CN107250540A - 泵和用于泵的阀组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泵，所述泵包括：壳体(141)，所述壳体具有腔(142)，所述腔具有入口阀(143)；和升压设备(144)，所述升压设备用于升高所述腔(142)中的流体压力；和排放阀(145)，所述排放阀(145)包括阀头(160)和阀座(167)，所述阀头能够在打开位置和闭合位置之间移动，其中，所述泵还包括布置在增压缸体(183)中的增压活塞(182)，所述增压活塞(182)具有暴露于低压区域(189)的第一面(191)和暴露于所述腔(142)中的流体压力内的第二面(194)，所述增压活塞(182)和所述增压缸体(183)中的至少一个能够相对于另一个移动，以将打开力增添到所述排放阀(145)。泵优选地为用于使得钻井泥浆循环通过井孔中的钻柱的泥浆泵或者可以是将水泥泵送到井孔中的水泥泵。本发明还公开了用于促进打开阀的方法，所述阀包括阀头(160)和阀座(167)，阀头(160)能够从位于阀座(167)上的闭合位置移动预定距离至位于阀座远侧的完全打开位置，并且该方法包括将力沿着预定距离的小部分增添到阀头(160)的步骤。

Description

泵和用于泵的阀组件

技术领域

本发明涉及一种泵、用于泵的阀组件和用于促进打开泵中的阀的方法。本发明特别但是并不排他地涉及一种泥浆泵、水泥泵和用于促进打开泥浆泵或者水泥泵中的排放阀的方法。

背景技术

在构造油井或者气井期间在钻出井孔的过程中，钻头布置在钻柱的端部上，所述钻柱旋转以穿透地层而钻出井孔。被称为“钻井泥浆”的钻井流体被泵送通过钻柱而抵达钻头以润滑钻头。钻井泥浆还用于将由钻头产生的钻屑以及将其它固体通过位于钻柱和井孔之间的环空运送到地面。严密控制钻井泥浆的密度，以抑制井孔塌陷以及确保最优地实施钻井。钻井泥浆的密度影响钻头的进尺速度。通过调节钻井泥浆的密度，进尺速度在发生井孔塌陷的可能危害条件下发生变化。钻井泥浆还可以运送用于密封井孔的多孔段的堵漏材料。还可以根据钻过的地层岩层的类型调节钻井泥浆的酸性。钻井泥浆本身包含昂贵的合成水或者油基润滑剂，并且因此通常回收以及重新使用用过的钻井泥浆，但是这本身需要从钻井泥浆中移除固体。这通过处理返回的钻井泥浆来实现。返回的钻井泥浆从位于井顶部处的井口流经流动管路。该处理的第一部分是将固体从含固体的钻井泥浆中分离出。这至少部分地通过使得返回的钻井泥浆继续流至振动分离器的筛以从返回的钻井泥浆中筛分出大的固体来实现。筛过的钻井泥浆流入到在用泥浆罐中的一系列隔段中。例如离心机和水力旋流机的其它处理设备可以用于进一步清洁固体的泥浆。每件其它处理设备位于在用泥浆罐的相应隔段的顶部上，从而从前一隔段中抽出预先处理的泥浆并且将处理过的钻井泥浆输出到位于下方的隔段中。固体被处理、清洁以及用作集料等；或者特定固体(诸如堵漏材料)被返回到清洁的钻井泥浆。这对在井孔中循环30m³至100m³的钻井流体而言并不罕见。

清洁的钻井泥浆被泵送到在用泥浆罐的添加单元(additions unit)中。诸如增重剂、粘度控制剂和堵漏材料的添加剂被添加到添加单元中的清洁的钻井泥浆中。制备好的钻井泥浆现在被泵送到在用泥浆系统的其它测试单元中，而且在被泵送到在用泥浆泵的抽吸罐中之前进行测试。

然后，泥浆泵用于将制备好且测试过的钻井泥浆从抽吸罐泵送到钻柱的顶部中，以使得钻井泥浆循环通过钻柱而抵达钻头而且通过环空返回到地面。泥浆泵包括泵送段和动力段。动力段可以包括驱动泵送段中的往复活塞的电动机或液压马达等。制备好且测试过的钻井泥浆从抽吸泵通过供应软管或者管子、通过泥浆泵的泵送段中的入口阀而流入到腔中，并且通过往复泵的作用经由排放阀从腔中推出而进入到通往位于顶部驱动器或者旋转接头的顶部上的鹅颈管的其它管子或者软管中，并且进入延伸到井孔中的钻杆柱的顶部中。

井孔能够为数千米长和数千米深，因此泥浆泵通常能够以每分钟300升和4800升之间在介于200bar和1000bar的条件下排放钻井泥浆。

泥浆泵可以包括双作用往复活塞或者单作用活塞。泥浆泵可以包括双往复活塞、三个活塞或者任何其它数量的活塞。有利的是保持以恒定压力通过钻柱的钻井泥浆的流量恒定。钻井泥浆流量的波动和压力的波动可能导致井下问题。这些问题可包括：钻出固体的恒定返回；固体在环空中聚集；保持井中的压力以抑制井孔塌陷；以及保持井中泥浆的重量恒定。

