CN111094744A - 控制泵波纹管的工作范围的方法、系统和用途 - Google Patents

Abstract

控制泵波纹管的工作范围的方法、相关系统、计算机程序和用途，所述工作范围包括诸如波纹管的最大缩回位置和最大伸展位置的最大极限，所述方法包括以下步骤：a)使用至少一个位置传感器(12’、12”)读取波纹管(6’、6”)在闭合液压回路容积中的至少第一位置，g)将表示第一位置的第一位置信号发送到控制系统，h)其中，控制系统基于至少第一位置信号：cl)确定由至少第一位置信号表示的波纹管(6’、6”)的位置，c2)将波纹管(6’、6”)的位置与预定波纹管位置操作范围进行比较，并且c3)如果所述位置在预定波纹管位置操作范围之外，则指示油管理系统阀(16’、16”)使双作用增压液体分隔装置(2)重新校准闭合液压回路容积中的液压流体体积，以重新建立使至少第一位置返回到在预定波纹管位置操作范围内的位置的液压流体体积。

Description

控制泵波纹管的工作范围的方法、系统和用途

技术领域

本发明涉及一种控制泵波纹管的工作范围的方法以及相关的系统和用途，其包括诸如波纹管的最大缩回位置和最大伸展位置的最大限制。本发明特别适合于在诸如高于500巴和高达1500巴或甚至更高的压力的高压下泵送大量具有颗粒的流体(浆体/淤渣)的系统中使用。

本发明可以形成较大的泵送系统的一部分，所述泵送系统包括压力传递装置、双作用增压液体分隔装置以及流动调节组件(诸如阀组)中的一个或多个。

本发明适合于在高于500巴的范围的高压下使用，并且尤其适合于油/气井的水力压裂，在所述油/气井中，难以泵送具有形成流体的一部分的诸如支撑剂的颗粒的流体。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。

背景技术

水力压裂(也称为水力压裂、压裂、或水压压裂)是一种井增产技术，其中，岩石被以凝胶、泡沫、砂或水的形式的加压流体压裂。化学物质可添加到水中，以提高流体流动或改善水的特定性能，这样的处理后的水被称为“滑溜水”。该过程涉及将“压裂流体”(液体保持砂或其他支撑剂和化学物质)高压注入到井孔中，以在深岩层中产生裂纹，天然气、石油和盐水将更自由地流过所述裂纹。通常，机械活塞泵用于在高压下泵送压裂流体。由于由泵送介质中的砂和颗粒引起的泵内的滑动表面上的机械磨损和撕裂，这些机械泵的运行时间非常有限。在高压下利用颗粒保持液和/或需要的化学液体来操作的泵具有密封表面，颗粒和/或磨蚀性化学流体(化合物)在操作过程中会损坏所述密封表面。当密封件被损坏时，可能会出现泄漏和其他问题，从而导致泵的效率降低。此外，机械泵以高速来操作，这会在整个单元(高循环次数)中产生快速的压力波动，一段时间后，这会导致疲劳故障。因此，这样的泵的使用寿命周期非常有限，并且取决于颗粒类型、颗粒的量、化学成分和化学浓度以及工作压力。在旋转泵中，旋转(轴)密封件以及诸如叶轮和涡轮机轮的昂贵的泵元件会很快磨损。在活塞泵中，活塞在缸体上磨损，导致泄漏、低效率和故障。柱塞泵的另一个公知的问题是流体端的疲劳裂纹。造成这种情况的主要原因是来自压力波动的综合应力以及来自柱塞的机械线性应力。它们还受到动力端上最大允许杆负载的限制，因此必须使柱塞尺寸与期望的速率/压力输送相匹配。

通常，使用柱塞/活塞泵单元。

当多个泵连接到井下的同一流动线路并且同时在线时，存在它们形成与井下的流动线路的参考频率匹配的干扰模式的风险。这导致流动线路四处运动，这可能导致设备和人员受伤(由于流动线路像蛇一样移动，因此被称为“蛇行”)。

在压裂操作中，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使断裂保持打开。支撑剂通常由诸如砂的固体材料制成。砂可以是经过处理的砂或合成物或者诸如陶瓷的天然材料。在陆上压裂中，通常包括多个卡车的所谓的压裂车队运输并定位在适当的位置。每辆卡车都设有用于将压裂流体泵送到井中的泵单元。因此，由于道路上的卡车上的总重量容量以及由卡车给定的物理限制，存在待使用的设备受到重量和物理限制。

不适合于压裂而是公开了将干净的液压流体与待泵送的液体分离的系统的现有技术包括EP 2913525，其涉及一种液压驱动隔膜泵机(“泵”)，特别是用于水和难以泵送的材料。该系统包括至少两个并排泵送单元。每个泵单元包括泵缸和液压缸。泵缸(与EP2913525相关的附图标记1,2)具有下部第一端和上部第二端，所述下部第一端具有用于待泵送的液体的第一入口和出口，所述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)，所述波纹管的下端关闭，而其上端打开，用于与液压流体连通。波纹管(3、4)的外部限定用于待泵送的液体的空间。泵缸(1、2)的波纹管(3、4)布置为通过在其顶端处供应的液压流体来驱动，像手风琴一样膨胀和收缩，以泵送与泵缸(1、2)的下部第一端邻近的待泵送的液体。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。液压驱动器在其上端处以可滑动地安装在液压缸(9、10)中的驱动活塞(19、20)结束。两个泵单元的液压缸(9、10)的液压驱动器通过液压机械连接件(25、27)连接，所述液压机械连接件被设计为使每个液压缸(9、10)的活塞(19、20)前进和缩回。

然而，由于圆筒形的泵室，EP 2913525中的方案不适用于高压(即，超过500巴)下的水力压裂。当用于水力压裂时，圆筒形状的泵室将无法承受与高循环次数相结合的高压。此外，波纹管是聚合物，导致存在颗粒被挤压在圆筒壁和波纹管之间的风险，并且可能损坏波纹管。另外，每个泵缸上都连接有一个液压缸。因为活塞(19、20)的下侧上的有效面积小于活塞(19、20)的上侧上的有效面积，所以液压缸未被构造为增加进入活塞(19、20)下侧上的压力。此外，在聚合物波纹管上，缺乏对膨胀的方向的控制，导致波纹管与缸壁接触的可能性。这会导致撕裂以及支撑剂被迫进入基础材料。

液压机械连接件通常具有一些缺点，包括：

-无法与多个单元同步，

-无法根据压力和流量来改变缓升/缓降(不能提供对泵的特性的精确控制)，

-无法部分冲程，

-无法补偿流动中的压力/流量波动，

-其将永远不能重叠并产生层叠流，

-其在控制阀上产生压降，这导致机油发热，效率损失在5-10％范围内。

用于压裂的常规泵存在这样的问题：系统中的部件会在数小时后发生故障，并且不得不维修。因此，为了在系统中提供冗余度，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，因此在维护方面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的内部泄漏，这也将出现在经过数次循环的闭合回路液压系统中。这种泄漏将在数次循环中累积，从封闭的体积增加或缩减，导致波纹管过度缩回或伸展。无法对此进行控制，将导致波纹管过早失效。

因此，本发明的目的是解决与现有技术方案有关的至少一些缺陷，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)并且避免颗粒损坏运动部件。

更具体地，本发明的目的是提供一种在高压下平稳且无震动的大流量泵送，减少对流动环路中的所有组件的磨损和撕裂，同时提供一种单元，所述单元能够无缝集成并适应于任何压力流速需求，而无需机械改造或改变。另外，本发明的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，本发明的目的之一是提供一种用于压裂的系统，所述系统可以以高体积流量在高压下操作。

