CN103256199A - 反压泥浆泵 - Google Patents

Abstract

一种往复式式杂质泵，特别是石油开发中使用的泥浆泵。该泵在泵送泥浆时推动泥浆的活塞前后端受力与现有泥浆泵方向相反，即活塞的泥浆端压力小于活塞另一端，且活塞前后压差很小，这样就基本消除了介质中杂质对泵的影响。该泵包括：缸套中的前活塞(104a)，后活塞(104b)，传压液(202)，限距装置(203)。限距装置(203)的作用是在后活塞(104b)向后拖动、补充传压液时限制2活塞间的距离。由于泵送泥浆时前活塞(104a)传压液端的压力大于泥浆端，当活塞和缸套因磨损而产生松动时，泥浆不会渗出、或喷射出而“刺”伤活塞与缸套，大大地延长了其使用寿命。对于后活塞(104b)，由于只和传压液接触，其损坏情况更是和往复式油泵或水泵相同。

Description

反压泥浆泵

技术领域

本发明涉及到一种往复式杂质泵。特别是钻井工程中所使用的泥浆泵。 

背景技术

现在广泛应用的往复式杂质泵，包括钻井工程中所使用的泥浆泵，无论是三缸单作用泵还是双缸双作用泵，一般都是用机械动力带动曲柄连杆直接推动活塞，活塞推动介质使压力升高从而达到泵送介质的目的。但由于活塞与缸套间的摩擦磨损，使二者间不可避免的产生一些松动(“磨损阶段”)。由于活塞前后间压差极大(约几十兆帕)，介质中所含固体颗粒(杂质)就会在强大的压力下从松动处随介质进入缸套与活塞间。固体颗粒的进入将大大加快缸套与活塞的磨损，从而使缸套与活塞更加松动并可能产生局部间隙，从而进入的固体颗粒更多、更大(“急剧磨损”阶段)，当活塞的磨损和介质的高压挤压使其产生一条前后贯通的间隙时，介质(泥浆)就会在强大的压力下喷射而出，介质中的固体颗粒高速冲击所经过的一切地方，使缸套和活塞被“刺”出一个个大洞而报废(“‘刺′”穿阶段)。(“刺”是一种行业语言，形象地指缸套和活塞被介质中的固体颗粒高速冲击出的一个个大洞象被刀“刺”出来的。)缸套与活塞不仅很贵，更重要的是更换时间长，影响钻井工作的正常进行。在现场使用中，有时就有出现损坏的泵没修好，换用的备用泵也同时损坏了，此时井内无法循环，甚至可能造成整口井报废和钻具损毁。 

还有一种液压泥浆泵，是通过液压缸中的活塞杆推动往复杂质泵缸套中的活塞；或将液压马达作为回转动力输入，推动杂质泵缸套中的活塞，其驱动方式与机械泵相仿。这种泵在现场还没能广泛应用，但和上述的机械传动泵一样，活塞前后存在巨大压差，如果应用，其效果是一样的。 

上述机械式往复泵及油缸和液压马达驱动的液压往复泵，都是必须有活塞杆的，我们可称其为“有杆式”往复泵或简称为“有杆泵”。 

往复式油泵或水泵的缸套与活塞虽然也有“磨损阶段”，但因介质中没有固体颗粒，故而没有“急剧磨损”与“‘刺′”穿阶段，因而使用寿命长得多。 

发明内容

本发明的目的是提供一种在杂质泵工作时可以使推动介质的活塞前后端受力与现在 使用的泥浆泵活塞受力方向相反，即活塞的泥浆端压力小于活塞另一端，(这即反压泵名称的由来)，且活塞前后压差很小(仅为现有泥浆泵活塞的几十甚至百分之一)泥浆泵。当该泵的活塞和缸套因磨损而产生松动时，所泵送的介质不会向外渗出，故而不会产生急剧磨损现象。即使活塞产生贯穿性间隙，由于所泵送的介质压力小于传压液的压力，介质也不会喷射出而“刺”伤活塞与缸套。这样就可以极大的减少杂质泵中杂质对泵的影响，而使其损坏基本类似于往复式油泵或水泵(随所使用的传压液而不同)。 