传统地，在起下钻和钻井期间通常在将钻杆的管段添加到钻杆柱或者从钻杆柱移除钻杆的管段时，停止和开始钻井泥浆流动通过钻柱的流动。然而，起下钻时的连续循环系统和钻井时的连续循环系统变得更加受欢迎。利用这些系统，井下钻井泥浆的流动更为连续并且能够更容易将压力保持在恒定水平。

泥浆泵应用在陆上钻机或者离岸钻机。泥浆泵通常位于陆上钻机上或者陆上钻机旁或者位于离岸钻井平台上。然而，泥浆泵可以位于海床上或者位于海床和海平面之间。

在深井或者可易于塌陷的地层中的井中，通常用套管嵌衬井孔。套管从井口悬垂下来。类似地，除了衬管从现有套管底部悬垂下来之外，衬管可以用于包围井孔。通过将水泥向下泵送通过套管和向上通过套管和井孔之间的环空而用水泥将套管或者衬管粘结就位。顶部塞和底部塞用于促进水泥粘结操作。水泥泵可以用于使得水泥流入到井中，然后底部塞后方的钻井泥浆或水的流可以用于向下推动底部塞并且迫使水泥向上通过环空。泥浆泵可以用于泵送底部塞后方的钻井泥浆或者水。

水泥泵还可以用在泵送水泥的一般建筑工业中：地面下结构，诸如地基；地面上结构，诸如车库、房屋、商业建筑和超高层建筑物；以及在海洋产业中构造水上结构和水下结构，例如，码头或者油井平台。

发明内容

本发明人已经发现要求腔内的压力累积以使出口阀失控(crack)而打开。这种压力累积随后正常化到稳定压力，泵针对泥浆泵的活塞泵送段中往复活塞的冲程而引发所述稳定压力。压力累积以及然后压力突然恢复成正常水平产生了冲击，这可引发泥浆泵中的振动。该振动可导致产生不想要的噪音；可使得泥浆泵中的紧固件变松；以及可引发泥浆泵或者周围部件中的各部分出现疲劳故障。而且，本发明人已经发现的是，钻井泥浆的输出流中更加一致的压力有益于控制在歧管中组合来自几个泵送段的输出流之后的组合流，以产生从歧管流出的钻井泥浆的输出流中的恒定压力。

本发明人已经发现，泵需要在出口处具有更顺畅的流动和更加一致的压力，其在应用于一般建筑行业中的水泥泵中也是有用的。

根据本发明，提供了一种泵，所述泵包括：壳体，所述壳体具有腔，所述腔设有入口阀；升压设备，所述升压设备用于升高腔内流体的压力；和排放阀，所述排放阀包括阀头和阀座，所述阀头能够在打开位置和闭合位置之间移动，其特征在于，所述泵还包括布置在增压缸体中的增压活塞，所述增压活塞具有暴露于低压区域中的第一面和暴露于腔内的流体压力中的第二面，所述增压活塞和增压缸体中的至少一个能够相对于另一个移动，以将打开力增添到所述出口阀。通常，腔内的压力为大约500bar而低压区域中的压力为3bar。

优选地，泵还包括转移构件，所述转移构件布置在阀头和增压活塞之间。优选地，所述转移构件是杆，所述杆可以是实心的或者中空的，并且可以具有任何适当的截面，诸如圆形的、方形的或者六角形的截面。

有利地，转移构件具有第一端部和第二端部，所述第一端部固定到阀头而第二端部是自由的。可替代地，转移构件具有第一端部和第二端部，所述第一端部固定到增压活塞而第二端部是自由的，以选择性地抵接阀头。可替代地，转移构件具有第一端部和第二端部，所述第一端部固定到增压缸体而第二端部是自由的，以选择性地抵接阀头。

优选地，转移构件经过缸体进入低压区域，所述第二端部布置在增压活塞在增压缸体中的移动路径中。

有利地，增压活塞在增压缸体中自由浮动。优选地，增压活塞在端部止动件之间自由浮动，以限制增压活塞的移动范围，所述移动范围有利地在缸体的端部上的边沿与抵接缸盖的中空外增压器之间，并且。有利地，将移动范围限制为介于2mm和30mm之间并且优选地介于5mm至10mm之间。

优选地，泵还包括入口，以用于允许流体流到入口阀，其中，增压缸体在其中还包括开口，所述开口流体连接到所述入口，以允许入口中的流体流入和流出增压缸体中的低压区域。优选使用来自入口的流体来填充增压活塞组件中的低压腔，使得如果有任何流体从增压缸体泄露到腔中将不存在污染。而且，入口中的流体压力处于适当压力条件下，通常为3bar。可替代地或者另外地，增压缸体还包括位于其中、连接到低压源的开口。低压源可以是：流体容器，所述流体容器敞口到(open to)大气压；或者囊状物，所述囊状物敞口到大气压；或者聚集器，所述聚集器保持流体处于低压条件下，诸如3bar。流体优选地为水或者可以是液压流体(诸如油)。