另一目的是提供一种系统，在所述系统中，待泵送的液体与尽可能多的运动部件分开。

更具体地，目的是使损坏波纹管的风险最小化。

另一目的是提供一种重量减轻的泵系统，例如，泵系统应能够在形成在水力压裂中使用的所谓的压裂车队的一部分的标准卡车或拖车上进行布置和运输。

另一目的是提供一种不需要用于波纹管的外部引导系统的系统。

另一目的是提供一种完全无级控制的波纹管速度/冲程控制，以避免压力峰值、流动峰值和波动。

另一目的是构造一种泵系统，所述泵系统用于在压裂或其他高压泵送工业中通常使用的所有压力和流动配置，而无需进行机械改造。

本发明的另一目的是提供一种先进的控制系统和同步的多个单元，以消除常规系统具有的问题。

另一目的是提供一种方案，所述方案可以用于新设备中并且连接到现有设备，诸如对现有系统进行更新。

发明内容

通过如独立权利要求中阐述的本发明解决了这些目的，其中，在从属权利要求中限定本发明的详细实施方式。

本发明通过确保闭合液压回路容积中的流体量总是在预定范围内(即，确保其不是太多的液压流体而具有波纹管的不期望的伸展的风险，也不是太少的液压流体而具有波纹管的过度压缩的风险)提供了针对这些目的的方案。因此，本发明可以是一种控制压裂系统中的泵波纹管的工作范围的方法以及一种压裂系统。

因此，对控制系统的输入对于增大系统中的组件、特别是运动组件的生命周期是重要的。例如，如果液压流体从闭合回路系统泄漏，则存在如果波纹管缩回/压缩得过多而损坏波纹管的风险。

本发明控制运动，不断地监控来自双作用增压液体分隔装置和/或波纹管的位置信号。如果需要调节，则具有阀的油管理系统协议(整个控制系统的一部分)用于校正位置或改变油。例如，如果系统包括双作用增压液体分隔装置和压力腔，所述压力腔使用用于使第一流体和第二流体分开的波纹管利用第二流体(例如，液压泵流体)对第一流体(例如，压裂流体)加压，则波纹管从不会完全压缩，也不会最大程度地拉伸或伸展。如果波纹管反复地伸展和压缩到最大极限，则磨损和撕裂(即，疲劳)显著增加，导致缩短生命周期。

本发明涉及一种控制泵波纹管的工作范围的方法，所述泵波纹管的工作范围包括诸如波纹管的最大缩回位置和最大伸展位置的最大极限，所述方法包括以下步骤：

a)使用至少一个位置传感器读取在闭合液压回路容积中的波纹管的至少第一位置，

b)将表示第一位置的第一位置信号发送到控制系统，

c)其中，控制系统基于至少第一位置信号：

cl)确定由至少第一位置信号表示的波纹管的位置，

c2)将波纹管的位置与预定波纹管位置操作范围进行比较，并且

c3)如果位置在预定波纹管位置操作范围之外，则指示油管理系统阀使双作用增压液体分隔装置重新校准闭合液压回路容积中的液压流体体积，以重新建立使至少第一位置返回到预定波纹管位置操作范围内的位置的液压流体体积。

预定波纹管位置操作范围可以是波纹管位置的预定间隔，该波纹管位置由控制系统连续读取或监控，然后控制系统连续监控波纹管的第一位置并与预定位置操作范围进行比较。

预定波纹管位置操作范围可以由波纹管的用于波纹管的压缩和伸展二者的特定物理终点位置来限定。替代地，代替物理终点位置，终点位置可以是指示终点位置的软件操作位置。然后可以将信号传输到控制系统，指示波纹管已到达终点位置。提供终点位置的物理或软件操作位置可以是波纹管的组成部分(例如，作为引导系统或波纹管位置传感器的一部分)或者与波纹管分开。然后，控制系统可以确定波纹管是否已到达其终点位置。如果波纹管没有到达终点位置，则控制系统可以确定未读取到(预期的)信号，并指示油管理系统阀排出或重新填充闭合液压回路容积中的液压流体。

显然，所有液压系统都具有一定程度的液压流体的内部泄漏，然而，在整个说明书和权利要求书中，术语闭合回路液压系统已被用于这样的“闭合”系统，以与未由确定体积定义的系统区分开。

预定波纹管位置操作范围可以根据泵送的流体(例如，压裂流体)中的颗粒的尺寸和/或量而变化。

预定范围将取决于操作压力，即，液压流体的压缩率。

在一方面中，所述方法可以是控制压裂系统中的泵波纹管的工作范围的方法。

在一方面中，来自至少一个位置传感器的第一位置信号表示可运动地布置在压力腔内的波纹管的位置。

在一方面中，来自至少一个位置传感器的第二信号表示双作用增压液体分隔装置中的柱塞的位置。

如果系统设置有至少两个位置传感器，并且可能还设置有额外的传感器，则实现冗余度。如果使用多于一个传感器，则在传感器中的一个发生故障的情况下，可确保控制系统的冗余度。

在一方面中，控制系统将至少第一位置信号和第二信号进行比较，并且确定波纹管和柱塞之间的位置差，并且

-将位置差与预定位置差范围进行比较，并且，

-如果位置差在预定位置差范围之外，则指示油管理系统阀使双作用增压液体分隔装置重新校准闭合液压回路容积中的液压流体体积，以重新建立使位置差返回到预定位置差范围内的液压流体体积。

预定位置差范围依赖于不同压力且随不同压力变化。这归因于液压液体/流体在不同压力下的压缩性。此外，在该方面中，两个不同的预定范围在控制系统中同时运行，即，预定位置差范围和预定波纹管位置操作范围，并且控制系统确定第一位置和位置差是否在给定的范围内。

如果波纹管位置相比于柱塞的位置到达预定的最大偏差，则控制系统可以向油管理系统阀发送信号，以关闭第二阀端口并将第三阀端口打开至储液器。然后，双作用增压液体分隔装置将在油管理系统阀(即，第二阀端口)关闭后根据最后的波纹管位置调节活塞。在调整后，油管理系统阀将打开第一阀端口和第二阀端口，并继续其工作循环。

在一方面中，其中，如果位置或位置差在预定波纹管位置操作范围或位置差范围之下，则控制系统指示油管理系统阀使双作用增压液体分隔装置重新校准，以将液压流体填充到闭合液压回路容积中，并且如果计算出的液压流体体积高于预定波纹管位置操作范围，则控制系统指示油管理系统阀使双作用增压液体分隔装置重新校准，以从闭合液压回路容积中排出液压流体。

在一方面中，至少第一位置表示闭合液压回路容积中的体积，并且其中，控制系统在步骤c1)之前计算闭合液压回路容积中的液压流体体积，以在继续进行步骤c1)之前确保准确的波纹管位置。

在一方面中，所述方法还可以包括：

d)在步骤c)之前，从布置在闭合液压回路容积中的不同位置处的一个或多个温度传感器读取第一温度，

e)将表示第一温度的第一温度信号发送到控制系统，

f)其中，控制系统基于第一温度信号，

-确定闭合液压回路容积中的温度，

-将温度与预定温度操作范围进行比较，并且

-基于位置、位置差或温度是否分别在预定波纹管位置操作范围、预定位置差范围、或预定温度操作范围之内、之上或之下，操作油管理系统阀使双作用增压液体分隔装置通过以下方式重新校准：

-保持空闲，将液压流体填充到闭合液压回路系统中，或从闭合液压回路系统排出液压流体。

在一方面中，波纹管可具有中心轴线，波纹管可沿着中心轴线在大体上纵向方向上伸展和缩回，其中，位置传感器中的一者是读取波纹管的轴向伸展的波纹管位置传感器。

在一方面中，油管理系统阀可布置在双作用增压液体分隔装置与压力传递装置之间，并且包括阀装置，其中，阀装置基于来自控制系统的输入而被操作为：

-打开双作用增压液体分隔装置与波纹管的内部容积之间的流体连通，

-打开流体储液器与闭合液压回路容积之间的流体连通，以将液压流体填充到闭合液压回路容积中，

-打开流体储液器与闭合液压回路容积之间的流体连通，以从闭合液压回路容积排出液压流体。

本发明还涉及一种包括与油管理系统阀连通的控制系统的系统，所述系统包括：

-压力传递装置，包括：

-压力室壳体，压力室壳体包括：

-压力腔和可运动地布置在压力腔内的波纹管，

-至少一个位置传感器，被构造为读取波纹管的位置并将表示第一位置的第一位置信号发送到控制系统，并且

其中，控制系统基于至少第一位置信号被构造为：

-确定由至少第一位置信号表示的波纹管的位置，

-将波纹管的位置与预定波纹管位置操作范围进行比较，并且

-基于位置是否在预定波纹管位置操作范围之外，被构造为操作油管理系统阀使双作用增压液体分隔装置重新校准闭合液压回路容积中的液压流体体积，以重新建立使至少第一位置返回到预定波纹管位置操作范围内的位置的液压流体体积。

