CN116104753A - 一种液态co2压驱柱塞泵卧式液力端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，包括泵体，泵体内部设有安装通道，安装通道内设有密封函体和组合阀，组合阀的两侧分别设有柱塞腔和排液腔，泵体连接有进液管汇和排液管汇，进液管汇连通到柱塞腔，排液管汇与排液腔相连通；组合阀包括锥形阀和平板阀，锥形阀包括阀座和阀芯，阀座设有进液流道，进液流道的输入端连通进液管汇，平板阀包括阀板，阀板经第一弹簧抵住进液流道的输出端，阀板包括内流道和外流道，当柱塞腔进液或排液时，介质同时通过阀板的内流道和外流道并带动阀板旋转启闭。本发明运行的流畅度高、液态CO₂输送的效率高，且同时能符合液态CO₂压驱注入的大排量、高压力、连续运转的作业要求。

Description

一种液态CO2压驱柱塞泵卧式液力端

技术领域

本发明涉及往复泵技术领域，特别是一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端。

背景技术

目前国内油田正在积极开展CO₂压裂驱油采油工艺技术，需要高压力、高排量的往复泵注入系统对地层进行压裂驱油。目前使用的CO₂压驱泵包括压裂泵，该泵的设计要求为压力高（120MPa）、流量大、速度快、体积小。压裂泵的泵体结构普遍为立式，内部上下安装锥阀，属于压裂固井泵，为间隙运行泵，由于泵工作压力高与体积小本身就是很难兼得的，且该泵设计为间隙运行泵，难以符合CO₂压驱工艺在正常连续作业运行中频繁出现的技术问题，因此泵体在高压交变中寿命较短，一般在几个月内就会出现开裂。市场上对符合CO₂压驱工艺且寿命长、效率高、能连续作业的液态CO₂压驱柱塞泵的期待很高，为了满足市场需求，亟需对现有的压驱柱塞泵液力端进行改进。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端。本发明运行的流畅度高、液态CO₂输送的效率高，且同时能符合液态CO₂压驱注入的大排量、高压力、连续运转的作业要求。

本发明的技术方案：一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，包括泵体，所述泵体内部设有安装通道，所述安装通道内装配有密封函体和组合阀，所述组合阀的两侧分别设有柱塞腔和排液腔，所述柱塞腔内设有柱塞，所述泵体连接有进液管汇和排液管汇，所述进液管汇经组合阀连通到柱塞腔，所述排液管汇与排液腔相连通；

所述组合阀包括锥形阀和平板阀，所述锥形阀包括阀座和阀芯，所述阀座设有进液流道，所述进液流道的输入端连通进液管汇，所述平板阀包括阀板，所述阀板经第一弹簧抵住进液流道的输出端，所述阀板包括位于中心的内流道和位于外周向的外流道，当柱塞腔进液或排液时，介质同时通过阀板的内流道和外流道并带动阀板旋转启闭。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明为卧式液力端，在泵体内部设计了一种由锥形阀和平板阀相互结合的组合阀，其中，组合阀的运行逻辑是柱塞腔在进液时，液态CO₂从进液管汇输入通过位于进液阀进液流道推动平板阀的阀板启开，液态CO₂进入到柱塞腔，柱塞腔在排液时，阀板关闭抵住，锥形阀的阀芯启开排液，符合液态CO₂压驱注入的大排量、高压力、连续运转的作业要求；本发明的锥形阀和平板阀之间结合紧密，所占用的泵体内腔容积小，柱塞腔的进液、排液都是有效复用锥形阀阀座内部的空间，空间利用率高，有助于液态CO₂输送，提升泵效；更为重要的是，本发明将阀板设计成了内、外流道结构，在阀板启开和关闭的过程中，当液态CO₂同时通过内流道和外部机型式的外流道时，阀板会在水力作用下发生旋转和平移这两个动作，而常规的阀板在启闭时只有平移这一动作，因此，本发明的平板阀相对于常规平板阀而言需要的启闭力滞后会更小，也就是说启闭更加灵敏、快速，运行的流畅度高；得益于阀板旋转这一优点，能使流经的液态CO₂产生旋流，起到提升液态CO₂流速、减少气化的作用；得益于阀板能快速关闭这一优点，本发明的柱塞腔在排液时，从进液流道回流浪费掉的液态CO₂量更少，能有效提高泵效，使液态CO₂的输送效率高于常规的压驱柱塞泵液力端。

