CN113605888B - 一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统。高压变量泵经吸油过滤器接油箱，高压变量泵经先导式溢流阀连接油箱，高压变量泵和第一单向阀连接，第一单向阀经第二单向阀、第一二位二通开关阀和蓄能器连通，第一单向阀和主辅油路连通，主辅油路相连通；第一二位四通电磁阀和第一单向阀、探针作动模块连通，分别经三个同步阀、弹性单向阀组后和探针作动模块连接，第一二位四通电磁阀和探针作动模块连接；第一单向阀经第二二位二通开关阀、定差减压阀、液压变压器后和泵抽模块连通。本发明高效地实现高压到低压，小流量到大流量的同步转换，提高了能量利用率，有效地实现泵抽模块与探针作动模块的串联化设计，降低系统复杂性，提高稳定性，有效减小地层测试器体积。

Description

一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统

技术领域

本发明涉及了一种地层测试的液压系统，尤其是涉及了一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统。

背景技术

为了满足复杂油气藏勘探开发需求，尤其针对低孔低渗地层测试，将测井地层评价提升至进行油藏评价，模块式动态地层测试系统正逐渐成为应用最为广泛的测井仪器，主要承担地层压力测量、井下流体分析、地层流体取样等任务。针对现有地层测试器而言，探针作动模块主要承担支撑井壁，将仪器固定在待测试点，并将探针扎进井壁中抽吸地层流体；因为初期可抽吸到的地层流体中难免会混杂大量钻井液及其他杂质，不具备很好的代表性，泵抽模块主要负责连续抽排地层流体，直至井下流体分析模块判断目前抽吸流体性质比较接近真实地层流体后，泵抽模块中采样筒开启，收集此时的地层流体。但目前探针作动模块和泵抽模块都采用独立化设计，即一个高压小流量泵为探针作动模块提供恒定流量，一个低压大流量泵为泵抽模块提供恒定流量，两个模块之间液压系统并无接合。

现有地层测试器液压系统采用两个独立泵源分别提供动力，且各自工作状态也保持相互独立。但是其结构较为复杂，占用体积较大，在井下空间非常局限的情况下，额外体积和重量会极大增加前期钻井工期与后期维护成本。虽然独立模块设计可以较好实现部件更换及系统更新设计，但模块之间的实时通信协作问题却不易解决，尤其是在井下高温高压环境下。同时，在探针作动模块中的推靠臂接触到井壁后，泵抽模块才会进入工作状态，但此时探针作动模块泵源直接短接到油箱中，依然处于工作状态，却并没有任何能量输出，造成能耗增加，系统发热量加剧，进一步降低液压系统工作性能。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统。

本发明针对现有地层测试器液压系统能量利用率低、体积大的问题，引入定差减压阀和液压变压器实现探针作动模块及泵抽模块串联化设计，仅通过单泵为整套液压系统提供源动力，提高了能量利用率，降低系统复杂性，大大提高了井下测压及取样的稳定性，有效减小地层测试器体积。在为地层测试器实现高效地层压力测量与地层流体取样，本发明具有极大的应用潜力。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括先导式溢流阀、电机、吸油过滤器、高压变量泵、第一单向阀、第二单向阀、第一二位二通开关阀、蓄能器、主油路和辅油路；高压变量泵的进油口经吸油过滤器连接油箱，高压变量泵的出油口经先导式溢流阀连接油箱，同时高压变量泵的出油口和第一单向阀的入口连接，第一单向阀的出口分别经第二单向阀、第一二位二通开关阀后和蓄能器连通，第一单向阀的出口分别和主油路、辅油路连通，同时主油路和辅油路连通；

主油路包括第一二位四通电磁阀、第一同步阀、第二同步阀、第三同步阀、弹性单向阀组和探针作动模块，第一二位四通电磁阀的A口和第一单向阀的出口连通，第一二位四通电磁阀的B口连通油箱，第一二位四通电磁阀的P口分别经第一同步阀、第二同步阀、第三同步阀、弹性单向阀组后和探针作动模块连接，第一二位四通电磁阀的T口和探针作动模块连接；