在该系统的一方面中，来自至少一个位置传感器的第一位置信号可表示波纹管的位置。

在该系统的一方面中，来自至少一个位置传感器的第二信号可表示双作用增压液体分隔装置中的柱塞的位置。

在该系统的一方面中，其中，控制系统被构造为：

-将至少第一位置信号和第二信号进行比较，并且确定波纹管和柱塞之间的位置差，并且

-将位置差与预定位置差范围进行比较，并且，

-如果位置差在预定位置差范围之外，则指示油管理系统阀使双作用增压液体分隔装置重新校准闭合液压回路容积中的液压流体体积，以重新建立使位置差返回到预定位置差范围内的液压流体体积。

在一方面中，该系统还可包括被构造为读取闭合液压回路系统中的温度并将信号发送到控制系统的一个或多个温度传感器，其中，控制系统被构造为：

-基于位置、位置差或温度是否分别在预定波纹管位置操作范围、预定位置差范围、或预定温度操作范围之内、之上或之下，操作油管理系统阀使双作用增压液体分隔装置通过以下方式重新校准：

-保持空闲，将液压流体填充到闭合液压回路系统中，或从闭合液压回路系统排出液压流体。

本发明还涉及一种计算机程序，包括处理指令，当处理指令由处理装置执行时，使得处理装置根据如上所述的方法运行。

本发明还涉及一种上述系统的在以下操作之一中的用途：烃提取或生产、水力压裂操作、阻塞和废弃、钻井、完井或增产操作、固井、酸化或氮气循环。

本发明还涉及一种上述方法或系统的用于分别在泵波纹管的在双作用增压液体分隔装置中的柱塞的转向点处的受控的加速和减速的用途。由于控制系统能够使用双作用增压液体分隔装置位置传感器监控双作用增压液体分隔装置的位置，因此这有利于缓冲止回阀的冲击并减小系统中的振动，并且当接近终点位置时，为了在进入阀座之前缓冲/降低阀元件的速度，缓降单元的排放速度。

工作范围(即，由屏障物的诸如最大缩回或压缩位置和最大伸展位置的最大极限限定的操作范围，其中，0％的伸展表示完全收缩或缩回的位置(即，第一终点位置)，100％是指屏障物的最大伸展位置(即，第二终点位置))有利地在以下范围内：优选地10％和90％，更优选地20％和80％内，甚至更优选地30％和70％内。这些例示范围确保屏障物的生命周期的显著增大。

本发明相对于已知方案提供了显著的改进。泵送系统及其相关组件提供了在高体积流量的情况下以高达150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巴泵送2m³以及之间的任何比率的压力比的可能性。在基本上为层叠流的所有实施方式中，本发明对于期望的泵速和泵压力提供了灵活性，例如，在高压下的降低的流速以及在降低的压力下的高流速。

可使用根据本发明的方法和系统的泵送系统可包括压力传递装置、双作用增压液体分隔装置和流动调节组件(诸如阀组)中的一个或多个。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。压力传递装置中的波纹管在液压压力侧(即，在一侧上的双作用增压液体分隔装置和液压泵单元)与在另一侧上的待泵送到井中的介质之间用作“活塞”。波纹管用作双作用增压液体分隔装置中的活塞的伸展。压力传递装置中的波纹管将干净的液压流体(在波纹管内)与具有颗粒的脏的流体(在波纹管外)分开。

在本发明的所有方面中，波纹管应理解为将波纹管的内部容积与波纹管的外部与压力腔的内部之间的体积分开的流体密封屏障物。即，波纹管具有固定的外径，但具有轴向柔性，从而在波纹管的所有位置以及在所有压力下在压力室壳体的内表面与波纹管之间提供环形间隙(间隙的尺寸，例如，至少对应于压裂流体中的颗粒的粒径)。

波纹管优选地固定连接在压力腔的顶部中，并且波纹管在所有方向上(即，在下方、径向上以及可能地部分地在其不形成连接端口的一部分的部分的上侧上，所述连接端口用于液压流体进入和离开波纹管的内部容积)由压力腔围绕。总压力腔体积是恒定的，而波纹管的内部容积改变。当波纹管在压力腔内伸展和缩回时，压力腔的可用剩余体积会改变。液压流体体积进入波纹管的内部，并从压力腔排出待泵送的流体的体积。

泵系统可以是正排量泵，其中，使用流体密封波纹管来实现压力传递装置中的体积变化，所述流体密封波纹管在径向上是刚性的并且在轴向上是柔性的。这种设置使得波纹管基本上在轴向方向上运动，而在径向方向上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，压力腔中的剩余体积最大，而当波纹管处于第二位置(即，伸展状态)时，压力腔中的剩余体积最小。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与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与波纹管之间。因此，压裂流体围绕波纹管，并且形成间隙，使得其最小伸展大于支撑剂的最大颗粒尺寸。波纹管的径向刚性确保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物加压，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在轴向方向上。待泵送的液体(例如，压裂流体)通过利用液压流体填充波纹管的内部容积而被加压，从而增大波纹管的排量，这导致在波纹管外的压力腔中的剩余体积减小，并且待泵送的液体的压力增大。然后，待泵送的液体通过第一端口流出，并进一步通过诸如阀组的流动调节组件流出。

压力传递装置不具有与待泵送的液体接触的任何滑动表面。因此，由于不存在与待泵送的任何磨料液体滑动接触的易损部件，因此部件的寿命被延长。压力传递装置被压力补偿，使得驱动液压压力与待泵送的液体(即，压裂流体)中的压力相同，因此，波纹管不必承受内部液压驱动压力与待泵送的液体中的压力之间的压差。

压力传递装置可以通过从双作用增压液体分隔装置进料的压力来操作，该双作用增压液体分隔装置由液压泵单元加压。双作用增压液体分隔装置可以是双作用增压液体分隔装置。双作用增压液体分隔装置中的第一和/或第二柱塞室是具有波纹管的内部容积的至少一个闭合液压回路容积的一部分，并且能够在高压下向波纹管的内部容积供给和收回大量的液压流体。

波纹管可以在待泵送的液体中的进料压力的帮助下返回到第一位置，即，压缩状态。待泵送的液体(即，来自泵送待泵送液体的进料泵的进料压力)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的内部容积中的液压流体的压力，缩回将是在缩回时双作用增压液体分隔装置在体积上产生压差的结果。当双作用增压液体分隔装置缩回时，将存在差量体积，由进料泵(搅拌器)供应和加压的泵送流体体积(即，进料泵正将压裂流体供应到压力腔)将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容积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/或待泵送的液体的储液器中的进料压力)。当压力腔中的压力超过进料压力时，第一阀关闭，当压力超过排放歧管中的压力时，第二阀将打开，并且流体将流入井中。波纹管的这种压缩和伸展将在压力传递装置中顺序发生。

本发明可以与泵一起使用，所述泵用于以高于500巴的压力泵送具有颗粒的流体，压力传递装置包括压力室壳体和至少一个连接端口，至少一个连接端口经由流体连通装置能连接到双作用增压液体分隔装置，压力室壳体包括：