优选地，泵是泥浆泵，用于使得钻井泥浆循环通过井眼中的钻柱，并且有利地低压区域填充有钻井泥浆。

有利地，泵是水泥泵，用于泵送水泥等。优选地，用于在构造油或气井的过程中将水泥泵送到井眼中，诸如用于用水泥粘结井眼中的套管。

优选地，用于升高腔内流体压力的升压设备包括往复活塞。有利地，用于升高腔内流体压力的升压设备包括马达。优选地，马达是电动机，所述电动机可以是交流电动机或直流电动机。有利地，马达是液压马达。优选地，马达是柴油发动机。优选地，马达驱动曲柄轴，以使得活塞杆往复移动，其中，活塞头附接到所述活塞杆。

有利地，用于升高腔内流体压力的升压设备包括液压泵。优选地，液压泵包括活塞和缸体，用于使得往复活塞往复移动。

优选地，出口阀的阀头还包括星形架。优选地，星形架布置在阀头的腔侧上。有利地，星形架包括多条支腿，所述多条支腿可以是两条、三条、四条、五条或者更多条。有利地，阀座包括延伸到腔中的延伸部分，所述星形架布置在阀座的延伸部分上。有利地，延伸部分是圆筒状，优选地具有圆形截面，但是可以是椭圆、正方形、五角形、六角形或者具有更多条边。优选地，星形架提高了流经出口阀的流体的流量，从而优选地使得流动正常化并且分配通过阀的流。有利地，星形架引导出口阀，从而保持阀头和转移构件轴向对准。

有利地，出口阀还包括弹簧，所述弹簧用于将阀头偏压抵靠在阀座上。优选地，弹簧是以下中的一种：盘簧、贝氏垫圈(Belleville washer)、片簧或者任何其它适当的弹性构件。有利地，阀杆从阀头延伸。优选地，阀杆布置在阀引导件中。

优选地，入口阀还包括阀头和阀座并且有利地包括弹簧，所述弹簧用于将阀头偏压抵靠在阀座上。优选地，弹簧是以下中的一种：盘簧、贝氏垫圈、片簧或者任何其它适当的弹性构件。有利地，阀杆从阀头延伸。优选地，阀杆布置在阀引导件中。

本发明还提供了一种应用在本发明的泵中的阀组件，所述阀组件包括阀头和阀座，所述阀头能够在打开位置和闭合位置之间移动，其特征在于，阀组件还包括布置在增压缸体中的增压活塞，所述增压活塞和所述增压缸体中的至少一个能够相对于另一个移动，以将打开力增添到阀头。

本发明还提供了一种促进打开阀的方法，所述阀包括阀头和阀座，所述阀头能够在从位于阀座上的闭合位置移动预定距离而抵达位于阀座远侧的完全打开位置，所述方法包括：沿着预定距离的小部分将力添加到阀头。优选地，用于打开泵中的阀，并且最为优选地用于打开位于泵中的排放阀以将钻井泥浆泵送通过井眼中的钻柱和水泥泵。

优选地，所述小部分介于预定距离的1％和95％之间。有利地，所述小部分介于预定距离的5％和33％之间。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将仅仅以示例的方式参照附图，在所述附图中：

图1是包括本发明的泥浆泵的钻机的示意图；

图2是泥浆泵的泵送端的现有技术泵送段的示意图，所述泥浆泵包括入口阀、腔和出口阀；

图3是在打开图2中示出的泵送段中的出口阀Ⅰ期间腔中压力的曲线图；

图4是根据本发明的泥浆泵的泵送端的泵送段的示意图，所述泥浆泵包括根据本发明的入口阀、腔、出口阀和增压活塞组件；

图5是示出了在打开图4中示出的泵送段中的出口阀期间腔中压力的曲线图；

图6是根据本发明的增压活塞组件的一部分的透视图；

图7是图6中示出的增压活塞组件的一部分的截面的侧视图；

图8是图6中示出的增压活塞组件位于泵送段的腔中的一部分的俯视平面图；

图9是根据本发明的泵送段的一部分处于第一使用阶段中的侧视图，所述泵送段结合有图6中示出的增压活塞组件；

图10是的图9中示出的泵送段的所述一部分处于第二使用阶段中的侧视图；

图11是图9中示出的泵送段的所述一部分处于第三使用阶段中的侧视图；

图12是图9中示出的泵送段的所述一部分处于第四使用阶段中的侧视图；和

图13是根据本发明的泵送段的一部分的视图的示意图。

具体实施方式

参照图1，示出了整体用附图标记1识别的钻机。钻机1具有井架2，所述井架2布置在支撑于支腿4上的钻台3上。支腿4就位于地面6上的基础结构5上。

水龙头7在钢丝绳9的动滑车8上被升高和降低，所述钢丝绳9经过位于井架2的顶部处的天车10并且向下抵达位于钻台3上的绞车11。钻杆12的管段从水龙头7悬垂下来，通过转盘13并且在下端部处连接到钻柱14。钻柱14经过井口15进入到地层17的井孔16中。井底组件18布置在钻柱14的下端部处，所述钻柱14在其下端处具有钻头19。环空21被限定在井孔16和钻柱14之间。

