CN1102203C - 一种增强水力活塞泵抗干扰性的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于深井采油的水力活塞泵的控制装置。它有四个液动球阀、二个先导阀、二个顺序阀及防冲击阀组成。先导阀及顺序阀控制四个球阀按严格程序启闭，使得活塞在换向过程中的速度图为较佳状态。防冲击阀可阻止因油气分离造成的冲击，避免因冲击造成泵及井内设施的损坏。这种控制装置具有较高抗砂卡干扰性能，可提高井下水力活塞泵的连续工作期。它可单独投下及液压提升，使维修工作简化。

Description

一种增强水力活塞泵抗干扰性的控制装置

本发明涉及一种增强水力活塞泵抗干扰性的控制装置，该控制装置属于深井采油设备的技术领域。

虽然杆式抽油设备目前仍广泛用于深井采油，但因它的固有缺陷使其在斜井、深井及稠油井中运转受到限制。自30年代无杆泵开始获得发展，到目前其主要类型为电动潜油泵及水力活塞泵(又称液压活塞深井泵)。前者适用大排量稀油井，后者适用中小排量稠油井。自70年代我国逐步发展及推广水力活塞泵，在石油生产中起到积极作用。水力活塞泵技术是液压传动技术用于深井采油的分支。其原理是由地面动力泵(一般为高压柱塞泵)将净化的油井液增压后，沿井内的油管输入井下水力活塞泵，经泵的换向机构，高压动力液驱动液压发动机及泵作往复运动。动力液与抽出的油井液，在套管与泵所构成的环状空间混合后，流到地面。部分混合液净化后可作为动力液。这种泵分为二部分，(1)工作筒与油管连结后，安放在井下；(2)机组由油管中投下，到达井下工作筒内，高压动力液驱动它工作。当机组发生故障后，采用液压反循环可将机组提升到地面取出，新机组投下，油井立即恢复生产。这种结构对维修十分有利。美国专利3849030及4293287，是水力活塞泵的较先进发明，而且已大量生产。本发明是对这二项专利产品的改进，使它们更适合我国生产情况。

在油田开发初期，油井出水率小而且动液面高，水力活塞泵的动力液为净化原油，而压力在10MPa左右，在这种条件下，泵的换向机构因介质较好，工作压力低，引起的砂卡及气蚀的机率较小，因而连续工作时间长(即免修期长)，通常一次投泵可工作几个月。在油田开发后期，油井液含水率升高，某些井的含水超过80％。为了保住单井产量，提高井下泵冲次，增大泵的产量来弥补含水的上升。这样的开采方法带来三个问题(1)动力液的净化工作量急剧增大，因原有净化设备的限制，导致动力液质量下降含砂率上升；(2)因泵流量增大使油井液的的动液面下降，动力液压力上升；(3)泵冲次增加，不仅泵的球阀的冲击增强，有可能泵的缸套内产生油气分离，使缸套内冲击进一步加强。这三点使得砂卡及气蚀的机率和危害增强，因冲击使泵的球阀密封损坏，最终使机组免修期急剧缩短，这对生产极为不利。

从自动控制观点看，水力活塞泵的运动是一液压闭环控制与开环控制的交替。液压往复发动机是一阀控油缸，换向过程影响泵的球阀启闭过程。

本发明的目的是提出一种增强水力活塞泵抗干扰性的控制装置，用于提高泵的免修期。影响水力活塞泵正常工作因素如砂卡、油气分离、工艺误差……等可看为控制系统的干扰。为了提高泵的免修期，对动力液净化可看为反干扰，而改变水力活塞泵的结构及参数可看为增强它的抗干扰性能。本发明通过力学及控制原理的分析改变泵的结构及参数，从而增强它的抗干扰性能。

实施本发明上述目的所采取的技术方案如下：(1)用四个液动球阀取代已有水力活塞泵所用的二位四通滑阀，减弱砂卡的影响。(2)用二个先导阀及二个顺序阀控制四个液动球阀的启闭过程，使得泵活塞的速度图为较佳状态。(3)在控制装置中安置一个防冲击阀，消除泵缸套内因油气分离产生的冲击。(4)尽可能增大推动阀的有效液压面积，例如将流道安置在泵的工作筒上。(5)由各种阀组成的装置可单独投下或提升。这些技术措施反映在权利要求书中。