-压力腔，在压力室壳体以及用于将流体输入压力腔和/或从压力腔输出的至少第一端口内，

-波纹管，在压力腔内限定内部容积，并且其中，内部容积与连接端口流体连通，

其中，压力腔具有中心轴线，压力腔的轴向长度由连接端口与第一端口之间的距离限定，并且在轴向长度的至少一部分上具有变化的横截面积，并且其中，波纹管被构造为在压力腔的轴向长度的一部分上在大体上平行于中心轴线的方向上运动。波纹管优选地在径向上是刚性的并且在轴向上是柔性的，并且布置为在压力腔长度的至少一部分上伸展和缩回。

因此，压力腔在其纵向方向上具有不同的横截面，例如，至少两个不同的横截面。优选地，不同的横截面之间的过渡区域是平滑或连续的(没有锋利的边缘)。这种平滑或连续的过渡区域防止沉积物，并允许较高的压力，而在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。几何形状被优化，以使这些力尽可能均匀。

因此，连接端口适合于将液压流体吸入到压力腔中和/或将加压的液压流体从压力腔排出。

第一端口适合用于待泵送的液体进入压力腔和从压力腔排出的入口/出口。

根据一方面，波纹管可以连接到压力腔的内表面。优选地，波纹管在压力腔的上部中连接有在波纹管与压力腔的内表面之间提供流体密封连接的装置。如此，防止流体从波纹管的内部容积流动并进入压力腔中。

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，波纹管在其所有操作位置中具有在轴向和径向方向上的最大伸展，所述最大伸展小于由压力室壳体的内表面限定的限制。

在一方面中，压力腔朝向第一端口逐渐变细，从而形成天然漏斗，在该位置，沉积物/支撑剂/砂可与流体一起排出。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堆积(支撑剂/砂等)。因此，第一端口可以优选地布置在压力腔的下部中，使得沉积物可以借助于重力通过第一端口离开。

在一方面中，压力腔可以是细长的、蛋形的、椭圆形的、圆形的、球面的、球形的或卵形的，或者具有两个平行的侧面且横截面的至少一部分小于平行部分中的横截面。

在另一方面中，压力腔可以是圆形的。在另一方面中，压力腔可以是多泡形的(例如，如米其林人(Michelin man))。

在一方面中，波纹管具有比压力室壳体的内表面小的径向和轴向伸展(即，限定压力腔的径向和轴向伸展)，从而在波纹管的所有操作位置中在波纹管的外周与压力室壳体的内周(即，内表面)之间形成间隙。因此，在所有压力下，在压力传递装置的操作期间，流体围绕波纹管的至少两侧。

根据一个方面，波纹管可以具有类似手风琴形状或六角琴形状的圆柱形状。由于波纹管圆柱结构的所有表面始终处于液压平衡状态，因此其提供了最小的波纹管负载。因此，波纹管可以包括提供轴向柔性的六角琴状的侧壁和连接到波纹管的侧壁的流体密封端部盖。因此，手风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装置(诸如胶水、机械连接)焊接在一起或彼此连接。相邻的折叠或褶皱可以形成为使得在波纹管的缩回和抽出期间压裂流体中的颗粒被禁止捕获在波纹管中的相邻的折叠或褶皱之间。这可以通过以下方式来实现：使波纹管的操作范围(即，波纹管的预定最大伸展和缩回)形成为使得相邻的折叠之间或折叠与压力腔的内表面之间的打开量始终大于最大预期颗粒尺寸。如此，使捕获颗粒的风险最小化。

波纹管优选地由足够刚性的材料制成：金属、复合物、硬质塑料、陶瓷或它们的组合等，以提供流体密封波纹管，该波纹管在径向上是刚性的和在轴向上是柔性的。波纹管优选地大体上在轴向方向上运动，而在径向方向上的运动被禁止或限制。选择波纹管的材料，以承受大的压力变化和待泵送的流体中的化学物质，从而使疲劳和损坏风险最小化。如果波纹管由金属制成，则与由对温度较敏感的材料(即，不能在较高的温度下操作的材料)制成的波纹管相比，其可以在较高的温度下使用。

显然，根据特定方案的需求，形成整个系统的一部分的其他部件也可以由诸如金属(铁、钢、特殊钢或上述示例)的适当的材料制成。然而，也可以使用其他材料，诸如复合物、硬质塑料、陶瓷，或者替代地，金属、复合物、硬质塑料、陶瓷的组合。

在一方面中，波纹管可以包括与压力腔的中心轴线重合或平行的引导系统，并且其中，波纹管沿着该中心轴线在纵向方向上在轴向上扩张和缩回。

在一方面中，引导系统可以包括引导件。

压力传递装置还可以包括监控波纹管的位置的波纹管位置传感器和/或监控闭合液压回路容积中的驱动流体的温度的温度传感器。另外，可以使用压力传感器。

波纹管可以包括引导系统，所述引导系统包括引导件。引导件可以连接到波纹管的下部，并且可以被构造为引导在压力室壳体中。然后，压力室壳体中的引导件可以形成用于液压流体进出波纹管的内部容积的入口和出口的一部分。引导件可以与压力腔的中心轴线重合或平行，并且波纹管可以沿着中心轴线在纵向方向上在轴向上扩张和缩回。

波纹管位置传感器可以是线性位置传感器。波纹管位置传感器可以布置在连接端口中并且包括用于流体的无限制流动的轴向贯通开口。

在一方面中，当波纹管位置传感器是线性传感器时，读取装置可以固定地连接到波纹管位置传感器，并且磁体可以固定地连接到引导件，并且其中，读取装置可以是能够读取磁体的位置的感应传感器，使得波纹管位置传感器可以感应地监控磁体的相对位置并由此监控波纹管的相对位置。

在一方面中，感应传感器可以是适合于读取磁体的位置并由此读取波纹管的位置的感应杆。

在一方面中，感应传感器可以包括适合于读取附接到引导件的磁体的位置的感应杆，以便波纹管位置传感器感应地监控磁体的相对位置并由此监控波纹管的相对位置。

压力传递装置还可包括在波纹管内的额外的流体密封屏障物。可使用此方式，以进一步减小或最小化在波纹管的内部容积与包括待泵送的液体的压力腔之间的流体泄漏的风险。该额外的流体密封屏障物可以是气囊、波纹管、不可渗透层的材料，并且可以具有与波纹管相同或不同的形状。

在一方面中，压力传递装置还可包括在波纹管与压力室壳体的内表面之间的外部屏障物。该外部屏障物可以是防颗粒的(过滤器)或流体密封的，并且可以是柔软的材料、与适当位置的波纹管类似的波纹管、过滤器等。

当利用大的支撑剂工作时和/或在启动时，控制系统还能够实现部分冲程。这在单元已意外关闭的情况下至关重要，在这种情况下，泵送的液体仍是浆体，从而使支撑剂从悬浮液和沉积物中出来。然后，应用部分冲程，以便使支撑剂重新悬浮在浆体(悬浮的)中。

在一方面，该系统可以包括两个压力传递装置，并且双作用增压液体分隔装置可以被构造为对两个压力传递装置顺序地加压和致动，使得一个压力传递装置被加压并排放(排放的压裂流体)，而另一个被减压并充入(由新的压裂流体充入)，反之亦然。通过进料泵可以帮助进行减压和充入操作。两个双作用增压液体分隔装置可以被构造为单独操作，使得它们可以同时(即，重叠地)(即，同步地或异步地)对压力传递装置中的两个加压。

在另一方面中，该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，双作用增压液体分隔装置中的每个被构造为对两个压力传递装置顺序地加压和排放，使得压力传送装置中的两个被加压并由此进行排放，而另外两个压力传送装置被减压并由此充入，反之亦然。还可以提供一种卡车，所述卡车包括在水力压裂中使用的如上限定的压力传递装置和/或上面限定的系统。

