CN107701419A - 一种用于压裂开采的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于压裂开采的装置，包括缸体和活塞杆，活塞杆的一端活动贯穿缸体的一个端面且连接有位于缸体内部的活塞，活塞杆的另一端与压裂泵的动力端连接；缸体上设置有进料口和排料口，进料口上方设置有吸入阀，缸体通过进料口与进料管连通，排料口上方设置有排出阀，缸体通过排料口与排料管连通，缸体内表面上设置有若干第一凹槽，还包括与第一凹槽相匹配的限位垫和若干填充垫，限位垫的高度大于第一凹槽的高度，所述填充垫的高度等于第一凹槽的高度；活塞与缸体接触的侧面上设置有第二凹槽，第二凹槽中设置有滚珠。本发明通过应用第一凹槽、填充垫、限位垫、第二凹槽和滚珠达到了减小压裂泵动力端输出负荷的目的。

Description

一种用于压裂开采的装置

技术领域

本发明涉及石油开采领域，具体涉及一种用于压裂开采的装置。

背景技术

人类文明的发展过程中，石油扮演着非常重要的角色。但石油属于不可再生资源，同时目前对石油的需求量逐年增加，导致了油田的石油储备量不断降低，对于大多数处于中后期的油田，常规的开采方法所得的石油量很少，因此在这些油田引入压裂工艺以提高石油产量。

压裂工艺中使用的压裂设备，例如压裂泵是提高石油产量的主要设备之一。压裂泵能够将压裂液运输到井底，致使井底的岩石裂开从而提高石油渗透率，增加石油在地层下方的快速流动以提高产油率。随着人们对产油率要求的提高，压裂泵也向着大功率、高压、大排量、输出介质多样化、多功能发展。

压裂泵的结构主要分为动力端和液力端两部分。其中，动力端通常采用曲柄连杆机构将转动能量转化成直线往复运动能量传递给活塞，动力端的常用零部件包括输入轴、曲轴、连杆、十字头、介杆；液力端又称作泵头，主要包括缸体、缸套、活塞杆、活塞、吸入阀、排出阀等零部件。相较于动力端，液力端不仅价格昂贵且容易损坏，因为液力端承受着高压和压裂液的腐蚀。

传统压裂泵的液力端的活塞杆由动力端的曲柄连杆机构驱动，在液力端的缸体中带动活塞做往复运动。但是活塞在缸体中的移动仅受动力端作用，同时由于密封需求，活塞与缸体之间的结合较紧密，摩擦力较大，因此动力端的负荷很大，长时间运作后动力端容易损坏，增加了泵头的检修频率，降低压裂工艺的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于压裂开采的装置，以解决现有技术中压裂泵在长时间运作后，由于活塞在缸体中的移动仅受动力端作用，且活塞与缸体之间的结合紧密摩擦力较大从而导致动力端易损坏的问题。

本发明通过下述技术方案实现：一种用于压裂开采的装置，包括缸体和活塞杆，所述活塞杆的一端活动贯穿缸体的一个端面且连接有位于缸体内部的活塞，活塞杆的另一端与压裂泵的动力端连接；缸体上设置有进料口和排料口，进料口上方设置有吸入阀，缸体通过进料口与进料管连通，排料口上方设置有排出阀，缸体通过排料口与排料管连通，缸体内表面上设置有若干第一凹槽，还包括与第一凹槽相匹配的限位垫和若干填充垫，所述限位垫的高度大于第一凹槽的高度，所述填充垫的高度等于第一凹槽的高度；活塞与缸体接触的侧面上设置有第二凹槽，所述第二凹槽中设置有滚珠。

现有技术中，压裂泵液力端的活塞杆由动力端曲柄连杆机构驱动，并带动活塞在缸体中做往复运动。但是活塞在缸体中的移动仅受动力端作用，同时由于密封需求，活塞与缸体之间的结合较紧密，对动力端的负荷很大，长时间运作后动力端容易损坏，增加了泵头的检修频率，降低压裂工艺的效率。为了解决上述问题，本发明提供了一种用于压裂开采的装置，通过在压裂泵内表面上设置多个第一凹槽，根据设计的活塞往复距离放置限位垫和填充垫，从而使活塞在运动至限位垫时能受到限位垫的与活塞运动方向相反的作用力，从而辅助活塞往复运动，达到减小动力端负荷的目的；同时，在活塞中还设置有第二凹槽，并在第二凹槽中放置滚珠，滚珠将活塞与缸体内表面之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，减小了摩擦力，也达到了降低压裂泵动力端负荷的目的。

