CN111033038B - 双作用增压液体分隔装置、系统、车队和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双作用增压液体分隔装置(2)，一种包括该双作用增压液体分隔装置(2)的系统，一种包括该系统的车队，以及该装置、系统和车队的用途。该双作用增压液体分隔装置(2)用于闭合液压回路容积，该双作用增压液体分隔装置(2)能够将高压下的大量液压流体供给到至少第一压力传递装置(1′)和第二压力传递装置(1″)以及从所述至少第一压力传递装置和第二压力传递装置中抽回，所述压力传递装置(1′、1″)以高容积以及高于500巴的压力泵送具有颗粒的流体，其中所述双作用增压液体分隔装置(2)可通过可变流量供应通过至少第一驱动流体端口(24′)和第二驱动流体端口(24″)来控制，其中，所述双作用增压液体分隔装置(2)包括：‑具有纵向延伸部的中空的缸壳体(20)，其中，所述缸壳体(20)至少包括具有第一横截面面积(a1)的第一部分和第二部分，以及具有大小不同于所述第一横截面面积(a1)的第二横截面面积(a2)的第三部分，‑以及杆(19)。

Description

双作用增压液体分隔装置、系统、车队和用途
技术领域
本发明涉及一种用于闭合液压回路容积的双作用增压液体分隔装置，一种包括用于闭合液压回路容积的双作用增压液体分隔装置的系统，该双作用增压液体分隔装置能够在高压下向至少第一和第二压力传递装置进给和从至少第一和第二压力传递装置收回大量液压流体，这些压力传递装置以大体积和高于500巴的压力泵送带有颗粒的流体。
本发明可以形成较大的泵送系统的一部分，该较大的泵送系统包括压力传递装置、双作用增压液体分隔装置和流量调节组件(诸如阀组)中的一者或多者。
本发明适合于在高于500巴的范围内的高压下使用，并且特别适用于难以泵送带有颗粒诸如构成流体的一部分的支撑剂的流体的油/气井的水力压裂。然而，该泵送系统也可以用于其他钻井应用中，诸如在用于泵送钻井液的钻井作业中以及在固井作业、堵塞和废弃、完井或增产作业、酸化或氮气循环中使用。
背景技术
水力压裂(也包括压裂，水压压裂或水力压裂)为一种岩石被加压流体以凝胶、泡沫、沙子或水的形式压裂的增产技术。可以将化学物质添加到水中以增加流体流量或改善水的特定性能，这种处理后的水称为“滑溜水”。该工艺涉及将“压裂液”(储液砂或其他支撑剂和化学物质)高压注入井眼，从而在深层岩层中产生裂缝，天然气、石油和盐水将更自由地流过该裂缝。通常，机械活塞泵用于在高压下泵送压裂液。由于由泵送介质中的沙子和颗粒引起的泵内滑动表面的机械磨损，这些机械泵的运行时间非常有限。在高压下使用颗粒保持液和/或苛刻的化学液体运行的泵具有密封表面，这些颗粒和/或磨蚀性化学流体(化合物)在运行过程中会损坏该表面。当密封件损坏时，可能会出现泄漏和其他问题，从而导致泵的效率降低。此外，机械泵以高速运行，这会在整个单元上产生快速的压力波动(高循环次数)，一段时间后，疲劳会导致其出现故障。因此，这种泵的使用寿命非常有限，并且取决于颗粒类型、颗粒量、化学成分和化学浓度以及工作压力。在旋转泵中，旋转(轴)密封件以及昂贵的泵元件(诸如叶轮和涡轮)会很快磨损。在活塞泵中，活塞在缸上磨损，导致泄漏、效率低下和故障。柱塞泵的另一个众所周知的问题是流体端部的疲劳裂纹。造成这种情况的主要原因是来自压力波动的综合应力和来自柱塞的机械线性应力。它们还受到动力端最大允许杆负载的限制，因此必须使柱塞大小与所需的速率/压力输送相匹配。
通常，使用柱塞/活塞泵单元。
当多个泵连接至井下的同一流水线并同时在线时，存在形成与井下流水线的参考频率相匹配的干扰模式的风险。这会导致流水线四处走动，这可能导致设备和人员受伤(称为“蛇形”，因为流水线像蛇一样运动)。
在压裂作业中，当关闭泵并且不再向井施加液压时，小颗粒的水力压裂支撑剂会使裂缝保持打开状态。支撑剂通常由诸如沙子的固体材料制成。沙子可以为经过处理的沙子或合成材料，也可以为天然材料，诸如陶瓷。在陆上压裂中，通常包括多个卡车的所谓的压裂车队被运输并定位在适当的位置。每辆卡车都设有用于将压裂液泵入井中的泵送单元。因此，要使用的设备的重量和物理限制受道路上卡车的总重量以及卡车给予的物理限制的限制。
现有技术不适用于压裂，但是公开了一种清洁液压流体与待泵送液体分离的系统，包括EP 2913525，其涉及一种液压驱动隔膜泵机(“泵”)，特别是用于水和难于泵送的材料的液压驱动隔膜泵机。该系统包括至少两个并排泵送单元。每个泵送单元包括泵缸和液压缸。泵缸(与EP 2913525相关的附图标记1、2)具有下部第一端和上部第二端，下部第一端具有用于待泵送液体的第一入口和出口，上部第二端具有用于液压流体的第二入口和出口。泵缸(1、2)包含波纹管(3、4)，该波纹管的下端封闭，而其上端打开以与液压流体连通。波纹管(3、4)的外部限定用于待泵送液体的空间。泵缸(1、2)的波纹管(3、4)被布置成由在其顶端供应的液压流体驱动，像手风琴一样扩张和抽回，以将待泵送的液体泵送到泵缸(1、2)的下部第一端附近。液压缸(9、10)与泵缸(1、2)并排放置。液压缸(9、10)具有与液压驱动器相关联的下部第一端和包含与泵缸(1、2)的上部第二端连通的液压流体的上部第二端。液压驱动器的上端终止于可滑动地安装在液压缸(9、10)中的驱动活塞(19、20)。两个泵送单元的液压缸(9、10)的液压驱动器通过液压机械连接(25、27)连接，该液压机械连接被设计为使每个液压缸(9、10)的活塞(19、20)前进和缩回。
然而，由于圆柱形的泵室，EP 2913525中的解决方案不适用于高压(即超过500巴)的水力压裂。当用于水力压裂时，泵室的圆柱形状将无法承受与高循环次数相结合的高压。此外，波纹管为聚合物，导致存在颗粒被挤压在圆柱形壁和波纹管之间的危险，并且可能损坏波纹管。另外，每个泵缸上都有一个液压缸。液压缸未被构造成增加进入活塞(19、20)下侧的压力，因为在活塞(19、20)的下侧的有效面积小于在活塞(19、20)的上侧的有效面积。此外，在聚合物波纹管上，缺乏对导致波纹管可能与缸壁接触的扩张的方向的控制。这可能导致撕裂和支撑剂被迫进入基础材料。
因此，已知的系统在提供双作用增压液体分隔装置方面存在缺陷，该装置可以在泵的高压侧(500巴以上)提供足够的压力，并且可以操作两个泵单元，而不会造成双作用增压液体分隔装置中的泵室膨胀并可能穿过密封件泄漏的危险。由于驱动流体泵的内部与驱动流体泵的外部之间的高压差，可能发生壳体，即驱动流体泵壳体的膨胀。如果驱动流体泵内部的压力为例如1000巴，并且驱动流体泵外部的压力为1个大气压(＝1.01325巴＝1.01325x105帕斯卡)，则驱动流体泵的壳体可能无法承受此类压力，并且腔室可能会膨胀(即驱动流体泵内部的容积可能会增加)，导致驱动流体泵内部的密封件潜在泄漏。
因此，本发明的目的是解决与现有技术解决方案相关的至少一些缺点。
更具体地，本发明的一个目的是提供一种用于压裂的系统，其可以在高达1100巴及更高的压力下运行，而不会有泵中的密封件上泄漏的风险。
液压机械连接通常具有一些缺点，包括：
-无法与多个单元同步，
-不能根据压力和流量来改变升/降的斜率(不能精确控制泵的特性)，
-不能进行局部行程，
-无法补偿流量中的压力/流量波动，
-其永远不会重叠并产生层叠流，
-其会在控制阀上产生压降，导致油发热并且效率损失在5-10％的范围内。