根据本发明的有杆式单作用反压杂质泵是这样实现的：将现有有杆式单作用杂质泵(如现在普遍使用的三缸单作用泥浆泵)的缸套适当加长，也可以前后使用两个缸套，(当然整个液力端也应适当加长)。对现有活塞适当改进使其成为后活塞，在其前再加一个活塞(前活塞)，前活塞为泥浆活塞，后活塞为传压液活塞，二活塞间有一限距装置(见图2)。后活塞向前推进时该装置不起作用，只有在后活塞向后拖动、且与前活塞到一定距离后起作用，拖动前活塞一起后退。二活塞间是充满传压液的传压腔。传压腔可通过中空活塞杆或位于缸套(或活塞)合适部位的开孔通过管线与位置高于泥浆泵(有注液泵时则可不考虑储液箱的位置)的注液系统连接。注液系统包括有储液箱、过滤装置、单向阀等装置。因安装有单向阀，储液箱中的传压液只能流向泥浆泵缸套的传压腔而不能反向流动。对于入口安装有灌注泵的泥浆泵，还必须为传压液设置一专用注液泵，该泵的作用是当活塞回抽以吸入泥浆时，使传压液腔内的压力大于泥浆灌注泵的灌注压力以确保传压液充满传压腔。当后活塞到达下死点后，随着曲柄连杆的转动会再次向前推进，此时后活塞推动传压液、传压液推动前活塞、前活塞推动泥浆，使泥浆达到一定压力后开启排浆口单向阀泵出(此时进浆口单向阀关闭)。 

根据本发明的单作用反压杂质泵前、后二活塞也可做成可以相对活动、中间有传压腔的联成一体的一个组合活塞。 

根据本发明的有杆式单作用反压杂质泵当然不仅限于三缸，其缸数可以根据需要和可能任意设置。 

由于采用本发明制造的有杆式反压杂质泵活塞的泥浆端压力小于活塞另一端(传压液端)，当该泵的活塞和缸套因磨损而产生松动时，所泵送的介质不会向另一端渗出，故而不会产生急剧磨损现象。即使活塞产生贯穿性间隙，由于所泵送的介质压力小于传压液的压力，也不会喷射出因而“刺”伤活塞与缸套。这样就可以有效消除杂质泵中杂质对泵的影响，而使其损坏基本接近于往复式油泵或水泵。 

采用本发明制造的有杆式反压杂质泵由于后活塞(传压液活塞)只和传压液接触， 其使用情况视其使用的传压液不同基本与油泵或水泵类似，因而后活塞也可使用柱塞(见图6)。当使用柱塞时，泵的排出压力可以更高，可以为钻井工程提供具有更高排出压力的泥浆泵。 

根据本发明实施例的这种后活塞改为柱塞结构的往复式杂质泵，其柱塞也可以部分做成中空式(见图7)，这样其与活塞的限距装置就可放在这中空部分，从而可减少缸套长度。 

根据本发明实施例的这种后活塞改为柱塞结构的往复式杂质泵，也可用于石油开发或类似工程中使用的压裂泵。 

利用类似于单作用泵的方法，也可制造出有杆式往复双作用反压杂质泵，但由于其结构较复杂，故不推荐使用。 

本发明实施例所述的有杆式往复反压杂质泵，既包括具有曲柄连杆的机械式往复反压杂质泵，也包括通过液压缸中的活塞杆连接往复泵液压端缸套中的活塞杆、或将液压马达作为回转动力输入推动往复泵缸套中活塞杆进而推动活塞的液压往复反压杂质泵。 

本发明的液压往复式反压杂质泵除可做成有杆式外，也可做成无杆式。无杆式液压往复式杂质泵可以这样实现(见图4)：取消现有液压杂质泵的全套液压缸，将来自液压系统的传压液(或液压油)通过换向阀直接输到泥浆泵缸套中，传压液推动活塞，活塞再推动泥浆，使泥浆达到一定压力后开启排浆口单向阀泵出(此时进浆口单向阀关闭)。当活塞到达缸套前顶部后，触动位置(行程)开关，液压换向阀换向，传压液排出，活塞在灌注泵输送的泥浆的压力下后退，到达缸套后顶部后触动位置(行程)开关，换向阀再次换向，重复上一过程。在此过程中，当活塞向前推动泥浆升压泵出时，介质中固体颗粒对活塞与缸套的影响与本发明的有杆式反压杂质泵是一样的。但当活塞从前死点在泥浆的压力下向后退时，此时活塞泥浆端的压力大于传压液端，如果活塞和缸套间存在松动或局部间隙，携带固体杂质的介质可能会渗入到活塞和缸套间，但因活塞前后间差压很小，(只是克服活塞与缸套之间的阻力，一般仅零点几兆帕。)故不会产生“刺”穿现象。 