辅油路包括第二二位二通开关阀、定差减压阀、液压变压器和泵抽模块，第一单向阀的出口依次经第二二位二通开关阀、定差减压阀、液压变压器后和泵抽模块连通。

本发明所述的小直径是指直径在90-100mm（通常来说，探针作动模块所占体积较大，因此直径是整段地层测试器直径最大的部分，可允许达到100mm，对于其他部分，直径一般在90mm）范围。

本发明所述的高压变量泵的高压是指泵额定工作压力为24.5MPa，而地层测试器在井下工作环境下的最大压力为138MPa。

所述的液压变压器的补油口和油箱连通。

所述的探针作动模块包括六个油缸、一个探针缸和探针，六个油缸工作活塞伸出撑开连接到地层下的井壁，六个油缸的有杆腔和探针缸的无杆腔连接油箱，第一同步阀、第二同步阀、第三同步阀均具有两个出油口，第一同步阀、第二同步阀、第三同步阀中每个同步阀的一个出油口均分别连接各自一个油缸的无杆腔；弹性单向阀组的出油口和探针缸的有杆腔连通；探针缸的缸体端插装入探针内部的流道中，探针经流体管道和泵抽模块连通。

所述的第一同步阀、第二同步阀、第三同步阀具体采用分流集流阀，同时具有分流阀和集流阀两者的功能，能保证执行元件进油、回油时均能同步。

所述的弹性单向阀组包括了相并联的第三单向阀和弹簧式单向阀，第三单向阀由第一二位四通电磁阀向探针作动模块单向导通，第三单向阀和弹簧式单向阀导通方向相反，弹簧式单向阀的出油口设有用于压力下导通的弹簧。

在正常工作情况下，第一二位二通开关阀通电处于常闭状态，第一二位四通电磁阀通电处于左位使得A口和P口之间连通；

在遭遇断电紧急情况下，第一二位二通开关阀断电阀口打开，且切换第一二位四通电磁阀断电处于右位使得A口和T口之间连通。

所述的泵抽模块包括泵抽缸、第二二位四通电磁阀和地层流体过渡腔，所述液压变压器出油口和第二二位四通电磁阀的A口连通，第二二位四通电磁阀的B口和油箱连通，第二二位四通电磁阀的P口、T口分别和泵抽缸的有杆腔、无杆腔连通；泵抽缸的活塞伸入到地层流体过渡腔中，地层流体过渡腔经流体管道和探针连通，同时地层流体过渡腔经管道和外部储存流体容器连通。

本发明技术方案带来的有益效果是：

本发明通过定差减压阀与液压变压器对主油路无干扰的流量提取，高效地实现高压到低压，小流量到大流量的同步转换，在保证探针作动模块处于高压工作状态的情况下，为泵抽模块提供稳定动力源。实现探针作动模块与泵抽模块串联化设计，仅通过单泵即可联合驱动探针作动模块与泵抽模块，降低系统复杂性，大大提高了井下测压及取样的稳定性，有效减小地层测试器体积，为高温高压环境下的井下勘探提供了巨大帮助。

1、利用定差减压阀实现从主油路到辅油路的流量二次分配，通过对主油路无干扰的流量提取，配合液压变压器通过流量补偿口从油箱中吸油进而放大流量，为泵抽模块提供稳定动力源，大大提升了单高压变量泵复用性，提高了能量利用率。

2、实现了探针作动模块与泵抽模块的有效串联化设计，提高模块间通信协作实时性，降低了双泵源情况下额外成本，有效减小地层测试器体积。

3、在探针作动模块增加同步阀，保证其中对称布置的液压缸在伸出收回皆具有同步性，避免引起负载不均衡。

4、利用蓄能器作为紧急收回装置，在井下断电情况下保证探针作动模块收回及泵抽模块制动。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图。

图中：1-油箱、2-先导式溢流阀、3-电机、4-吸油过滤器、5-高压变量泵、6-第一单向阀、7-第二单向阀、8-第一二位二通开关阀、9-蓄能器、10-第二二位二通开关阀、11-定差减压阀、12-液压变压器、13-二位四通电磁阀、14-第一同步阀、15-第二同步阀、16-第三同步阀、17-第三单向阀、18-弹簧式单向阀、19-泵抽缸、20-第二二位四通电磁阀、21、地层流体过渡腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

