CN116591946A - 优化具有恒定或接近恒定速度动力源的正排量泵的效率 - Google Patents

Abstract

本发明涉及优化具有恒定或接近恒定速度动力源的正排量泵的效率。在一些实施方式中，用于为流体泵提供动力的动力系可以包括经配置以近似恒定的速度旋转第一驱动轴的动力源。该动力系可以包括机械变速器。该机械变速器可以包括与一组固定齿轮比相关联的一个或多个齿轮箱、联接到第一驱动轴的第二驱动轴、以及联接到流体泵的输入驱动轴的第三驱动轴，该第三驱动轴经配置基于使用与该组固定齿轮比不同的齿轮比以可变速度或以可变扭矩旋转输入驱动轴。该动力系可以包括扭矩变换器，其设置在第一驱动轴与第二驱动轴之间，以使第一驱动轴能够联接到第二驱动轴。

Description

优化具有恒定或接近恒定速度动力源的正排量泵的效率

技术领域

本发明总体上涉及水力压裂系统，并且例如涉及优化具有恒定或接近恒定速度动力源的正排量泵的效率。

背景技术

水力压裂是一种井增产技术，其通常涉及以足以在井筒周围的岩层中形成裂缝的速率和压力(例如，高达15，000磅每平方英寸)将水力压裂流体泵送到井筒中(例如，使用一个或多个井增产泵)。这种井增产技术通常增强岩层的自然压裂以增加岩层的渗透性，从而提高水、油、天然气和/或其它流体的采收率。

水力压裂系统可以包括用于向水力压裂系统的部件(例如泵)提供动力的一个或多个动力源。在一些情况下，用于水力压裂系统的泵的动力源可以是能够改变输出速度(例如，改变与动力源相关联的每分钟转数(RPM))以调节泵的动力和速度的变速动力源。然而，当在非优化速度下操作时，变速动力源可能与降低的效率相关联。为了提高水力压裂系统和/或泵的效率，可以使用恒定或接近恒定的动力源来为水力压裂系统的泵提供动力。恒定或接近恒定的动力源可以以优化的速度或接近优化的速度操作(例如，在动力源输出的速度上没有可变性)，以增加与动力源相关联的效率。然而，恒定或接近恒定的动力源可能与提供给泵的速度缺乏可变性相关联。结果，由恒定或接近恒定的动力源提供动力的泵可能只能以给定的流速或在小的流速范围内操作。

本发明的动力系解决了上述问题中的一个或多个和/或本领域中的其它问题。

发明内容

在一些实施方式中，一种用于水力压裂的系统包括正排量泵；恒定速度动力源，其经配置驱动正排量泵，其中恒定速度动力源经配置以近似恒定的速度旋转动力源驱动轴；动力系，其经配置将动力从恒定速度动力源传递到正排量泵，动力系包括经配置使用一组固定齿轮比操作的多齿轮变速器；以及控制器，其经配置：获得与正排量泵相关联的流速值；从该组固定齿轮比中确定固定齿轮比，该固定齿轮比经优化使得正排量泵的输入驱动轴以基于动力源驱动轴的近似恒定速度的近似该流速值对该正排量泵提供动力；以及使得多齿轮变速器使用固定齿轮比操作，以使得正排量泵以近似该流速值操作。

在一些实施方式中，一种用于为流体泵提供动力的动力系包括动力源，其经配置以近似恒定的速度旋转第一驱动轴；机械变速器，其包括：一个或多个齿轮箱，其与一组固定齿轮比相关联；第二驱动轴，其联接到第一驱动轴；以及第三驱动轴，其联接到流体泵的输入驱动轴，并且经配置基于使用来自该组固定齿轮比的不同齿轮比以可变速度或以可变扭矩旋转输入驱动轴；以及扭矩变换器，其设置在第一驱动轴和第二驱动轴之间，以使第一驱动轴能够联接到第二驱动轴。

在一些实施方式中，一种方法包括获得正排量泵的流速值，其中正排量泵是经由恒定速度动力源提供动力的；基于恒定速度动力源操作的速度和流速值，从与联接到恒定速度动力源和正排量泵的多齿轮变速器相关联的一组齿轮比中确定齿轮比；使得多齿轮变速器使用齿轮比操作；以及基于使得多齿轮变速器使用齿轮比操作，使得正排量泵以近似该流速值操作。