该系统还可以包括：波纹管位置传感器，适合于监控波纹管的轴向伸展，从而监控进入和流出波纹管的内部容积的流体的量；以及双作用增压液体分隔装置位置传感器，监控双作用增压液体分隔装置的位置，其中，来自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由控制系统监控，并且与预定工作范围进行比较，用于波纹管的伸展和双作用增压液体分隔装置的位置。这样做是因为有利的是知道并且能够控制波纹管的轴向伸展的位置(波纹管从不会被完全压缩或最大程度地拉伸)。因此，对控制系统的输入是重要的。例如，如果液压流体从闭合液压回路系统泄漏，则存在如果波纹管过度收缩/压缩(即，在预定操作范围之外)则损坏波纹管的风险。过度的收缩会导致支撑剂或砂被捕获在波纹管中的相邻的折叠或褶皱之间和/或差量压力的累积，而过度的伸展会导致例如波纹管的疲劳加剧或可能与压力室壳体的下表面发生碰撞，从而缩短波纹管的预期使用寿命。

流入和流出波纹管的内部容积的体积使用提供高精度的波纹管位置传感器以及波纹管的在双作用增压液体分隔装置的转向点处的受控的加速/减速来监控，这又使得阀的归位保持平稳且柔和，即，流动调节系统中阀的“缓降”运动。阀的缓慢且受控的运动防止或最小化损坏流动调节系统中的阀座的风险。因此，为了实现这一点，系统能够使用双作用增压液体分隔装置位置传感器监控双作用增压液体分隔装置的位置，并且当接近终点位置时，为了在进入阀座之前缓冲/降低阀元件的速度，缓降单元的排放速度。

双作用增压液体分隔装置优选地是双重/双作用增压液压缸/柱塞泵，在所述双重/双作用增压液压缸/柱塞泵中，进入泵的液压泵压力推动/压制在具有大于次要区域的固定比例的区域上，双作用增压液体分隔装置提供对进出波纹管的待排放的体积的控制，并且还用作压力放大或增压装置。次要区域是作用于进出波纹管的内部容积的流体的区域。该设置在次级区域上提供两倍、三倍甚至四倍(或更多倍)的工作压力。驱动双作用增压液体分隔装置的具有例如350巴的压力范围的液压泵系统可以例如将700-1400巴输送到波纹管的内部容积，从而在压力腔中提供相同的压力。为了能够获得用于在上述说明的高压下令人满意地起作用和操作的压力传递装置和双作用增压液体分隔装置，该系统优选地能够以高精度控制和定位波纹管。优选地，操作波纹管的闭合液压回路容积(例如，油体积)被构造为通过油管理系统阀来调节体积，以确保波纹管在预定工作范围/操作区域内操作并且即使对于整个系统而言处于降低的速率，但是所有可能的在泵送期间/在泵送的情况下/在泵送时，闭合液压回路中的液压流体必须相对于温度进行连续监控并在需要时用冷却(新鲜)的流体进行更换。双作用增压液体分隔装置优选地是双作用的，其中，双作用增压液体分隔装置的由第一活塞面积限定的初级侧以350-400巴的压差操作，并且在由第二活塞面积限定的次级侧上，可以具有多个压力，例如，1050巴或更高，其将类似于压力传递装置(即，波纹管和压力腔)可以在其下进行操作的压力。

压力传递装置可以由液压泵单元(例如，控制双作用增压液体分隔装置的偏心可变泵)来操作。液压泵单元可以具有两个方向的流动和可调节的排量体积。液压泵单元可以例如通过可操作以操作这样的液压泵单元的任何电机(诸如，柴油发动机或其他已知的电机/发动机)来驱动。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，用于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是压力补偿的，这意味着波纹管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使波纹管在第一位置(即，压缩状态)与第二位置(即，伸展状态)而被液压地操作。在操作中，波纹管的内部容积中的液压流体中的压力与波纹管外的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，压裂流体)布置在波纹管下方并且位于形成在波纹管的外部与压力室壳体的内表面之间的间隙中。

压力传递装置或双作用增压液体分隔装置不具有任何与待泵送的液体接触的滑动表面。因此，由于不存在与待泵送的任何磨料液体滑动接触的易损部件，因此部件的寿命被延长。

该系统可由机电控制系统控制。对泵控制的输入可包括以下一项或多项：

-压力传感器，在低压液压(干净的油)和浆体/淤渣进料管线中

-位置传感器，在双作用增压液体分隔装置中，包括活塞/柱塞和波纹管位置

-温度传感器，在闭合液压回路容积和低压液压中

-HMI(人机界面)输入，设置期望的流量、功率、体积、输送特性

-井数据(压力、流量、脉动特性)

-过滤器、油位

压力传递装置(经由双作用增压液体分隔装置)通过提供液压泵单元(例如，偏心轴向活塞泵)、基于输入的可变指令来控制。

还可以提供一种拖车、集装箱或滑橇，其包括在液压压裂中使用的上面限定的系统以及发动机和必要的配件。

本发明还涉及一种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。

综上所述，与现有技术的方案相比，本发明和可与机电控制系统结合的控制系统可具有益处，包括：

-可变的压力、功率和流量；由于泵送任务的条件可能会变化，因此系统能够适应于特定条件。例如，如果压力增大，则系统能够自动地将流动调节到最大可允许功率输出。如果存在设定压力，则机电控制系统能够改变流动以维持该压力。如果存在设定流量，则机电控制系统能够改变压力和功率以达到系统极限。也可以组合控制参数。

-部分冲程；当系统下线而未事先冲洗掉淤渣/浆体时，会出现沉积物。为了避免堵塞，系统能够通过脉动“重新激励”泵送的介质。

-可变斜率；系统的理想斜率函数随压力和流量变化。

-软上线/下线；系统能够逐渐增大流量，以防止在泵系统上线/下线时出现压力峰。

-多个单元的同步；同时泵送的多个单元的“压裂扩散”。这导致系统中的压力波动有时与管道的谐波振荡频率相匹配的情况，从而导致损坏和可能的危险情况(上述蛇行)。通过使单元同步并由此控制输出振荡频率，消除了此问题。这也使各个单元能够根据系统热量极限来增加或减少输送速率，而不会改变整个系统的性能。

-使压力传递装置叠置，以实现泵送介质(例如，压裂流体)稳定地向下层叠流到井中。例如，如果每个系统包括与两个双作用增压液体分隔装置成对联接的四个压力传递装置。这实现了可以提供几乎无脉动的流动(层叠流)的异步驱动系统。

-脉动降低；在结合常规泵送系统和根据本发明的压力传递装置和系统运行混合“压裂扩散”的情况下，可以通过在相反的相位下使根据本发明的压力传递装置和系统产生脉动来抵消由常规泵送系统产生的脉动。

-无最小速率；液压泵单元(例如，偏心轴向活塞泵)用作IVT(无限可变驱动器)，由此可以无缝地将输送速率从零变化到最大。

-机电控制系统提供了从液压泵单元(例如，偏心轴向活塞泵)直接驱动双作用增压液体装置的可能性。这实现更快的响应时间和整个系统中的更小的压降，从而提高了效率并减少了系统中产生的热。

-实现在整个运动过程中对波纹管的伸展和缩回的完全控制。这提供了检测故障、内部泄漏的可能性并且通过不使波纹管在规定的操作参数外运行而避免损坏波纹管。

在整个说明书和权利要求书中，已针对待泵送的液体使用了不同的用语。术语应理解为在波纹管外部的压力腔中的液体，例如，液压压裂流体、压裂流体、压裂、水致压裂或水力压裂、或泥浆、增产流体、酸、水泥等。

此外，已针对双作用增压液体分隔装置的位置或双作用增压液体分隔装置中的杆或活塞的位置使用了各种术语。这应理解为杆或活塞相对于双作用增压液体分隔装置的外壳的位置。

通过以下参考附图对作为非限制性示例给出的优选形式的实施方式的描述，本发明的这些和其他特征将变得清楚。

附图说明

图1示出根据本发明的方法和系统的优选操作设置的示例。

图2示出可以与至少一个压力传递装置结合使用的双作用增压液体分隔装置的细节。

具体实施方式

图1示出根据本发明的方法和系统的优选操作设置的示例。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中公开的特定系统的1000升/分钟或更高)以非常高的压力(500巴及更高)泵送诸如浆体的包含大量磨料颗粒的流体。图1中公开了两个相同的装置，其具有共同的双作用增压液体分隔装置2，其中，在左侧上的设置的元件用单撇号(’)表示，在右侧上的相同设置中的元件用双撇号(”)表示。