本发明所设计的单泵驱动节能型液压系统总体图如图1所示，包括先导式溢流阀2、电机3、吸油过滤器4、高压变量泵5、第一单向阀6、第二单向阀7、第一二位二通开关阀8、蓄能器9、主油路和辅油路；高压变量泵5的进油口经吸油过滤器4连接油箱1，高压变量泵5的出油口经先导式溢流阀2连接油箱1，同时高压变量泵5的出油口和第一单向阀6的入口连接，第一单向阀6的出口分别经第二单向阀7、第一二位二通开关阀8后和蓄能器9连通，第一单向阀6的出口分别和主油路、辅油路连通，同时主油路和辅油路连通；第二单向阀7出口连蓄能器9，在高压变量泵5后优先为蓄能器9供油。

先导式溢流阀2出口连接到油箱1，地层测试器在不同井深处地层压力不同，油箱相对压力有所差异，设置先导式溢流阀2的溢流压力大小根据地层测试点压力、温度综合考虑而设定不同，使得液压系统最高工作压力差别化工作。在地层深度越深时候，先导式溢流阀2的溢流压力越大，温度越高。

主油路包括第一二位四通电磁阀13、第一同步阀14、第二同步阀15、第三同步阀16、弹性单向阀组和探针作动模块，第一二位四通电磁阀13的A口和第一单向阀6的出口连通，第一二位四通电磁阀13的B口连通油箱1，第一二位四通电磁阀13的P口分别经第一同步阀14、第二同步阀15、第三同步阀16、弹性单向阀组后和探针作动模块连接，第一二位四通电磁阀13的T口和探针作动模块连接；

辅油路包括第二二位二通开关阀10、定差减压阀11、液压变压器12和泵抽模块，第一单向阀6的出口依次经第二二位二通开关阀10、定差减压阀11、液压变压器12后和泵抽模块连通。

探针作动模块包括六个油缸、一个探针缸和探针，六个油缸工作活塞伸出撑开连接到地层下的井壁，六个油缸的有杆腔和探针缸的无杆腔连接油箱1，第一同步阀14、第二同步阀15、第三同步阀16的进油口连通第一二位四通电磁阀13的P口，第一同步阀14、第二同步阀15、第三同步阀16均具有两个出油口，第一同步阀14、第二同步阀15、第三同步阀16中每个同步阀的一个出油口均分别连接各自一个油缸的无杆腔，同一同步阀连接两个油缸，同一同步阀的两个出油口分别连接两个油缸的无杆腔；即如图1中的第一同步阀14两个出油口14A和14B均分别连接两个油缸的无杆腔，第二同步阀15两个出油口15A和15B均分别连接两个油缸的无杆腔，第三同步阀16两个出油口16A和16B均分别连接两个油缸的无杆腔。

弹性单向阀组的进油口连通第一二位四通电磁阀13的P口，弹性单向阀组的出油口18T和探针缸的有杆腔连通；探针缸的缸体（目前设计是将活塞杆固定在探针上，缸体进行运动）端插装入探针内部的流道中，用于阻挡探针内部的流道的导通，探针用于插装入地层中和地层流体连通，探针经流体管道和泵抽模块连通。

流体管道的入口处安装探针。当探针缸的活塞杆伸出时，阻挡住地层流体流经探针；当探针缸的活塞杆缩回时，打开地层流体流经探针，从流体管道入口的探针流入。

弹性单向阀组包括了相并联的第三单向阀17和弹簧式单向阀18，第三单向阀17由第一二位四通电磁阀13向探针作动模块的探针缸单向导通，第三单向阀17和弹簧式单向阀18反向相连，第三单向阀17和弹簧式单向阀18导通方向相反，弹簧式单向阀18的出油口设有用于压力下导通的弹簧。