本发明的无杆式液压往复式反压杂质泵还可以这样实现：为了消除活塞后退时固体杂质可能会渗入到活塞和缸套间这个问题，可以仿照本发明的有杆式单作用泵加一级活塞，二活塞间是传压腔。传压腔内的传压液可用在缸套上开孔或其它办法来另外注入传压液，但也可不需要另外的传压液，仅需在后活塞上安装一单向阀，但这单向阀的受压面积(承受传压液压力的面积)应大于后活塞剩余受压面积，在传压液推动后活塞之前，传压液已推动单向阀进入传压腔，并在传压腔中推动前活塞向前，直至限距装置限定的长度，然后前后活塞 一起同步前进。当活塞到达缸套前死点后，触动位置开关，液压换向阀换向，传压液排出，活塞在灌注泵输送的泥浆的压力下后退，此时安装在后活塞上的单向阀关闭，前后活塞同步后退，后活塞到达缸套后死点后触动位置开关，换向阀再次换向，重复上一过程。在此过程中，当活塞向前推动泥浆升压泵出的过程中，介质中固体颗粒对活塞与缸套的影响与本发明的有杆式杂质泵是一样的。当活塞从前死点在泥浆的压力下向后退时，此时后活塞上的单向阀关闭，前活塞泥浆端的压力大于后活塞后端的压力，故前后活塞作为一个整体可以在泥浆的压力下后退，但二活塞间的传压液的压力仍然是高于泥浆的压力的，因此即使活塞和缸套间存在松动或局部间隙，携带固体杂质的介质也不可能会渗入到活塞和缸套间，而仅是少量的传压液渗漏到泥浆中，这种情况就和前面所述的本发明的单作用有杆式反压杂质泵是一样的。 

根据本发明所述的无杆式液压往复反压杂质泵和有杆式单作用反压杂质泵一样二活塞也可做成可以相对活动、中间有传压腔的联成一体的一个组合活塞，这样可以有效减少泥浆泵缸套长度。 

根据本发明所述的无杆式液压往复式杂质泵不仅延长了活塞和缸套的使用寿命，其更具有结构简单、体积小等优点，因而更利于实施且更便于现场使用。 

附图说明

图1是本发明背景技术中制造的机械式单缸三作用泥浆泵中一个缸的结构流程示意图，其余二缸完全一样。 

图2是本发明实施例制造的有杆式单作用反压杂质泵液力端一个液缸的结构流程示意图，该泵可做成三缸或多缸，但每个缸结构流程都完全相同。(该图中双点划线是表示的机械式泵的曲柄连杆机构，用液压缸或液压马达推动的液压泵也完全一样)。 

图3是本发明实施例制造的前、后活塞做成组合活塞的有杆式单作用反压杂质泵液力端一个液缸的结构流程示意图。 

图4是本发明背景技术中制造的油缸式液压泥浆泵一个液缸的结构流程示意图，其余泥浆泵的各缸完全一样。 

图5是本发明实施例制造的无杆式液压杂质泵一个液缸的结构流程示意图。 

]图6是本发明实施例制造的一种具有前、后活塞组成的液压腔的无杆式液压反压杂质泵一个液缸的结构流程示意图。 

图7是本发明实施例制造的一种将前、后活塞做成组合活塞的无杆式液压反压杂质 泵一个液缸的结构流程示意图。 

图8是本发明实施例制造的后活塞做成柱塞的有杆式单作用反压杂质泵液力端一个液缸的结构流程示意图；(该图中双点划线是表示的机械式泵的曲柄连杆机构，用液压缸或液压马达推动也完全一样)。 