流动管路20在一个端部处在井口15处流体连接到环空21而在另一个端部处流体连接到在用泥浆系统22。返回的钻井泥浆M从环空21流经井口15进入到流动管路20并且抵达在用泥浆系统22。在用泥浆系统22包括在用泥浆罐23和一系列泥浆处理设备，诸如：泥浆振动筛24、脱气器25、泥浆调节器26、离心机27。可以使用其它泥浆处理设备，诸如，粘泥分离器和水力旋流器。流动管路20使得返回的钻井泥浆M直接继续流到泥浆振动筛24的筛。筛过的钻井泥浆S从泥浆振动筛24进入到隔段27中。每件其它泥浆处理设备均位于在用泥浆罐23的隔段27、28和29上方，所述在用泥浆罐23使用小的泵从前一隔段供料并且使得处理后的钻井泥浆流入到位于其下方的隔段27、28和29中。

处理后的钻井泥浆随后流到添加段30，添加剂被添加到所述添加段30中，所述添加剂诸如膨润土、重晶石和堵漏材料。对处理过且测试过的钻井泥浆P进行测试，当可接受时，将所述处理过且测试过的钻井泥浆P泵送到抽吸罐31中或者允许其流入到抽吸罐31中。泥浆泵32位于抽吸罐31下游处。处理过且测试过的钻井泥浆P从抽吸罐31流经供应软管33抵达泥浆泵32。处理过且测试过的钻井泥浆P流入到泥浆泵32中，在抽吸罐中的钻井泥浆的压头提供的压力的作用下从抽吸罐31直接向下流入到泥浆泵，或者可以利用小的泵泵送所述处理过且测试过的钻井泥浆P，以便保持相对恒定的供应压力，所述供应压力通常介于1bar至5bar之间并且优选地为3bar。然后，处理过且测试过的钻井泥浆P由泥浆泵32泵送通过软管34进入到水龙头7中，在所述水龙头处，软管流体连接到钻杆12的顶部处并且从钻杆流经钻柱14。

泥浆泵32包括：泵送端部35，所述泵送端部35包括入口歧管38和出口歧管39，所述出口歧管39连接到多个泵送段(诸如，图4中示出的泵送段)；和动力端36，所述动力端36包括驱动活塞杆(诸如，图4中示出的泵送段140的活塞杆158)的至少一个马达37。

在顶部驱动器钻机(未示出)中，转盘用顶部驱动器替代或者更换。在顶部驱动器钻机中，软管34连接到鹅颈管和旋转连接件，所述旋转连接件与顶部驱动器中的套筒流体相连，所述套筒继而选择性连接到钻杆12和钻柱14。

图2示出了泥浆泵的泵送端部的由附图标记40整体识别的现有技术泵送段。泵送段40具有阀块体41，其中入口阀43、往复活塞44和出口阀45限定出腔42。供应管道46允许钻井泥浆P从入口歧管38’流至阀块体41中的入口连接件47。入口歧管38’接收来自抽吸罐(如图1中示出的抽吸罐31)的钻井泥浆P。阀块体41中的流动通道48通到入口阀43的大体圆形阀头50的入口面49。阀头50具有固定在入口阀43的后部面52上的阀杆51。阀杆51可滑动地布置在杆引导件53中。阀头50具有截头圆锥状外边缘54。弹簧55将阀头偏压成离开突伸部56，从而将截头圆锥状外边缘54推压抵靠在阀块体41的截头圆锥状阀座56上，以在它们之间形成基本液密密封。

活塞44可滑动地布置在缸套57中。活塞杆58在一个端部处连接到活塞44而在另一个端部处连接到泥浆泵的动力端(未示出)。泥浆泵的动力端可以包括用于使得活塞44往复移动的任何适当设施，诸如，液压驱动的柱塞或者使得曲柄轴旋转的马达。可以使用任何适当的马达，例如，柴油发动机、电动机或者液压马达。

出口阀45包括在平面图中呈大体圆形的阀头60，所述阀头60具有暴露于腔42中的出口面61。阀头60具有后部面63，阀杆62固定到所述后部面63。阀杆62可滑动地布置在杆引导件64中。阀头60具有截头圆锥状外边缘65。布置在排放通道68中的弹簧66将阀头60偏压成离开阀块体41的顶部部分，从而将截头状圆锥外边缘65推压抵靠在阀块体41的截头圆锥状阀座部67上。排放通道68设置成将钻井泥浆流运送到排放歧管39’中。

任何数量的泵送段40均与入口歧管和出口歧管(未示出)联接在一起，使得能够泵送大量钻井泥浆。通常可以联接任何适当数量的泵送段：两个(诸如双泥浆泵)、三个(诸如三泥浆泵)或者六个(例如六泥浆泵)；但是可以是四个、五个或更多个。活塞44沿着每个缸套57的位置可以错列，以获得钻井泥浆流过出口歧管并且进入到钻柱中的顺畅流动。

在使用中，泵送周期开始，其中出口阀45关闭，钻井泥浆P在低压作用下(例如3bar)流经供应管道46，因活塞44缩回作用被吸入到腔42中，从而将钻井泥浆P抽吸通过入口阀43。因此，腔42中的非常低的压力和由泥浆在抽吸罐中的液面提供的钻井泥浆的压头提供了足以打开入口阀43的力。一旦往复活塞44达到完全缩回位置，腔42中的钻井泥浆P便不再处于非常低的压力条件下。由弹簧55提供的弹簧力克服了阀头50的入口面49上的由输入通道48中的钻井泥浆中的压力提供的力，从而使得阀头移动以抵接阀座56，从而关闭入口阀43。