正常工作情况下，第一二位二通开关阀8通电处于常闭状态，第一二位二通开关阀8在通电后阀口会关闭，第一二位四通电磁阀13通电处于左位使得13A口和13P口之间连通，13T口和13B口之间连通；此时，高压变量泵5泵出的高压油从第一二位四通电磁阀13的13A口流入，通过13P口连接到第一同步阀14、第二同步阀15、第三同步阀16、第三单向阀17和弹簧式单向阀18。

具体地，13P口出来的油液先经第一同步阀14、第二同步阀15、第三同步阀16推动六个油缸的活塞杆伸出，不经过第三单向阀17和弹簧式单向阀18进入探针缸，然后在六个油缸的活塞杆伸出后，13P口继续出油使得13P口的油压大于弹簧式单向阀18的弹簧弹力时推动弹簧式单向阀18打开，使得13P口出来的油液经过弹簧式单向阀18进入探针缸，实现了压力供油。

蓄能器9是作为紧急回收装置，在地层的井下遭遇某种破坏而断电后，第一二位二通开关阀8被断电阀口打开，且切换第一二位四通电磁阀13被断电处于右位使得13A口和13T口之间连通，13P口和13B口之间连通；此时，蓄能器9中的高压油液代替高压变量泵5，经第一二位二通开关阀8从第一二位四通电磁阀13的13A口流入，从13T口流出到探针作动模块，带动探针作动模块中的各组液压缸收回。

从而这样保护了探针作动模块中的各组液压缸及时缩回不受破坏。

第一同步阀14两个出油口14A、14B分别通向六个油缸其中两个油缸中，通过同步阀保证其作动同步性，避免出现偏载现象，第二同步阀15、第三同步阀16同理，分别通向六个油缸其中剩余四个油缸中。

具体实施中，设置六个油缸的活塞作用面积不同，油压相同，导致活塞所受压力不同，能够控制六个油缸的活塞杆按照活塞作用面积不同的从大到小顺序依次推出，无需增加额外顺序控制元件或油路而实现六个油缸的先后作动顺序。

泵抽模块包括泵抽缸19、第二二位四通电磁阀20和地层流体过渡腔21，液压变压器12出油口B和第二二位四通电磁阀20的A口连通，第二二位四通电磁阀20的B口和油箱1连通，第二二位四通电磁阀20的P口、T口分别和泵抽缸19的有杆腔、无杆腔连通；

泵抽缸19的活塞密封伸入到地层流体过渡腔21中，地层流体过渡腔21经流体管道和探针连通，同时地层流体过渡腔21经管道和外部储存流体容器连通。地层流体进入到地层流体过渡腔21，探针缸的活塞连通并驱动地层流体过渡腔21进液和排液。

正常工作情况下，在六个油缸的活塞杆全部伸出且接触井壁后，探针伸入到地层中，地层流体进入探针的入口中，第一二位四通电磁阀13的13P口的油压继续逐渐升高，达到弹簧式单向阀18设定压力值后被打开，使得第一二位四通电磁阀13的13A口的高压油经过18T口流入探针缸的有杆腔中驱动探针缸的缸体从探针内部的流道中缩回，进入探针入口的地层流体经探针、流体管道联通到泵抽模块的入口。

在完成上述动作后，第二二位二通开关阀10通电后阀口开启，高压变量泵5泵出的高压油经第二二位二通开关阀10流入到定差减压阀11，经由定差减压阀11和液压变压器12将油液压力降低至泵抽模块所需压力值再流入泵抽模块，即使得辅油路的油压降低，而主油路仍保持高压状态，保证探针作动模块中各液压缸始终保持压紧井壁的状态。

同时，高压变量泵5根据辅油路中所需流量大小调节排量大小以供辅油路使用的同时始终保证主油路高压状态从而实现保压，避免传统探针作动模块在完成压紧井壁动作后直接将泵短接至油箱而造成的能量浪费，并通过上述辅油路引流的方式避免探针作动模块保压导致的憋压现象。

