CN115573923A - 一种双通道液力举升泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到用于海洋天然气水合物固态流化开采所用的一种双通道液力举升泵，其由泵节、涡轮节、桥式通道总成、上接头、壳体、下接头组成。所述泵节主要由泵轮、导轮、泵轴、泵壳体等组成。所述涡轮节主要由定子、转子、涡轮轴、涡轮壳体等组成。所述桥式通道总成主要由桥式通道接头、中间连接轴、密封总成组成。泵节和涡轮节通过桥式通道总成连接为组合体，并由扶正块扶正在壳体中间。工作时，涡轮节将动力液能量转化为机械能，通过中间连接轴传递到泵轴，泵轴带动泵轮不断抽吸井筒中返排液，对返排液做功后将其排出。本发明在工作中控制并降低了井筒液柱对地层的压力，解决了固态流化开采中井筒泄漏的问题，极大地提高了开采效率。

Description

一种双通道液力举升泵

技术领域

本发明涉及到用于海洋天然气水合物固态流化开采所用的一种双通道液力举升泵，属于海洋天然气水合物开采设备领域。

背景技术

海洋天然气水合物的固态流化开采法是针对其他开采方法中出现的天然气逃逸、地层易坍塌等问题而发展起来的一种开采工艺，作业时先采用旋转钻进方法在天然气水合物储层原位对固态天然气水合物进行机械破碎并形成领眼，再采用高压水射流的方式将固态水合物破碎并与钻井液混合在一起。循环钻井液，将含有水合物固相颗粒的钻井液从海底带回海面，实现对海底天然气水合物的绿色开采。但由于水合物储层当量密度窗口窄，破裂压力小，地层极易漏失，海面泵入水合物储层的钻井液大多数漏失而无法返回海面，不能实现水合物的有效开采。降低井筒液柱对水合物储层的压力，控制地层漏失，是一种解决上述问题的有效方法。在海底水合物储层的井筒中，采用举升泵抽吸，将含有水合物固相颗粒的钻井液通过泵送的方式运送至海面，则可有效解决水合物储层的漏失问题，提高开采效率。

发明内容

本发明的目的在于满足海洋天然气水合物固态流化开采工艺的要求，提供一种双通道液力举升泵，以实现对海洋天然气水合物的绿色高效开采。

本发明所采用的技术方案是：

本发明一种双通道液力举升泵，由泵节、涡轮节、桥式通道总成、上接头、壳体、下接头组成。所述泵节主要由泵轮、导轮、径向轴承、止推轴承组、泵轴、泵壳、泵壳上接头、泵壳下接头、压紧螺母、过流套、止动销等组成。泵轮通过间隙配合套在泵轴上，为满足不同的扬程需求，泵轴上安装有多个泵轮，导轮安装在每一个泵轮之后，与泵轮交替布置，并形成泵的串联。工作时泵轮带动其流道中的返排液运动，并对返排液做功，将机械能转化为返排液的能量，返排液被泵轮排出后，进入导轮，在导轮流道中减速，改变流向，然后以合适的速度和方向进入后一级泵轮中，其能量得到进一步的增加，经过后一级导轮的减速导向后，再次进入后续的泵轮和导轮，直到最后一级的导轮后，返排液能量增加到相应的要求后，流出泵节。泵轴两端安装径向轴承对泵轴扶正，使得泵轴在旋转时，不发生偏心。泵轴最下端安装有止推轴承组用于承受泵轮在工作时产生的轴向载荷，并将轴向载荷传递至泵壳。泵轴下段设置为中空，中空段的长度在泵轴中向上延伸至泵轮吸入口下端，并在泵轴对应的中空段顶端沿周向均布开槽，形成贯通的流道，以使得泵轴下端的返排液能顺利地通过泵轴中空段进入泵轮中。泵壳上接头、泵壳下接头与泵壳之间均采用螺纹连接，并将泵节的零部件固定在泵壳中。泵壳外壁对应于安放径向轴承的位置设置有沿圆周均布的扶正块。