本申请书附图25幅：

图1为泵活塞的理想速度图。

图2为当换向过程受到砂卡干扰后，变化的活塞速度图。

图3为换向过程受到油气分离干扰后，变化的活塞速度图。

图4为球阀密封面砂卡的示意图。

图5为轴孔密封面砂卡的示意图。

图6为滑阀的阀口砂卡的示意图。

图7为滑阀的阀口砂卡恶化的示意图。

图8为小型油缸模拟砂卡的力学分析简图。

图9为防冲击阀的特性曲线。当油管内动力液压力与泵活塞负截面的压力差ΔP在一定范围内，流量为最大。

图10为本发明的控制系统图。

图11为控制装置的上部分的纵向剖面示意图。

图12为控制装置的下部分的纵向剖面示意图，上下两部分组成可单独提升的控制装置。

图13为往复液压发动机与活塞泵组成的机组的纵向剖面示意图。

图14为控制装置的过渡接头1450与高压液动球阀1400的纵向剖面图。

图15为控制装置的过渡接头1450与高压液动球阀1500的纵向剖面图。

图16为液动球阀1400的K-K剖面图。

图17为阀球罩1402的正视图。

图18为阀球罩1402的R向视图。

图19为过渡接头1450的L-L剖面图。

图20为低压液动球阀1600与顺序阀1650的纵向剖面图。

图21为先导阀1200的纵向剖面图。

图22为防冲击阀的纵向剖面图。

图23为图20所示的低压液动球阀的M-M剖面图。

图24为图20所示的顺序阀的N-N剖面图。

图25为图22所示的防冲击阀的O-O剖面图。

现在结合附图所示的实施例对本发明作进一步的说明。换向机构输给液压发动机的流量，使得活塞速度图如图1所示。由于发动机活塞又是泵活塞(见美国专利3849030)，因而泵活塞速度图也如图1所示。V₀为活塞向上作匀速运动的速度。V₁为换向机构关闭过程的活塞速度(V₁为变量)，此时进入液压发动机的流量为变量，由Q₀(对应V₀)→0。V₂期间换向机构几乎全闭，活塞速度几乎为零。V₂期间应足够长，使泵的进排阀依靠弹簧关闭，避免因油液的压力作用使球对阀座造成冲击，V₃期间换向机构逐步打开，活塞组获得加速，速度达到(-V₀)，向下作匀速运动。但因砂卡及泵内油气分离，使实际的活塞速度图偏离图1。具体分析如下：

(1)因砂卡使换向过程的时间延长，如图2实线所示。如果砂卡逐步严重，发展到完全卡死，图2中实线逐渐变为虚线，活塞停留一端。

(2)因动力液压力较高及泵冲次过大，使V₂时间缩短，如图3实线所示，球阀的关闭主要是液压力的作用，导致钢球对阀座冲击增强，其后果是球阀密封破坏，泵产量急剧下降。

(3)由于地层压力较低，油井液在泵内产生油气分离，换向后，活塞先压缩气体，使得活塞组的负载很小，液压力使活塞组获得很大速度，原储存在油管内的油液的压缩能瞬时变成活塞组动能，当活塞接触到液面，因油液的惯性等因素，使得活塞速度急剧下降，可能接近零，如图3中虚线所示。这样使得固体与液体产生极强的冲击，导致球阀损坏。

以上几种情况都影响或破坏泵的正常运行。

干扰的机理分析与增强抗干扰性能的措施

几种典型密封面的砂卡及气蚀损坏：

(1)球阀密封面的砂卡及气蚀。如图4所示，钢球与阀座构成密封面用于泵的进排阀。其优点是当密封面有砂粒夹住，因液压形成的总压力大，可将砂粒压碎，再次打开，砂粒被油液冲走，因钢球转动，压伤点移到别处。如果球与阀座用硬度高的材料制成，则不会产生卡死现象。但因这种结构的密封长度短，当有砂卡发生将导致气蚀，气蚀将损坏密封(俗称刺漏)。如果球与阀座材料及加工质量好，工作介质为粘度高的油，其寿命可很长。

