动条件下，水的润滑性能十分有限，造成换向阀配合面磨损严重，实际运行时当密封间隙因磨损增大到0.1毫米时换向阀就已不能正常工作。当以水为工作介质时换向阀的工作寿命很短，在运行不长时间就无法满足间隙配合的条件。现有技术中使用了各种耐磨损的处理方法之后依然达不到实用要求。因此通常的水力活塞泵无法使用水作动力液。实际应用的水力活塞泵多采用井下抽上来的石油作动力液，或者使用加添加剂的水基动力液作水力活塞泵高压动力介质，用这些动力介质大幅度提高了设备运行费用。此外，水力活塞泵的关键部件换向阀在油井中小尺寸、高压、润滑条件不良及频繁运动条件下故障率高、寿命短，在几十MPa高压下，要求换向阀不漏液必须在多个间隙配合面有极高的动态配合间隙，对机械加工和耐磨损提出极高的要求，因此造成了设备价格高、运行费用高、寿命短的特点，大大限制了水力活塞泵的应用。采油区域的水力活塞抽油泵由于特定的使用条件均希望用水作为动力介质，但这需要解决水力活塞泵用水作动力液动配合面密封的问题，既要解决高压条件下水的动密封，同时要在动密封的前提下使动密封有一定耐磨损能力。迄今为止在水力活塞泵采油设备上所采用的各种技术仍无法解决这些问题。

从原理上说水力活塞抽油泵是一种理想的油田抽油设备，具有效率高、抽汲深度深，省去抽油杆，适合于平井、斜井抽油等一系列优点。但水力活塞泵设备存在价格高、运行费用高、设备正常运行寿命短的不足，这些问题大大限制了水力活塞泵在油田抽油作业中的应用。如进入21世纪，我国大部分油田已处于开发后期，油田供液能力明显不足，产出液中含水量不断增加，以石油为动力液的水力活塞泵的工况变劣，用水力活塞泵采油变的更为困难，最终水力活塞泵在国内退出正常使用。

在油田的开发深度和广度不断扩大的情况下，对石油开采设备提出了更高的要求。目前抽油设备性能与人们期望值有较大差别，提高抽油设备性能是世界性的科研课题，在过去相当长的时间里抽油设备的工作原理和应用方法没有大的突破，技术性能只在局部范围改进与完善，国内抽油设备主要是企业仿制改进国外产品，由于企业众多，缺乏主流产品，与国外产品尚有较大差距。目前常用的采油设备仍是常规的抽油效率低下的游梁式抽油机，尽管采取了各种措施，但仍无法解决常规游梁式抽油机效率低下的问题，这类设备在石油开采领域占据主要地位，统计资料表明，有杆抽油方法在我国的石油开采中所占比例为90%-97%。

多年以来专家呼吁从技术上解决水力活塞泵的不足，充分发挥水力活塞泵高技术性能的优势以适应油田发展的需求。虽然专家提出很多解决方案，但用水直接作为水力活塞泵工作动力介质是最好的解决方法，找到可直接用水作动力液的换向阀的技术，是现阶段急需解决技术难题。

发明内容

本发明提供一种可以克服现有技术不足，可以提高水力活塞泵运动副密封效果，可以降低对水力活塞泵加工精度要求、材质要求，同时能满足高压条件下用水作为动力液的水力活塞泵换向阀的运动副间进行动态密封的方法，以及用这种方法进行密封的水力活塞泵换向阀。

本发明的用水作动力液的水力活塞泵换向阀的运动副间进行动态密封的方法是将换向阀的所有动配合件间均采用组合密封，即采用选格来圈或/和斯特封这类组合密封进行密封。

本发明的水力活塞泵换向阀的运动副间进行动态密封的方法中用于轴动密封的组合密封为斯特封，用于孔动密封的组合密封为格来圈；或者用于轴动密封的组合密封为轴用格来圈，用于孔动密封的组合密封为孔用格来圈。

采用本发明的方法水力活塞泵换向阀，包括：滑阀，阀套，活塞，上下有换向槽的活塞连杆，本发明的水力活塞泵换向阀中在滑阀与阀套的动配合面、滑阀与活塞连杆的动配合面的所有的动配合面都装有格来圈或斯特封的密封组合密封件。