图2中示出与压力传递装置1’、1”结合使用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”，压力传递装置1’、1”包括压力室壳体和连接端口3’、3”，连接端口3’、3”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”能够连接到双作用增压液体分隔装置2。压力室壳体包括压力腔4’、4”和经由流动管理系统13将压力腔4’、4”连接到井的第一端口5’、5”。第一端口5’、5”用作用于待泵送的流体或液体的入口和/或出口。还公开了布置在压力腔4’、4”内的波纹管6’、6”，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，内部容积7’、7”被防止与压力腔4’、4”流体连通。在连接端口3’、3”与第一端口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”被构造成在大体上在纵向方向上的方向上运动，所述方向在图中与压力腔4’、4”的中心轴线C’、C”重合。

压力传递装置1’、1”包括波纹管，所述波纹管被例示为液压驱动的流体密封波纹管6’、6”，所述液压驱动的流体密封波纹管包括内部引导件9’、9”和具有适合于读取磁体10’、10”的感应杆43’、43”的波纹管位置传感器12’、12”。磁体10’、10”可以固定地连接到引导件9’、9”。引导件9’、9”本身例如沿着连接端口3’、3”的纵向延伸被引导在压力室中。在所公开的示例中，引导件9’、9”在一端连接到波纹管6’、6”的下端，并且在其上端被引导在压力室壳体中。引导件9’、9”以及由此的磁体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”)可以包括例如通过磁体位置的感应检测而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。尽管描述中描述了磁体10’、10”连接到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’布置为静止的且将例如引导件9’、9”布置为感应监控位置。此外，可以使用除上述线性位置传感器以外的其他传感器，只要其能够监控波纹管6’、6”的精确位置即可。

波纹管6’、6”放置在压力腔4’、4”中，所述压力腔与压力室壳体’的内表面具有一定的间隙。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到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连通，并且可能地与油管理系统阀16’、16”连通。

压力传递装置1’、1”还可包括通气孔(未示出)，以使来自待泵送的流体的空气通风。通气孔可以是可操作以从封闭系统中抽出或通风过量空气的任何通气孔，诸如，任何合适的阀(节流阀)或类似物。

泵送的介质(例如，具有颗粒的压裂流体)通过压力腔4’、4”(即，压力室壳体)底部中的第一端口5’、5”进入和离开压力腔4’、4”。第一端口5’、5”与诸如阀组的流动调节装置13连通。流动调节装置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，与波纹管6’、6”结合的压力腔4’、4”通过使波纹管6’、6”在其最小和最大预定极限之间缩回和扩张来泵送流体。将波纹管保持在此最小和最大预定极限内可延长波纹管的寿命。为了确保波纹管6’、6”在其预定极限内工作，该运动通过波纹管位置传感器12’、12”监控。使波纹管动态地运动到这些最小和最大预定极限之外可能会严重缩短波纹管的使用寿命。在没有这种控制的情况下，波纹管6’、6”将随着时间(由于主要在双作用增压液体分隔装置2中的内部泄漏)而因过度伸展而承受过大的应力(最终将与压力腔4’、4”碰撞，或过度压缩(缩回)导致流体中的颗粒使波纹管6’、6”变形或刺穿所述波纹管，或产生差量压力)。例示为引导件9’、9”的中央引导系统9’、9”确保波纹管6’、6”以线性方式缩回和扩张，从而确保波纹管6’、6”不会碰到压力腔4’、4”的侧壁，同时确保波纹管位置传感器12’、12”的精确定位读数。因此，压力腔4’、4”被特别设计成在防止沉积物堆积的同时承受高压和循环载荷。波纹管6’、6”的外部部分与压力室壳体的内部尺寸之间的一定距离确保波纹管6’、6”的内部压力与压力腔4’、4”中的泵送介质压力的压力平衡。

该压力腔被设计为承载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”的基体材料的加工磨光的圆筒形状，并且类似于缸体和活塞的配置而用作波纹管引导系统9’、9”的一部分。压力腔4’、4”理想地成形为防止应力集中。内部波纹管引导系统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”成形为通过使压力腔4’、4”朝向第一端口5’、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)从通过第一端口5’、5”离开的压力腔4’、4”流出，因此防止沉积物堆积。在没有这种倾斜或逐渐变细的形状的情况下，沉积物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”的外部的下部部分。

双作用增压液体分隔装置2包括具有纵向延伸的中空缸壳体20，其中，中空缸壳体20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第二横截面面积a2的第三部分，所述第二横截面面积与第一部分和第二部分的尺寸不同。双作用增压液体分隔装置包括类似于缸体内的活塞的可运动地布置的杆。杆具有与第一横截面面积a1对应的横截面积，并限定第二活塞面积31’、31”，其中，当杆布置在中空缸内时，其限定在第一部分和第二部分中的第一柱塞室17’和第二柱塞室17”。杆还包括具有与第二横截面面积a2对应的横截面积的突出部分30，突出部分限定在第三部分中的第一活塞面积30’、30”以及第一外部室44’和第二外部室44”。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’，所述第一柱塞端口与波纹管6’的内部容积7’连通，替代地经由第一油管理系统阀16’与所述波纹管的所述内部容积连通。类似地，第二柱塞室17”包括第二柱塞端口18’，所述第二柱塞端口与波纹管6”的内部容积7”连通，替代地经由第二油管理系统阀16’与所述波纹管的所述内部容积连通。第一柱塞室17’和第二柱塞室17”内的体积随着杆19被抽出和缩回到相应的第一柱塞室17’和第二柱塞室17”内/外而变化。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”可通过单独的或共用的润滑系统23’、23”进行通风和冷却。

杆19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”而被来回驱动，然后在相反方向上相反进行。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，并且例示为可包括第一致动器25’和第二致动器25”的两个三通阀，所述第一致动器和第二致动器分别操作第一三通阀和第二三通阀。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在左手侧上的系统，即，与第一柱塞端口18’连通的系统。在图中例示为三通阀的油管理系统阀16’包括三个端口，所述三个端口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’以及与储液器29’连通的第三阀端口28’。类似地，对于在右手侧上的压力传递装置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，所述三个端口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”以及与储液器29”连通的第三阀端口28”。

液压泵单元11可包括偏心轴向活塞泵，所述偏心轴向活塞泵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21两者的位置数据来控制，并且可能地，根据来自人机界面(HMI)和/或控制系统的输入数据来控制。液压泵单元11可以例如通过诸如在特定技术领域中使用的任何标准电机的电机M驱动。

流动调节组件13(例如，阀组)可以是对于图中的在左手侧上和在右手侧上的相同系统的共同的流动调节组件。对于在左手侧上的系统，流动调节组件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’、经由流动调节组件13中的入口歧管14与待泵送的液体连通的供应端口35’、以及与流动调节组件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，流动调节组件可以包括供应阀38’，所述供应阀包括止回阀，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，所述止回阀允许泵送流体的供应。入口歧管14与进料泵和搅拌器连通。搅拌器将待泵送的液体混合，进料泵对入口歧管14加压，并将所述混合后的流体分配到压力传递装置1’、1”(压力腔4’、4”)。搅拌器通常将待泵送的液体与诸如砂和支撑剂的颗粒混合。这样的进料泵和搅拌器对于本领域技术人员而言是已知的，在这里将不再详细描述。

类似地，对于在图的右手侧上的系统，流动调节组件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”、以及与排放歧管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，流动调节组件可以包括供应阀38”以及排放阀39”，所述供应阀包括止回阀，当入口歧管14中的压力大于压力腔4”中的压力时，所述止回阀允许泵送流体的供应，当压力腔4”中的压力高于排放歧管15中的压力时，所述排放阀允许流体被排放到排放歧管15，用于以高的压力和流速泵送流体(例如)进入井中。