所述涡轮节，主要由定子、转子、扶正轴承、推力轴承、涡轮轴、涡轮壳体、花键接头、过流定位套、涡轮壳体上接头、涡轮壳体下接头等组成。转子通过间隙配合安装在涡轮轴上，单个转子输出扭矩有限，为满足扭矩要求，在涡轮轴上安装有多个转子，定子安装在每个转子的前面，与转子交替布置。工作时，动力液首先进入定子中，在定子流道中加速导向后，以一定的方向和速度进入转子中，流经转子叶栅时，对转子叶栅产生升力和冲击力，并驱动转子旋转，实现了将动力液的液压能转化为机械能的目的。动力液从转子流出后，进入下一级定子，在下一级定子中再次加速导向后，进入下一级转子，动力液的流体能量再次转化为机械能，重复上述能量转化过程，直到动力液流出最后一级转子。涡轮轴两端安装有扶正轴承，用于承受涡轮轴在旋转时形成的径向载荷，使其不发生偏心。涡轮轴最下端安装有推力轴承，用以承受涡轮轴上的轴向载荷。涡轮轴下段设置为中空，并在中空段靠近最末级转子的顶端沿圆周均匀开槽，以便从末级转子流出的动力液通过涡轮轴中空段流出。花键接头和涡轮轴之间采用螺纹连接，并压紧固定安装在涡轮轴上的零部件。涡轮壳体上接头和涡轮壳体下接头与涡轮壳体之间均采用螺纹连接，并将涡轮节的零部件固定在涡轮壳体中。涡轮壳体对应于安放扶正轴承的位置设有沿圆周均布的扶正块。涡轮壳体下接头末端设置有圆锥段和凹槽，用以传递轴向载荷和反扭矩，且其下半段设计为扁平状，以便流体通过。

所述桥式通道总成主要由桥式通道接头、中间连接轴和密封总成等组成。桥式通道接头为双层结构，由中间管和外壳构成。在其周向均匀设置有五个相互独立的流道，其中两个流道用于向下部涡轮节中输送动力液，另外三个流道用于向上输送泵节的返排液，输送动力液的流道和输送反派液的流道出入口相反，在周向上交替布置，以确保桥式通道总成受力均匀。中间连接轴上端设有螺纹，下端设有内花键，且其上半段为空心，并在空心段的最下端沿周向均匀开槽。密封总成主要由间隙密封套筒、车氏密封、隔环、压盖、O型圈、耐磨环、螺钉等组成，间隙密封套筒通过螺纹安装于桥式通道接头中间管内，中间连接轴从密封总成中心穿过。密封总成将桥式通道接头中间管内腔分为上腔和下腔，上腔为返排液腔，下腔为动力液腔。间隙密封套筒下端开有凹槽，用于收集从间隙中带来的固相颗粒。

进一步地，泵节的泵壳下接头和桥式通道总成的桥式通道接头通过螺纹连接在一起，桥式通道总成的桥式通道接头和涡轮节的涡轮壳体上接头通过螺纹连接在一起，且泵轴通过螺纹直接与中间连接轴连接在一起，涡轮轴通过花键接头和中间连接轴连接在一起，从而实现将泵节、桥式通道总成、涡轮节固连成一个组合体，并通过泵壳外的扶正块和涡轮壳体外的扶正块使得组合体位于壳体的中心。涡轮节产生的动力由涡轮轴通过花键接头传递到中间连接轴上，再由中间连接轴传递到泵轴上，然后泵轴带动泵轮工作。泵节在工作时需要克服的反扭矩和承受的轴向载荷由泵壳承担、涡轮节在工作时需要克服的反扭矩和承受的轴向载荷由涡轮壳体承担，泵壳通过泵壳下接头将反扭矩和轴向载荷传递到桥式通道接头上，桥式通道接头通过涡轮壳体上接头将泵节的反扭矩和轴向载荷传递到涡轮壳体上，涡轮壳体将泵节和涡轮节的反扭矩与轴向载荷一并传递到涡轮壳体下接头上，涡轮壳体下接头的圆锥段坐在下接头的圆锥面上，将轴向载荷从组合体传递到下接头，并传递到壳体上。同时，下接头内的键卡入在涡轮壳体下接头的凹槽中，用以传递反扭矩。