本发明的水力活塞泵换向阀，包括：滑阀，阀套，活塞，上下有换向槽的活塞连杆，及安装在滑阀和阀套上的组合密封，其特征在于设置于活塞、滑阀和阀套上用于轴动密封的组合密封为斯特封，用于孔动密封的为格来圈。

本发明的水力活塞泵换向阀，包括：滑阀，阀套，活塞，上下有换向槽的活塞连杆，本发明的水力活塞泵换向阀在活塞、滑阀和阀套上用于轴动密封的组合密封件为轴用格来圈，用于孔动密封的组合密封件为孔用格来圈。

上述本发明的水力活塞泵换向阀可以直接在现有水力活塞泵换向阀结构基础上改进实现，也可以在设计成新结构的换向阀上实现。

本发明从工作原理、实际结构到实际试验效果很好的解决现有技术存在的专业难题，制成了用水直接作高压动力液的高性能水力活塞抽油成套设备，实现了真正意义上的水力活塞泵。本发明方法可以有效地解决高压条件下以水作为动力介质液压系统运动摩擦副密封的问题，运动摩擦副磨损和寿命问题，这些正是水力活塞泵现有技术中长期难于解决的问题。

本发明的关键之处是把传统水力活塞泵换向阀的所有动密封由刚性结构的间隙密封改为柔性结构的接触密封，也称为材料密封。具体的技术方案就是加装动密封性能优越的组合密封—格来圈或斯特封类的组合密封。

格来圈与斯特封为上世纪后期出现的液压密封器件，它们是由由弹性体和密封环组合而成，其中的弹性体一般用标准的丁晴橡胶制成的O形圈，或X形的密封圈或矩形的密封圈；而密封环则是采用了填充有青铜或二硫化钼或石墨或炭纤维等混合而成的氟塑料，经固结后的管状毛坯再经机加工而成形。密封环是一种极为耐摩的材料，具有在极苛刻条件下，仍能保持高刚性，并具有抗一切化学物质的能力，其吸水性小于0.01％，摩擦系数低，静摩擦系数与动摩擦系数极为接近，使用中不易发生爬行现象。把具有良好弹性的O 形圈，与优异的密封环组合在一起，构成组合密封，组合密封最常用的形式是格来圈和斯特封。其中的O 形圈除了发挥静密封作用外，还对密封环施加径向均布压力，使密封环发挥其优异的密封作用；而密封环则承担了动密封作用。这样，组合密封圈使上述两者扬长避短，形成了最佳搭配，各自发挥其优点。格来圈一般用于缸孔与活塞间的密封，是双向密封；而斯特封多用于活塞杆，是单向密封，为进一步提高其密封效果，故而多设计成阶梯形；串联布置两个格来圈或斯特封时，能实现零泄漏。密封环中最著名的商业注册名称为特康。

本发明用格来圈与斯特封对水力活塞泵中的泵管与活塞间、阀套与滑阀间、滑阀与活塞杆间的间隙进行动态密封，所使用的密封环可使用在水介质环境下有良好润滑的青铜粉、碳纤维与氟塑料的复合材料，这可以保证水力活塞泵在水为动力液的条件下能良好地工作，同时因为采用格来圈或/和斯特封这种特殊的密封填料，可以使水力活塞泵的运动副间有较大的运动间隙，这样可以大幅度降低制造难度，减少制造成本，同时又能充分实现运动副间的零泄漏，这一切是现有技术完全无法实现的。

本发明的优点：

1、水力活塞泵采用液压原理工作，换向阀频繁切换高低压通路，压差高达几十MPa，用阀套与滑阀的环空间间隙来维持密封，通常环空间的轴向长度很小，要使泄漏量满足使用要求，密封间隙必须很小，用液压油或石油作动力液，由于动力液黏度和润滑性能好，在密封间隙内可以形成油膜，保护换向阀的摩擦副相互不直接接触摩擦，只要保证一定的密封间隙就可以满足使用要求。换用水作动力液情况就不同了，水黏度小流动性好，要求更小的间隙才能使高低压的泄漏满足使用要求。还有另外一个问题，水不能形成完整的膜保护换向阀摩擦副，润滑性能差，将导致换向阀摩擦副直接接触摩擦，在频繁的运动摩擦下形成的磨损将加大密封间隙，间隙大到一定程度，由水表面张力形成的粘滞阻力将减小，高压将使泄漏量急剧增加，同时高速泄漏的水流将冲刷腐蚀换向阀体，使磨损间隙进一步加大，形成恶性循环。高压状态下用水作动力液，采用间隙密封的换向阀结构，即便现代技术实现起来也是很困难的。