流动调节组件13通过利用两个止回阀(一个用于入口，一个用于出口)和位于它们之间的充入/排放端口而在入口歧管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”当波纹管6’、6”缩回(即，待泵送的液体从下方提供压力以帮助波纹管6’、6”的缩回/压缩)时允许流体充入压力腔4’、4”。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，以重新填充压力腔4’、4”，并准备下一用量的待向下泵送到井中高压介质。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中的进料压力时关闭，从而迫使排放阀39’、39”打开，从而通过排放端口37’、37”将压力腔4’、4”中的内容物排放并进入到排放歧管15。这将分别在图的左手侧上和图的右手侧上的设置中依次发生。

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偏心轴向活塞泵，也称为旋转斜盘泵。旋转斜盘泵具有包含活塞的旋转缸体阵列。活塞经由球形接头连接到斜盘，并且被推向与缸体成一定角度安置的固定斜盘。活塞在半个旋转期间吸入流体，而在另一半个旋转期间将流体推出。斜率越大，泵活塞运动得越远，它们传递的流体越多。这些泵具有可变的排量，并且可以在对第一入口/出口端口24’和第二入口/出口端口24”加压之间切换，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，所述控制系统可以通过利用波纹管中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体积的液压流体。同时，如果油中的温度达到操作极限，其能够使系统更换在此闭合液压回路容积中的油。这是通过这样的方式来完成的：将第二阀端口27’、27”与双作用增压液体分隔装置隔离并且打开第一阀端口26’、26”与第三阀端口28’、28”之间的连通，从而允许双作用增压液体分隔装置2中的活塞30或杆19根据波纹管6’、6”的位置来定位其自身。控制油管理系统阀16’、16”的控制系统监控与柱塞19的位置相关的波纹管6’、6”的位置，并且在系统到达最大偏差极限时相对于系统添加或抽回油。其将通过优选地自动地将波纹管6’、6”停止在特定位置来做到这一点，并且使柱塞19相应地复位到“波纹管位置”。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”的体积相同的位置，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”的实际位置来定位。

双作用增压液体分隔装置2例如能通过来自例如液压泵单元11的通过第一入口/出口端口24’和第二入口/出口端口24”的可变流动供应来控制。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还限定比第一活塞面积30’、30”小的第二活塞面积31’、31”。杆19将第一柱塞室17’和第二柱塞室17”分开，并且被操作为通过将杆19分别抽出和缩回到第一柱塞室17’和第二柱塞室17”内/外，来改变第一柱塞室17’和第二柱塞室17”的体积。杆19是部分中空的，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’之间流动和在第二凹槽40”之间流动。第一凹槽40’与第一柱塞室17’流体连通，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的功能是确保固定体积的液压流体(例如，油)充入波纹管6’、6”/从所述波纹管排放。同时，其用作压力放大器(增压器或增强器)。在所示的双作用增压液体分隔装置2中，通过具有分别比第一柱塞室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31”大的第一活塞面积30’、30”来增加压力。根据第一活塞面积和第二活塞面积的差异，第一活塞面积30’、30”与第二活塞面积31’、31”之间存在固定比。因此，进入第一外部室44’或第二外部室44”的固定压力给定由第一活塞面积和第二活塞面积的压差所放大的固定压力。然而，可以改变输入压力以获得不同的压力输出，但是比例固定。压力的放大对于使流体能够在为单元提供动力并且改变为最适合的工业压力需求的工业液压泵单元11的最大正常压力范围上很好地进行泵送而言至关重要。

双作用增压液体分隔装置2可以包括与整个控制系统连续通信的双作用增压液体分隔装置位置传感器21，所述整体控制系统可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”中的输入来操作油管理系统阀16’、16”，以对闭合液压回路容积重新填充或排出液压流体。在图中，双作用增压液体分隔装置位置传感器21布置在杆19与第一柱塞室17’或第二柱塞室17”的内壁之间，从而双作用增压液体分隔装置位置传感器21能够连续监控杆19的位置并将信号发送到控制系统，从而比较双作用增压液体分隔装置2中的波纹管6’、6”和活塞或杆19的位置。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，只要其可以监控杆19的位置即可。如此，第一柱塞室17’或第二柱塞室17”中的任何一个中的液压流体的任何泄漏或过量填充都可以被检测和校正(例如，如上所述，通过使用油管理系统阀16’、16”来根据波纹管的位置将杆复位到零偏差位置)。

具体地，第一柱塞室17’和第二柱塞室17”将承受极端压力。所有过渡均成形为避免应力集中。双作用增压液体分隔装置中的杆19优选地为中空杆，以便补偿在压力循环期间壳(壳＝双作用增压液体分隔装置2的外壁)的鼓胀。优选地，中空杆的鼓胀略小于壳的鼓胀，以防止中空杆与壳之间的任何挤压间隙超过可允许的极限。如果该间隙太大，则第一密封件22’和第二密封件22”上会有泄漏，从而导致第一柱塞室17’和第二柱塞室17”中的液压流体的体积不均匀。壳和中空杆的壁(即，围绕第一凹槽40’和第二凹槽40”的壁)的厚度被选择为使得它们在径向方向上相似/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”能够基于类似于流量、压力、马力或这些的组合的多个参数传递流。此外，如果使用两个双作用增压液体分隔装置2，则通过以一个双作用增压液体分隔装置在另一个双作用增压液体分隔装置到达其转向位置时来接管(缓升至两倍速度)的方式将两个双作用增压液体分隔装置2叠置，压力传递装置1’、1”可以输送高达最大理论速率的50％的脉动自由流动。因此，在基本上为层叠流的所有实施方式中，实现了在高压下的降低的流速和在降低的压力下的高流速。这是通过使液压泵单元11具有叠置容量(over capacity)来实现的。随着速率增大，用于叠置的空间将逐渐减小，从而增大脉动量。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相结合的可变排量液压泵单元11对于系统提供的灵活性而言是关键。可基于计算机的控制系统也能够通过将多个并行泵系统一起与现场总线关联而使它们用作一个系统。这可以通过并行布置泵系统并使用控制系统来迫使或操作使各个泵系统异步来完成。这将由于干扰而导致的蛇行风险最小化。

控制系统的第二个主要功能是对波纹管6’、6”相对于双作用增压液体分隔装置2的整个循环的运动进行完整的控制。这涉及到流动调节组件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/归位，这是因为存在多种因素的组合，其需要同步工作才能使该系统在这些极端的压力和输送速度下运行。对于弹力，重要的是使波纹管6’、6”在其设计参数内操作，即，为了具有长的使用寿命，不要过度伸展或过度压缩。

控制系统的第三个主要功能是油管理系统阀16’、16”的控制系统，当控制系统发现双作用增压液体分隔装置2与波纹管6’、6”的位置之间存在差异或温度超出预定极限时，所述控制系统起作用。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，其坚固且精确，但是其具有在第一密封件22’和第二密封件22”上的一定程度的内部泄漏，所述内部泄漏将随着时间的流逝而随着在第一柱塞室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增加或缩减参数而累积。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均装配有位置传感器12’、12”、21，这些位置传感器连续监控这些单元的位置，以确保它们根据编程软件的思想是同步的。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，第一和/或第二油管理系统阀16’、16”将增加或缩减需要的体积，以使系统重新同步(并且优选地相对于波纹管6’、6”的已知位置自动调节)。另外，可能存在这样的问题：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中的液体通过来回流动而由摩擦产生热量。除此之外，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’也将产生热量，所述热量将散发到闭合液压回路容积中的液体(例如，油)中。该问题可以通过使用与用于补偿内部泄漏相同的系统来解决。闭合液压回路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，并因此操作第一和/或第二油管理系统阀16’、16”，以通过以下方式来实现闭合液压回路容积的更换：将波纹管6’、6”隔离在压缩、缩回位置并且允许双作用增压液体分隔装置2将其体积排放到(外部的)储液器中并且用来自冷却系统的冷却油重新充入其中。对于使流动调节系统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”)具有长的使用寿命而言，期望的是，阀或端口35’、35”、36’、36”、37’、37”、38”、38”的归位轻柔或柔和，即，阀构件不会撞击到其期望的阀座中。为实现这一点，系统监控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)的位置，并且当接近终点位置时，液压泵单元11的排放速度缓降，以在归位前缓冲阀，以防止冲压止回阀阀座。