(2)轴孔密封面的砂卡。如图5所示，这种密封用于活塞杆及推动阀芯的活塞密封。这种配合因轴孔有相对直线运动，则必然存在间隙Δ。希望Δ尽可能小，避免泄漏过多而影响工作。因间隙存在，又有压差(P₊-P₀)存在，油液中的砂粒将进入间隙。如果将砂粒看为球形而直径小于Δ，它将随油液流出，如果砂粒直径比Δ大的多，它将不能进入间隙，产生砂卡。如果砂粒直径比间隙大一点，在压力差及摩擦作用下挤入间隙，如果砂粒挤碎，轴的运动速度受到影响。严重的砂卡，轴将被卡死。这种砂卡的严重程度与间隙Δ，压差(P₊-P₀)及砂粒的直径分布有关。

(3)阀口的砂卡。在已有的水力活塞泵中控制活塞作往复运动的油液换向阀多数为二位四通滑阀。如图6所示，改变阀芯的位置，从而改变油液流向。由于阀口由大→小的变化，因而在阀口卡住的砂粒的直径范围较广，产生砂卡的机率较大，此外流过阀口的动力液占全部动力液97％以上，这样使得阀口的砂卡的机率显著增大。当阀口发生砂卡，高低压在阀口处的漏失加强，逐步发展成节流，从而产生气蚀，由现场损坏的阀芯可看到气蚀产生的迹象。由于阀口砂卡，直角逐步变为倒角。由于摩擦，加剧砂粒的卡紧，如图7所示。气蚀与砂卡拌生，促使密封面很快破坏。

除了阀口砂卡，在换向滑阀的轴孔密封处也会产生砂卡。因此水力活塞泵的滑阀是抗砂卡干扰的薄弱环节。

增强抗砂卡干扰的措施：

(1)由图8所示，用一小型液压缸模拟砂卡，F为卡紧力使模拟阀芯的活塞杆运动受阻。如果F＞A·P₁则卡死(V＝0)，若F为随机变量，而且F＜A·P₁，活塞速度将变化，使换向时间延长，如图2实线所示。如果因某种原因P₁上升很多，则换向时间缩短，如同图3实线所示，V₂时间缩短，使进排阀产生冲击。

由自动控制原理可推得V(S)/F(S)与1/A²有关。式中V(S)及F(S)为速度增量及干扰力增量经拉式变化的象函数。可以看到：A越大不仅可防止卡死，而且卡紧力对阀的运动速度影响越小。因而设计滑阀力求增大液压有效面积。

(2)前述三种典型密封面的砂卡现象，以球阀抗砂卡性能最好。尤其当油液粘度较高时，气蚀的危害也可减弱。因此控制流入液压发动机的动力液应当采用四个液压控制的球阀，并使它们严格按照程序启闭，使泵活塞速度图符合优化要求。

(3)对轴孔密封尽可能提高装配精度，减小间隙Δ，缩小进入间隙的砂粒直径范围，减弱砂卡机率。

(4)降低动力液压力，缩小挤入间隙Δ的砂粒直径范围，减弱砂卡机率。

(5)降低冲次，可降低砂卡机会。

(6)轴孔密封面的端面不得到有传统倒角，以免倒角的力学作用，使砂粒带入间隙。

抗球阀冲击干扰的措施：

由图1可知，保证V₂有足够时间，使得球的关闭主要是弹簧力而液压力作用甚微，这是防止球阀冲击的有效措施。但更严重的冲击应力来自泵缸内油气分离，当活塞压缩气体时，因外负载小，活塞组获得很大加速，当撞到油液表面，使球阀受到极大负载。对这些严重干扰采取下列措施：

(1)降低泵的循环冲次。使水力活塞泵的工作冲次与杆式抽油机相似，则泵的免修期与抽油机接近。由于投入式水力活塞泵的径向尺寸受井径的限制，既要保住产量又要降低冲次，最好的办法是增加活塞数量，使流量并联。

(2)降低动力液压力或增设一手段保证V₂时间。

(3)提高球阀材料硬度及加工精度。

(4)增设一防冲击阀。当产生严重的油气分离，如前所述，换向后压缩气体的活塞端面负载小，活塞组因油管内油液压缩能量释放，获得很大速度。但因泵内流道损失，动力液在活塞端面的压力下降，防冲击阀内有一液压敏感元件，它根据油管内压力与活塞端面压力之差，自动调节泵流量，避免活塞组超速较大，阻止冲击产生。它的特征如图9所示。P₊₊为邻近泵的油管压力，P_A或P_B为活塞端面压力。ΔP＝P₊₊-P_A在一定范围内供给泵的动力液流量为最大。这种阀另具有保证V₂时间的作用。