具体地，与现有技术相同，本发明也包括缸体、活塞、活塞杆、吸入阀、排出阀、进料口、进料管、排料口、排料管，上述零部件的连接方式与现有技术中的连接方式相同。即活塞杆一端连接压裂泵的动力端从而受到动力端的驱动，活塞杆的另一端连接有活塞，活塞受活塞杆的作用在缸体中做往复运动。缸体上还设置有进料口和排料口，缸体通过进料口、排料口分别与进料管、排料管连通，在进料口和排料口上方分别设置有吸入阀和排出阀。吸入阀和排出阀均为单向阀，其结构为现有技术，通过其内部设置的弹簧机构的压缩和反弹，以及缸体内外的压力差实现压裂液的吸入和排出。

与现有技术不同的是，本发明在缸体的内表面上增加了若干第一凹槽，以及与第一凹槽相匹配的限位垫和若干填充垫，此处所提到的相匹配意指宽度相匹配，限位垫和填充垫能够放入第一凹槽中并卡住。优选地，限位垫和填充垫可以是耐酸的橡胶例如硅橡胶、丁基胶、氟橡胶等，因此，由于橡胶本身具有一定的弹性，因此限位垫和填充垫的宽度可以稍大于第一凹槽的宽度以实现过盈配合，达到放置在其中并卡住的目的。需要放置限位垫的第一凹槽的个数可以是一个或者两个，其他的第一凹槽中均放置填充垫，这样设计的目的一方面在于限位垫可以限制活塞的单程移动极限，也可以限制活塞的双程移动极限，另一方面其他第一凹槽中放置填充垫使得活塞的移动更加顺畅，也避免了压裂液填充在第一凹槽中。限位垫和填充垫的高度存在差异，限位垫的目的是限制活塞单程或双程移动的极限，因此其高度必然高于第一凹槽的高度，而填充垫是为了活塞更好的在缸体中做往复运动，因此优选地填充垫的高度等于第一凹槽的高度。使用时，根据设计好的活塞的最大移动距离，即两个止点之间的距离，在止点处放置限位垫，并在其余第一凹槽中放置填充垫。当活塞移动至限位垫时，一方面受到活塞杆的作用向反方向移动，另一方面也受到限位垫的弹力向反方向移动，即限位垫起到辅助活塞在止点上的方向变动，从而达到减小动力端负荷的目的。同时，通过上述设计，可以根据不同的活塞移动距离在不同的第一凹槽中放置限位垫，能够满足用户不同的需求。

另外，在活塞上还设置有第二凹槽，第二凹槽中设置有滚珠。第二凹槽设置在活塞与缸体接触的侧面上，第二凹槽与缸体的内表面形成了封闭的空间，在该封闭空间中设置有滚珠，滚珠的目的在于将第二凹槽与缸体之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而降低了活塞在往复运动中收到来自缸体内表面的摩擦力，不仅可以降低局部生热，还能够减小压裂泵动力端的输出负荷。

进一步地，滚珠的直径等于第二凹槽的高度。这样设计能够促使滚珠与缸体内表面接触，提高滚动摩擦的效果。

进一步地，第一凹槽为圆环形凹槽，圆环的中轴线与缸体的中轴线相互重叠。第一凹槽设置为圆环形的凹槽，且圆环的中轴线与缸体的中轴线相互重叠。缸体的横截面为圆形，第一凹槽的横截面为与该圆形圆心相同的直径更大的圆形。

进一步地，填充垫和限位垫也为圆环状，且填充垫的内径等于缸体的内径，限位垫的内径小于缸体的内径。填充垫和限位垫的形状也随着第一凹槽的形状发生变化以放置在第一凹槽中。填充垫的内径等于缸体的内径以使得活塞能够顺畅地在缸体内做往复运动，同时压裂液不会大量进入到第一凹槽中。限位垫的内径小于缸体的内径，这一点与前文所提到的限位垫的高度大于第一凹槽高度的作用一样，因为限位垫起到限制活塞移动距离的作用，因此需要限位垫的内径比缸体的内径更小。

进一步地，第一凹槽的宽度为8厘米，所述填充垫和限位垫的厚度均为8厘米。在实际应用中，将第一凹槽的宽度设置为8厘米，并将与其相匹配的填充垫和限位垫的厚度设置为8厘米。这里提到的厚度是指填充垫和限位垫呈圆环形时，圆环的厚度，其目的在于将填充垫和限位垫卡在第一凹槽中。

进一步地，限位垫的内径比缸体的内径小10-15厘米。即限位垫高出第一凹槽10-15厘米，若限位垫的内径比缸体的内径小不到10厘米，即限位垫未高出第一凹槽10厘米，限位效果若，甚至会导致活塞卡在限位垫上；若限位垫高出第一凹槽15厘米以上，限位垫对缸体内部空间的占用较大。