泵抽模块接收到辅油路过来的油液，然后控制开始抽取地层流体：

A状态：第二二位四通电磁阀20断电时，使得A口和P口连通，B口和T口连通，液压变压器12出油口出来的油液进入第二二位四通电磁阀20的A口流入，从第二二位四通电磁阀20的P口流出到泵抽缸19的有杆腔；泵抽缸19的无杆腔内的油液流入第二二位四通电磁阀20的T口，从第二二位四通电磁阀20的B口流出到油箱1；

此时，泵抽缸19的有杆腔进油，泵抽缸19的无杆腔出油，带动泵抽缸19的活塞杆缩回，增大地层流体过渡腔21容积，将从探针和流体管道过来的地层流体抽取到地层流体过渡腔21内。

B状态：第二二位四通电磁阀20通电时，使得A口和T口连通，B口和P口连通，液压变压器12出油口出来的油液进入第二二位四通电磁阀20的A口流入，从第二二位四通电磁阀20的T口流出到泵抽缸19的无杆腔；泵抽缸19的有杆腔内的油液流入第二二位四通电磁阀20的P口，从第二二位四通电磁阀20的B口流出到油箱1；

此时，泵抽缸19的无杆腔进油，泵抽缸19的有杆腔出油，带动泵抽缸19的活塞杆伸出，减小地层流体过渡腔21容积，将地层流体过渡腔21内抽取的地层流体排出到外部储存流体容器中。

由此不断切换第二二位四通电磁阀20通电状态，以A状态和B状态切换往复工作，实现了泵抽模块持续不断的进油以及地层流体的不断抽取和排出。

定差减压阀11连接液压变压器12的A口，由流量补偿口12C从油箱1中吸油使得通过的流量放大，流量放大倍数与油液压力降低倍数相同，能量利用率达到100%。至此即实现将泵抽模块油路并入探针作动模块油路中，使地层测试器配套液压系统整体结构大大简化，体积也得到减小，成本降低。

具体实施的辅油路中使用的液压变压器为马达型变压器，由两个斜盘变量柱塞单元组成，缸体相互之间机械连接，转速相同，转矩相同，有各自的配流盘和斜盘。斜盘倾斜角可以分别或者同时调节，以获得需要的变压比。两个斜盘倾斜角决定了两部分排量，排量之比则据定了进出口压力比及输出入流量比。因此两侧压力降低的同时必然伴随着流量的放大，则需要流量补偿口直接或间接地接通油箱以匹配进出流量比。

本发明结构下仅有一个高压变量泵5，通过高压变量泵5驱动两个油路，提高油路能量的利用率。

本发明采用的单泵驱动节能型液压系统恰恰能解决背景技术所提的矛盾。本发明可以理解为将探针作动模块与泵抽模块进行串联化设计。高压小流量泵能够满足探针作动模块对压力与流量的需求，而定差减压阀与液压变压器联合可从主油路中引入高压油液的同时不影响探针作动模块工作状态，并实现高压到低压，小流量到大流量的同步转换，满足泵抽模块对低压力、大流量的需求。这种液压系统的引入带来了两个最基本的优势：

一是能量利用率得到大幅提升，通过定差减压阀实现对主油路无干扰的流量提取，避免了传统探针作动模块在完成压紧井壁动作后将泵短接至油箱造成的能量浪费，同时在保证探针作动模块始终处于高压工作状态的情况下，，通过液压变压器实现高压到低压，小流量到大流量的同步转换，为泵抽模块提供稳定低压大流量动力源，实现了能量复用；

二是在完成既有功能的情况下，实现探针作动模块与泵抽模块串联化设计，仅通过单泵即可联合驱动探针作动模块与泵抽模块，避免传统独立化设计下双泵驱动所需的额外大体积驱动元件及电气化设计成本，降低系统复杂性，有效减小地层测试器体积。同时有效增强了探针作动模块与泵抽模块间通讯协作实时性，提高了井下测压及取样的稳定性。此外，本发明所采用的紧急回收装置在井下断电情况下，可实现可靠的探针作动模块收回与泵抽模块制动，大大提高了系统应对恶劣井下测试环境的可靠性。