附图说明

图1是本文所述的示例性水力压裂系统的示意图。

图2是本文所述的示例性动力系的示意图。

图3是涉及优化具有恒定或接近恒定速度动力源的正排量泵的效率的示例性过程的流程图。

具体实施方式

图1是示出本文所述的示例性水力压裂系统100的示意图。例如，图1描绘了示例性水力压裂位点以及在水力压裂过程期间使用的设备的平面图。在一些示例中，可以使用比图1中描绘的示例性设备更少的设备、附加的设备或可替代的设备来执行水力压裂过程。

水力压裂系统100包括井102。如前所述，水力压裂是一种井增产技术，其使用高压注入压裂流体到井102和相应的井筒中，以便水力压裂围绕井筒的岩层。本文描述了水力压裂在油气生产的井筒增产中的应用，同时也适用于水力压裂的其它应用。

压裂流体的高压注入可以通过一个或多个泵系统104来实现，泵系统104可以安装(或容纳)在水力压裂系统100的一个或多个水力压裂拖车106(也可以称为“水力压裂钻机”)上。每个泵系统104包括至少一个流体泵108(本文统称为“流体泵108”，单独称为“流体泵108”)。流体泵108可以是水力压裂泵。流体泵108可以是正排量泵。流体泵108可以包括各种类型的高容量水力压裂泵，诸如三缸泵或五缸泵。附加地或可替代地，流体泵108可以包括其它类型的往复式正排量泵或齿轮泵。流体泵108的类型和/或配置可以根据将被水力压裂的岩层的压裂梯度、在水力压裂系统100中使用的流体泵108的量、完成水力压裂所需的流速和/或完成水力压裂所需的压力等而变化。水力压裂系统100可以包括任何数量的拖车106，拖车106上具有流体泵108，以便以预定的速率和压力泵送水力压裂流体。

在一些示例中，流体泵108可以经由各种流体导管112(诸如流动管线、管道或其它类型的流体导管)与歧管110流体连通。在将压裂流体注入到井102中之前，歧管110组合从流体泵108接收的压裂流体。歧管110还将压裂流体分配到歧管110从水力压裂系统100的混合器114接收的流体泵108。在一些示例中，各种流体经由流体导管112在水力压裂系统100的各种部件之间传送。流体导管112包括低压流体导管112(1)和高压流体导管112(2)。在一些示例中，低压流体导管112(1)将压裂流体从歧管110输送到流体泵108，而高压流体导管112(2)将高压压裂流体从流体泵108输送到歧管110。

歧管110还包括压裂头116。压裂头116可以包括在与歧管110相同的支撑结构上。压裂头116从歧管110接收压裂流体，并且在水力压裂过程期间将压裂流体输送到井102(经由安装在井102上的井口)。在一些示例中，压裂头116可以流体连接到多个井102。流体泵108、流体导管112、歧管110和/或压裂头116可以限定水力压裂系统100的流体系统。

混合器114将从支撑剂存储单元118接收的支撑剂与从水力压裂系统100的水合单元120接收的流体结合。在一些示例中，支撑剂存储单元118可以包括自卸卡车、具有拖车的卡车、一个或多个筒仓或其它类型的集装箱。水合单元120从一个或多个水箱122接收水。在一些示例中，水力压裂系统100可以从水坑、水车、水管线和/或任何其它合适的水源接收水。水合单元120可以包括一个或多个罐、泵、闸门等。

水合单元120可以向水中添加流体添加剂，诸如聚合物或其它化学添加剂。这样的添加剂可以在流体与支撑剂在混合器114中混合之前增加压裂流体的粘度。添加剂还可以将压裂流体的pH值调节到合适的水平以注入井筒周围的目标地层中。附加地或可替代地，水力压裂系统100可以包括一个或多个存储流体添加剂的流体添加剂存储单元124。流体添加剂存储单元124可以与水合单元120和/或混合器114流体连通以向压裂流体添加流体添加剂。

在一些示例中，水力压裂系统100可以包括平衡泵126。平衡泵126提供井102的环形空间中的压差的平衡。水力压裂系统100可以包括数据监测系统128。数据监测系统128可以管理和/或监测由水力压裂系统100执行的水力压裂过程和在该过程中使用的设备。在一些示例中，可以从多个位置执行管理和/或监测操作。数据监测系统128可以被支撑在厢式货车、卡车上，或者可以是移动的。数据监测系统128可以包括显示器，用于显示用于监测水力压裂系统100的性能和/或优化操作的数据。在一些示例中，由数据监测系统128收集的数据可以被非机载地或非现场地发送，用于监测性能和/或执行相对于水力压裂系统100的计算。