增强水力活塞泵抗干扰的控制系统

根据以上的分析，可推导出抗干扰性能强的水力活塞泵的控制装置，它的技术特征如下：

(1)用四个球阀控制动力液油路，四个球由四个小液压缸的活塞杆推动。

(2)由二个先导阀及二个顺序阀输出的油液，保证四个球阀按照严格程序运动，从而保证泵活塞组的速度图如图1所示。

(3)为了提高先导阀的轴孔密封抗砂卡干扰性，尽可能增大推动阀芯的液压作用面积，见有关图8所述。必须摆脱已有水力活塞泵的活塞杆与换向机构之间的结构矛盾。或者说换向机构应放在活塞组运动范围之外，活塞组到达二终点的信号不用刚性零件传给换向机构。按此推论：换向机构应在泵的顶部，信号利用位于工作筒上的管道液体传递。

(4)位于下部的泵机组，如采用多活塞并联工作，可显著降低冲次，提高免修期，则工作寿命与目前抽有机相似。而换向机构存在轴孔砂卡干扰，免修期相对较短。因此将各种阀组成一控制装置，可单独液压投下及提升，这对现场维修十分有利。

(5)在装置内设置防冲击阀。

图10为根据以上推论设计的水力活塞泵系统图。其中控制装置的件号为1000。泵与发动机的总成称为泵机组，它的件号为2000。标注P₊₊为邻近井下泵的油管内压力(进入控制装置前的动力液压力)，P₊为经过防冲击阀流向泵机组2000的动力液压力，P₀为动力液的回油压力(即乏动力液压力)，P_-为油层压力(即泵的进口压力)。P_A为作用在泵机组2000上活塞下腔的动力液压力(P₀≤P_A≤P₊)，P_B为作用在泵机组2000下活塞上腔的动力液压力(P₀≤P_B≤P₊)。图10中实线是动力液油路，虚线为控制油路。其他附图采用一般液压传动中的符号。现对系统总体及其工作描述如下：

(1)如图10所示，邻近井下泵的油管内压力P₊₊经防冲击阀1100流出后，压力降为P₊，沿管道流向高压液动球阀1400与1500，但球阀1500关闭，球阀1400打开，经高压液动球阀1400后，压力为P_A，它分为二支，一支流向泵机组2000，另一支流向低压液动球阀1600，但低压液动球阀关闭，动力液进入泵机组2000的中隔体2010后，进入上活塞的下腔，推动由活塞及活塞杆组成的活塞组2020向上运动。上活塞上腔压力升高，使球阀2040关闭，使球阀2030打开，上腔液体排出压力为P₀，进入油井套管与工作筒的环形空间5，见图13。

(2)活塞组向上运动，下活塞上腔的乏动力液P_B由中隔体2010排出后，沿管道流入低压液动球阀1700排出，压力为P₀。因活塞组向上运动，下活塞下腔压力下降，压力为P_-的地层油井液经吸入阀2060进入下腔，排出阀2050关闭。

(3)换向。如图10所示，当活塞组向上运动将到达上终点，活塞杆的环形槽进入中隔体2010，使得先导阀1200的底端通过虚线表示的控制油路与P_B压力相通。此时P_B近似P₀，因而先导阀底端的压力近似P₀而顶端为P₊₊，在合力的作用下，迫使先导阀1200换向，其上位接入系统。P₊₊按上位箭头所示，沿虚线流向高压液动球阀1400的小活塞下端，而它的上端与P₀相通，在压力作用下，活塞推钢球上移，将高压油路P₊切断。同理低压液动球阀1700钢球上移，将泵机组2000的下活塞的上腔(压力为P_B)排油路切断，活塞组很快停止运动，完成图1所示的V₁过程。低压液动球阀1700的活塞上移，带动下部顺序阀1750的杆状阀芯上移，由先导阀1200来的控制液P₊₊经低压液动球阀1700的底端，经顺序阀1750杆状阀芯上的孔道(详见图20)，经节流口，进入先导阀1300的底端，使其换向，它的下位接入系统。高压控制液体P₊₊沿箭头所示，经虚线控制油路，进入高压液动球阀1500的小活塞上腔，下腔与P₀相通。高压液动球阀的小活塞向下移动，球阀打开。动力液P₊经高压液动球阀1500流向中隔体2010，此时P_B接近P₊。同理低压液动球阀1600打开，P_A接近P₀。由于动力液流向变化，活塞组2020向下运动，实现图1的V₃过程。