本发明解决了水力活塞泵使用水作动力介质时动态密封的问题，跳出了传统水力活塞泵换向阀在刚性间隙密封条件下提高加工精度、更改结构、选择对磨材料，结构越改越复杂的怪圈，可以大幅度提高水力活塞泵的实用性。方法结构简化使加工变的简单，成本大幅度降低。结构简化使得工作过程更趋合理，故障率减少寿命增加。结构简化使得安装拆卸方便便于维护。

2、本发明换向阀运行机制稳定可靠，从应用上看，换向阀寿命要远高于活塞寿命，因为两者都使用动密封性能优越的组合密封格来圈作为密封方式，换向阀和活塞都反复换向运动，但换向阀运行的距离和时间远比活塞的短，所以换向阀寿命与活塞比要长的多。传统水力活塞泵活塞由于密封面短，也采用接触密封的方式，活塞的寿命一般不是问题，由此本发明换向阀寿命问题应该更不是问题。再则组合密封是低值标准件，更换成本很低，现场起降泵体更换又特别方便，所以从根本上克服了传统水力活塞泵的关键不足。

3、多动力介质使用，本发明使用动力介质多元化，给使用带来极大方便，普通水过滤颗粒杂质后就可以作为高压动力液，而这种动力液制备成本很低，井下污水、地表水简单过滤都可直接使用，海水和其它腐蚀性强的水可以淡化后应用，目前淡化成本很低，再则换向阀经过简单处理，比如镶钛合金套等办法，就可以大幅度提高抗腐蚀能力，甚至可以直接用海水作动力液。用井下产液简单处理作动力液可以大幅度降低运行成本，提高实用性。

4、目前油田的主流抽油设备是游梁式的抽油机，游梁式的抽油机存在效率低、设备笨重、可控性差、不适合斜井和平井抽油等一系列不足，受工作原理制约，能够改进的余地不大。与此相反水力活塞泵效率高，重量轻，抽汲深度深，可在平井、斜井、海洋环境抽油，能够抽稠油，可控性能好，主要技术性能优越。但存在价格高、故障率高、寿命短、运行费用高的不足，限制了广泛使用。原因主要是换向阀制约因素，本发明可大幅度降低水力活塞泵的造价，延长使用寿命，降低运行费用，从根本上打破水力活塞泵使用的瓶颈。本发明满足油田对高性能抽油设备的需求，将从多方面提升抽油设备技术指标，符合国内外技术发展趋势，为提高油田抽油效果趟出一条新路。

依据本发明原理制作的水力活塞泵样品地面试验效果良好，运行平稳可靠，以水作动力液的环境下试验，运行一百多小时，换向阀密封件肉眼看不到磨损的痕迹。

附图说明

附图1为一种采用了本发明的方法的现有的水力活塞泵结构示意图。附图2为图1中Ⅰ部分局部放大图。

图中： 

1、为上活塞上缸；2、上活塞；3、上活塞下缸；4、水力活塞泵体与油井套管环空间；5、上泵缸进油管道；6、上换向槽；7、孔；8、换向阀；9、组合密封（格来圈）；10、孔；11、孔；12、下换向槽；13、下活塞；14、下活塞下缸；15、下活塞上缸；16、密封环；17、斯特封；18、阀芯；19、孔；20、孔；21、孔。 

具体实施方式

本发明以下结合附图说明。

附图1是一种常用的水力活塞泵换向阀结构的示意图，美国KEBO公司的E型水力活塞泵采用这种结构，国内唯一生产水力活塞泵的厂家，胜利油田无杆泵有限公司生产的水力活塞泵换向阀均为此种类型。在现有技术中其结构中各相互运动的部件间均以间隙相隔。本发明的结构与现有技术不同在于，在图1示的结构中各相互运动的部件间设置有斯特封或格来圈，即用黑色小方格表示的部分。