水力压裂系统100包括控制器130。控制器130与拖车106的泵系统104通信(例如，通过有线连接或无线连接)。控制器130还可以与水力压裂系统100的其它设备和/或系统通信。控制器130可以包括一个或多个存储器、一个或多个处理器和/或一个或多个通信部件。如结合图2和图3所描述的，控制器130(例如，一个或多个处理器)可以经配置执行与优化流体泵108的效率相关联的操作。

水力压裂系统100可以包括一个或多个动力源132。一个或多个动力源132可以包括在水力压裂拖车106上(例如，如图1中的虚线所示)。可替代地，动力源132可以与水力压裂拖车106分离。在一些示例中，每个泵系统104可以包括动力源132。动力源132可以与控制器130通信。动力源132可以为泵系统104和/或流体泵108提供动力。本文所述的动力源132可以是恒定速度动力源或接近恒定速度的动力源。如本文所使用的，“恒定速度”或“接近恒定速度”可以是指经配置产生输出速度的动力源，该输出速度在动力源132操作时保持近似恒定(例如，保持在目标速度和/或目标动力的阈值范围内)。例如，目标速度和/或目标动力可以与动力源132的操作的优化效率(例如，燃料效率或另一效率)相关联。换言之，恒定速度动力源或接近恒定速度的动力源可以提供不可变的输出速度(例如，可以以不可变的速度旋转输出驱动轴)。如本文所使用的，“近似恒定的速度”可以指速度在速度的阈值范围内。动力源132可以机械地联接到流体泵108以向流体泵108提供动力。如本文别处更详细描述的，动力源132可以经由包括多齿轮变速器(例如，齿轮系和/或一个或多个齿轮箱)的动力系机械地联接到流体泵108。

如上所述，提供图1作为示例。其它示例可以与关于图1所描述的不同。

图2是本文所述的示例性动力系200的示意图。如本文所述，动力系200可以包括水力压裂系统100的一个或多个部件。

如本文所述，如图2所示，动力系200可以包括至少一个流体导管112和/或歧管110。流体导管112可以与流体泵108流体连通。例如，流体导管112可以流体连接流体泵108和歧管110、歧管110和井102(例如，经由压裂头116)等。换言之，流体导管112可以流体连接在流体泵108下游的水力压裂系统100的部件。

动力系200可以包括动力源132。如本文所述，动力源132可以为流体泵108提供动力或驱动流体泵108。例如，动力系200可以经配置将动力从恒定速度动力源(例如，动力源132)输送到正排量泵(例如，流体泵108)。如上所述，动力源132可以是恒定速度动力源或接近恒定速度的动力源。例如，动力源132可以是涡轮机(例如，燃气涡轮机)、经配置以恒定速度或接近恒定速度操作的马达(例如，电动马达)、或经配置以恒定速度或接近恒定速度操作的发动机(例如，往复式发动机)等。例如，动力源132可以经配置使得动力源132的输出驱动轴134以近似恒定的速度(例如，经配置优化动力源132的性能或效率的近似恒定的速度)旋转。输出驱动轴134在本文中也可以称为动力源驱动轴。

动力系200可以包括联接到动力源132(例如，如下所述，经由轴联接器、传动系联接器和/或扭矩变换器)的多齿轮变速器136。多齿轮变速器136可以经配置改变(例如，增加或减少)由动力源132(例如，经由输出驱动轴134)输出的速度(例如，RPM值)和/或扭矩。例如，多齿轮变速器136可以经配置使用一组固定齿轮比来操作。多齿轮变速器136可以包括一个或多个齿轮箱138。齿轮箱138可以包括经配置实现该组固定齿轮比的一组齿轮。例如，输出驱动轴134可以联接(例如，连接)到用作一个或多个齿轮箱138的输入的驱动轴140。齿轮箱138可以可操作以经由齿轮箱138的内齿轮的配置来改变(例如，增加或减少)与驱动轴140相关联的速度(例如，RPM值)和/或扭矩。例如，驱动轴142(例如，用作一个或多个齿轮箱138和/或多齿轮变速器136的输出)的速度(例如，旋转速度或RPM值)和/或扭矩可以基于一个或多个齿轮箱138的配置齿轮比(例如，来自与多齿轮变速器136相关联的该组固定齿轮比)来确定。