由于活塞组2020停止运动后，先导阀1300及二个液动球阀才换向，瞬时活塞停止运动，实现V₂过程。调节小节流孔可改变V₂过程的时间。

(4)自锁。换向后，活塞组作反向运动。拉杆的环形槽离开中隔体2010。如果油液因各种缝隙的泄露，将造成先导阀1200及1300误动，导致高压液动阀1400及1500和低压液动阀1600及1700误动，使得活塞组运动不正常。对此，二个先导阀需要自锁，其方法是对泄露进行补偿。如图10所示，顺序阀1650的出口一方面经其杆状阀芯上的孔道与低压液动球阀1600的小活塞下腔的高压P₊₊相通(见图20及图24)，另一方面经小节流孔及虚线所示的控制油路与先导阀1200的底端相通，保证先导阀芯自锁在上端，而其下位接入系统。同理保证先导阀1300的底端与低压P₀相通，保证先导阀1300的阀芯自锁在下端，其上位接入系统。如上所述，系统处于自锁状态，保证活塞组2020运动正常。

控制装置与泵机组的总体布局及运转

如前所述，为了提高水力活塞泵的抗干扰性，将控制装置安置在泵机组的上面。由各种阀组成一体的控制装置存在轴孔砂卡的机率，因而设计成可单独液压提升。

由图11、图12、图13可见，在油井套管1的下面安装封隔器2。封隔器2以下的空间3与油层相通，油层来的油液增压后在空间5与乏动力液汇合。工作筒6座落在封隔器2的上面，工作筒的顶端与油管9相连，油管9延长到地面与标准井口装置相连。为了便于液压提升，在工作筒底端先投入一定型的固定阀4。泵机组2000由地面经油管9投下，并座落在固定阀4上(见图13)。最后投下控制装置1000，它站在泵机组2000上面，见图12。二者之间的动力液、乏动力液、控制液通过安置在工作筒上的细长管道传送。控制装置和泵机组与工作筒6之间的间隙用密封件7密封。

控制装置与泵机组投下后，动力液经定型的提升装置8进入防冲击阀1100，若无油气分离发生，换向后其阀口全开(见以后详述)，动力液经过工作筒的细长管，流入高压液动球阀1400与1500之间的进口6-1(见图11)，但因高压液动球阀1500关闭，动力液向上流动，经高压液动球阀1400进入P_A管道。因低压液动球阀1600关闭，动力液不能流向环状空间5。沿P_A长管，动力液流到泵机组2000的中隔体2010，进入上活塞的下腔，推动活塞组向上运动，迫使上腔液体经排出阀2030排出，排出的油井液流向环状空间5，此时上腔吸入阀2040关闭。

因活塞组向上运动，下活塞上腔的乏动力液经中隔体2010上的流道进入工作筒的细长管P_B，流向控制装置1000经低压液动球阀1700后，流入环状空间5与排出阀2030排出的油井液混合，流向地面。

活塞组向上运动，下活塞下腔的压力下降，油井液由空间3进入固定阀4，进入泵机组2000后，经吸入阀2060，进入下活塞下腔。

活塞组到达上终点，换向后，它向下运动，情况类似，仅仅动力液及油井液的流向发生变化。

工作筒6安置有二条控制油管P_CA及P_CB，使二个先导阀的底端与泵机组的中隔体2010的有关孔相通。完成上述控制装置的换向过程。

在运转中，控制装置发生故障，在环状空间5打压，提升器8关闭，液压可将控制装置1000提升到地面。

如果泵机组2000损坏，先将控制装置1000提升到地面，再投一工具它上部装有提升器8，下部装有定型的捕捉器，工具投下后捕捉器与泵机组的打捞头2070牢固连结，再采用液压反循环可提升泵机组2000。由于控制装置故障率较泵机组高，因此控制装置的提升次数较多。

典型液压阀的构造说明

组成控制装置的典型液压阀为二个高压液动球阀、二个低压液动球阀、二个先导阀、二个顺序阀、一个防冲击阀。这些阀都具有阀体及阀芯，在阀体壁上钻制有各种轴向孔及径向孔，作为控制油路的通道。为了保证这些液压元件用螺纹连成一整体后，油路按设计畅通，在不同阀之间，采用不同的过渡接头。在此仅对具有特征的代表部分作一说明，免除定型的及类似的结构说明。(一)高压液动球阀