用于压裂的常规泵存在一个问题，即系统中的零件可能在几个小时后发生故障，必须维修。因此，为了在系统中提供冗余，包括多个备用泵的压裂车队是正常的。由于一名服务人员只能操作几辆卡车，因此在维护和工时方面都增加了成本。
所有液压系统都有一定程度的液压流体内部泄漏，这种情况也会在闭环液压系统中经过多个周期发生。这种泄漏将在多个循环中累积，从闭合容积增加或减少，导致波纹管抽回或过度伸展。无法对此进行控制，将导致波纹管过早失效。
因此，本发明的一个目的是解决与现有技术解决方案相关的至少一些缺陷，并且更具体地，是使运动部件(活塞，密封件)远离颗粒流体(即泵送介质)并避免颗粒损坏运动部件。
更具体地，本发明的一个目的是提供一种在高压下平稳且无冲击的大流量泵送，减少流量回路中所有部件的磨损，同时提供一种能够无缝集成并适应任何压力流量需求而无需机械改造或更改的单元。另外，本发明与多个单元同步的能力使潜在的蛇行风险最小化。更具体地，本发明的一个目的是提供一种用于压裂的系统，其可以在高压下以高体积流量运行。
另一个目的是提供一种减轻重量的泵送系统，例如应能够在标准卡车或拖车上进行布置和运输的泵送系统，这些卡车或拖车构成水力压裂中所谓的压裂车队的一部分。
另一个目的是提供一种完全无级控制的波纹管速度/行程控制，以避免压力峰值、流量峰值和波动。
另一个目的是创建一种适用于所有压力和流量配置的通常在压裂或其他高压泵送行业中使用而无需进行机械改造的泵系统。
本发明的另一个目的是提供一种先进的控制系统和多个单元的同步，以消除传统系统的问题。
另一个目的是提供一种解决方案，该解决方案可用在新设备中并连接至现有设备，诸如对现有系统进行改造。
发明内容
通过本发明解决了这些目的，其中在具体实施方式部分描述了本发明的详细实施例。
本发明提供了相对于已知解决方案的显著改进。本发明涉及一种双作用增压液体分隔装置，该装置适于在极端压力，即1100巴以上的压力下操作。该双作用增压液体分隔装置可以用作用于驱动压力传递装置的增压器，该压力传递装置再次对待泵送的流体介质加压。本发明涉及一种用于闭合液压回路容积的双作用增压液体分隔装置，该双作用增压液体分隔装置能够将高压下的大量液压流体供给至至少第一压力传递装置和第二压力传递装置、以及从至少第一压力传递装置和第二压力传递装置中抽回，所述压力传递装置以大容积以及高于500巴的压力泵送具有颗粒的流体，其中双作用增压液体分隔装置可通过可变流量供应通过至少第一驱动流体端口和第二驱动流体端口来控制，其中，所述双作用增压液体分隔装置包括：
-具有纵向延伸部的中空缸壳体，其中，所述缸壳体至少包括具有第一横截面面积(a1)的第一部分和第二部分，以及具有大小不同于第一横截面面积(a1)的第二横截面面积(a2)的第三部分，
-杆，
ο所述杆具有与第一横截面面积(a1)相对应的横截面积，并且其中，所述杆的第一部分和所述缸壳体的第一部分限定第一柱塞室，并且所述杆的第二部分和所述缸壳体的第二部分限定第二柱塞室，
ο所述杆还包括具有与第二横截面面积(a2)相对应的横截面面积的突出部分，并且突出部分和所述缸壳体的第三部分限定第一外部腔室和第二外部腔室，
ο所述突出部分限定第一活塞面积，并且所述杆限定不同于所述第一活塞面积的第二活塞面积，并且其中
ο所述杆的第一部分在其长度的至少一部分上形成有从所述杆的第一端面延伸的第一内部凹槽，其中，所述第一内部凹槽与所述第一柱塞室压力连通，并且
ο所述杆的第二部分在其长度的至少一部分上形成有从所述杆的第二端面延伸的第二内部凹槽，其中，所述第二内部凹槽与所述第二柱塞室压力连通。
所述双作用增压液体分隔装置可以为能够增加流体中的压力的任何装置，诸如增压器、升压器、放大器等。
与传统的增压器或升压器相反，根据本发明的双作用增压液体分隔装置优选地在第一和第二柱塞室中具有与填充/输入例如压力传递装置中的波纹管的内部容积的容积相同的容积(比率1：1)。
双作用增压液体分隔装置为能够将两个腔室彼此分开或分隔从而确保增压效果的装置。所述双作用增压液体分隔装置可以为双作用增压液体分隔压裂装置。
选择所述中空缸壳体和所述杆的壁厚，以使中空杆在所有压力下均与中空缸壳体的扩张成比例地扩张，从而保持所述中空杆的外表面和所述缸壳体内表面之间的间隙在所有压力下基本上恒定。换句话说，中空杆的膨胀抵消了中空缸壳体的膨胀。具体地，第一和可选的第二柱塞室将承受极端的压力。所有过渡的形状均应避免应力集中。因此，所述杆为中空的，以补偿中空缸壳体20在压力循环期间的膨胀。优选地，中空杆的膨胀与中空缸壳体的膨胀成比例或比其略小，以防止中空杆和中空缸壳体之间的任何挤压间隙超过允许的极限。如果该间隙太大，则第一密封件和第二密封件上会发生泄漏，从而导致第一柱塞室和第二柱塞室中的液压流体容积不均匀。选择中空缸壳体和中空杆壁(即环绕第一和第二凹槽的壁)的厚度，以使它们在径向方向上类似/相等地变形，并且设置在中空杆的外表面和缸壳体的内表面之间的可选第一和第二密封件也受到保护，从而确保第一和第二密封件的长使用寿命。
所述杆的突出部分具有与中空缸壳体的环绕第三部分相同的形状，例如，如果环绕的第三部分为圆柱形的，则所述突出部分也为圆柱形的，或者，如果所述第三部分为矩形或多边形的，则所述突出部分为矩形或多边形的。
所述包括突出部分的一部分的杆优选地整体制造。
显然，所有液压系统都具有一定程度的液压流体内部泄漏，然而，在包括说明书在内的整个申请文件中，术语“闭环液压系统”已用于此类“闭环”系统，以与未限定确定的容积的系统区分开。
优选地，第一和第二柱塞室中的每者中的容积与进入例如压力传递装置中的波纹管的容积相等。
在一个方面，第一驱动流体端口可以布置在第一外部腔室中，第二驱动流体端口可以布置在第二外部腔室中，并且第一柱塞端口可以布置在第一柱塞室中，并且第二柱塞端口可以布置在第二柱塞室中。
在一个方面，在双作用增压液体分隔装置的使用期间，通过依次使加压液体流入第一驱动流体端口并从第二驱动流体端口流出然后被反转以在相反的方向前进来来回驱动所述杆。
在一个方面，第一活塞面积以固定比率大于第二活塞面积。然而，根据具体项目，第一活塞面积和第二活塞面积之间的相对差异甚至可能更大。所述固定比率等于双作用增压液体分隔装置的增压能力。
在一个方面，所述双作用增压液体分隔装置可包括用于检测所述杆的位置的双作用增压液体分隔装置的位置传感器。所述双作用增压液体分隔装置位置传感器可以与诸如油管理系统/油管理系统阀的控制系统通信。
在一个方面，所述双作用增压液体分隔装置可包括在所述第一部分和所述杆之间的第一密封件以及在所述第二部分和所述杆之间的第二密封件，其中，所述第一和第二密封件被构造成被润滑系统润滑、通风和冷却。
在一个方面，第一柱塞室和第二柱塞室分别为闭环液压系统的一部分。
本发明还涉及一种系统，包括：
-如上所述的双作用增压液体分隔装置，
-液压泵单元，通过第一端口和第二端口对双作用增压液体分隔装置加压，
-至少两个压力传递装置，其分别与第一柱塞端口和第二柱塞端口流体连通，所述第一和第二压力传递装置被构造成由所述双作用增压液体分隔装置加压和排放，并且在装载过程中，由淤浆/污泥供给泵辅助的双作用增压液体分隔装置减压和装载，
-包括入口歧管和出口歧管的流量调节组件，其中，所述流量调节组件被构造成在入口歧管、压力传递装置中的压力腔和出口歧管之间分配流体。
该系统可以为一种压裂系统，诸如压裂操作中使用的系统。