齿轮箱138可以包括能够经配置产生不同齿轮比的一组齿轮。齿轮箱138可以是滑动啮合齿轮箱、恒定啮合齿轮箱、同步啮合齿轮箱、行星齿轮箱、液力扭矩变换器和/或行星型齿轮箱等。齿轮箱138可以经配置通过修改啮合和/或联接到齿轮箱138的驱动轴上的齿轮来使用不同的齿轮比进行操作。因此，基于所配置的齿轮比，驱动轴142的速度和/或扭矩可以不同于驱动轴140的速度和/或扭矩。

多齿轮变速器136可以是手动变速器。例如，多齿轮变速器136可以经由来自用户的手动输入来操作。用户可以接合部件(例如，离合器)，诸如本文别处更详细地描述的部件148，该部件使得多齿轮变速器136的驱动轴与另一个驱动轴(例如，流体泵108的输出驱动轴134或输入驱动轴146)的联接器能够接合和脱离接合，以使得能够改变多齿轮变速器136的齿轮比。例如，多齿轮变速器136可以包括同步器部件(例如，同步器)和/或联接到由用户操作的换挡器的齿轮选择器拨叉。用户可以操作换档器以使得选择器拨叉和同步器接合产生与用户选择的输入相关联的齿轮比的齿轮。例如，手动变速器可以是滑动齿轮变速器(例如，其中主驱动齿轮在塔式齿轮上方沿着主轴驱动器移动或滑动以产生期望的齿轮比)、或恒定啮合变速器(例如，其中驱动齿轮、塔式齿轮和一个或多个主轴齿轮处于恒定运动，并且爪式离合器用于将驱动齿轮、塔式齿轮和一个或多个主轴齿轮锁定在适当位置以产生期望的齿轮比)等。

在一些其它示例中，多齿轮变速器136可以是自动变速器。在这样的示例中，控制器130可以经配置将指令传输到齿轮箱138以使得齿轮箱138换档到所指示的齿轮比。例如，多齿轮变速器136可以包括离合器和/或齿轮配置(例如，类似于上述手动变速器和/或其它齿轮箱配置)以及一个或多个传感器、致动器、处理器、和/或气动部件等，以识别换档点(例如，多齿轮变速器136的齿轮比将改变的时间)并自动改变多齿轮变速器136的齿轮比(例如，基于从控制器130接收的输入)。

在一些实施方式中，多齿轮变速器136可以包括彼此联接(例如，经由轴联接器或传动系联接器)的多个齿轮箱或多个变速器。例如，多齿轮变速器136可以包括与第二多齿轮变速器(例如，第二齿轮箱)机械联接的第一多齿轮变速器(例如，第一齿轮箱)。第一多齿轮变速器可以与第一数量的齿轮比相关联，并且第二多齿轮变速器可以与第二数量的齿轮比相关联。通过将多个变速器或多个齿轮箱机械地联接在一起，可以实现齿轮比的混合效果，由此增加多齿轮变速器136可以操作的齿轮比的数量。这可以为输入驱动轴146能够被提供动力的速度(例如，输出驱动轴134保持在近似恒定的速度)提供附加的选择，从而为能够由流体泵108产生的流速提供增加的灵活性。

动力系200和/或多齿轮变速器136可以包括扭矩变换器144。扭矩变换器144可以设置在动力源132的第一驱动轴(例如，输出驱动轴134)和多齿轮变速器136的第二驱动轴(例如，驱动轴140)之间，以使第一驱动轴能够联接到第二驱动轴。例如，扭矩变换器144可以使流体泵108能够在输出驱动轴134以近似恒定的速度旋转的同时从非活动状态或静止状态(例如，其中多齿轮变速器136的驱动轴和/或输入驱动轴146空转或不旋转)转换到活动状态或旋转状态(例如，其中多齿轮变速器136的驱动轴和/或输入驱动轴146以操作速度旋转)。例如，扭矩变换器144可以包括将旋转动力从动力源132传递到多齿轮变速器136的驱动轴140的流体联接器接头。扭矩变换器144可以包括叶轮(例如，其由动力源132和输出驱动轴134机械地驱动)、涡轮(例如，其驱动驱动轴140)和插入在叶轮和涡轮之间的定子，使得定子能够改变从涡轮返回到叶轮的流体流。定子经设置用于重定向返回的流体流，从而有助于叶轮的旋转，而不是与其相反。这导致从返回流体回收的能量被添加到由动力源132供应到叶轮的能量中。这也增加了被引导到涡轮的流体流，产生了输出转矩的增加。可替代地，多齿轮变速器136可以包括机械部件(例如，机械离合器)，该机械部件设置在与扭矩变换器144类似的位置中，以接合和脱离接合输出驱动轴134与驱动轴140的联接器，从而使得多齿轮变速器136能够改变齿轮和/或改变输出驱动轴134以近似恒定的速度旋转的旋转速度。