高压液动球阀1400及1500两者结构相同，但在控制装置1000中处于对立状态。图14所示为直立的上高压液动球阀1400。它的功能是控制高压动力液与液压缸的通路，如果球阀打开，动力液便可进入液压缸推动活塞运动。它主要由阀体1401及具有活塞杆的活塞1405组成。活塞杆的端头为一球面，推动钢球1404压向球座1451。在活塞杆的端头用轴用挡圈1403固定一阀球罩1402。阀球罩的功能是给钢球一定约束，使它不要过份离开中心，有利关闭，但不影响球的转动。驱动活塞的控制液P₊₊油路钻制在阀体1401的壁上，经壁上的径向孔进入活塞1405的上下腔内，控制液的流向变化，使活塞上下运动。当活塞上移，钢球被动力液P₊打开，动力液经阀体壁上的径向孔(见图16的K-K剖面)，流入工作筒6上的P_A流道，进入泵机组2000(见图11)，推动活塞组2020向上运动(见图13)。

阀球罩1402的结构见图17及图18，它具有沿周向分布的6个导向条，约束钢球运动。

另一高压液动球阀1500的结构和工作情况与高压液动球阀1400相似。(二)过渡接头

二个高压液动球阀用过渡接头1450及管箍1452牢固连接，如图15所示。在接头的上下两端各安置一个由硬质合金制成的球阀座1451。密封件7使高压液动球阀1400及1500与工作筒6之间密封。动力液P₊由防冲击阀1100流出后，经工作筒上的长管及孔口6-1，穿过管箍1452的四个径向孔(见图14及图15的L-L剖面)，经过渡接头的外环槽，经过渡接头1450的三个径向孔进入轴向孔(见图15及图19)，动力液沿轴向孔可进入对立的二个高压液动阀。

过渡接头更重要的功能是传递控制油液。如图15所示，阀体1401上的轴向孔及径向短孔与过渡接头1450上对应的外环槽相通，外环槽的径向短孔与过渡接头1450的轴向长孔相通(见图14、图15、图16、图19)，长孔经径向短孔与另一端的对应的外环槽相通，外环槽再与另一阀体壁上的短孔及长孔相通。采用这种方法，控制液可由某一阀体流到指定的阀体。为了避免控制液的泄露，在环行槽的两侧安装密封圈10。

不同过渡接头有不同数量的控制油液通过，因此外环槽的数量是不等的，图16及图19所表达的阀体及过渡接头有6种控制液流过。(三)低压液动球阀与顺序阀

低压液动球阀1700及1600两者结构相同，但装在不同位置，它们的功能是控制液压缸与回油环状空间5的通路。顺序阀1650、1750的功能是当活塞组停止运动后才启动另一先导阀，从而带动另一组高压液动球阀及低压液动球阀，使活塞组作反向运动。顺序阀具有可调节孔，用于改变V₂的时间，使得活塞的速度图为最佳状态。为了简化结构，两者做在一起，具有同一个阀体1601。由图20可见，低压液动球阀位于下部，其结构与高压液动球阀相似，当球阀打开后，乏动力液经阀体壁上三个孔流出(见图20及图23的M-M剖面)，经环状空间5流到地面(见图11及图12)。但低压液动球阀1600的活塞1602后带有一杆状阀芯，它是顺序阀的阀芯。顺序阀的衬套1620又是低压液动球阀1600与先导阀1200之间的过渡接头。控制油路是由先导阀1200经过渡接头1620上的轴向孔流到低压液动球阀1600，其具体流道与前述的过渡接头1450相似。由阀体的径向短孔1603流出的高压控制液P₊₊，将活塞1602压向下方，活塞下端的乏控制液经阀体壁上的短孔及长孔流出。由图20及图24的N-N剖面可见，高压控制液P₊₊经活塞1602上的斜孔及轴向长孔及节流螺钉1651流到活塞后腔。活塞由上终点开始运转时，左侧长孔的出口被衬套1620封死，P₊₊仅有节流螺钉通道。后腔的高压控制液P₊₊经活塞1602的右侧轴向孔及径向短孔进入衬套1620的内环槽(见图20及图24N-N剖面)，再经4个内环槽内的小孔流到外环槽，随后经阀体1601上的径向短孔1604进入阀体壁上的长孔，P₊₊最终流向先导阀1200的底端，使先导阀换向或自锁。