进一步地，填充垫和限位垫均由橡胶制成。橡胶具有耐磨性和一定的弹力、硬度，能够满足设计的需求。因为对象是压裂液，所以通常使用耐酸的硅橡胶或氟橡胶。

进一步地，第一凹槽的个数为5-10个。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过第一凹槽、填充垫和限位垫，使得活塞移动至限位垫时，一方面受到活塞杆的作用向反方向移动，另一方面也受到限位垫的弹力向反方向移动，即限位垫起到辅助活塞在止点上的方向变动，从而达到减小动力端负荷的目的，延长了液力端的使用寿命；同时，还可以根据不同的活塞移动距离在不同止点上的第一凹槽中放置限位垫，从而能够满足用户不同的需求；

2、本发明还在活塞上设置有第二凹槽并在第二凹槽中放置有滚珠，滚珠将第二凹槽与缸体之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而降低了活塞在往复运动中收到来自缸体内表面的摩擦力，不仅可以降低局部生热，还能够减小压裂泵动力端的输出负荷。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-缸体，2-活塞，3-活塞杆，4-填充垫，5-限位垫，6-排出阀，7-排料管，8-吸入阀，9-进料管，10-滚珠。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示的一种用于压裂开采的装置，包括缸体1和活塞杆3，活塞杆3的一端活动贯穿缸体1的一个端面且连接有位于缸体1内部的活塞2，活塞杆3的另一端与压裂泵的动力端连接；缸体1上设置有进料口和排料口，进料口上方设置有吸入阀8，缸体1通过进料口与进料管9连通，排料口上方设置有排出阀6，缸体1通过排料口与排料管7连通，缸体1内表面上设置有若干第一凹槽，还包括与第一凹槽相匹配的限位垫5和若干填充垫4，限位垫5的高度大于第一凹槽的高度，填充垫4的高度等于第一凹槽的高度；活塞2与缸体1接触的侧面上设置有第二凹槽，第二凹槽中设置有滚珠10；滚珠10的直径等于第二凹槽的高度；第一凹槽为圆环形凹槽，圆环的中轴线与缸体的中轴线相互重叠；填充垫4和限位垫5也为圆环状，且填充垫4的内径等于缸体1的内径，限位垫5的内径小于缸体1的内径；第一凹槽的宽度为8厘米，所述填充垫4和限位垫5的厚度均为8厘米；限位垫5的内径比缸体1的内径小10-15厘米；填充垫4和限位垫5均由橡胶制成；第一凹槽的个数为5-10个。

使用时，当需要吸入压裂液时，受到动力端曲柄连杆机构的作用，活塞杆3带动活塞2在缸体1中做往复运动。活塞2向压裂泵动力端移动至止点时，活塞2受到限位垫5的反方向的作用力；当活塞2向进料口方向移动至止点时，活塞2也受到限位垫5的与运动方向相反的作用力，由此达到辅助活塞2转向，降低动力端输出负荷的目的。不仅如此，第二凹槽中的滚珠10将活塞2与缸体1内表面的滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低了摩擦力，达到了减少局部生热的目的，也减小了动力端的输出负荷，具有普遍的应用价值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于压裂开采的装置，包括缸体(1)和活塞杆(3)，所述活塞杆(3)的一端活动贯穿缸体(1)的一个端面且连接有位于缸体(1)内部的活塞(2)，活塞杆(3)的另一端与压裂泵的动力端连接；缸体(1)上设置有进料口和排料口，进料口上方设置有吸入阀(8)，缸体(1)通过进料口与进料管(9)连通，排料口上方设置有排出阀(6)，缸体(1)通过排料口与排料管(7)连通，其特征在于，缸体(1)内表面上设置有若干第一凹槽，还包括与第一凹槽相匹配的限位垫(5)和若干填充垫(4)，所述限位垫(5)的高度大于第一凹槽的高度，所述填充垫(4)的高度等于第一凹槽的高度；活塞(2)与缸体(1)接触的侧面上设置有第二凹槽，所述第二凹槽中设置有滚珠(10)。

2.根据权利要求1所述的一种用于压裂开采的装置，其特征在于，所述滚珠(10)的直径等于第二凹槽的高度。

3.根据权利要求1所述的一种用于压裂开采的装置，其特征在于，所述第一凹槽为圆环形凹槽，圆环的中轴线与缸体的中轴线相互重叠。

4.根据权利要求3所述的一种用于压裂开采的装置，其特征在于，所述填充垫(4)和限位垫(5)也为圆环状，且填充垫(4)的内径等于缸体(1)的内径，限位垫(5)的内径小于缸体(1)的内径。

5.根据权利要求4所述的一种用于压裂开采的装置，其特征在于，所述第一凹槽的宽度为8厘米，所述填充垫(4)和限位垫(5)的厚度均为8厘米。

6.根据权利要求4所述的一种用于压裂开采的装置，其特征在于，所述限位垫(5)的内径比缸体(1)的内径小10-15厘米。

7.根据权利要求4所述的一种用于压裂开采的装置，其特征在于，所述填充垫(4)和限位垫(5)均由橡胶制成。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种用于压裂开采的装置，其特征在于，所述第一凹槽的个数为5-10个。