图9是本发明实施例制造的后活塞做成部分中空柱塞的有杆式单作用反压杂质泵液力端一个液缸的结构流程示意图。 

图中：101.曲柄连杆机构  102.活塞杆  103.缸套  104.活塞  104a.前活塞  104b.后活塞  105.泥浆  106.泥浆排出口单向阀  107.泥浆吸入口单向阀  201.传压液注入口单向阀  202.中空活塞杆  203.传压液  204.限距装置  401.液压油缸系统  402.液压系统换向阀  501泥浆灌注泵  502.上死点行程开关  503.下死点行程开关  601.安装在后活塞上的单向阀  801.柱塞  901.部分中空柱塞。 

具体实施方式

下面根据附图对本发明的实施例进行详细说明。 

图2是本发明实施例制造的有杆式单作用往复式反压杂质泵液力端一个液缸的示意图。包括：传压液入口单向阀(201)、中空活塞杆(202)、缸套(103)、后活塞(104b)、传压液(203)、限距装置(204)、前活塞(104a)等。当后活塞(104b)向后拖动时，如在前次推动过程中传压液(203)有少量泄漏，则此时传压液在抽吸作用下(传压液补充系统有注液泵时是在注液泵的压力下)进入传压腔，从而使整个传压腔充满传压液。当二活塞的间距达到限距装置(204)限定的长度时，限距装置(204)就会带动前活塞(104a)向后拖动，并使进浆口单向阀(107)开启，将泥浆(105)抽吸到泵的缸套(103)中。当后活塞(104b)到达下死点后，随着曲柄连杆的转动会再次向前，此时后活塞(104b)推动传压液(203)、传压液(203)再推动前活塞(104a)、前活塞(104a)推动泥浆(105)，使泥浆达到一定压力后开启排浆口单向阀(106)泵出(此时进浆口单向阀(107)关闭)。当前活塞(104a)向前推进时，泥浆中的杂质仍有可能进入活塞(104a)与缸套(103)之间，对前活塞(104a)与缸套(103)造成磨损，在这个“磨损”阶段，根据本发明制造的反压杂质泵与普通的杂质泵是相同的。但当二者间产生松动时，由于反压泵泥浆活塞(前活塞104a)没有了普通泵活塞前后间的巨大压差，没有介质渗入，因而固体颗粒也不会随介质从松动处大量进入缸套与活塞间，相反，由于此时前活塞(104a)的传压液端的压力略大于泥浆的压力，当前活塞(104a)与缸套(103)间产生松动而有渗液时，应是传压液向泥浆端少量渗漏，由于传压液一般 都具有一定润滑功能，因此这种渗漏不仅能使一部分已进入缸套与活塞间的固体颗粒被冲出，同时对缸套与活塞也具有一定的润滑功能。由此可见，反压泵没有了普通泵的“急剧磨损”阶段。当使用时间长由于磨损从而使活塞与缸套产生前后细微的贯穿性间隙时，由于前活塞(104a)在传压液端的压力大于泥浆端的压力，此时泥浆不会像普通泵那样喷射而出，故而缸套和活塞都不会被“刺”坏。因此反压泵也没有这种“‘刺’穿阶段”。由于前活塞(104a)前后之间的压力差只是为了推动活塞与缸套之间阻力的而产生的，因此这个压力差是不大的，传压液进入泥浆的速度也是很缓慢的。当传压液的流失速度达到一定值时，传压液补充系统中的流量计或在二活塞间设置的限位装置就会报警，提醒更换活塞或/和缸套。综上所述，反压泵在第一阶段的“磨损”阶段，与普通泵的区别不大，但反压泵没有了普通泵的“急剧磨损”与“‘刺’穿阶段”，因此反压泵的缸套与活塞使用寿命要长得多，因而更换频率也会少很多。传压液可用油、水或乳化剂，用油润滑效果较好，但价格较贵，同时某些情况下(如钻探井时)不能使用；用水价廉且没有限制，但润滑效果差；配制专用的乳化剂或许可有二者的优点。至于传压液活塞(后活塞104b)，由于只和传压液接触，其使用情况视其使用的传压液不同基本与油泵或水泵类似。 