活塞1602的杆状阀芯上的各种孔的直径需要合理匹配，以满足节流换向、自锁、顺序控制的要求。(四)先导阀

在控制装置中有二个先导阀1200，1300，每一个先导阀控制一个高压液动球阀及一个低压液动球阀。先导阀接收一个来自机组2000或顺序阀的信号，输出两个信号，控制两个球阀，从而改变活塞组的运动。更重要的功能是在控制方框图中增加一个回路，可靠地除去零输出重合，使得换向可靠。(控制方框图，参阅控制原理书籍)

由图21可见，先导阀1200为一液动二位四通滑阀，而且是阶梯滑阀。阀芯1202呈宝塔状。阀体顶部为过渡接头，下部与过渡接头1620相连。阀体1201内腔与阀芯1202相配。

阀芯的上端与高压控制液P₊₊相通，底端面与控制液P_CA细长管相通。如前所述P_CA为交变量。在P_CA控制口的两侧，安置有密封件7，使P_CA与其他压力隔开。阀芯的中部台阶与P₀相通。

如图21所示阀芯底端为高压P₊₊自锁，使它处于上位。此时，顶端的高压P₊₊控制液经阀芯上的轴向孔及环槽拐入阀体壁右侧长孔，去推动球阀。由球阀排除的乏控制液，进入阀体左长孔，经阀芯上的环行槽及左长孔，在中部台阶处的P₀孔排出。

当P_CA接近P₀在液压合力作用下，阀芯向下运动，同时压缩启动弹簧1203，而到达下位。由图21可判断，阀芯台阶与阀体上右长孔相通，高压P₊₊环槽与左长孔相通，先导阀的输出反向，使球阀变化。

二个先导阀结构基本相同，但另一个不具有启动弹簧1203。(五)防冲击阀

如前所述，因泵缸套内的油气分离将产生活塞组对油井液的强烈冲击，不仅损坏进排阀而且对地层及井内设施也极为不利。在控制装置中增加一防冲击阀，使泵的冲次处在油气分离点，这样泵的产量是最佳的。

防冲击阀由二部分组成，其一为压差式先导阀，它是一个液压敏感元件，另一为动力液P₊流量控制阀。前者用探测到的压差来控制后者启闭。

如图22所示，防冲击阀1100的顶端与定型的提升装置8相连。阀体1101内配有一锥阀芯1102，它们组成控制动力液P₊流量的主阀。受弹簧1106的压力作用，锥阀芯1102力求关闭动力液P₊的六个径向孔口(见图25，O-O剖面)。在阀体下端装有压差式先导阀，它由阀体1114、阀芯1109、螺帽1111、弹簧1110、压差盘1107组成。阀体1114另具有过渡接头的功能。

由油管来的高压P₊₊动力液，在阀体上部分为4个分支：(1)经几个沿轴向排列的小孔，流向阀体壁上的左侧长孔，这一分支作为高压控制液P₊₊，它不受锥阀芯1102启闭影响。(2)经径向孔1103进入右侧细长孔，并与径向大孔相交，压力为P₊，作为高压动力液，经球阀驱动活塞组。在流道上有节流螺钉1104，用于调节流道阻力(见图25，O-O剖面)。(3)当阀芯1102关闭，高压动力液P₊₊经阀芯顶端小孔1105进入内腔，绕过压差盘1107，由小孔1108进入阀芯1109的内部，经螺帽1111的底孔1112及径向孔1113进入右侧轴向长孔，成为高压动力液P₊，流向泵机组。(4)当锥阀打开，大量动力液由六个径向孔(见图25，O-O剖面)，流向泵机组，压力为P₊。

如前所述，我们希望防冲击阀的特线曲线，如图9所示。现按图22说明它的工作原理及特性：

(1)当换向开始、高压液动球阀逐步关闭，活塞速度由V₁趋向V₂，进入泵机组的流量Q趋向零。在这种情况下，因锥阀小孔1105的沟通，使锥阀芯1102的内外压力相差不大，在弹簧1106作用下，锥阀芯压向阀座。6个径向孔逐步关闭。活塞组进入V₂过程，锥芯阀1102完全关闭。