进一步地，上接头的下端面紧贴泵壳上接头的扶正块，将组合体固定在壳体中，实现轴向定位。

本发明的工作原理：

从上部输送的高压动力液，通过泵节和壳体之间的环形通道，进入桥式通道总成，经桥式通道总成中的动力液流道，进入涡轮节中，在涡轮节中经过定子导向加速后，进入转子中将流体能量转化为机械能，并驱动转子旋转，动力液再进入下一级定子中，如此反复，动力液经过多级定子、转子后从涡轮节中排出，多级转子带动涡轮轴旋转，涡轮轴将动力通过中间连接轴传递到泵轴。泵轴旋转，带动泵轴上的泵轮旋转，泵轮对返排液做功，并经过导轮减速导向后，流向下一级泵轮，如此反复，经过多级泵轮、导轮后，返排液流出泵节，同时泵轮不断吸入下部返排液，下部反排液经涡轮节和壳体之间的环形通道，进入桥式通道总成，经桥式通道总成中的返排液流道，进入泵轴中空段，并到达泵轮吸入口，被泵轮吸入。

本发明的有益效果在于：(1)通过举升泵提供的扬程降低了井筒液柱对水合物储层的压力，避免了水合物储层被压裂而引起钻井液漏失的问题，使得在钻进海底天然气水合物层时，在井筒中建立正常的循环，将从地层中破碎的天然气水合物固相颗粒带回海面，极大地提高了海洋天然气水合物固态流化开采法的生产能力；(2)通过在海面改变进入举升泵动力液的流量来调节涡轮节中转子的转速，即改变了泵节中泵轮的转速，从而起到调节举升泵扬程的作用，举升泵扬程的改变起到调节井筒液柱对井底压力的作用，即实现了控压钻井的目的，可满足不同漏失压力地层的钻进。