本发明的工作原理为：当换向阀8处于上限位置时，高压动力液进入下活塞的上端面，活塞组下行，上泵端吸入，下泵端排出；当活塞组运行到下极限位置时，活塞拉杆上的上换向槽将孔11和孔10连通，将孔11的低压通过孔10连接到换向阀的底端，此时换向阀顶端承受着高压，在压差力的作用下换向阀运动到下限位置。此时高压动力液通过孔7进入上活塞下缸，活塞组换向上行，下活塞上缸中做过功的乏液通过孔20排出，上泵端开始排出，下泵端吸入。在这一过程中当活塞组向上运动到接近上极限位置时，高压动力液通过拉杆下部的下换向槽、孔10将高压动力液连通到换向阀底部，此时换向阀顶部与底部同时作用高压，但顶部与底部截面积不一样大，底部大，压差将使换向阀运动到上极限位置，活塞组又开始下行运动，如此反复循环，形成的液压往复马达将上下泵端的地层产液依次交替地推到泵、套管环形空间，并经井口输至地面。

本发明的目的在于解决换向阀用水作动力介质时动密封密封性能及应用寿命问题，因此选最为常见换向阀结构，在其基础上将刚性的间隙密封换为柔性的材料接触密封，方法就是在其中的动密封配合面上开槽加装组合密封，在图上可以看到换向阀的三个配合面装上了格来圈，两个配合面装在换向阀上，另一个配合面装在阀芯上。另外在活塞连杆的动配合面上也加装了斯特封，同样目的也是为了增强动密封性能，活塞动配合面通常加装格来圈。

格来圈、斯特封是组合密封的两种形式，典型的工作参数是：

标称最高工作压力：63MPa；

适用工作介质：油、乳化液、水；

最高运动速度：6M/秒

工作温度：-30——200C^O。

组合密封形式很多，还有轴用格来圈、直角组合密封、脚形组合密封、C形组合密封、Y形组合密封、帽形组合密封、三角形组合密封、V形组合密封、泛塞封（四氟弹簧密封）、齿形组合密封、阶梯形组合密封等等。分别适用于不同使用目的，强化一些技术指标的使用效果。填充改性的聚四氟乙烯作为接触密封材料具有超耐磨特性，摩擦系数小，适用水润滑。依据填充改性材料的不同，可以应用于油、乳化液、水多种介质，或专门应用于油或水单一介质。O形圈作为静密封构件，在起到静密封作用的条件下，还向聚四氟乙烯内面传递压力，保证动密封面的密封效果。

有资料报道，使用格来圈在运行150公里的条件下，格来圈还保持良好的密封性能，本发明设计的水力活塞泵换向阀每换向一次运动2cm，每4秒换向一次，按此计算，本发明的换向阀工作一年运行距离约为150公里，也就是说采用本发明方法的水力活塞泵换向阀至少可以正常运行一年以上，而国内现使用的水力活塞泵正常更换易损件的平均时间仅为一月左右。

本发明以成熟的水力活塞泵换向阀为例，解决水工作介质条件下换向阀动密封性能，目的是为了说明这一方法适用的广泛性，如果重新设计水力活塞泵，在此技术的基础上可以使设计更加方便有效，进一步提升水力活塞泵的全面技术性能指标，比如多液马达多泵缸结构，使采油技术获得大的突破。

Claims (5)

1.水力活塞泵换向阀的运动副间进行动态密封的方法，其特征在于换向阀的所有动配合件间均采用格来圈或斯特封的组合密封件进行密封。

2.根据权利要求1所述的水力活塞泵换向阀的运动副间进行动态密封的方法，其特征在于用于轴动密封的组合密封为斯特封，用于孔动密封的组合密封为格来圈；或者用于轴动密封的组合密封为轴用格来圈，用于孔动密封的组合密封为孔用格来圈。

3.采用权利要求1所述方法的水力活塞泵换向阀，包括：滑阀，阀套，活塞，上下有换向槽的活塞连杆，其特征在于在滑阀与阀套的动配合面、滑阀与活塞连杆的动配合面的所有的动配合面都装有格来圈或斯特封的密封组合密封件。

4.采用权利要求2所述方法的水力活塞泵换向阀，包括：滑阀，阀套，活塞，上下有换向槽的活塞连杆，其特征在于设置于活塞、滑阀和阀套上用于轴动密封的组合密封为斯特封，用于孔动密封的为格来圈。

5.采用权利要求2所述方法的水力活塞泵换向阀，包括：滑阀，阀套，活塞，上下有换向槽的活塞连杆，其特征在于设置于活塞、滑阀和阀套上用于轴动密封的组合密封件为轴用格来圈，用于孔动密封的组合密封件为孔用格来圈。

Images