在第一和第二压力传递装置中的可选波纹管可以借助于从供给泵供给的待泵送液体中的供给压力而返回到第一位置，即压缩状态。待泵送的液体，即来自泵送待泵送液体的供给泵的供给压力，提供了有助于将波纹管压缩到第一位置的压力。在此压缩阶段，待泵送的液体中的压力等于波纹管内部容积中的液压流体的压力，而抽回将是双作用增压液体分隔装置在抽回时产生容积压差的结果。当所述双作用增压液体分隔装置抽回时，将存在泵送流体容积的容积差，由供给泵(搅拌器)供应和加压的该泵送流体容积将(即，供给泵将压裂液供应给压力腔)通过压缩波纹管来补偿。在伸展状态下，即当波纹管通过填充内部空间的加压流体开始伸展时，液压流体中的压力等于待泵送的液体中的压力(即，入口歧管和/或待泵送液体的贮存器中的供给压力)。当压力腔中的压力超过供给压力时，第一阀关闭，而当压力超过排放歧管中的压力时，第二阀将打开，流体将流入井中。波纹管的这种压缩和伸展将在压力传递装置中顺序发生。
压力传递装置可包括压力室壳体和至少一个连接端口，该至少一个连接端口可经由流体连通装置连接至双作用增压液体分隔装置，所述压力室壳体包括：
-压力室壳体内部的压力腔，以及到压力腔的流体的至少一个第一入口和/或出口端口，
-波纹管，其限定了压力腔内部的内部容积，并且其中，所述内部容积与连接端口流体连通，
其中，所述压力腔具有中心轴线(C)，所述压力腔的轴向长度(L′；L″)由所述连接端口和所述第一端口之间的距离限定，并且具有在至少一部分轴向长度(L′、L″)上变化的横截面面积，并且其中，所述波纹管被构造成在基本上平行于所述压力腔的一部分轴向长度(L′、L″)上的中心轴线(C′、C″)的方向上运动。
在所述系统的一个方面，所述双作用增压液体分隔装置可被构造成依次对至少两个压力传递装置进行加压和排放以及进行减压和装载，使得一个压力传递装置被加压和排放，而另一压力传递装置被减压和装载，并且反之亦然。双作用增压液体分隔装置由液压泵单元提供的可变流量控制。可以以这样的方式控制该流量：当四个或更多个压力传递装置一起工作时，允许所述压力传递装置重叠。这提供了脉动阻尼和连续流动的可能性。与由曲轴驱动的常见活塞泵相比，这样做的一个优点在于，曲轴在整个循环中具有可变的输送量，从而提供正弦曲线的输送量。
根据一个方面，所述系统可以包括四个压力传递装置和两个双作用增压液体分隔装置，每个双作用增压液体分隔装置被构造成依次对两个压力传递装置进行加压和排放、及减压和装载，使得两个压力传递装置被加压和排放，而另外两个压力传递装置被减压和装载，反之亦然。
根据一个方面，两个双作用增压液体分隔装置可以被构造成单独地操作，使得它们可以同步地或异步地对两个压力传递装置进行加压和排放、及进行减压和装载。两个双作用增压液体分隔装置被异步驱动以实现重叠，从而提供无脉动的整体特性。
根据所述系统的一个方面，两个压力传递装置中的每者包括波纹管和波纹管位置传感器，该波纹管位置传感器监测波纹管的位置，以及控制系统，该控制系统适于从双作用增压液体分隔装置位置传感器接收数据并且所述波纹管比较所述杆和所述波纹管的位置。
在所述系统的一个方面，压力传递装置可包括压力室壳体和至少一个连接端口，该至少一个连接端口可经由流体连通装置连接至双作用增压液体分隔装置，所述压力室壳体包括：
-压力室壳体内部的压力腔，以及到压力腔的流体的至少第一入口和/或出口端口，
-波纹管，其限定了压力腔内部的内部容积，并且其中，所述内部容积与连接端口流体连通，
其中，所述压力腔具有中心轴线，所述压力腔的轴向长度由所述连接端口和所述第一端口之间的距离限定，并且具有在至少一部分轴向长度上变化的横截面面积，并且其中，所述波纹管被构造成在基本上平行于所述压力腔的一部分轴向长度上的中心轴线的方向上运动。所述波纹管优选地为径向刚性的和轴向柔性的，并且被布置成在压力腔长度的至少一部分上伸展和抽回。因此，所述压力腔具有不同的横截面，例如在其纵向方向上具有至少两个不同的横截面。优选地，不同横截面之间的过渡区域为光滑的或连续的(没有锋利的边缘)。这种平滑或连续的过渡区域可防止沉积，并允许较高的压力，而压力腔中没有薄弱点。即施加到压力腔的力是内部压力的结果。优化几何形状以使这些力尽可能均匀。
因此，所述连接端口适于将液压流体吸入压力腔中和/或将加压的液压流体从压力腔中排出。
第一端口适于将液体泵入压力腔和从压力腔排出液体的入口/出口。
根据一个方面，波纹管可以连接至压力腔的内表面。优选地，波纹管在压力腔的上部中与在波纹管和压力腔的内表面之间提供流体密封连接的装置连接。这样，防止了流体从波纹管的内部容积流入压力腔中。
波纹管具有与压力腔的形状相适应的形状，使得波纹管在其所有操作位置都被限制与压力室壳体的内表面接触。这意味着，波纹管在其所有的操作位置中在轴向和径向方向上具有最大伸展，该最大伸展小于由压力室壳体的内表面限定的限制。
本发明还涉及包括至少两个拖车的车队，每个拖车包括至少一个如上所述的系统。
本发明还涉及如上所述的双作用增压液体分隔装置、如上所述的系统或如上所述的车队在烃提取或生产中使用的用途。
本发明还涉及如上所述的双作用增压液体分隔装置、如上所述的系统或如上所述的车队在水力压裂操作中使用的用途。
本发明还涉及如上所述的双作用增压液体分隔装置、如上所述的系统或如上所述的车队在任一以下操作中使用的用途：堵塞和废弃、钻井作业、完井或增产作业、固井作业、酸化、氮气循环。
本发明相对于已知解决方案提供了显著的改进。泵送系统及其相关部件提供了在高流量下以高达1500巴及更高的压力进行泵送的可能性。例如，该设计提供了以每分钟1000巴的压力泵送1m3或以每分钟500巴的压力泵送2m3的可能性，以及上述压力之间的任何比率的压力比。本发明在所需的泵速和泵压力方面提供了灵活性，例如在基本上层流的所有实施例中，在高压下流速减小，在减小的压力下具有高流速。
可以使用根据本发明的系统的泵送系统可以包括压力传递装置、双作用增压液体分隔装置和流量调节组件(诸如阀组)中的一者或多者。液压泵单元通常对双作用增压液体分隔装置加压，其中，双作用增压液体分隔装置对压力传递装置加压。压力传递装置中的可选波纹管在液压侧(即双作用增压液体分隔装置和一侧的液压泵单元)与待泵入另一侧的井中的介质之间充当“活塞”。波纹管用作双作用增压液体分隔装置中活塞(杆)的延伸部。压力传递装置中的波纹管将干净的液压流体(波纹管内部)与带有颗粒的脏流体(波纹管外部)分开。
波纹管通常为不透流体的屏障，其将波纹管的内部容积以及波纹管的外部与压力传递装置中的压力腔的内部之间的容积分开。即波纹管具有固定的外径，但具有轴向挠性，在压力室壳体的内表面和在波纹管的所有位置和所有压力下的波纹管之间均提供环形间隙(间隙的大小，例如至少对应于压裂液中颗粒的粒径)。所述波纹管优选地固定地连接在所述压力腔的顶部中，并且所述波纹管在所有方向上，即在其下方，径向地并且可能部分地在不构成至进入和离开波纹管内部容积的液压流体的所述连接端口一部分的部分的上侧被所述压力腔环绕。总压力腔容积是恒定的，而波纹管的内部容积是变化的。当波纹管在压力腔内伸展和抽回时，压力腔的可用剩余容积会发生变化。液压流体体积进入波纹管内部，并从压力腔中排出待泵入的流体容积。
所述泵送系统可以为正排量泵，其中使用具有径向刚性和轴向柔性的不透流体的波纹管来实现压力传递装置中的容积变化。这种设置致使波纹管基本上沿轴向方向运动，而沿径向方向的运动被禁止或限制。当波纹管处于第一位置，即压缩状态时，压力腔中的剩余容积最大，而当波纹管处于第二位置，即伸展状态时，压力腔中的剩余容积最小。压力腔的内表面和波纹管的外表面的尺寸比被设计成使得在波纹管的所有位置在压力腔的内表面和波纹管的外表面之间形成间隙，从而防止颗粒卡在压力腔的内表面和波纹管之间。因此，压裂流体环绕波纹管，并且形成间隙，使得其最小伸展大于支撑剂的最大粒径。波纹管的径向刚度确保了波纹管不会与压力室壳体的内表面接触。通过连接端口进入波纹管的内部容积的液压流体使屏障加压，并且由于波纹管的刚性和/或可能的内部引导，波纹管的所有运动都沿轴向方向进行。待泵送的液体，例如压裂流体通过用液压流体填充波纹管的内部容积而被加压，从而增加了波纹管的排量，这致使波纹管外部的压力腔中的剩余容积减小，并且待泵送的液体的压力增加。然后，待泵送的液体通过第一端口流出，并进一步通过流量调节组件(诸如阀组)流出。