附图说明

图1是本发明一种双通道液力举升泵的结构示意图；

图2是图1中A-A的断面图；

图3是图1中B-B的断面图；

图4是图1中C-C的断面图；

图5是图1中D-D的断面图；

图6是图1中E-E的断面图；

图7是图1中F-F的断面图；

图8是图1中G-G的断面图；

图9是图1中密封总成的局部放大图；

图10是图1所述一种双通道液力举升泵的工作原理图。

图中：1.上接头，2.壳体，3.泵壳上接头，4.止动销，5.压紧螺母，6.泵壳，7.径向轴承，8.导轮，9.泵轮，10.泵轴,11.过流套，12.径向轴承，13.止推轴承组，14.泵壳下接头，15.中间连接轴，16.桥式通道接头，17.螺钉，18.压盖，19.O型圈，20.耐磨环，21.车氏密封，22.隔环，23.车氏密封，24.间隙密封套筒，25.涡轮壳体上接头，26.花键接头，27.涡轮轴，28.涡轮壳体，29.扶正轴承，30.定子，31.转子，32.扶正轴承，33.过流定位套，34.推力轴承，35.涡轮壳体下接头，36.下接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方案作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，本发明一种双通道液力举升泵，由泵节、桥式通道总成、涡轮节、上接头1、壳体2、下接头36组成。所述泵节主要由泵轮9、导轮8、径向轴承7和12、止推轴承组13、泵轴10、泵壳6、泵壳上接头3、泵壳下接头14、压紧螺母5、过流套11、止动销4等组成。泵轮9通过间隙配合套在泵轴10上，为满足不同的扬程需求，泵轴10上安装有多个泵轮9，导轮8安装在每一个泵轮9之后，与泵轮9交替布置，并形成泵的串联,。工作时,泵轴10转动，泵轮9随之转动，泵轮9带动其流道中的返排液运动，并对返排液做功，将机械能转化为返排液的能量，返排液被泵轮9排出后，进入导轮8，在导轮8流道中减速，改变流向，然后以合适的速度和方向进入后一级泵轮9中，其能量得到进一步的增加，经过后一级导轮8的减速导向后，再次进入后续的泵轮9和导轮8，直到最后一级的导轮8后，返排液能量增加到相应的要求后，流出泵节。泵轴8两端安装径向轴承7和12对泵轴10扶正，使得泵轴10在旋转时，不发生偏心。泵轴10最下端安装有止推轴承组13用于承受泵轮9在工作时产生的轴向载荷，并将轴向载荷传递至泵壳6。泵轴10下段设置为中空，中空段的长度在泵轴10中向上延伸至泵轮9吸入口下端，并在泵轴10对应的中空段顶端沿周向均布开槽①，开槽①与过流套11上的孔对齐，形成贯通的流道，以便泵轴10下端的返排液能顺利地通过泵轴10中空段进入泵轮9中。泵壳6外壁对应于安放径向轴承7和12的位置设置有沿圆周均布的扶正块b和c，扶正块b和c的截面呈扇形，以便流体通过。安装在泵轴10上的零部件通过泵轴10下端台阶定位，由压紧螺母5压紧固定在泵轴10上，并用止动销4防松。泵壳上接头3、泵壳下接头14与泵壳6之间均采用螺纹连接，安装在泵壳6内壁的零部件由泵壳上接头3和泵壳下接头14压紧固定，并与泵壳6固连为一体。泵壳6外壁的扶正块b和c与泵壳上接头3的扶正块a将泵节扶正在壳体2的中心。

如图1、图6、图7、图8所示所述涡轮节，主要由定子30、转子31、扶正轴承29和32、推力轴承34、涡轮轴27、涡轮壳体28、花键接头26、过流定位套33、涡轮壳体上接头25、涡轮壳体下接头35等组成。转子31通过间隙配合安装在涡轮轴27上，单个转子31输出扭矩有限，为满足扭矩要求，在涡轮轴27上安装有多个转子31，定子30安装在每个转子31的前面，与转子31交替布置。工作时，动力液首先进入定子30中，在定子30流道中加速导向后，以一定的方向和速度进入转子31中，流经转子31叶栅时，对转子31叶栅产生升力和冲击力，并驱动转子31旋转，实现了将动力液的流体能量转化为机械能的目的。动力液从转子31流出后，进入下一级定子30，在下一级定子30中再次加速导向后，进入下一级转子31，动力液的流体能量再次转化为机械能，重复上述能量转化过程，直到动力液流出最后一级转子31。涡轮轴27两端安装有扶正轴承29和32，用于承受涡轮轴27在旋转时形成的径向载荷，使其不发生偏心。涡轮轴27最下端安装有推力轴承34，用以承受涡轮轴27上的轴向载荷。涡轮轴27下段设置为中空，并在中空段靠近最末级转子31的顶端沿圆周均匀开槽⑤，开槽⑤与过流定位套33上的孔对齐，以便从最末级转子31流出的动力液通过涡轮轴27中空段流出。涡轮壳体28对应于安放扶正轴承29和32的位置设有沿圆周均布的扶正块d和e，扶正块d和e的截面呈扇形，以便流体通过。涡轮壳体下接头35末端设置有圆锥段和凹槽，用以传递轴向载荷和反扭矩，且其下半段设置为扁平状，以便流体通过。安装在涡轮轴27上的零部件通过涡轮轴27下端台阶定位，花键接头26与涡轮轴27之间采用螺纹连接，并压紧固定涡轮轴27上安装的零部件，使其与涡轮轴27固连为整体。涡轮壳体上接头25和涡轮壳体下接头35与涡轮壳体28之间均采用螺纹连接，安装在涡轮壳体28内壁的零部件，由涡轮壳体上接头25和涡轮壳体下接头35压紧固定，并与涡轮壳体28固连为一体。涡轮壳体28外壁的扶正块d和e将涡轮节扶正在壳体2的中心。