前述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端中，所述阀座内部设有连通排液腔的排液流道，所述排液流道的输入端连通内流道，所述阀芯经第二弹簧抵住排液流道的输出端。

前述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端中，所述柱塞腔完整地设置在密封函体内部，所述密封函体靠近组合阀一端的内壁上设有限位台阶，所述第一弹簧抵在限位台阶与阀板之间。

前述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端中，所述阀板上连接第一弹簧的一侧设有环形支撑面，所述环形支撑面向第一弹簧所在的一侧外凸，外凸能减少第一弹簧与环形支撑面的摩擦力。

前述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端中，所述密封函体靠近组合阀一端的外端面与阀座相抵，当阀板抵住进液流道的输出端时，阀板完整地落在柱塞腔内。

前述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端中，所述进液流道在阀座内部呈环状分布，阀板上与进液流道输出端相对的位置设有环状内凹。

前述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端中，所述密封函体靠近组合阀一端的内壁呈扩口结构，且扩口结构所对应的内壁上设有若干沿柱塞腔长度方向分布的导流通道。

前述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端中，所述阀座的前端抵设有压套，压套的前端还依次抵设有阻旋圈和前螺塞。

前述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端中，所述泵体为分体式结构，包括由前端至后端依次分布的泵体主体、行架和前立板，所述密封函体贯穿定位于前立板和行架，并伸入到泵体主体的内部。

前述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端中，所述泵体主体、行架和前立板之间经拉紧组件连接固定，所述拉紧组件包括分节段拉式螺栓、双向连接套和导柱，所述双向连接套位于泵体主体和前立板之间，所述导柱穿过前立板连接在双向连接套的一端，所述分节段拉式螺栓穿过泵体主体连接在双向连接套的另一端。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1在A处的局部放大图；

图3是密封函体的结构示意图；

图4是阀板的内部结构剖视图；

图5是阀板的外部结构示意图；

图6是分体式泵体结构分离后的示意图；

图7是拉紧组件结构分离后的示意图；

图8是保温连体法兰的结构示意图；

图9是保温连体法兰的内部结构剖视图。

附图标记：1-泵体，2-安装通道，3-密封函体，4-组合阀，5-柱塞腔，6-排液腔，7-柱塞，8-进液管汇，9-排液管汇，31-限位台阶，32-导流通道，41-锥形阀，42-平板阀，50-拉紧组件，60-保温连体法兰，100-压套，101-泵体主体，102-行架，103-前立板，200-阻旋圈，300-前螺塞，411-阀座，412-阀芯，413-进液流道，414-排液流道，415-第二弹簧，416-阀套，421-阀板，422-第一弹簧，500-密封填料，501-分节段拉式螺栓，502-双向连接套，503-导柱，600-油环，601-法兰件，602-保温套，700-调节螺帽，800-润滑油路，4161-缓冲腔，4211-内流道，4212-外流道，4213-环形支撑面，4214-环状内凹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，结构如图1至图9所示，包括泵体1，泵体1内部设有安装通道2，安装通道2内装配有密封函体3和组合阀4，组合阀4的两侧分别设有柱塞腔5和排液腔6，柱塞腔5内设有柱塞7，泵体1连接有进液管汇8和排液管汇9，进液管汇8经组合阀4连通到柱塞腔5，排液管汇9与排液腔6相连通；组合阀4包括锥形阀41和平板阀42，锥形阀41包括阀座411和阀芯412，阀座411外部设有进液流道413，内部设有排液流道414，进液流道413的输入端连通进液管汇8，平板阀42包括阀板421，阀板421经第一弹簧422抵住进液流道413的输出端，阀板421包括位于中心的内流道4211和位于外周向的外流道4212，当柱塞腔5进液或排液时，介质同时通过阀板421的内流道4211和外流道4212并带动阀板421旋转启闭。