双作用增压液体分隔装置不具有任何与待泵送液体接触的滑动表面。因此，部件的寿命得以延长，因为没有易损部件与待泵送的任何磨损液滑动接触。压力传递装置也不具有与待泵送的液体接触的任何滑动表面。压力传递装置优选地为压力补偿的，使得驱动液压与待泵送的液体(即压裂液)中的压力相同，因此，波纹管不必承受内部液压驱动压力和待泵送的液体中的压力之间的压差。
压力传递装置中的压力腔可以朝着第一端口逐渐变细，从而形成自然的漏斗，沉积物/支撑剂/沙子可以与流体一起通过该漏斗流出。因此，压力室壳体的第一端口优选地成形为通过使压力腔朝向第一端口倾斜来防止沉积物(支撑剂/沙子等)堆积。因此，第一端口可以优选地布置在压力腔的下段中，使得沉积物可以借助重力通过第一端口离开。
压力腔可以为细长的、卵形的、卵圆形的、圆形的、球面的、球形的或椭圆形的，或者为多气状的(例如米其林(Michelin)人)，或者具有两个平行的侧面，并且至少一部分横截面小于平行部分的横截面。
压力传递装置中的波纹管可具有比压力室壳体的内表面小的径向和轴向延伸部(即，限定压力腔的径向和轴向延伸部)，从而在波纹管的所有操作位置中在波纹管的外圆周和压力室壳体的内圆周，即内表面之间形成间隙。因此，在压力传递装置的操作期间，在所有压力下，流体都环绕波纹管的至少两侧。
波纹管可以具有圆柱形状或六角琴形状。波纹管缸结构提供了最小的波纹管负载，因为其所有表面始终处于液压平衡状态。因此波纹管可以包括提供轴向挠性的六角琴状的侧壁和连接至波纹管的侧壁的不透流体的端盖。因此，六角琴状的侧壁可以包括以相邻关系设置的多个圆形折叠或褶皱。相邻的折叠或褶皱可以例如使用其他合适的紧固方式(诸如胶水，机械连接)焊接在一起或彼此连接。可以形成相邻的折叠或褶皱，使得在波纹管的抽回和抽出期间，压裂液中的颗粒被禁止滞留在波纹管中的相邻折叠或褶皱之间。这可以通过设置波纹管的操作范围，即波纹管的预定义最大伸展和抽回来实现，使得相邻折叠之间或折叠与压力腔的内表面之间的开口始终大于最大预期值粒径。这样，颗粒被滞留的的风险被最小化。
波纹管优选地由足够刚性的材料制成：金属，复合材料，硬质塑料，陶瓷或它们的组合等，从而提供具有径向刚性和轴向柔性的不透流体的波纹管。波纹管优选地基本上沿轴向方向运动，而沿径向方向的运动被禁止或限制。选择波纹管的材料以承受较大的压力变化和待泵送的流体中的化学物质，从而最大程度地减少疲劳和损坏风险。如果波纹管是由金属制成的，则该波纹管的使用温度要高于由对温度敏感的材料(即不能在更高温度下工作的材料)制成的波纹管的使用温度。
显然，根据特定项目的需求，构成整个系统一部分的其他部件也可以由适当的材料，诸如金属(铁，钢，特殊钢或以上示例)制成。然而，也可以使用其他材料，诸如复合材料，硬塑料，陶瓷，或者可替代地金属、复合材料、硬塑料、陶瓷的组合。
波纹管可包括与压力腔的中心轴线重合或与其平行的导向系统，并且其中，波纹管沿着中心轴线在纵向方向上轴向地扩张和抽回。在一个方面，导向系统可以包括引导件。
波纹管可以包括导向系统，该导向系统包括引导件。引导件可以连接至波纹管的下部，并且可以被构造成在压力室壳体中被引导。然后，压力室壳体中的引导件可以形成用于进出波纹管的内部容积的液压流体的入口和出口的一部分。所述引导件可以与压力腔的中心轴线重合或与其平行，并且波纹管可以沿着中心轴线在纵向方向上轴向地扩张和抽回。
压力传递装置还可以包括监测波纹管的位置的波纹管位置传感器，和/或温度传感器，该温度传感器监测闭合液压回路容积中的驱动流体的温度。另外，可以使用压力传感器。波纹管位置传感器可以为线性位置传感器。波纹管位置传感器可以布置在连接端口中，并且包括用于无限制流体流动的轴向通孔。
波纹管位置传感器可以为线性传感器，读取装置可以固定地连接至波纹管位置传感器，并且磁体可以固定地连接至引导件，并且其中，读取装置可以为感应传感器，其可以读取磁体的位置，使得波纹管位置传感器可以感应地监测磁体的相对位置，从而可以监测波纹管的位置。
所述感应传感器可以为适于读取磁体的位置并由此读取波纹管的位置的感应杆。
所述波纹管位置传感器可包括感应杆，该感应杆适于读取附接到引导件的磁体的位置，以使波纹管位置传感器能够感应地监测磁体的相对位置，从而监测波纹管的位置。
所述系统还可以包括控制系统，该控制系统用于控制泵波纹管和杆的工作范围，并且被配置成决定所述波纹管和杆是否在由最大限制(诸如波纹管的最大抽回位置和最大伸展位置)所限定的预定位置操作范围内操作，所述控制系统适于通过计算液压流体量是否在预定位置操作范围之外和/或通过监测波纹管和双作用增压液体分隔装置的位置并与预定位置操作范围进行比较来比较所述位置。所述系统可具有以下可能性：基于工作范围操作油管理系统阀，以将液压流体排放或重新注入到闭合液压回路容积中，以使系统保持在预定位置内运行，而不会发生故障，从而延长了系统中部件的使用寿命。
因此，控制系统比较来自双作用增压液体分隔装置中的波纹管位置传感器和双作用增压液体分隔装置位置传感器的信号，以确定系统是否在预定义工作范围内运行。
另外，所述系统可以使用控制系统，该控制系统能够基于来自一个或多个潜在温度传感器的输入决定何时使用油管理系统阀来更换(重新注入，排放)闭合液压回路系统中的油。当使用大支撑剂工作时和/或在启动时，控制系统还可以实现部分行程。这在所述单元意外关闭的情况下至关重要，在这种情况下，泵送的液体仍然为淤浆，从而使支撑剂从悬浮液和沉积物中掉出来。然后进行部分行程，以便将支撑剂重新悬浮在淤浆中(悬浮的)。
预定的波纹管位置操作范围可以由用于波纹管的特定的物理最终位置限定，所述物理最终位置用于波纹管的压缩和伸展。可替代地，代替所述物理最终位置，所述最终位置可以为指示最终位置的软件操作的位置。然后可以将一个信号传送到控制系统，指示波纹管已到达最终位置。提供最终位置的物理位置或软件操作的位置可以为波纹管的组成部分，例如作为导向系统或波纹管位置传感器的一部分，或与波纹管分开。然后，控制系统可以确定波纹管是否已达到其最终位置。如果波纹管没有到达最终位置，则控制系统可以确定未读取到(预期)信号，并指示油管理系统阀排放液压流体或将其重新注入到闭合液压回路容积中。
使用波纹管位置传感器监测流入和流出波纹管内部容积的体积，该传感器在双作用增压液体分隔装置的转折点提供高精度并控制波纹管的加速/减速，这再次致使阀保持在平稳、柔软的位置，即流量调节系统中阀的“缓降”运动。所述阀的缓慢且受控的运动防止或最小化损坏流量调节系统中阀座的风险。因此，为了实现这一点，所述系统能够使用双作用增压液体分隔装置位置传感器监测双作用增压液体分隔装置的位置，并且当接近最终位置时，所述单元的排放速度会缓降以在进入阀座之前缓冲/降低阀芯的速度。
双作用增压液体分隔装置优选地为双作用的，其中由第一活塞面积限定的双作用增压液体分隔装置的主侧以350-400巴的压差操作，并且在由第二活塞面积限定的次级侧，可以具有多个压力，例如1050巴或更高压力，这将类似于压力传递装置(即，波纹管和压力腔)可以在其下操作的压力。