如图1、图5、图9所示，所述桥式通道总成主要由桥式通道接头16、中间连接轴15和密封总成等组成。桥式通道接头16为双层结构，由中间管和外壳构成。在其周向均匀设置有五个相互独立的流道α、β、γ、δ、ε，其中α流道通过开槽③和β、δ流道与其对应的开槽连接桥式通道接头16中间管的上部腔体，用于向上输送泵节的返排液；γ流道通过开槽④和ε流道与其对应的开槽，连接桥式通道接头16中间管的下部腔体，用于向下部涡轮节中输送动力液。输送反派液的流道α、β、δ与输送动力液的流道γ和ε出入口相反，在周向上交替布置，以确保桥式通道总成受力均匀。中间连接轴15上端设有螺纹，下端设有内花键，且其上半段为空心，并在空心段的最下端沿周向均匀开槽②，以便将桥式通道接头16中间管内腔和泵轴10下段的中空段连通，从而将返排液引入泵节。密封总成主要由间隙密封套筒24、车氏密封21和23、隔环22、压盖18、O型圈19、耐磨环20、螺钉17等组成，间隙密封套筒24通过螺纹安装于桥式通道接头16中间管内，中间连接轴15从密封总成中心穿过。车氏密封21和23、隔环22装填在间隙密封套筒24的上端，O型圈19、耐磨环20装填在压盖18沟槽内，最后通过螺钉17固定在间隙密封套筒24上。密封总成将桥式通道接头16中间管内腔分为上腔和下腔，上腔为返排液腔，下腔为动力液腔。间隙密封套筒24下端开有凹槽，用于收集从间隙中带来的固相颗粒。

进一步地，泵节的泵壳下接头14和桥式通道总成的桥式通道接头16通过螺纹连接在一起，桥式通道总成的桥式通道接头16和涡轮节的涡轮壳体上接头25通过螺纹连接在一起，且泵轴10通过螺纹直接与中间连接轴15连接在一起，涡轮轴27通过花键接头26和中间连接轴15连接在一起，从而实现将泵节、桥式通道总成、涡轮节固连成一个组合体，并通过泵壳6外的扶正块b和c与涡轮壳体28外的扶正块d和e使得组合体位于壳体2的中心。涡轮节产生的动力由涡轮轴27通过花键接头26传递到中间连接轴15上，再由中间连接轴15传递到泵轴10上，然后泵轴10带动泵轮9工作。泵节在工作时需要克服的反扭矩和承受的轴向载荷由泵壳6承担、涡轮节在工作时需要克服的反扭矩和承受的轴向载荷由涡轮壳体28承担，泵壳6通过泵壳下接头14将反扭矩和轴向载荷传递到桥式通道接头16上，桥式通道接头16通过涡轮壳体上接头25将泵节的反扭矩和轴向载荷传递到涡轮壳体28上，涡轮壳体28将泵节和涡轮节的反扭矩与轴向载荷一并传递到涡轮壳体下接头35上，涡轮壳体下接头35的圆锥段坐在下接头36的圆锥面上，将轴向载荷从组合体传递到下接头36，并传递到壳体2上。同时，下接头36内的键卡入在涡轮壳体下接头35的凹槽中，用以传递反扭矩。