如图2所示，流体泵可以由输入驱动轴146驱动。例如，通过使输入驱动轴146以不同的速度旋转，流体泵108可以产生不同的流速。输入驱动轴146可以诸如经由轴联接器或传动系联接器联接到多齿轮变速器136的驱动轴142(例如，多齿轮变速器136的输出驱动轴)。如上所述，多齿轮变速器136可以经配置(例如，经由使用不同的齿轮比操作)使得驱动轴142以不同的速度和/或以不同的扭矩旋转，而动力源132的输出驱动轴134保持以近似恒定的速度旋转。结果，通过使多齿轮变速器136使用给定的齿轮比操作，可以在使用恒定或接近恒定的速度动力源为流体泵108提供动力的同时实现输入驱动轴的期望旋转速度(例如，其可操作以引起流体泵108的期望流速)。

输入驱动轴146可以经由经配置使输入驱动轴146与多齿轮变速器136的输出驱动轴(例如，驱动轴142)接合或脱离的部件148联接到驱动轴142。部件148可以是机械离合器或另一部件。部件148可以经由手动用户输入或基于由控制器130提供的指令来操作。部件148可以脱离接合输入驱动轴146与驱动轴142的联接器，以使多齿轮变速器136能够改变多齿轮变速器136操作时的齿轮比。当多齿轮变速器136使用期望的齿轮比操作时，部件148可以接合输入驱动轴146与驱动轴142的联接器。在一些实施方式中，部件148可以不包括在动力系200和/或多齿轮变速器中。在这样的示例中，输入驱动轴146可以机械地和/或永久地联接到驱动轴142，而没有使联接器接合或脱离接合的配置。

动力系200和/或多齿轮变速器136可以包括设置在驱动轴142处和/或联接到驱动轴142的可变速度部件。例如，动力系200和/或多齿轮变速器136可以包括联接到多齿轮变速器136的输出驱动轴(例如，驱动轴142)和输入驱动轴146的可变速度变速器(例如，无级变速器(CVT))。可变速度部件可以经配置在连续的齿轮比范围内无缝地改变。例如，多齿轮变速器136可以经配置使得驱动轴142以有限的速度增量(例如，基于所配置的齿轮比)旋转。例如，第一齿轮比可以使得驱动轴142以第一速度旋转，并且第二齿轮比可以使得驱动轴142以第二速度旋转。可变速度部件可以使动力系200能够使得输入驱动轴146以介于能够由多齿轮变速器136产生的有限速度之间的速度旋转。例如，第一齿轮比可以使得驱动轴142以第一速度旋转，并且第二齿轮比可以使得驱动轴142以第二速度旋转。可变速度部件可以使动力系200能够使输入驱动轴146以第一速度和第二速度之间的速度旋转(例如，由此提供对由恒定或接近恒定速度的动力源132提供动力的输入驱动轴146的速度的增加的灵活性和/或控制)。

控制器130可以获得与流体泵108相关联的流速值。流速值可以是给定流体泵108的流速值，或者可以是整个水力压裂系统100的流速值。例如，控制器130可以确定多个流体泵108的设定和/或齿轮比(例如，以与下面更详细描述的类似方式)，以实现整个水力压裂系统100的期望流速值。例如，控制器130可以获得与流体泵108相关联的流速的设定。例如，流速的设定可以指示流体泵108的流速或包括流体泵108和至少一个附加的流体泵的流体系统的流速(例如，其中流体泵的流体流在歧管110处组合)。流速的设定可以指示用于流体泵108的命令流速。在一些实施方式中，控制器130可以以类似于上述的方式从本地或远程存储器或其他存储器、从另一设备等获得流速的设定。附加地或可替代地，为了获得流速的设定，控制器130可以以类似于上述的方式接收指示流速的设定的输入(例如，操作者输入)。获得流速设定的控制器130可以触发流体泵108的斜坡上升。在一些实施方式中，控制器130可以从操作者控制器150(例如，人机接口)获得流速值。操作者控制器150可以位于数据监测系统128处、水力压裂现场的别处、或远离水力压裂现场。