由使得活塞杆58移动的动力端推动往复活塞44向前通过缸套57，从而减小了腔42的容积并且为腔中的钻井泥浆加压，这由图3中的曲线图中的痕迹线70的陡坡71示出。当作用在出口面61上的力克服了作用在后部面63上的力时，出口阀45应当打开。由钻井流体在出口面61的区域上的压力提供作用在出口面61上的力。由排放通道68中的钻井泥浆在后部面63的区域上的压力以及由弹簧66提供的弹簧力提供作用在后部面63上的力，并且可以考虑阀头60的重量的最小影响。然而，本发明人已经发现的是，需要出口阀45两侧的大压差使得出口阀45失控(crack)而打开，如图3的曲线图中的痕迹线70的部分72中所示。在出口阀45打开之前记录压力P-Crack，所述压力P-Crack通常为675bar。一旦出口阀45打开，则钻井泥浆中的压力正常化，由曲线图中痕迹线70在压力P1处的水平部分73表示。P1是输出流中所需的钻井泥浆压力，P1通常为500bar，(尽管可以为介于100bar和2000bar之间的任何数值)。因此，P-Crack通常比压力P1高20％至30％。当作用在阀头60的后部面63上的力克服由腔42中的钻井泥浆的压力提供的作用在出口面61和截头圆锥状边缘65上的力时，出口阀45将关闭。这通常将随着入口阀43开始打开在活塞44抵达其冲程末端并且开始缩回时发生，重复泵送周期。

本发明人注意到的是，在腔42中和输出流中都发现了压力峰值P-Crack，这会在泥浆泵和相关部件中引发不想要的振动。本发明人已经注意到的是，有益的是在腔42中和排放通道68中获得恒定压力P1。

参照图4，示出了本发明的泵送段，其中，类似的零件用处于100系列中的附图标记表示。

泵送段140具有阀块体141，其中入口阀143、往复活塞144和出口阀145限定出腔142。供应管道146允许钻井泥浆P从歧管38流到阀块体141中的入口连接件147。流动通道148通到入口阀43的大致圆形阀头150的入口面149。阀头150具有固定在后部面152上的阀杆151。阀杆151可滑动地布置在杆引导件153中。阀头150具有截头圆锥状外边缘154。弹簧155将阀头150偏压成离开突伸部156，从而将截头圆锥状外边缘154推压抵靠在阀块体141的截头圆锥状阀座156上。

活塞144可滑动地布置在缸套157中。活塞杆158在一个端部处连接到活塞144而在另一个端部处连接到泥浆泵的动力端(未示出)。动力端可以为任何适当的动力端，诸如在此讨论的任何动力端。

出口阀145包括大体圆形的阀头160，所述阀头160具有暴露于腔42中的出口面161。阀头160具有固定在后部面163上的阀杆162，所述后部面163暴露于输出流中。阀杆162可滑动地布置在杆引导件164中。阀头160具有截头圆锥状外边缘165。布置在排放通道168中的弹簧166将阀头160偏压成离开阀块体141的顶部部分，从而将截头圆锥状外边缘165推压抵靠在阀块体141的截头圆锥状阀座167上。阀头160在闭合位置和完全打开位置之间移动大约30mm。转移杆169定位成与阀头160基本同心，固定在出口面161上并且从出口面161伸出。转移杆169的直径优选地为30mm，尽管所述直径通常介于10mm至75mm之间，并且优选地从出口面161延伸75mm而进入到腔142中。转移杆169是刚性并且能够承受压缩力，使得能够将力施加到转移杆以继续推动阀头160，以便促进打开。

出口阀145设置有整体由附图标记181表示的增压活塞组件，用于促进将附加力施加到阀头160以促进打开，并且然后优选地移除附加力。

增压活塞组件181包括增压活塞182，所述增压活塞182可滑动地布置在缸体183中。缸体183固定在保持器184的腔142中、在出口阀阀头145下方并且与出口阀阀头145同心地排成一列。保持器184包括三条臂(仅仅示出了一条臂185)，所述三条臂围绕缸体183相互间隔开120度并且在一个端部处固定到缸体183而在另一个端部处固定到阀块体141的腔壁186。位于三条臂185之间的三个空间允许钻井泥浆P自由流动通过腔142。

转移杆169经过缸体183的缸盖188中的开口内的密封件187。转移杆169延伸到缸体中大约75mm。低压区域189由缸盖188、缸体壁190和活塞182的上部面191限定。低压区域189经由流体管路192与钻井泥浆输入流动通道148流体连通，使得钻井泥浆P能够在它们之间自由流动。流体管路192具有小直径，诸如5mm，但是可以为任何适当的直径，诸如介于3mm至20mm之间。流体管路192可以包括钻通阀块体141的通道或者包括任何适当管子或者软管。

活塞182具有布置在上部面191和下部面194之间的密封件193，这将腔142和低压区域189隔离开并且允许活塞沿着缸体183顺畅地滑动。活塞182通过边沿195被保持在缸体183中。活塞182具有大约2mm至10mm的移动范围，并且可以小于出口阀145的打开距离。优选地，不超过出口阀145的打开距离的30％。有利地，移动范围介于2mm至5mm之间。