压力传递装置可以由液压泵单元(例如过中心变量泵)来操作，该液压泵单元控制双作用增压液体分隔装置。液压泵单元可以具有两个流动方向和可调节的排量。液压泵送单元可以例如由可操作以操作这种液压泵送单元的任何电机(诸如柴油发动机或其他已知的电机/发动机)驱动。然而，显然，所描述的液压泵单元可以与由比例控制阀控制的各种液压泵互换，以对双作用增压液体分隔装置和压力腔加压。
压力传递装置优选地为压力补偿的，这意味着通过将一定量的油或其他液压液体引导进出波纹管的内部容积，波纹管可按液压方式操作，从而使波纹管在第一位置(即压缩状态)和第二位置(即伸展状态)之间运动。在操作中，波纹管内部容积中的液压流体中的压力与波纹管外部压力腔中的压裂流体(即待泵送的介质)中的压力相同。待泵送的液体或介质，例如压裂液，被布置在波纹管下方并位于波纹管外部与压力室壳体内表面之间形成的间隙中。
还可能提供一种拖车、集装箱或滑轨，其包括如上文所定义的双作用增压液体分隔装置和/或上文所定义的用于液压压裂的系统以及发动机和必要的装饰品。
在包括说明书在内的整个申请文件中，已经将不同的措词用于待泵送的液体。该术语应理解为波纹管外部压力腔中的液体，例如：液压压裂液，压裂液，压裂，加氢压裂或加氢压裂或泥浆，增产液，酸，水泥等。
增压器目前在市场上有售，但这些增压器基于与阀(即无容积控制的增压泵)组合的面积差异而得出。这种增压器使用多个较小的行程来达到所需的容积，从而导致压力损失和热量的产生，这又缩短了泵的使用寿命。此外，不可能使用液压泵来控制这种已知的泵，并且这将不能对波纹管进行减压和装载。
参考附图，从以下作为非限制性示例给出的优选实施例形式的描述中，本发明的这些和其他特征将变得清楚，其中：
附图说明
图1示出了包括根据本发明的双作用增压液体分隔装置的系统的操作设置；
图2为根据本发明的双作用增压液体分隔装置的放大视图；
具体实施方式
图1示出了包括根据本发明的双作用增压液体分隔装置的系统的操作设置。
图2为双作用增压液体分隔装置的放大视图。
公开了一种井增产压力传递装置，其被特别设计用于以高速率(例如，对于图1中公开的特定系统为1000升/分钟或更高)以非常高的压力(例如500巴或更高)泵送流体，诸如包含大量磨损颗粒的淤浆。在图1中公开了两个相同的设置，其具有共同的双作用增压液体分隔装置2，其中左侧的设置的元件用单撇号(′)表示，而右侧的相同设置的元件用双撇号(″)表示。
图2示出了根据本发明的双作用增压液体分隔装置2的细节。示出了用于以高于500巴的压力泵送流体的压力传递装置1′、1″，该压力传递装置1′、1″包括压力室壳体和连接端口3′、3″，该连接端口3′、3″可经由呈第一阀端口26′、26″和第二阀端口27′、27″形式的流体连通装置并且可能经由油管理系统阀16′、16″连接至双作用增压液体分隔装置2。压力室壳体包括压力腔4′、4″和第一端口5′、5″，第一端口5′、5″经由流量管理系统13将压力腔4′、4″连接至井。第一端口5′、5″用作待泵送的流体或液体的入口和/或出口。还公开了一种布置在压力腔4′、4″内的波纹管6′、6″，并且其中，波纹管6′、6″的内部容积7′、7″与连接端口3′、3″流体连通，并且防止内部容积7′、7″与压力腔4′、4″流体连通。在连接端口3′、3″和第一端口5′、5″之间在纵向方向上延伸的压力腔长度L′、L″具有变化的横截面积。波纹管6′、6″被构造成基本上在沿纵向方向的方向上运动，该方向在附图中与压力腔1′、1″的中心轴线C′、C″重合。
压力传递装置1′、1″包括波纹管，其被例示为液压驱动的不透流体的波纹管6′、6″，其包括内部引导件9′、9″和波纹管位置传感器12′、12″，该传感器带有适于读取磁体10′、10″的感应杆43′、43″。磁体10′、10″可以固定地连接至引导件9′、9″。引导件9′、9″本身例如沿连接端口3′、3″的纵向延伸部在压力室壳体中被引导。在所公开的示例中，引导件9′、9″在一端连接至波纹管6′、6″的下端，并且在其上端在压力室壳体中被引导。引导件9′、9″，并且由此磁体10′、10″跟随波纹管6′、6″的运动。波纹管位置传感器12′、12″，例如测量杆43′、43″可以包括用于检测和确定磁体10′、10″的位置(并由此检测和确定引导件9′、9″和波纹管6′、6″的位置)的装置，例如通过感应检测磁体位置。尽管描述中描述了磁体10′、10″被连接至相对于固定的测量杆43′、43″运动的引导件9′、9″，但是可以将磁体10′、10″布置成静止的，并且例如引导件9′、9″感应监测位置。此外，可以使用除上述线性位置传感器以外的其他传感器，只要它们能够监测波纹管6′、6″的确切位置即可。
波纹管6′、6″被放置在压力腔4′、4″中，该压力腔与压力室壳体′的内表面具有限定的间隙。驱动流体通过压力腔4′、4″顶部(即压力室壳体的顶部)的连接端口3′、3″被引入和引出波纹管6′、6″的内部容积7′、7″。波纹管6′、6″通过本领域技术人员已知的方式在压力腔4′、4″的顶部中固定地连接至压力室壳体的内表面。连接端口3′、3″与双作用增压液体分隔装置2以及可能的油管理系统阀16′、16″连通。
压力传递装置1′、1″还可包括通气孔(未示出)，以从待泵送的流体中排出空气。通风口可以为可操作以从闭合系统，诸如任何合适的阀(节流阀)或类似物中抽出或排出过量空气的任何通风口。
泵送的介质，例如带有颗粒的压裂流体，通过压力腔4′、4″(即压力室壳体)底部的第一端口5′、5″进入和离开压力腔4′、4″。第一端口5′、5″与诸如阀组的流量调节装置13连通。流量调节装置13在下面更详细地说明。
在双作用增压液体分隔装置2的驱动下，压力腔4′、4″与波纹管6′、6″结合，通过使波纹管6′、6″在其最小预定义限制和最大预定义限制之间抽回和扩张来泵送流体。将波纹管保持在此最小和最大预定义限制内可延长波纹管的寿命。为了确保波纹管6′、6″在其预定义的限制内工作，该运动由波纹管位置传感器12′、12″监测。将波纹管动态地移动到这些最小和最大预定义限制之外可能会严重缩短波纹管的使用寿命。如果没有此控制，则波纹管6′、6″会随着时间的流逝(主要是在双作用增压液体分隔装置2中的内部泄漏)因过度伸展或引起流体中的颗粒变形或刺入波纹管6′、6″或产生压力差的过度压缩(抽回)而承受过大的应力(最终会使压力腔4′、4″崩溃)。中心导向系统9′、9″，其被例示为引导件9′、9″，确保了波纹管6′、6″以线性方式抽回和扩张，从而确保波纹管6′、6″不会碰到压力腔4′、4″的侧壁，同时从波纹管位置传感器12′、12″确保精确的定位读数。因此，压力腔4′、4″被专门设计成在防止沉积物堆积的同时承受高压和循环荷载。波纹管6′、6″的外部与压力室壳体内部尺寸之间的规定距离确保了波纹管6′、6″的内部压力与压力腔4′、4″中的泵介质压力之间的压力平衡。
该压力腔被设计用于承受该系统将要承受的循环载荷，并容纳波纹管和波纹管定位系统。连接端口3′、3″具有穿过压力腔4′、4″“主体”的基体材料的机加工和珩磨的圆柱形状，并且像缸和活塞的配置一样用作波纹管导向系统9′、9″的一部分。理想的压力腔4′、4″的形状可防止应力集中。内部波纹管导向系统9′、9″确保波纹管6′、6″的线性运动，而无需外部引导件。