作为优选，阀座411嵌在泵体1内部，阀座411上抵住阀板421的面为平面，实际上，在本发明不工作时，阀座411同时抵住阀板421和密封函体3的前端面。

作为优选，阀板421的内流道4211和外流道4212中，内流道4211可看作是一个中心孔，其中，内流道4211靠近柱塞腔5的部分内径小，靠近锥形阀41的部分内径大，且靠近锥形阀41的部分设计成扩口状；外流道4212的形状接近于叶轮的，具体形状可以有多种，主要的作用是让阀板421在过流时能产生旋转即可。

作为优选，外流道4212由多条沿阀板421外周向的均布的子流道构成，每条子流道由靠近柱塞腔5端至远离柱塞腔5端流道的宽度逐渐变窄。

作为优选，阀座411内部设有连通排液腔6的排液流道414，排液流道414位于阀座411的中心，其输入端连通内流道4211，阀芯412经第二弹簧415抵住排液流道414的输出端，在进液过程中，在第二弹簧415的作用下阀芯412会抵住排液流道414的输出端。

本发明的排液流道414可以看作是柱塞腔5的延伸段，一来充分利用了阀座411内部的空间，二来能减少柱塞腔5的余隙容积，使柱塞7在运行到前死点的时候尽可能地贴紧阀板421内侧，提高泵效。

作为优选，柱塞腔5完整地设置在密封函体3内部，密封函体3靠近组合阀4一端的内壁上设有限位台阶31，第一弹簧422抵在限位台阶31与阀板421之间，也就是说，本发明的平板阀42没有单独设置阀座411，密封函体3上的限位台阶31可以看作是平板阀42的阀座411，因此，平板阀42的设计复用了密封函体3上的一部分，使得泵体1内部零部件的利用率、集成度都能得到一定程度上的提高。

作为优选，阀板421上连接第一弹簧422的一侧设有环形支撑面4213，环形支撑面4213向第一弹簧422所在的一侧外凸，由于本发明的阀板421在启闭平移的过程中还伴随着旋转，外凸这一结构的设计能使阀板421的转动更加顺畅。

作为优选，密封函体3靠近组合阀4一端的外端面与阀座411相抵，当阀板421抵住进液流道413的输出端时，阀板421完整地落在柱塞腔5内，也就是说，阀板421启闭时的平移运动都在密封函体3内完成，复用了密封函体3内部的空间，空间利用率高，减少了泵体1内部的无效容积，有助于提高泵效。

作为优选，进液流道413在阀座411内部呈环状分布，可以更好地承受进液时的高压，防开裂，阀板421上与进液流道413输出端相对的位置设有环状内凹4214，环状内凹4214的设计能使阀板421需要的启闭压力更小，阀板421启闭会更加灵敏、快速。

作为优选，密封函体3靠近组合阀4一端的内壁呈扩口结构，且扩口结构所对应的内壁上设有若干沿柱塞腔5长度方向分布的导流通道32，扩口结构和导流通道32的设计可以使本发明的柱塞腔5在进液初期和排液末期液态CO₂的流动更为顺畅。

作为优选，阀座411的前端抵设有压套100，压套100的前端还依次抵设有阻旋圈200和前螺塞300，压套100、阻旋圈200和前螺塞300的设计保证了阀座411前端的支撑性和密闭性。