在一些示例中(例如，基于获得流速的设定)，控制器130可以向多齿轮变速器的部件或另一部件指示多齿轮变速器要使用的基于流速的设定的齿轮比。例如，控制器130可以从与多齿轮变速器136相关联的该组固定齿轮比中确定固定齿轮比，该固定齿轮比经优化以使流体泵108的输入驱动轴146以近似流速值(例如，基于输出驱动轴134的近似恒定速度)为流体泵108提供动力。换言之，控制器130可以基于输出驱动轴134的近似恒定速度确定将产生给定速度(例如，其经优化以使得流体泵108的输入驱动轴146以近似流速值为流体泵108提供动力)的齿轮比。

例如，如本文别处所述，多齿轮变速器可以与一组齿轮比相关联，该组齿轮比使得驱动轴142以一组速度(例如，基于输出驱动轴134的近似恒定速度)旋转。控制器130可以从该组齿轮比中确定对应于匹配或最接近(例如，在该组速度中)将导致流体泵108以流速值操作的速度的速度的齿轮比。在一些实施方式中，控制器130可以基于用户或操作者输入来确定固定齿轮比。例如，用户可以手动地操作动力系200以选择齿轮比(例如，通过手动地将多齿轮变速器136换档到期望的齿轮比)。如果动力系200包括可变速度部件，则控制器130可以确定可变速度部件的设定(例如，基于由所确定的齿轮比引起的驱动轴142的速度)，以使得输入驱动轴146以实现流速值的速度旋转。

控制器130可以使得多齿轮变速器136使用所确定的固定齿轮比进行操作，以使得流体泵108以近似流速值进行操作。例如，控制器130可以发送使得多齿轮变速器136换档到所确定的齿轮比的命令。结果，驱动轴142和/或输入驱动轴146可以以为流体泵108提供动力以近似流速值操作的速度旋转。可替代地，操作者可以手动地将多齿轮变速器136换档到所确定的固定齿轮比(例如，经由手动换档器和/或其它部件)，以使得流体泵108以近似流速值操作。

控制器130可以获得关于与流体泵108相关联的流速(例如，流体泵108的流速或包括流体泵108和至少一个附加的流体泵的流体系统的流速)的测量。例如，控制器130可以从经配置检测与流体泵108相关联的流速的传感器152(例如，流量计)获得与流速相关的测量。传感器152可以位于流体泵108的出口处、与流体泵108的出口流体连通的流体导管112中、歧管110中等。

控制器130可以获得与驱动轴142、输入驱动轴146和/或输出驱动轴134的速度有关的测量。控制器130可以从一个或多个传感器154(例如，旋转速度传感器，诸如磁阻传感器或另一类型的旋转速度传感器)获得速度的测量。传感器154可以位于驱动轴142、输入驱动轴146和/或输出驱动轴134处。

控制器130可以监测与流体泵108相关联的流速和/或驱动轴142、输入驱动轴146和/或输出驱动轴134的速度。控制器130可以基于与流体泵108相关联的流速以及驱动轴142、输入驱动轴146和/或输出驱动轴134的速度来确定多齿轮变速器将在其中操作的齿轮比。例如，控制器130可以基于流体泵108的当前流速、输出驱动轴134的当前速度和/或输入驱动轴146的当前速度来确定输入驱动轴146旋转以实现流体泵108的期望流速的速度。控制器130可以确定齿轮比，该齿轮比将使得驱动轴142和/或输入驱动轴146以一定速度旋转，以使得流体泵将当前流速转换为期望流速。换言之，当流体泵由恒定速度或接近恒定速度的动力源(例如，动力源132)提供动力时，多齿轮变速器的各种齿轮比可以提供输入驱动轴146的速度(例如，由此流体泵108的流速)的灵活性和可控性。

在一些实施方式中，一个或多个传感器154可以包括扭矩传感器。控制器130可以监测与多齿轮变速器136相关联的扭矩测量。控制器130可以基于测量的扭矩(例如，多齿轮变速器136的一个或多个驱动轴的扭矩)确定多齿轮变速器将在其中操作的齿轮比。例如，控制器130可以确定多齿轮变速器待操作的齿轮比，以确保多齿轮变速器136所经受的扭矩满足阈值。例如，动力源132能够在多齿轮变速器136上产生比多齿轮变速器136能够安全地经受的扭矩更多的扭矩(例如，由于动力源132的恒定速度输出)。因此，扭矩传感器可以使系统能够监测多齿轮变速器136经受的扭矩，以确保扭矩值保持在安全水平内。