压力腔4′、4″中的底部的第一端口5′、5″被成形为通过使压力腔4′、4″朝向第一端口5′倾斜或逐渐变细而防止沉积物堆积。因此，由于待泵送的液体中的沉积物或颗粒自然地(即借助于重力)从压力腔4′、4″流出，通过第一端口5′、5″流出，因此防止了沉积物的堆积。如果没有这种倾斜或逐渐变细的形状，则沉积物的堆积可能会在压力传递装置启动期间导致问题，或者沉积物会堆积并最终包围波纹管6′、6″外部的下部。
双作用增压液体分隔装置2包括具有纵向延伸部的中空缸壳体20，其中，所述缸壳体至少包括具有第一横截面面积a1的第一部分和第二部分，以及具有大小不同于第一和第二部分的第二横截面面积a2的第三部分。双作用增压液体分隔装置2包括杆19，该杆19像活塞一样可移动地布置在缸壳体20内。杆19具有与第一横截面面积a1相对应的横截面面积面积，并且限定了第二活塞面积31′、31″，并且其中，当杆19布置在中空缸壳体20内时，其在第一部分中限定了第一柱塞室17′和在第二部分中限定了第二柱塞室17″。杆19还包括具有与第二横截面面积a2相对应的横截面面积的突出部分30，该突出部分限定了第一活塞面积30′、30″并且在第三部分中限定了第一外部腔室44′和第二外部腔室44″。所述杆的限定第一柱塞室17′和第二柱塞室17″的一部分在其至少一部分长度上形成有与第一柱塞室17′压力连通的第一凹槽40′和与第二柱塞室17″压力连通的第二凹槽40″。
第一柱塞室17′包括第一柱塞端口18′，其可替代地经由第一油管理系统阀16′与波纹管6′的内部容积7′连通。类似地，第二柱塞室17″包括第二柱塞端口18″，其可替代地经由第二油管理系统阀16″与波纹管6″的内部容积7″连通。第一柱塞室17′和第二柱塞室17″内的容积随着杆19被缩进/移出相应的第一柱塞室17′和第二柱塞室17″而变化。杆19可包括双作用增压液体分隔装置位置传感器21。第一密封件22′和第二密封件22″可以分别布置在杆的突出部分30与第一柱塞室17′和第二柱塞室17″之间。所述第一密封件22′和第二密封件22″可以通过单独的或共用的润滑系统23′、23″进行通风和冷却。
通过依次允许诸如油或其他合适的液压流体的加压流体流入第一入口/出口端口24′并流出第二入口/出口端口24″然后被反转以在相反的方向前进来来回驱动杆19。第一入口出口端口24′和第二入口出口端口24″与液压泵单元11连通。
第一油管理系统阀16′和第二油管理系统阀16″位于波纹管6′、6″与双作用增压液体分隔装置2之间，并且被示例为两个三通阀，其可包括分别操作第一三通阀和第二三通阀的第一致动器25′和第二致动器25″。第一油管理系统阀16′和第二油管理系统阀16″的设置以及它们与不同压力传递装置1′、1″的连接是相同的。因此，下面将更详细地描述左侧系统，即与第一柱塞端口18′连通的系统。在附图中以三通阀为例的油管理系统阀16′包括三个端口，其包括与第一柱塞端口18′连通的第一阀端口26′，与压力传递装置的连接端口3′连通的第二阀端口27′和与储液器29′连通的第三阀端口28′。类似地，关于右侧的压力传递装置1″，与第二柱塞端口18″连通的油管理系统阀16″包括三个端口，其包括与第二柱塞端口18″连通的第一阀端口26″，与压力传递装置1″的连接端口3″连通的第二阀端口27″和与储液器29″连通的第三阀端口28″。
液压泵单元11可包括过中心轴向柱塞泵，其由来自双作用增压液体分隔装置2中的波纹管位置传感器12′、12″和双作用增压液体分隔装置位置传感器21的位置数据，并可能根据来自人机界面(HMI)和/或控制系统的输入数据来控制。液压泵送单元11可以例如被电机M(诸如在特定技术领域中使用的任何标准电机)驱动。
流量调节组件13，例如阀组可以为该图左侧和右侧相同系统的公用流量调节组件。关于左侧的系统，流量调节组件13可以包括与压力传递装置1′的第一端口5′连通的泵端口36′，经由流量调节组件13中的入口歧管14与待泵送的液体连通的供应端口35′和与流量调节组件13中的排放歧管15连通的排放端口37′。为了能够在不同的入口和出口之间切换和操作，流量调节组件可以包括供应阀38′，该供应阀38′包括止回阀，当入口歧管14中的压力大于压力腔4′中的压力并且小于排放阀39′中的压力时，该止回阀允许供应泵送流体。入口歧管14与供给泵和搅拌器连通。所述搅拌器将待泵送的液体混合，并且供给泵对入口歧管14加压，并将所述混合后的流体分配至压力传递装置1′、1″(压力腔4′、4″)。所述搅拌器通常将待泵送的液体与诸如沙子和支撑剂的颗粒混合。这样的供给泵和搅拌器对于本领域技术人员而言是已知的，并且本文将不再详细描述。
类似地，对于图右侧的系统，流量调节组件13可包括与压力传递装置1″的第一端口5″连通的泵端口36″，经由入口歧管14与待泵送的液体连通的供应端口35″和与排放歧管15连通的排放端口37″。此外，为了能够在不同的入口和出口之间切换和操作，流量调节组件可以包括供应阀38″，该供应阀38″包括止回阀，当入口歧管14中的压力大于压力腔4″中的压力时，该止回阀允许供应泵送流体，以及排放阀39″，当压力腔4″中的压力高于用于以高压和流速将流体泵送到井中的排放歧管15中的压力时，该排放阀允许将流体排放到排放歧管15中。
流量调节组件13通过利用两个止回阀(其中一个用于入口，一个用于出口)和位于它们之间的装载/排放端口，在入口歧管14、压力腔4′、4″和出口歧管15之间分配泵送的液体。位于供应端口35′、35″和泵端口36′、36″之间的供应阀38′、38″在波纹管6′、6″抽回时，允许流体装载压力腔4′、4″，即，待泵送的液体从下方提供压力，从而有助于波纹管6′、6″的抽回/压缩。液体在入口歧管14中对压力传递装置的辅助压力通常在3-10巴的范围内，以重新注入压力腔4′、4″，并准备将下一剂量的高压介质向下泵送到井中。当波纹管6′、6″开始伸展时(即，加压流体正在填充波纹管6′、6″的内部容积7′、7″)，供应阀38′、38″将在压力超过入口歧管14中的供给压力时关闭，从而迫使排放阀39′，39″打开，并从而通过排放端口37′、37″将压力腔4′、4″中的内容物排放到排放歧管15中。这将分别在附图的左侧和附图的右侧的装置中顺序发生。
液压泵单元11利用配置在工业上限定的闭合液压回路容积中的过中心轴向活塞泵，也称为斜盘泵。斜盘泵具有包含活塞的旋转缸阵列。活塞经由球形接头与斜盘相连，并被推向与缸成一定角度的固定斜盘。活塞在半圈内吸入流体，而在另一半圈内将流体推出。斜度越大，泵活塞运动得越远，它们传递的流体就越多。这些泵具有可变的排量，并且可以在加压第一入口/出口端口24′和第二入口/出口端口24″之间切换，从而直接控制双作用增压液体分隔装置2。
油管理系统阀16′、16″被例示为三通阀。然而，可以使用其他设置，诸如两个或多个阀的布置。油管理系统阀由控制系统控制，该控制系统可以通过使用波纹管和双作用增压液体分隔装置中的位置传感器来确定在波纹管6′、6″的内部容积7′、7″与第一柱塞室17′和第二柱塞室17″之间是否循环了正确容积的液压流体。同时，如果油中的温度达到运行极限，它可使系统在此闭合液压回路容积中更换油。这通过将第二阀端口27′、27″与双作用增压液体分隔装置隔离并打开第一阀端口26′、26″和第三阀端口28′、28″之间的连通来完成，从而允许在双作用增压液体分隔装置2中的杆19使其自身根据波纹管6′、6″的位置定位。控制油管理系统阀16′、16″的控制系统监测与柱塞19的位置相关的波纹管6′、6″的位置，并在系统到达最大偏差极限时向系统添加油或从系统撤回油。它将通过优选地自动地将波纹管6′、6″停止在特定位置并且使柱塞19相应地复位到“波纹管位置”来做到这一点。柱塞19的波纹管位置通常对应于第一柱塞室17′和第二柱塞室17″的容积相同的位置，在大多数情况下，该位置将是波纹管6′、6″位于中间位置的位置。因此，柱塞19优选地相对于波纹管6′、6″的实际位置定位。