作为优选，排液腔6形成在压套100的内部，压套100上设有连接排液管汇9的输出通道。

作为优选，阀座411的前端连接有阀套416，第二弹簧415抵在阀套416和阀芯412之间，阀套416全包围阀芯412所对的排液流道414输出端，且阀套416上设有多个贯通孔，从而将阀套416内部与外部的排液腔6连通，由于阀座411的前端还抵设有压套100，因此阀套416的内部可以看作是形成了一个缓冲腔4161，从排液流道414输出端输出的高压液态CO₂可以在缓冲腔4161得到缓冲，不会第一时间冲向压套100，这也有助于压套100、阻旋圈200和前螺塞300这三个部件的装配稳定性，能有效提升液力端的使用寿命。

作为优选，泵体1为分体式结构，包括由前端至后端依次分布的泵体主体101、行架102和前立板103，密封函体3贯穿定位于前立板103和行架102，并伸入到泵体主体101的内部，泵体主体101的内部达到三者同轴度，采用卧式分体结构的泵体1具有耐高压、符合液态CO₂压驱工艺及连续运转的作业要求，密封函体3可以看作是设置在泵体主体101、行架102和前立板103内部的一个联接柱，密封函体3末端外壁上对应内壁扩口结构的部位设置了锥面台阶，可有效防止密封函体3的开裂。

由于密封函体3末端设置了锥面台阶，泵体主体101的内部同样设有与锥面台阶卡合的内锥面，因此密封函体3需要从液力端的前端完成拆装，同样的，锥形阀41、压套100、阻旋圈200和前螺塞300都是需要从液力端的前端完成拆装。

本发明为卧式液力端，相比于立式液力端在竖直方向上可以节省安装空间，进一步地，本发明的柱塞7、平板阀42、锥形阀41、压套100、阻旋圈200和前螺塞300沿一条直线安装，可以进一步节省竖直方向上的安装空间，最终使得应用本发明的压驱柱塞泵可以在高度狭小的空间使用。

作为优选，泵体主体101、行架102和前立板103之间经拉紧组件50连接固定，拉紧组件50包括分节段拉式螺栓501、双向连接套502和导柱503，导柱503的另一端与动力端机身固定连接形成动力端与液力端的柱塞力作用在导柱503上，双向连接套502位于泵体主体101和前立板103之间，导柱503穿过前立板103连接在双向连接套502的一端，分节段拉式螺栓501穿过泵体主体101连接在双向连接套502的另一端，行架102和前立板103是液力端对动力端连接的高强度受力部位，通过分节段拉式螺栓501、双向连接套502和导柱503进行分体式泵体1三个部分的连接一来连接强度好，二来其安装固定与拆卸更为方便。

作为优选，双向连接套502的一端贴住前立板103靠近行架102一侧的侧壁，使得拉紧组件50安装后的稳定性更高。

作为优选，在排液管汇9液态CO₂的输出口设置有保温连体法兰60，保温连体法兰60包括与排液管汇9连接的法兰件601，在法兰件601的外部围设有与法兰件601一体成型的保温套602，使液态CO₂能在更好的温度环境下输出。