缸体中的开口196布置在活塞182的移动范围的外侧，流体连接到流体管路192。

在使用中，泵送周期开始，其中出口阀145关闭并且钻井泥浆P在低压(诸如3bar)的作用下流动通过供应管道146，因活塞144缩回的作用将钻井泥浆P抽入到腔142中，将钻井泥浆P抽吸通过入口阀143。因此，腔142中非常低的压力和由泥浆在抽吸罐31中的液面提供的钻井泥浆的压头提供了足以打开入口阀143的力。一旦往复活塞144达到完全缩回位置，腔142中的钻井泥浆P便不再处于非常低的压力条件下。由弹簧155提供的弹簧力克服了由输入通道148中的钻井泥浆的压力提供的作用在阀头150的入口面149上的力，从而使得阀头150移动而抵接阀座156，以便关闭入口阀143。

往复活塞144通过使得活塞杆158移动的动力段推动而向前通过缸套157，从而减小了腔142的容积并且为腔中的钻井泥浆加压，这由图5中的曲线图中的痕迹线170的陡坡171示出。当作用在出口面161上的力克服了作用在后部面163上的力时，出口阀145应当打开。出口面61上的力由钻井流体在出口面161的区域上的压力提供，而且附加力通过转移杆169的移动而施加到出口面161。腔142中的钻井泥浆中的例如500bar(但是可以介于100bar至1000bar之间)的大压力作用在增压活塞182的第二面194上，所述大压力大于由低压区域提供的作用在增压活塞182的第一面191上的力(通常为3bar)。合成的附加力使得活塞182朝向杆169的端部移动，从而将低压流体从低压区域189通过流体管路192排出。活塞182碰触转移杆并且继续推动转移杆169，从而将这个附加力施加到出口面161。活塞182向前移动大约4mm至10mm，从而推动阀头160打开大约2mm至8mm，在此时，转移杆169离开活塞182并且在行进大约30mm之后打开至完全打开位置。因此，在阀头行进的最后部分期间没有将附加力施加到阀头160。阀头160在作用在出口面上的总力大于作用在后部面163上的力时开始离开其位置。作用在后部面163上的力由排放通道168中的钻井泥浆中在后部面163的区域上的压力和由弹簧166供应的弹簧力提供。由增压活塞组件181施加的附加力在钻井泥浆中的压力没有大峰值的情况下提供了使得出口阀失控而打开所需的附加力，如由图5的曲线图中的从在腔142中的累积压力到由水平线173示出的排放压力P1的顺畅过渡172所示。因此，在打开排放阀145期间，腔142中的压力与随后进入排放通道168中的钻井泥浆中的压力基本相等。

一旦出口阀145打开，则钻井泥浆中的压力正常化，这由曲线图中痕迹线170的在压力P1处的水平部分173示出。P1是在输出流中所需的通常为500bar(尽管可以介于100bar和2000bar之间)的钻井泥浆压力。当作用在阀头160的后部面163上的力克服了由钻井泥浆在腔142中的压力提供的作用在出口面161和截头圆锥边缘165上的力时，出口阀145将关闭。这通常将随着入口阀143开始打开而在活塞144抵达其冲程末端并且开始缩回时发生。增压活塞182将回落到边沿195，从而将钻井泥浆从入口148抽吸到低压区域189中。然后重复泵送周期。

在图6、图7和图8中示出了根据本发明的增压活塞组件的一部分，其与图4的泵送段大致类似，其中，类似的零件用处于200系列中的附图标记表示。

自由浮动的增压活塞282可滑动地布置在增压缸体283中。增压活塞282具有暴露于低压区域289中的上部面291和暴露于腔242中的钻井泥浆压力中的下部面294。增压缸体283在下端处包括边沿295，以将增压活塞282保持在增压缸体283中。增压缸体282包括主体283’，所述主体283’具有三条臂285、285’和285”，所述三条臂285、285’和285”从主体延伸到阀体241，以使得主体283’居中位于腔242中。臂285、285’和285”围绕主体以大约120度间隔开并且限定出钻井泥浆能够流动通过的流动路径242’、242”和242”’。三个突出的凸耳297、297’和297”围绕主体283’间隔开，以将增压活塞组件刚性固定到阀块体241。

参照图9，出口阀245包括大体圆形阀头260，所述圆形阀头260具有暴露于腔242中的出口面261。阀头260具有固定在后部面263上的阀杆262，所述后部面263暴露于输出流中。后部面263包括平面环部分263’和凹陷部分263”。阀杆262可滑动地布置在杆引导件(未示出)中。阀头260具有截头圆锥状外边缘265，所述截头圆锥状外边缘265具有可以为弹性体、机械加工的金属或者尼龙材料的截头圆锥状密封构件265’。布置在排放通道268中的弹簧266将阀头260偏压成离开阀块体的顶部部分(未示出)，从而将截头圆锥状密封构件265’推压抵靠在阀插入件241’的截头圆锥状阀座267上，这形成阀块体241的一部分或者装配在阀块体241中。阀头260在闭合位置和完全打开位置之间移动约30mm。转移杆269与阀头160基本同心、固定在出口面261上并且从出口面261伸出。转移杆269的直径优选地为15mm，尽管直径通常可以介于10mm至75mm之间，并且优选地从出口面261延伸75mm进入到腔242中。转移杆269是刚性的并且能够承受压缩力，使得能够将力施加到转移杆，以继续推动阀头260，而促进打开。转移杆269行进通过缸盖288上的密封接头287。密封接头287包括环绕转移杆269的帽287’。密封接头287还包括多个密封元件287”和引导环，以便在压差通常为500bar并且可以介于100bar和1000bar之间期间提供围绕转移杆269、在腔242和低压区域289之间的钻井流体紧密密封。