双作用增压液体分隔装置2例如可通过第一入口/出口端口24′和第二入口/出口端口24″通过例如来自液压泵单元11的可变流量供应来控制。突出部分30包括与第一入口/出口端口24′流体连通的第一端(即，经由第一活塞面积30′)和与第二入口/出口端口24″流体连通的第二端(即，经由第一活塞面积30″)。杆19还限定了比第一活塞面积30′、30″小的第二活塞面积31′、31″。杆19分离第一柱塞室17′和第二柱塞室17″，并且通过将杆19从第一柱塞室17′和第二柱塞室17″中抽出和抽回来操作以改变第一柱塞室17′和第二柱塞室17″的容积。杆19为部分中空的，并且包括第一凹槽40′和第二凹槽40″。第一凹槽40′和第二凹槽40″彼此分开。因此，允许流体在第一凹槽40′之间流动和第二凹槽40″之间流动。第一凹槽40′与第一柱塞室17′流体连通，以及第二凹槽40′与第二柱塞室17″流体连通。双作用增压液体分隔装置2用于确保固定容积的液压流体，例如油，正在对波纹管6′、6″装载/排放。同时，它还可以用作压力放大器(升压器或增压器)。在所示的双作用增压液体分隔装置2中，通过使第一活塞面积30′、30″分别比第一柱塞室17′中的第二活塞面积31′和第二柱塞室17″中的第二活塞面积30″更大来增加压力。第一活塞面积30′、30″与第二活塞面积31′、31″之间的固定比例取决于第一活塞面积和第二活塞面积的差异。因此，进入第一外部腔室44′或第二外部腔室44′的固定压力给出了由第一活塞面积和第二活塞面积的压差放大的固定压力。然而，可以改变输入压力以获得不同的压力输出，但是比率是固定的。压力的放大对于使流体能够在为该单元提供动力的工业液压泵单元11的最大正常压力范围内很好地泵送并根据最适合的压力工业需求而变化至关重要。
双作用增压液体分隔装置2可以包括双作用增压液体分隔装置位置传感器21，其与整体控制系统连续通信，该整体控制系统可以操作油管理系统阀16′、16″以基于来自双作用增压液体分隔装置2中的双作用增压液体分隔装置位置传感器21和波纹管位置传感器12′、12″中的输入从闭合液压回路容积中重新注入或排放液压流体。在附图中，双作用增压液体分隔装置位置传感器21被布置在杆19与第一柱塞室17′或第二柱塞室17″的内壁之间，使得双作用增压液体分隔装置位置传感器21的装置能够连续地监测杆19的位置并且将信号传递到控制系统，以比较液体分隔装置2中的波纹管6′、6″和活塞或杆19的位置。然而，也可以将双作用增压液体分隔装置位置传感器21布置在其他位置，包括在双作用增压液体分隔装置2的外部，只要它可以监测杆19的位置即可。这样，可以检测并纠正第一柱塞室17′或第二柱塞室17″中的任一者中的液压流体的任何泄漏或过量注入(例如，通过使用油管理系统阀16′、16″将杆复位到根据上述波纹管位置的零偏差位置)。
具体地，第一柱塞室17′和第二柱塞室17″将承受极端压力。所有过渡的形状均应避免应力集中。双作用增压液体分隔装置中的杆19优选为中空杆，以补偿在压力循环期间中空缸壳体20的膨胀。优选地，中空杆19的膨胀与壳体的膨胀成比例或比其略小，以防止中空杆和壳体之间的任何挤压间隙超过允许的极限。如果该间隙太大，则第一密封件22′和第二密封件22″上会发生泄漏，从而导致第一柱塞室17′和第二柱塞室17″中的液压流体容积不均匀。选择壳体的厚度和中空杆的壁，即环绕第一凹槽40′和第二凹槽40″的壁，使得它们在径向方向上类似/相等地变形，并且第一密封件22′和第二密封件22″也受到保护，从而确保第一密封件22′和第二密封件22″具有较长的使用寿命。
控制系统具有三个主要功能。控制系统的第一个主要功能是控制压力传递装置1′、1″的输出特性：压力传递装置1′、1″能够基于多个参数(例如：流量，压力，马力或这些的组合)输送流量。此外，如果使用两个双作用增压液体分隔装置2，则压力传递装置1′、1″可以通过以当两个双作用增压液体分隔装置2中的一个所述装置正在接管(上升至两倍速度)，而另一个达到其转向位置时的方式将所述两个双作用增压液体分隔装置2重叠而输送高达最大理论速率的50％的脉动自由流。因此，在具有基本上层流的所有实施例中，它在高压下实现了降低的流速，在减压下实现了高流速。这通过在液压泵送单元11上具有过大的容量来实现。随着速率的增加，重叠的空间将逐渐减少，从而增加脉动量。可变排量液压泵单元11与压力传感器和波纹管位置传感器12′、12″以及双作用增压液体分隔装置位置传感器21相结合，对于系统的灵活性至关重要。控制系统可以为基于计算机的控制系统，通过将多个并行泵送系统与现场总线捆绑在一起，也可以使它们充当一个系统。这可以通过并行布置泵送系统并使用控制系统来强制或异步操作各个泵送系统来完成。这样可以最大程度地减少由于干扰而产生的蛇行风险。
控制系统的第二个主要功能是相对于双作用增压液体分隔装置2的整个循环，对波纹管6′、6″的运动进行完整的控制。这与流量调节组件13中的阀(例如，供应端口35′、35″，泵端口36′、36″，排放端口37′、37″，供应阀38′、38″，排放阀39′、39″)的关闭/固定相关，因为存在多种因素，这些因素需要同步运行，以使该系统在这些极端的压力和输送速率下运行。对于弹簧，重要的是波纹管6′，6′在其设计参数内操作，即，为了延长使用寿命，不要过度伸展或过度压缩。
控制系统的第三主要功能是控制系统的油管理系统阀16′、16″，该阀在控制系统发现双作用增压液体分隔装置2和波纹管6′、6″的位置之间存在差异或温度超出预定义限制时起作用。双作用增压液体分隔装置2通常具有与液压缸相同的强度和缺点，其坚固且准确，但是第一密封件22′和第二密封件22″随时间推移的内部泄漏程度将由于在第一柱塞室17′和第二柱塞室17″与波纹管6′、6″的内部容积7′、7″之间的闭合液压回路容积中的添加或抽回因素而累积。为了解决这些问题，波纹管6′、6″和双作用增压液体分隔装置2均装有位置传感器12′、12″、21，该位置传感器连续监测这些单元的位置以确保它们根据软件编程的哲学而同步。随着时间的流逝，系统的内部泄漏将累加起来，并且当波纹管6′、6″与双作用增压液体分隔装置2之间的位置偏差达到最大允许极限时，第一油管理系统阀16′和/或第二油管理系统阀16″将增加或抽回必要的容积以使系统重新同步(并优选地相对于波纹管6′、6″的已知位置自动调节)。另外，可能存在一个问题，即在压力传递装置1′、1″与双作用增压液体分隔装置2之间的闭合液压回路容积的液体通过来回流动通过摩擦产生热量。最重要的是，双作用增压液体分隔装置2中的第一密封件22′和第二密封件22″还将产生热量，该热量将消散到闭合液压回路容积中的液体(例如油)中。此问题可以通过使用与补偿内部泄漏相同的系统来解决。闭环液压容积可以由油管理系统阀16′、16″代替。控制系统检测液压回路系统中的泄漏，并因此操作第一油管理系统阀16′和/或第二油管理系统阀16″，以通过隔离处于压缩、抽回位置中的波纹管6′、6″来更换闭合液压回路容积，并允许双作用增压液体分隔装置2将其容积排放到贮存器(外部)中，并用来自冷却系统的冷油重新注入。对于流量调节系统13中的阀(例如，供应端口35′、35″，泵端口36′、36″，排放端口37′、37″，供应阀38′、38″，排放阀39′、39″)，具有较长的使用寿命是期望的，所以希望阀或端口35′、35″、36′、36″、37′、37″、38′、38″的阀座轻柔或柔软，即阀构件不会猛撞入其所需的阀座。为此，所述系统监测双作用增压液体分隔装置2(即双作用增压液体分隔装置中的活塞或杆19)的位置，并在接近最终位置时，在就座之前，减缓液压泵单元11的排放速度以缓冲所述阀，以防止伪造的止回阀座。