作为优选，密封函体3和柱塞7之间设有密封填料500和油环600，密封填料500外侧由调节螺帽700压紧，油环600连接有润滑油路800。

本发明的工作原理：柱塞7向后运行本发明开始进液，液态CO₂从从进液管汇8输入通过位于锥形阀41阀座411内部的进液流道413推动平板阀42的阀板421启开，阀板421在启开过程中同时进行向后平移和旋转两个动作，液态CO₂同时通过阀板421的内流道4211和外流道4212进入到柱塞腔5，同时也充满内流道4211、外流道4212和排液流道414，阀芯412在排液腔6出口压力作用下抵住排液流道414的输出端；进液完毕后柱塞7向前运行开始排液，液态CO₂反向作用于阀板421推动平板阀42的阀板421关闭，阀板421在关闭过程中同时进行向前平移和旋转两个动作直至抵住阀座411，锥形阀41的阀芯412启开，柱塞腔5内的液态CO₂通过阀板421的内流道4211、外流道4212以及排液流道414从排液流道414输出端输出，在阀套416的缓冲腔4161内得到缓冲，最终经排液腔6、排液管汇9排出。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，其特征在于：包括泵体（1），所述泵体（1）内部设有安装通道（2），所述安装通道（2）内装配有密封函体（3）和组合阀（4），所述组合阀（4）的两侧分别设有柱塞腔（5）和排液腔（6），所述柱塞腔（5）内设有柱塞（7），所述泵体（1）连接有进液管汇（8）和排液管汇（9），所述进液管汇（8）经组合阀（4）连通到柱塞腔（5），所述排液管汇（9）与排液腔（6）相连通；

所述组合阀（4）包括锥形阀（41）和平板阀（42），所述锥形阀（41）包括阀座（411）和阀芯（412），所述阀座（411）设有进液流道（413），所述进液流道（413）的输入端连通进液管汇（8），所述平板阀（42）包括阀板（421），所述阀板（421）经第一弹簧（422）抵住进液流道（413）的输出端，所述阀板（421）包括位于中心的内流道（4211）和位于外周向的外流道（4212），当柱塞腔（5）进液或排液时，介质同时通过阀板（421）的内流道（4211）和外流道（4212）并带动阀板（421）旋转启闭。

2.根据权利要求1所述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，其特征在于：所述阀座（411）内部设有连通排液腔（6）的排液流道（414），所述排液流道（414）的输入端连通内流道（4211），所述阀芯（412）经第二弹簧（415）抵住排液流道（414）的输出端。

3.根据权利要求1或2所述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，其特征在于：所述柱塞腔（5）完整地设置在密封函体（3）内部，所述密封函体（3）靠近组合阀（4）一端的内壁上设有限位台阶（31），所述第一弹簧（422）抵在限位台阶（31）与阀板（421）之间。

4.根据权利要求3所述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，其特征在于：所述阀板（421）上连接第一弹簧（422）的一侧设有环形支撑面（4213），所述环形支撑面（4213）向第一弹簧（422）所在的一侧外凸。

5.根据权利要求3所述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，其特征在于：所述密封函体（3）靠近组合阀（4）一端的外端面与阀座（411）相抵，当阀板（421）抵住进液流道（413）的输出端时，阀板（421）完整地落在柱塞腔（5）内。

6.根据权利要求3所述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，其特征在于：所述进液流道（413）在阀座（411）内部呈环状分布，阀板（421）上与进液流道（413）输出端相对的位置设有环状内凹（4214）。

7.根据权利要求3所述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，其特征在于：所述密封函体（3）靠近组合阀（4）一端的内壁呈扩口结构，且扩口结构所对应的内壁上设有若干沿柱塞腔（5）长度方向分布的导流通道（32）。

8.根据权利要求1所述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，其特征在于：所述阀座（411）的前端抵设有压套（100），压套（100）的前端还依次抵设有阻旋圈（200）和前螺塞（300）。

9.根据权利要求1所述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，其特征在于：所述泵体（1）为分体式结构，包括由前端至后端依次分布的泵体主体（101）、行架（102）和前立板（103），所述密封函体（3）贯穿定位于前立板（103）和行架（102），并伸入到泵体主体（101）的内部。

10.根据权利要求9所述的一种液态CO₂压驱柱塞泵卧式液力端，其特征在于：所述泵体主体（101）、行架（102）和前立板（103）之间经拉紧组件（50）连接固定，所述拉紧组件（50）包括分节段拉式螺栓（501）、双向连接套（502）和导柱（503），所述双向连接套（502）位于泵体主体（101）和前立板（103）之间，所述导柱（503）穿过前立板（103）连接在双向连接套（502）的一端，所述分节段拉式螺栓（501）穿过泵体主体（101）连接在双向连接套（502）的另一端。

Images