进一步地，上接头1的下端面紧贴泵壳上接头3的扶正块a，将组合体固定在壳体2中，实现轴向定位。

如图10所示，为本发明一种双通道液力举升泵的工作原理图，细线单箭头指示的是动力液的流动示意图，粗线双箭头指示的是返排液的流动示意图。从上部输送的动力液，通过泵节和壳体2之间的环空通道，进入桥式通道总成，经桥式通道总成中的动力液流道γ和ε，进入涡轮节中，在涡轮节中经过定子30导向加速后，进入转子31中将流体能量转化为机械能，并驱动转子31旋转，动力液再进入下一级定子30中，如此反复，动力液经过多级定子30、转子31后从涡轮节中排出，多级转子31带动涡轮轴27旋转，涡轮轴27将动力通过中间连接轴15传递到泵轴10。泵轴10旋转，带动泵轴10上的泵轮9旋转，泵轮9对返排液做功，并经过导轮8减速导向后，流向下一级泵轮9，如此反复，经过多级泵轮9、导轮8后，返排液流出泵节，同时泵轮9不断吸入下部返排液，下部反排液经涡轮节和壳体2之间的环空通道，进入桥式通道总成，经桥式通道总成中的返排液流道α、β、δ，进入泵轴10中空段，并到达泵轮9吸入口，被泵轮9吸入。

以上显示和描述了本发明的基本特征和基本原理，其中涉及到方位的描述，例如“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为附图所示的方位或位置关系，仅是便于描述本发明，以及上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不以此限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种双通道液力举升泵由泵节、涡轮节、桥式通道总成、上接头(1)、壳体(2)、下接头(36)构成，其特征在于：所述泵节主要由泵轮(9)、导轮(8)、径向轴承(7、12)、止推轴承组(13)、泵轴(10)、泵壳上接头(3)、泵壳下接头(14)组成；所述涡轮节主要由定子(30)、转子(31)、扶正轴承(29、32)、推力轴承(34)、涡轮轴(27)、涡轮壳体(28)、花键接头(26)、涡轮壳体上接头(25)、涡轮壳体下接头(35)组成；所述桥式通道总成主要由桥式通道接头(16)、中间连接轴(15)、密封总成等组成；泵节和涡轮节通过桥式通道总成连接为组合体，其中，泵轴(10)与中间连接轴(15)通过螺纹连接，中间连接轴(15)与花键接头(26)通过花键连接，然后花键接头(26)与涡轮轴(27)通过螺纹连接为一体，同时，泵节通过泵壳下接头(14)和桥式通道接头(16)相连接，涡轮节通过涡轮壳体上接头(25)和桥式通道接头(16)相连接，由泵壳(6)外的扶正块(b、c)和涡轮壳体(28)外的扶正块(d、e)将组合体扶正在壳体(2)中间，并通过涡轮壳体下接头(35)坐在下接头(36)上，由上接头(1)压紧泵壳上接头(3)实现组合体在壳体(2)内的轴向定位。

2.根据权利要求1所述的一种双通道液力举升泵，其特征在于：桥式通道接头(16)为双层结构，由中间管和外壳构成，在其周向均匀设置有五个相互独立的流道(α、β、γ、δ、ε)，其中两个流道(γ、ε)用于向下部涡轮节中输送动力液，另外三个流道(α、β、δ)用于向上输送泵节的返排液，输送动力液的流道(γ、ε)和输送反派液的流道α、β、δ)出入口相反，在周向上交替布置。

3.根据权利要求1所述的一种双通道液力举升泵，其特征在于：密封总成主要由间隙密封套筒(24)、车氏密封(21、23)、隔环(22)、压盖(18)、O型圈(19)、耐磨环(20)、螺钉(17)构成，间隙密封套筒(24)通过螺纹安装于桥式通道接头(16)中间管内，中间连接轴(15)从密封总成中心穿过。

4.根据权利要求1所述的一种双通道液力举升泵，其特征在于：涡轮壳体下接头(35)的圆锥段坐在下接头(36)的圆锥面上，下接头(36)的键卡入涡轮壳体下接头(35)的凹槽中。

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