出于解释的目的，阐述了本系统和配置，以便提供对所述系统及其工作的透彻理解。然而，该描述不旨在以限制意义来解释。对于所公开的主题所属领域的技术人员显而易见的，说明性实施例以及系统的其他实施例的各种修改和变化被认为落入本发明的范围内。
附图标记列表：
Figure GDA0003089830420000321
Figure GDA0003089830420000331
Figure GDA0003089830420000341
Figure GDA0003089830420000351

Claims (13)

1.一种双作用增压液体分隔压裂装置(2)，所述双作用增压液体分隔压裂装置用于在高于500巴的高压下的闭合液压回路容积，并且能够将高压下的大量液压流体供给到至少第一压力传递装置(1′)和第二压力传递装置(1″)以及从所述至少第一压力传递装置和第二压力传递装置抽回，其中所述双作用增压液体分隔压裂装置(2)能通过将可变流量供应通过至少第一驱动流体端口(24′)和第二驱动流体端口(24″)来控制，其中，所述双作用增压液体分隔压裂装置(2)包括：
-中空的缸壳体(20)，具有纵向延伸部，其中，所述缸壳体(20)至少包括具有第一横截面面积(a1)的第一部分和第二部分，以及具有大小不同于所述第一横截面面积(a1)的第二横截面面积(a2)的第三部分，
-杆(19)，
所述杆(19)具有与所述第一横截面面积(a1)相对应的横截面积，并且其中，所述杆的第一部分和所述缸壳体的第一部分限定第一柱塞室(17′)，并且所述杆的第二部分和所述缸壳体的第二部分限定第二柱塞室(17″)，其中，在所述第一柱塞室(17′)中布置有第一柱塞端口(18′)，在所述第二柱塞室(17″)中布置有第二柱塞端口(18″)，
所述杆(19)还包括具有与所述第二横截面面积(a2)相对应的横截面面积的突出部分(30)，并且所述突出部分和所述缸壳体(20)的所述第三部分限定第一外部腔室(44′)和第二外部腔室(44″)，其中，所述第一驱动流体端口(24′)被布置在所述第一外部腔室(44′)中，并且所述第二驱动流体端口(24″)被布置在所述第二外部腔室(44″)中，
所述突出部分限定第一活塞面积(30′、30″)，并且所述杆限定不同于所述第一活塞面积(30′、30″)的第二活塞面积(31′、31″)，其中所述第一活塞面积(30′、30″)以固定比率大于所述第二活塞面积(31′、31″)，并且其中
所述杆(19)的第一部分在其长度的至少一部分上形成有从所述杆的第一端面延伸的第一内部凹槽(40′)，其中，所述第一内部凹槽(40′)与所述第一柱塞室(17′)压力连通，并且
所述杆的第二部分在其长度的至少一部分上形成有从所述杆的第二端面延伸的第二内部凹槽(40″)，其中，所述第二内部凹槽(40″)与所述第二柱塞室(17″)压力连通，但与所述第一柱塞室(17′)相分离。
2.根据权利要求1所述的双作用增压液体分隔压裂装置(2)，其中，在使用过程中，通过依次允许加压液体流入所述第一驱动流体端口(24′)并从所述第二驱动流体端口(24″)流出，然后被反转以在相反的方向行进，从而来回驱动所述杆(19)。
3.根据权利要求1所述的双作用增压液体分隔压裂装置(2)，包括：用于检测所述杆的位置的双作用增压液体分隔压裂装置位置传感器(21)。
4.根据权利要求1所述的双作用增压液体分隔压裂装置(2)，包括在所述第一部分和所述杆之间的第一密封件(22′)以及在所述第二部分和所述杆之间的第二密封件(22″)，其中，所述第一密封件和第二密封件(22′、22″)被构造成通过润滑系统(23)进行润滑、通风和冷却。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的双作用增压液体分隔压裂装置(2)，其中，所述第一柱塞室(17′)和所述第二柱塞室(17″)分别为闭环液压系统的一部分。
6.一种系统，包括：
-根据前述权利要求1至5中任一项所述的双作用增压液体分隔压裂装置(2)，
-液压泵单元(11)，通过第一端口(24′)和第二端口(24″)向所述双作用增压液体分隔压裂装置(2)加压，
-至少两个压力传递装置(1′、1″)，分别与所述第一柱塞端口(18′)和所述第二柱塞端口(18″)流体连通，第一压力传递装置和第二压力传递装置(1′、1″)被构造成由所述双作用增压液体分隔压裂装置(2)加压和排放，并且在装载过程中，通过淤浆/污泥供给泵辅助所述双作用增压液体分隔压裂装置(2)减压和装载，
-流量调节组件(13)，包括入口歧管(14)和出口歧管(15)，其中，所述流量调节组件(13)被构造成在所述入口歧管(14)、所述压力传递装置(1′、1″)中的压力腔(4′、4″)、和所述出口歧管(15)之间分配流体。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述双作用增压液体分隔压裂装置(2)被构造成依次对所述至少两个压力传递装置(1′、1″)进行加压和排放以及进行减压和装载，使得一个压力传递装置(1′、1″)被加压和排放，而另一个压力传递装置被减压和装载，并且反之亦然。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述系统包括四个压力传递装置(1)和两个双作用增压液体分隔压裂装置(2)，每个所述双作用增压液体分隔压裂装置(2)被构造成依次对两个压力传递装置(1)进行加压和排放以及减压和装载，使得两个所述压力传递装置(1)被加压和排放，而另外两个所述压力传递装置(1)被减压和装载，反之亦然。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述两个双作用增压液体分隔压裂装置(2)被构造成单独地操作，使得它们能同步地或异步地对两个所述压力传递装置(1′、1″)进行加压和排放以及进行减压和装载。
10.根据前述权利要求6至9中任一项所述的系统，其中，所述两个压力传递装置(1′、1″)包括：波纹管(6′、6″)和波纹管位置传感器(12′、12″)，所述波纹管位置传感器监测所述波纹管(6′、6″)的位置；以及控制系统，适于从用于检测所述杆的位置的双作用增压液体分隔压裂装置位置传感器(21)接收数据，并且所述波纹管(6′、6″)比较所述杆(19)和所述波纹管(6′、6″)的位置。
11.一种车队，所述车队包括至少两个拖车，每个拖车包括至少一个根据前述权利要求6至10中任一项所述的系统。
12.根据前述权利要求1至5中任一项所述的双作用增压液体分隔压裂装置、根据权利要求6至10中任一项所述的系统、或根据权利要求11所述的车队在烃提取或生产中使用的用途。
13.根据前述权利要求1至5中任一项所述的双作用增压液体分隔压裂装置、根据权利要求6至10中任一项所述的系统、或根据权利要求11所述的车队在以下操作中使用的用途：水力压裂操作。
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