(2)V₂过程结束。球阀逐步打开，进入动力缸套的动力液P₊的流量逐步增加。当流量不大时，流道分二条：其一由孔1103经阀体右侧径向大孔，流向泵机组，另一由小孔1105→孔1108→孔1112→孔1113，经阀体右侧长孔，流向泵机组。如果泵缸套内不存在油气分离，活塞直接压缩油液，压力立即上升，并传递到阀芯1109内腔，加上弹簧1110的弹力的作用，使阀芯1109锁在上位。经过孔1105的油液，绕过压差盘1107，经孔1108流向机组。在压差盘1107周围形成一特殊的压力场，产生一向下合力，如果阀芯1109上位自锁力大于向下合力，则它不会下移。

(3)当经过1105的流量增大，由于节流压差，使阀芯1102内外压差增大，如果阀芯1109仍然可靠地锁在上位，则由于内外压差，使阀芯1102压缩弹簧1106，阀口打开，大量动力液经6个径向孔流向机组。活塞实现V₀均速运动。

(4)当V₂过程结束，如果泵缸内产生油气分离，活塞组负载小而获得很大加速，如同图3中虚线所示。由于泵缸压力不能很快升高，使得阀芯1109内部压力低，压差盘1107形成的压力场的合力大于阀芯上的自锁力，压差盘被压下，小孔1108关闭。这样，小孔1105无油液通过，阀芯1102内外压力相等，在弹簧1106的作用下，阀芯1102关闭。动力液P₊仅通过右侧径向孔1103，流向泵机组。因节流螺钉的作用，流量受到限制，活塞组不能超速过大，产生的冲击也就不强。

气体压缩完毕，压缩油井液，泵缸套压力升高，压差式先导阀立即打开，锥阀芯1102跟随打开。流动情况如上(3)所述。

在具体设计防冲击阀时，不仅需注意防砂卡，而且应注意各参数的匹配，才能保证此阀的性能。

Claims (6)

1.一种增强水力活塞泵抗干扰性的控制装置由液动球阀、先导阀、顺序阀和防冲击阀组成，其特征在于该控制装置包含两个高压液动球阀(1400、1500)、两个低压液动球阀(1600、1700)、两个先导阀(1200、1300)、两个顺序阀(1650、1750)、一个防冲击阀(1100)、其中：两个高压液动球阀分别位于泵机组的两个对置液压缸的进油通道；两个低压液动球阀分别位于液压缸的排油通道；每个先导阀控制一个高压液动球阀及一个低压液动球阀；每个先导阀的换向信号来自泵机组的中隔体(2010)或相关的顺序阀；当泵缸套内产生油气分离，防冲击阀的动力液(P₊)主流道的锥阀芯(1102)关闭；以及控制装置位于泵机组顶端，可由油管内单独投下或液压提升。

2.根据权利要求1所述的增强水力活塞泵抗干扰性的控制装置，其特征在于每个先导阀的控制口与泵机组的中隔体(2010)的对应孔口，用位于工作筒上的控制管道相连，活塞杆发出的信号由管道中的液体传递。

3.根据权利要求1所述的增强水力活塞泵抗干扰性的控制装置，其特征在于先导阀的控制口与相关的顺序阀孔口的通道上，安置一节流螺钉，控制两个先导阀换向时间的间隔。

4.根据权利要求1所述的增强水力活塞泵抗干扰性的控制装置，其特征在于防冲击阀位于控制装置的顶部，它由压差式先导阀及控制大流量的锥阀组成。

5.根据权利要求4所述的增强水力活塞泵抗干扰性的控制装置，其特征在于防冲击阀内高压动力液有三条流道：(1)装有节流螺钉(1104)的流道；(2)经锥阀芯(1102)上的小孔(1105)及压差式先导阀的小孔(1108、1112、1113)所形成的流道；(3)锥阀芯(1102)打开后，在阀体(1101)上几个径向大孔所形成的流道。

6.根据权利要求1、4或5所述的增强水力活塞泵抗干扰性的控制装置，其特征在于防冲击阀的锥阀芯(1102)受弹簧(1106)的弹力作用力求关闭；防冲击阀的压差式先导阀芯(1109)受弹簧(1110)的弹力作用，小孔(1108)力求开启；防冲击阀的压差式先导阀芯(1109)的顶端，安置一压差盘(1107)。

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