星形架298刚性固定在出口阀阀头260上或者与出口阀阀头260成一体，并且从出口阀阀头悬垂到腔242中。星形架298能够与出口阀阀头260一起在形成于阀插入件241’的下部部分中的缸体241”中滑动。星形架包括四条支腿298’、298”和298”’，所述四条支腿围绕转移杆269以90度间隔开。星形架298在打开和闭合期间帮助保持出口阀245和转移杆269居中。而且，星形架使得钻井泥浆更好地流动通过出口阀245。

由缸盖288、缸壁290、活塞282的上部面291限定低压区域289。低压区域289经由流体管路292与钻井泥浆入口流动通道(未示出，但是与流动通道148大致类似)流体连通，使得钻井泥浆P能够在它们之间以大约3bar的压力自由流动。

活塞282具有布置在上部面291和下部面294之间的密封件293，所述密封件293将腔242与低压区域289隔离开并且允许活塞沿着缸体283顺畅地滑动。活塞282具有大约2mm至10mm的移动范围并且可以小于出口阀245的打开距离。优选地，不超过出口阀245的打开距离的30％。

在使用中，自由浮动的增压活塞282初始位于缸体283的边沿295上，如图10所示。随着腔242中的钻井泥浆的压力累积，增压活塞282两侧的压差使得增压活塞282向上移动，以接触转移杆269的支脚，如图10所示。随着钻井流体在腔242中的压力达到钻井流体在排放通道268中的压力，由增压活塞282作用在转移杆269上的附加力促进出口阀阀头260从阀座267失控，如图11所示。增压活塞282可以将转移杆269仅仅推动2mm，以用于完成此目的。出口阀阀头260两侧的压差和流动通过出口阀阀头的钻井流体流进一步推动出口阀阀头260打开，在此时，转移杆269的支脚与增压活塞282的上部面291分开。出口阀阀头260完全打开，通常打开大约30mm，如图12所示。

所述开口296允许通过流体管路292使得低压区域289和流动通道(诸如，148)之间流体连通，所述开口296由活塞282覆盖，尽管密封件293位于增压活塞282的下部部分中使得防止密封件293被开口296损坏。

在泥浆泵周期的将钻井流体抽吸到腔242中的一部分期间，腔242中的压力减小至低于低压区域289中的流体压力的压力。自由浮动的增压活塞282自身就位于边沿295上。出口阀阀头260返回到闭合位置，其中，密封件265’就位于阀座267上。

参照图13，示出了本发明的泵送段的一部分，这与图4的泵送段大致类似，其中，类似的零件参照处于100系列中的附图标记。

示出了出口阀345和增压活塞组件380。除了增压活塞382之外，增压活塞组件380与增压活塞组件180大致类似，所述增压活塞382具有转移杆369，所述转移杆369固定到增压活塞，所述转移杆369具有自由的上支脚399，所述自由上支脚399选择性地接合出口阀阀头360的下部面361。流体管路392在其中设置有水，所述水与低压区域389流体连通。从恒定压力源399a供应水，所述恒定压力源399a可以是蓄集器，所述蓄集器可以启动至优选3bar的压力。

设想其它改变和修改，诸如，使用固定的活塞和移动的缸体，以用于推动阀头。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种泵，所述泵包括：壳体(141)，所述壳体具有腔(142)，所述腔具有入口阀(143)；和升压设备(144)，所述升压设备用于升高所述腔(142)中的流体的压力；和排放阀(145)，所述排放阀(145)包括阀头(160)和阀座(167)，所述阀头能够在打开位置和闭合位置之间移动，其特征在于，所述泵还包括布置在增压缸体(183)中的增压活塞(182)，所述增压活塞(182)具有暴露于低压区域(189)的第一面(191)和暴露于所述腔(142)中的流体压力的第二面(194)，所述增压活塞(182)和所述增压缸体(183)中的至少一个能够相对于另一个移动，以将打开力增添到所述排放阀(145)。

2.根据权利要求1所述的泵，所述泵还包括转移构件(169)，所述转移构件布置在所述阀头(160)和所述增压活塞(182)之间。

3.根据权利要求2所述的泵，其中，所述转移构件(169)具有第一端部和第二端部，所述第一端部固定到所述阀头(160)，而所述第二端部是自由的。

4.根据权利要求3所述的泵，其中，所述转移构件(169)通过所述增压缸体(183)进入到所述低压区域(189)，所述第二端部布置于所述增压活塞(182)在所述增压缸体(183)中的移动路径中。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述增压活塞(182)在所述增压缸体(183)中自由浮动。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，所述泵还包括入口(148)，以用于允许流体流至所述入口阀(143)，其中，所述增压缸体(183)在其中还包括开口，所述开口流体连接到所述入口(148)，以允许所述入口中的流体流入和流出所述增压缸体(183)中的所述低压区域(188)。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的泵，其中，所述增压缸体(183)还包括位于其中且连接到低压源的开口。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述泵用于使钻井泥浆循环通过钻柱。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述低压区域填充有钻井泥浆。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的泵，其中，所述泵用于泵送水泥。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述用于升高腔(142)中的流体压力的升压设备(144)包括往复活塞。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述用于升高腔(142)中的流体压力的升压设备(144)包括马达。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述用于升高腔(142)中的流体压力的升压设备(144)包括液压泵。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述排放阀(145)的所述阀头(160)还包括星形架(298)。