图3是本发明实施例制造的前、后二活塞做成一个组合活塞的有杆式单作用反压杂质泵液力端一个液缸的示意图。从图中可以看出，后活塞(104b)与前活塞(104a)做成可以相对活动、中间有传压腔的联成一体的一个组合活塞了。这样传压腔的空间虽然小了，但缸套长度可以减小，整个泵的液压端长度也可相应减小。在这种结构中，传压液只能从空心连杆2中注入传压腔。 

图8是本发明实施例制造的有杆式柱塞单作用反压杂质泵液力端一个液缸的示意图。和图4所示活塞式有杆单作用反压杂质泵相比，仅是将图2中的后活塞(104b)换成了柱塞(801)，其传压液系统、进排泥浆系统的结构和作用原理等都完全相同。由于使用柱塞，泵的排出压力可以更高，可以为钻井提供具有更高排出压力的泥浆泵。 

图9是本发明实施例制造的部分柱塞做成中空的有杆式柱塞单作用反压杂质泵液力端一个液缸的示意图。在此实施例中柱塞(901)被做成部分中空以安装传压装置(204)。这样做可以减少缸套、进而也是减少整个液压端的长度。 

图8的传压液(203)的注入是通过在柱塞(801)上钻孔实现的，而图9则是通过空心活塞杆(202)注入的，这两种方法在这两种结构中是可通用的，除此之外，如果不考虑缸套的长度，在缸套的合适处开孔注入也是可以的。 

图8和图9所述的本发明实施例制造的柱塞式往复反压杂质泵结构也可用于油田开 发和类似工况中使用的压裂泵。 

图5是本发明实施例制造的无杆式液压杂质泵一个液缸的示意图。对比图5与图4，可以看出，本发明实施例制造的无杆式液压反压杂质泵比现有技术的液压式泥浆泵少了一整套液缸系统，包括液缸、活塞、活塞杆等。但这种泵必须配备灌浆泵(501)，同时缸套的适当位置(如前、后死点处)必须设置前行程开关(502)和后行程开关(503)。当来自液压系统的传压液(203)通过换向阀(402)进入缸套(103)后，传压液(203)推动活塞(104)前进，活塞(104)推动泥浆(105)，使泥浆达到一定压力后开启排浆口单向阀(106)泵出(此时进浆口单向阀(107)关闭)。当活塞(104)向前推进触碰到设置在上死点的行程开关(502)时，换向阀(402)换向，传压液(203)通过换向阀(402)流回到液压系统，泥浆(105)通过灌注泵(501)、进浆口单向阀(107)进入缸套(103)中(此时排浆口单向阀(106)关闭)。当活塞(104)在泥浆(105)的压力下向后退到下死点时，设置在此处的行程开关(503)动作，换向阀再次换向向前开始下一个循环。在此过程中，在活塞向前推动泥浆升压泵出的过程中，介质中固体颗粒对活塞与缸套的影响与本发明的有杆式杂质泵是一样的，缸套与活塞虽然也有“磨损阶段”，但没有“急剧磨损”与“‘刺′”穿阶段，因而使用寿命长得多。当活塞(104)从前死点在泥浆的压力下向后退时，此时活塞(104)没有反压，泥浆端的压力大于传压液端，如果活塞和缸套间存在松动或局部间隙，携带固体杂质的介质可能会渗入到活塞和缸套间，但因活塞前后间差压很小，(只是克服活塞与缸套之间的阻力，一般仅零点几兆帕，而普通的泥浆泵活塞前后间差压为此几百倍。)故不会产生“刺”穿现象。 