如上所述，提供图2作为示例。其它示例可以与关于图2所描述的不同。

图3是与优化具有恒定或接近恒定速度动力源的正排量泵的效率相关联的示例性过程300的流程图。在一些实施方式中，图3的一个或多个过程框可以由控制器(例如，控制器130)来执行。在一些实施方式中，图3的一个或多个过程框可以由与控制器分离或包括控制器的另一个设备或一组设备来执行，诸如在水力压裂系统100和/或动力系200内部或外部的另一个设备或部件。附加地或可替代地，图3的一个或多个过程框可以由设备的一个或多个部件来执行，诸如处理器、存储器、输入部件、输出部件和/或通信部件。

如图3所示，过程300可以包括获得正排量泵的流速值，其中正排量泵经由恒定速度动力源提供动力(框310)。例如，控制器(例如，使用处理器、存储器、通信部件等)可以获得正排量泵的流速值。如上所述，正排量泵可以经由恒定速度动力源提供动力。正排量泵可以是水力压裂泵。

如图3中进一步所示，过程300可以包括基于恒定速度动力源操作的速度和流速值，从与联接到恒定速度动力源和正排量泵的多齿轮变速器相关联的一组齿轮比中确定齿轮比(框320)。例如，如上所述，控制器(例如，使用处理器、存储器、通信部件等)可以基于恒定速度动力源操作的速度和流速值，从与联接到恒定速度动力源和正排量泵的多齿轮变速器相关联的一组齿轮比中确定齿轮比。例如，控制器可以接收指示流速值的用户输入。

如图3中进一步所示，过程300可以包括使得多齿轮变速器使用齿轮比进行操作(框330)。例如，控制器(例如，使用处理器、存储器、通信部件等)可以使得多齿轮变速器使用如上所述的齿轮比进行操作。例如，控制器可以使得多齿轮变速器从另一齿轮比、从一组齿轮比切换到齿轮比，其中另一齿轮比使得多齿轮变速器的输出驱动轴以第一速度旋转，其中齿轮比使得输出驱动轴以第二速度旋转，并且其中输出驱动轴联接到正排量泵的输入驱动轴。

如图3中进一步所示，过程300可以包括基于使得多齿轮变速器使用齿轮比操作而使得正排量泵以近似流速值操作(框340)。例如，如上所述，基于使得多齿轮变速器使用齿轮比操作，控制器可以使得正排量泵以近似流速值操作。例如，基于使用齿轮比操作的多齿轮变速器，控制器可以使得正排量泵的输入驱动轴以第一速度旋转，该第一速度不同于恒定速度动力源的输出驱动轴的第二速度，其中第一速度与使得正排量泵以近似流速值操作相关联。

多齿轮变速器可以包括可变速度变速器，其联接到多齿轮变速器的输出驱动轴和正排量泵的输入驱动轴。

虽然图3示出了过程300的示例框，但是在一些实施方式中，过程300可以包括与图3中描绘的那些框相比的附加的框、更少的框、不同的框或不同布置的框。附加地或可替代地，可以并行地执行过程300的两个或多个框。

工业实用性

本文所述的动力系可以与使用由恒定速度或接近恒定速度的动力源驱动的流体泵对水力压裂流体加压的任何水力压裂系统一起使用。例如，为了提高水力压裂系统和/或流体泵的效率，可以使用恒定或接近恒定的动力源为水力压裂系统的流体泵提供动力。恒定或接近恒定的动力源可以以优化的速度或接近优化的速度操作(例如，在动力源输出的速度上没有可变性)，以增加与动力源相关联的效率。然而，恒定或接近恒定的动力源可能与提供给流体泵的速度缺乏可变性相关联。结果，由恒定或接近恒定的动力源提供动力的流体泵只能以给定的流速或在小的流速范围内操作。

本文所述的动力系对于向由恒定或接近恒定的动力源提供动力的流体泵提供的输入速度提供可变性、灵活性和/或可控性是有用的。例如，该动力系可以包括一个或多个变速器或齿轮箱，这些变速器或齿轮箱经配置使用一组齿轮比进行操作。因此，输出驱动轴可以以近似恒定的速度连续地旋转(例如，以增加动力源的效率)，并且动力系可以基于动力系(例如，动力系的变速器)在其中操作的齿轮比向流体泵提供可变的输入速度。结果，可以改变由流体泵产生的流速(例如，通过改变由动力系提供给流体泵的输入速度)，同时还使得动力源能够以优化的速度(例如，近似恒定的速度)操作。因此，可以增加泵系统的效率(例如，通过使动力源以或接近优化速度操作)而不牺牲由流体泵产生的流速的可变性、灵活性和/或可控性。