15.根据权利要求14所述的泵，其中，所述阀座(267)包括从阀座上延伸的延伸部分(241’)，所述星形架(298)布置在所述延伸部分中。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述出口阀(145)还包括弹簧(166)，用于将所述阀头(160)偏压抵靠在所述阀座(167)上。

17.一种应用在根据前述权利要求中的任一项所述的泵中的阀组件，所述阀组件包括：阀头(160)和阀座(167)，所述阀头能够在打开位置和闭合位置之间移动，其特征在于，所述阀组件还包括增压活塞(182)，所述增压活塞布置在增压缸体(183)中，所述增压活塞(182)和所述增压缸体(183)中的至少一个能够相对于另一个移动，以便将打开力增添到所述阀头(160)。

18.一种用于促进打开阀的方法，所述阀包括阀头(160)和阀座(167)，所述阀头(160)能够从位于所述阀座(167)上的闭合位置移动预定距离抵达位于所述阀座远侧的完全打开位置，所述方法包括将由阀头两侧的流体压差提供的力施加到阀头(160)的步骤，所述方法还包括沿着所述预定距离的小部分将附加力提供给所述阀头(160)的步骤。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述小部分介于所述预定距离的1％和95％之间。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述小部分介于所述预定距离的5％和33％之间。

Claims (20)

1.一种泵，所述泵包括：壳体(141)，所述壳体具有腔(142)，所述腔具有入口阀(143)；和升压设备(144)，所述升压设备用于升高所述腔(142)中的流体压力；和排放阀(145)，所述排放阀(145)包括阀头(160)和阀座(167)，所述阀头能够在打开位置和闭合位置之间移动，其特征在于，所述泵还包括布置在增压缸体(183)中的增压活塞(182)，所述增压活塞(182)具有暴露于低压区域(189)的第一面(191)和暴露于所述腔(142)中的流体压力的第二面(194)，所述增压活塞(182)和所述增压缸体(183)中的至少一个能够相对于另一个移动，以将打开力增添到所述出口阀。

2.根据权利要求1所述的泵，所述泵还包括转移构件(169)，所述转移构件布置在所述阀头(160)和所述增压活塞(182)之间。

3.根据权利要求2所述的泵，其中，所述转移构件(169)具有第一端部和第二端部，所述第一端部固定到所述阀头(160)，而所述第二端部是自由的。

4.根据权利要求3所述的泵，其中，所述转移构件(169)通过所述增压缸体(183)进入到所述低压区域(189)，所述第二端部布置于所述增压活塞(182)在所述增压缸体(183)中的移动路径中。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述增压活塞(182)在所述增压缸体(183)中自由浮动。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，所述泵还包括入口(148)，以用于允许流体流至所述入口阀(143)，其中，所述增压缸体(183)在其中还包括开口，所述开口流体连接到所述入口(148)，以允许所述入口中的流体流入和流出所述增压缸体(183)中的所述低压区域(188)。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的泵，其中，所述增压缸体(183)还包括位于其中且连接到低压源的开口。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述泵用于使钻井泥浆循环通过钻柱。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述低压区域填充有钻井泥浆。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的泵，其中，所述泵用于泵送水泥，优选地用于将水泥泵送到在油或气井构建的井眼中。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述用于升高腔(142)中的流体压力的升压设备(144)包括往复活塞。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述用于升高腔(142)中的流体压力的升压设备(144)包括马达。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述用于升高腔(142)中的流体压力的升压设备(144)包括液压泵。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述排放阀(145)的所述阀头(160)还包括星形架(298)。

15.根据权利要求14所述的泵，其中，所述阀座(267)包括从阀座上延伸的延伸部分(241’)，所述星形架(298)布置在所述延伸部分中。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其中，所述出口阀(145)还包括弹簧(166)，用于将所述阀头(160)偏压抵靠在所述阀座(167)上。

17.一种应用在根据前述权利要求中的任一项所述的泵中的阀组件，所述阀组件包括：阀头(160)和阀座(167)，所述阀头能够在打开位置和闭合位置之间移动，其特征在于，所述阀组件还包括增压活塞(182)，所述增压活塞布置在增压缸体(183)中，所述增压活塞(182)和所述增压缸体(183)中的至少一个能够相对于另一个移动，以便将打开力增添到所述阀头(160)。

18.一种用于促进打开阀的方法，所述阀包括阀头(160)和阀座(167)，所述阀头(160)能够从位于所述阀座(167)上的闭合位置移动预定距离抵达位于所述阀座远侧的完全打开位置，所述方法包括沿着所述预定距离的小部分将附加力增添到所述阀头(160)的步骤。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述小部分介于所述预定距离的1％和95％之间。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述小部分介于所述预定距离的5％和33％之间。