图6是本发明实施例制造的液力端缸套内有二个活塞的无杆式液压往复式反压杂质泵的示意图。包括：传压液(203)、缸套(103)、后活塞(104b)、安装在后活塞(104b)上的单向阀(601)、限距装置(204)、前活塞(104a)、前行程开关(502)和后行程开关(503)、液压换向阀(402)等。为了消除上述无杆式液压杂质泵活塞后退时固体杂质可能会渗入到活塞和缸套间这个问题，可以仿照本发明的有杆式单作用泵的方法也加一级活塞，二活塞间的传压腔除可另外补充传压液外，还可用在后活塞(104b)上安装一单向阀(601)来实现。该单向阀可以由传压液(203)直接控制，但单向阀(601)的受压面积(承受传压液压力的面积)应大于后活塞(104b)剩余的受压面积，在传压液(203)推动后活塞(104b)之前，传压液已推动单向阀(601)，使传压液(203)进入传压腔，并在传压腔中推动前活塞(104a)向前，直至限距装置(204)限定的长度，然后前后活塞一起同步前进(此时泥浆泵出)。当前活塞(104a)到达缸套(103)的前顶部后，触动位置开关(502)，液压换向阀(402)换向，传压液排出，泥浆通过灌注泵(501)和泥浆入口单向阀(107)输送到缸套(103) 内，前活塞(104a)在泥浆(105)的压力下后退。此时安装在后活塞(104b)上的单向阀(601)关闭，前后活塞同步后退，后活塞(104b)到达缸套(103)后顶部(后死点)后触动位置开关(503)，换向阀(402)再次换向，重复上一过程。在前活塞(104a)向前推动泥浆升压泵出时，介质中固体颗粒对前活塞(104a)与缸套(103)的影响与本发明的有杆式杂质泵是一样的。当前活塞(104a)从前死点在泥浆的压力下向后退时，此时前活塞(104a)泥浆端的压力大于后活塞(104b)后端的压力，故前后活塞作为一个整体可以在泥浆的压力下后退，但二活塞间的传压液的压力仍然是高于泥浆的压力的，因此即使活塞和缸套间存在松动或局部间隙，携带固体杂质的介质也不可能会渗入到活塞和缸套间，而仅是少量的传压液渗漏到介质中。 

图7是本发明实施例制造的前、后做成一个组合活塞的无杆式液压单作用往复反压杂质泵的示意图。从图中可以看出，后活塞(104b)与前活塞(104a)做成可以相对活动、中间有传压腔的联成一体的一个组合活塞了。这样缸套长度可以减小，整个泵的液压端长度也可相应减小。 

根据本发明制造的无杆式液压往复式反压杂质泵不仅延长了活塞和缸套的使用寿命，其更具有结构简单、体积小等优点，因而更利于实施且更便于现场使用。 

Claims (10)

1.一种往复式杂质泵，特别是钻进工程中使用的泥浆泵，其特征是：泵送介质时推动介质的活塞的压力在介质端小于活塞另一端。

2.根据权利要求1所述的往复杂质泵，当用于单作用有杆泵时，其特征是：该泵液力端缸套(103)内有前活塞(104a)、后活塞(104b)，二活塞间充满传压液(203)，传压液可通过中空活塞杆(202)或其它方法得到供液系统的补充，二活塞间有限距装置(204)连接。

3.根据权利要求2所述的往复杂质泵，其特征是：其缸套中的后活塞(104b)也可用柱塞(801)代替。

4.根据权利要求3所述的往复杂质泵，其特征是：其缸套(103)中的柱塞(801)也可被做成部分中空的柱塞(901)。

5.根据权利要求3和权利要求4所述的机械式往复杂质泵，其特征是：该结构也可用于石油开发和其它类似工况中使用的压裂泵。

6.根据权利要求1所述的往复杂质泵，当用于液压式往复杂质泵时，也可做成无杆式液压式往复杂质泵，其特征是：来自液压系统的传压液(202)通过换向阀(402)直接输到杂质泵缸套(103)中，活塞(104)的前进与后退通过活塞触动安装在适当位置的行程开关控制换向阀(402)实现。

7.根据权利要求6所述的无杆式液压往复杂质泵，其特征是：可将原来1个活塞(104)改变为2个活塞，即前活塞(104a)和后活塞(104b)，二活塞间的传压腔可通过在缸套(或活塞)上开孔或其它的办法另外补充传压液，但也可不另外补充传压液，仅需在后活塞(104b)上安装一单向阀(601)来实现。

8.根据权利要求7所述的无杆式液压往复杂质泵，其特征是：当通过安装单向阀来补充传压液时，该单向阀(203)的受压面积应大于后活塞(104b)剩余的受压面积。

9.根据权利要求2与权利要求7所述的往复杂质泵，其特征是：其缸套中的前活塞(104a)和后活塞(104b)可做成可以相对活动、中间有传压腔的联成一体的一个组合活塞。

10.根据权利要求1所述的往复式杂质泵，其特征是：也可根据单作用泵的原理制造成双作用泵。

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