同时，本发明采用的同步阀可以有效提高探针作动模块中各组对称分布液压缸同步性，避免在井下作业时各组推靠臂伸出不同步引发负载不均衡，进而造成地层测试器在井下局部倾斜，系统压力突增，引起探针缸提前收回，导致泥块堵塞探针流体抽吸入口，影响到地层测试器正常工作，甚至引发施工事故。

Claims (6)

1.一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统，其特征在于：包括先导式溢流阀(2)、电机(3)、吸油过滤器(4)、高压变量泵(5)、第一单向阀(6)、第二单向阀(7)、第一二位二通开关阀(8)、蓄能器(9)、主油路和辅油路；高压变量泵(5)的进油口经吸油过滤器(4)连接油箱(1)，高压变量泵(5)的出油口经先导式溢流阀(2)连接油箱(1)，同时高压变量泵(5)的出油口和第一单向阀(6)的入口连接，第一单向阀(6)的出口分别经第二单向阀(7)、第一二位二通开关阀(8)后和蓄能器(9)连通，第一单向阀(6)的出口分别和主油路、辅油路连通，同时主油路和辅油路连通；主油路包括第一二位四通电磁阀(13)、第一同步阀(14)、第二同步阀(15)、第三同步阀(16)、弹性单向阀组和探针作动模块，第一二位四通电磁阀(13)的A口和第一单向阀(6)的出口连通，第一二位四通电磁阀(13)的B口连通油箱(1)，第一二位四通电磁阀(13)的P口分别经第一同步阀(14)、第二同步阀(15)、第三同步阀(16)、弹性单向阀组后和探针作动模块连接，第一二位四通电磁阀(13)的T口和探针作动模块连接；辅油路包括第二二位二通开关阀(10)、定差减压阀(11)、液压变压器(12)和泵抽模块，第一单向阀(6)的出口依次经第二二位二通开关阀(10)、定差减压阀(11)、液压变压器(12)后和泵抽模块连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统，其特征在于：所述的液压变压器(12)的补油口和油箱(1)连通。

3.根据权利要求1所述的一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统，其特征在于：所述的探针作动模块包括六个油缸、一个探针缸和探针，六个油缸工作活塞伸出撑开连接到地层下的井壁，六个油缸的有杆腔和探针缸的无杆腔连接油箱(1)，第一同步阀(14)、第二同步阀(15)、第三同步阀(16)均具有两个出油口，第一同步阀(14)、第二同步阀(15)、第三同步阀(16)中每个同步阀的一个出油口均分别连接各自一个油缸的无杆腔；弹性单向阀组的出油口和探针缸的有杆腔连通；探针缸的缸体端插装入探针内部的流道中，探针经流体管道和泵抽模块连通。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统，其特征在于：所述的弹性单向阀组包括了相并联的第三单向阀(17)和弹簧式单向阀(18)，第三单向阀(17)由第一二位四通电磁阀(13)向探针作动模块单向导通，第三单向阀(17)和弹簧式单向阀(18)导通方向相反，弹簧式单向阀(18)的出油口设有用于压力下导通的弹簧。

5.根据权利要求4所述的一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统，其特征在于：在正常工作情况下，第一二位二通开关阀(8)通电处于常闭状态，第一二位四通电磁阀(13)通电处于左位使得A口和P口之间连通；在遭遇断电紧急情况下，第一二位二通开关阀(8)断电阀口打开，且切换第一二位四通电磁阀(13)断电处于右位使得A口和T口之间连通。

6.根据权利要求3所述的一种用于小直径地层测试器的单泵驱动节能型液压系统，其特征在于：所述的泵抽模块包括泵抽缸(19)、第二二位四通电磁阀(20)和地层流体过渡腔(21)，所述液压变压器(12)出油口和第二二位四通电磁阀(20)的A口连通，第二二位四通电磁阀(20)的B口和油箱(1)连通，第二二位四通电磁阀(20)的P口、T口分别和泵抽缸(19)的有杆腔、无杆腔连通；泵抽缸(19)的活塞伸入到地层流体过渡腔(21)中，地层流体过渡腔(21)经流体管道和探针连通，同时地层流体过渡腔(21)经管道和外部储存流体容器连通。