在前面的描述中，已经参考说明性实施方式描述了本发明的方法、设备和使用的各个方面。为了说明的目的，阐述了系统和配置，以便提供对系统及其工作的透彻理解。然而，该描述并非旨在以限制性的意义来解释。对于所公开的主题所属领域的技术人员显而易见的，说明性实施方式以及系统的其他实施方式的各种修改和变型被认为落入本发明的范围内。

附图标记列表：

Claims (16)

1.一种控制泵波纹管的工作范围的方法，所述工作范围包括诸如所述波纹管的最大缩回位置和最大伸展位置的最大极限，所述方法包括以下步骤：

a)使用至少一个位置传感器(12’、12”)读取波纹管(6’、6”)在闭合液压回路容积中的至少第一位置，

b)将表示所述第一位置的第一位置信号发送到控制系统，

c)其中，所述控制系统基于至少第一位置信号：

cl)确定由所述至少第一位置信号表示的所述波纹管(6’、6”)的位置，

c2)将所述波纹管(6’、6”)的位置与预定波纹管位置操作范围进行比较，并且

c3)如果所述位置在所述预定波纹管位置操作范围之外，则指示油管理系统阀(16’、16”)使双作用增压液体分隔装置(2)重新校准所述闭合液压回路容积中的液压流体体积，以重新建立使所述至少第一位置返回到在所述预定波纹管位置操作范围内的位置的液压流体体积。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，来自所述至少一个位置传感器(12’、12”)的所述第一位置信号表示所述波纹管(6’、6”)的能运动地布置在压力腔(4’、4”)内的位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，来自至少一个位置传感器(21)的第二信号表示双作用增压液体分隔装置(2)中的柱塞(19)的位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制系统将所述至少第一位置信号和所述第二信号进行比较，并且确定所述波纹管(6’、6”)和所述柱塞(19)之间的位置差，并且

-将所述位置差与预定位置差范围进行比较，并且，

-如果所述位置差在所述预定位置差范围之外，则指示油管理系统阀(16’、16”)使双作用增压液体分隔装置(2)重新校准所述闭合液压回路容积中的液压流体体积，以重新建立使所述位置差返回到所述预定位置差范围内的液压流体体积。

5.根据权利要求1至4所述的方法，其中，如果所述位置在所述预定波纹管位置操作范围或所述位置差范围之下，则所述控制系统指示所述油管理系统阀(16’、16”)使所述双作用增压液体分隔装置(2)重新校准，以将液压流体填充到所述闭合液压回路容积中，并且如果计算出的液压流体体积高于所述预定波纹管位置操作范围，则所述控制系统指示所述油管理系统阀(16’、16”)使所述双作用增压液体分隔装置(2)重新校准，以从所述闭合液压回路容积中排出液压流体。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

d)在步骤c)之前，从布置在所述闭合液压回路容积中的不同位置处的一个或多个温度传感器(42’、42”)读取第一温度，

e)将表示所述第一温度的第一温度信号发送到所述控制系统，

f)其中，所述控制系统基于所述第一温度信号，

-确定所述闭合液压回路容积中的温度，

-将所述温度与预定温度操作范围进行比较，并且

-基于所述位置、所述位置差、或所述温度是否分别在所述预定波纹管位置操作范围、所述预定位置差范围、或所述预定温度操作范围之内、之上、或之下，操作油管理系统阀(16’、16”)使所述双作用增压液体分隔装置(2)通过以下方式重新校准：

-保持空闲、将液压流体填充到闭合液压回路系统中、或从闭合液压回路系统排出液压流体。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述波纹管(6’、6”)具有中心轴线(C’、C”)，所述波纹管(6’、6”)沿着所述中心轴线(C’、C”)在大体上纵向方向上伸展和缩回，其中，所述位置传感器中的一者是读取所述波纹管(6’、6”)的轴向伸展的波纹管位置传感器(12’、12”)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述油管理系统阀(16’、16”)布置在所述双作用增压液体分隔装置(2)与压力传递装置(1’、1”)之间，并且包括阀装置，其中，所述阀装置基于来自所述控制系统的输入而操作用于：

-打开所述双作用增压液体分隔装置(2)与所述波纹管(6’、6”)的内部容积之间的流体连通，

-打开流体储液器(29’、29”)与所述闭合液压回路容积之间的流体连通，以将液压流体填充到所述闭合液压回路容积中，

-打开流体储液器(29’、29”)与所述闭合液压回路容积之间的流体连通，以从所述闭合液压回路容积排出液压流体。

9.一种包括与油管理系统阀(16’、16”)连通的控制系统的系统，所述系统包括：

-压力传递装置(1’、1”)，包括：

-压力室壳体，所述压力室壳体包括：

-压力腔(4’、4”)和能运动地布置在所述压力腔(4’、4”)内的波纹管(6’、6”)，

-至少一个位置传感器(12’、12”)，被构造为读取所述波纹管(6’、6”)的位置并将表示第一位置的第一位置信号发送到所述控制系统，并且

其中，所述控制系统被构造为基于至少第一位置信号：

-确定由所述至少第一位置信号表示的所述波纹管(6’、6”)的位置，

-将所述波纹管(6’、6”)的位置与预定波纹管位置操作范围进行比较，并且

-基于所述位置是否在所述预定波纹管位置操作范围之外，所述控制系统被构造为操作油管理系统阀(16’、16”)使双作用增压液体分隔装置(2)重新校准闭合液压回路容积中的液压流体体积，以重新建立使所述至少第一位置返回到在所述预定波纹管位置操作范围内的位置的液压流体体积。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，来自所述至少一个位置传感器(12’、12”)的所述第一位置信号表示所述波纹管(6’、6”)的位置。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，来自至少一个位置传感器(21)的第二信号表示双作用增压液体分隔装置(2)中的柱塞(19)的位置。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制系统被构造为：

-将所述至少第一位置信号和所述第二信号进行比较，并且确定所述波纹管(6’、6”)和所述柱塞(19)之间的位置差，并且

-将所述位置差与预定位置差范围进行比较，并且，

-如果所述位置差在所述预定位置差范围之外，则指示油管理系统阀(16’、16”)使双作用增压液体分隔装置(2)重新校准所述闭合液压回路容积中的液压流体体积，以重新建立使所述位置差返回到所述预定位置差范围内的液压流体体积。

13.根据权利要求9至12所述的系统，还包括被构造为读取闭合液压回路系统中的温度并将信号发送到所述控制系统的一个或多个温度传感器(42’、42”)，其中，所述控制系统被构造为：

-基于所述位置、所述位置差、或所述温度是否分别在所述预定波纹管位置操作范围、所述预定位置差范围、或预定温度操作范围之内、之上、或之下，操作油管理系统阀(16’、16”)使所述双作用增压液体分隔装置(2)通过以下方式重新校准：

-保持空闲、将液压流体填充到所述闭合液压回路系统中、或从所述闭合液压回路系统排出液压流体。

14.一种计算机程序，包括处理指令，当所述处理指令由处理装置执行时，使所述处理装置根据前述权利要求1至9中任一项所述的方法运行。

15.一种根据权利要求3至8所述的方法、或根据权利要求9至13所述的系统、或根据权利要求14所述的计算机程序的用途，在所述泵波纹管的在所述双作用增压液体分隔装置中的所述柱塞的转向点处的受控的加速和减速中使用。

16.根据权利要求1至9所述的方法、根据权利要求10至13所述的系统、或根据权利要求14所述的计算机程序的在任一以下操作中使用的用途：碳氢化合物提取或生产、水力压裂操作、堵塞和废弃、钻井、完井或增产作业、固井作业、酸化或氮气循环。

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