上述公开提供了说明和描述，但并不旨在穷举或将实施方式限制为所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。此外，本文所述的任何实施方式可以被组合，除非以上公开明确地提供了一个或多个实施方式不能被组合的原因。即使在权利要求中记载和/或在说明书中公开了特征的特定组合，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。虽然下面列出的每个从属权利要求可能直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开内容包括与权利要求集中的所有其它权利要求相结合的每个从属权利要求。

如本文所用，“一”、“一个”和“一组”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。进一步地，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用。进一步地，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在以系列使用时旨在是包括性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另外明确说明(例如，如果与“之一”或“仅...中的一个”组合使用)。进一步地，为了便于描述，本文可以使用空间上相对的术语，诸如“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等来描述一个元件或特征与如图所示的另一个元件或特征的关系。除了图中所示的定向之外，空间上相对的术语旨在包括使用或操作中的装置、设备和/或元件的不同定向。该装置可以以其它方式定向(旋转90度或以其它定向)，并且本文使用的空间上相对的描述符同样可以相应地解释。

Claims (10)

1.一种用于水力压裂的系统，包括：

正排量泵；

恒定速度动力源，其经配置驱动所述正排量泵，其中所述恒定速度动力源经配置以近似恒定的速度旋转动力源驱动轴；

动力系，其经配置将动力从所述恒定速度动力源传递到所述正排量泵，所述动力系包括经配置使用一组固定齿轮比操作的多齿轮变速器；以及

控制器，其经配置：

获得与所述正排量泵相关联的流速值；

从所述组固定齿轮比中确定固定齿轮比，所述固定齿轮比经优化使得所述正排量泵的输入驱动轴以基于所述动力源驱动轴的所述近似恒定速度的近似所述流速值对所述正排量泵提供动力；以及

使得所述多齿轮变速器使用所述固定齿轮比操作，以使得所述正排量泵以近似所述流速值操作。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述动力系包括联接到所述动力源驱动轴和所述多齿轮变速器的变速器驱动轴的扭矩变换器，其中当所述动力源驱动轴以所述近似恒定的速度旋转时，所述扭矩变换器使所述正排量泵能够从非活动状态转换到活动状态。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

部件，其经配置用于使所述正排量泵的所述输入驱动轴与所述多齿轮变速器的输出驱动轴接合或脱离接合。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多齿轮变速器包括与第二多齿轮变速器机械联接的第一多齿轮变速器。

5.根据权利要求1所述的系统，其中为了确定所述固定齿轮比，所述控制器经配置：

接收指示所述固定齿轮比的用户输入。

6.一种用于为流体泵提供动力的动力系，包括：

动力源，其经配置以近似恒定的速度旋转第一驱动轴；

机械变速器，其包括：

一个或多个齿轮箱，其与一组固定齿轮比相关联，

第二驱动轴，其联接到所述第一驱动轴，以及

第三驱动轴，其联接到所述流体泵的输入驱动轴，并且经配置基于使用来自所述组固定齿轮比的不同齿轮比以可变速度或以可变扭矩旋转所述输入驱动轴；以及

扭矩变换器，其设置在所述第一驱动轴和所述第二驱动轴之间，以使所述第一驱动轴能够联接到所述第二驱动轴。

7.根据权利要求6所述的动力系，进一步包括：

控制器，其经配置：

基于与所述流体泵相关联的流速值从所述组固定齿轮比中选择将由所述机械变速器使用的齿轮比；以及

使用所述齿轮比使得所述机械变速器操作，以使得所述机械变速器以产生所述流速值的速度旋转所述流体泵的所述输入驱动轴。

8.根据权利要求6所述的动力系，其中所述扭矩变换器包括流体联接器接头，以在所述第一驱动轴以所述近似恒定的速度旋转时使所述第二驱动轴能够从静止状态转换到旋转状态。

9.根据权利要求6所述的动力系，进一步包括：

部件，其经配置能够使所述输入驱动轴与所述第三驱动轴接合和脱离接合。

10.根据权利要求6所述的动力系，其中所述一个或多个齿轮箱包括与第一齿轮比相关联的第一齿轮箱，所述第一齿轮箱机械地联接到与第二齿轮比相关联的第二齿轮箱。