CN108730148A - 一种液压驱动的双柱塞压裂泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压驱动的双柱塞压裂泵，设置有进油口P、回油口T、进液口V和高压出油口H，包括增压缸和先导式液控换向阀，增压缸包括低压缸、低压活塞、左高压柱塞、右高压柱塞、左高压缸和右高压缸，低压缸上设有第一进油流道、第二进油流道、第一控制流道和第二控制流道，低压活塞上开有环形的连通槽；在低压活塞左移到其将第一通流槽完全遮盖位置时，连通槽将第一进油流道和第一控制流道连通控制先导式液控换向阀换向，且低压活塞通过密闭的左活塞腔进行制动；在低压活塞右移到其将第二通流槽完全遮盖位置时，连通槽将第二进油流道和第二控制流道连通控制先导式液控换向阀换向，且低压活塞通过密闭的右活塞腔进行制动；该压裂泵不仅结构简单，而且无需电控控制，且噪音很低。

Description

一种液压驱动的双柱塞压裂泵

技术领域

本发明涉及油气压裂技术领域，特别涉及一种液压驱动的双柱塞压裂泵。

背景技术

压裂施工作业是改造油气藏的重要手段之一，对于低渗透油气井，一般需要借助压裂作业才能达到稳产和增产的目的。压裂泵是压裂车的工作主机，是实现压裂工艺意图最直接的执行设备，主要由动力端总成和液力端总成等部件组成。

现有技术中，作为输送机构的压裂泵一般采用曲轴式柱塞泵，图4为这种曲轴式柱塞泵的结构示意图，如图4所示，该曲轴式柱塞泵1'包括曲轴11'、多个连杆12'和多个柱塞13'等，曲轴11'的两端设置有动力输入齿轮，多个柱塞13'布置在曲轴11'的一侧，多个柱塞13'的一端可分别在液力端(图中示出但未标出)中来回移动，多个连杆12'设置在多个柱塞13'的另一端与曲轴11'之间，这样当曲轴11'转动时，将带动连杆12'作曲柄连杆运动，连杆12'进而驱动柱塞13'作往复运动(类似于发动机曲轴与活塞的运动)，从而实现通过液力端将工作介质(压裂液)吸入并连续高压输出，以进行压裂作业。

上述曲轴式柱塞泵中，冲程较短(如五缸式柱塞泵冲程约为200mm)，换向次数多，柱塞动作频繁，易损件的寿命短，例如，液力端的阀座、阀和阀胶皮等的使用寿命只有几十小时；另外，这种曲轴式柱塞泵的输出压力、流量的覆盖范围较窄，若要提高覆盖范围，需更换不同缸径的液力端；另外，柱塞在频繁快速换向时，压裂液尚未充分吸入即排出，造成吸入效率不高，导致工作效率偏低；另外，压裂泵内集成安装有曲轴、动力输入齿轮、连杆、液力端的箱体及座体等，结构复杂，制造成本高，拆装维护不便；另外，动力输入齿轮作高速重载旋转，对润滑和冷却的要求高，需要布置结构复杂的润滑系统及对应的冷却系统。

因此，如何针对现有的上述不足和缺陷进行改进，以便更加适应油气开发需要，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术上的缺陷，提供一种有效增大冲程、减少冲次，提高易损件的使用寿命，有效增大输出压力、流量的覆盖范围，有效提高吸入效率，有效降低结构复杂性、节约成本，以及有效降低润滑和冷却的要求，可以无需电控控制，噪音低的双柱塞自动往复式压裂泵。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了一种液压驱动的双柱塞压裂泵，设置有进油口P、回油口T、进液口V和高压出液口H，其特征在于，包括增压缸和先导式液控换向阀；

所述增压缸包括低压缸、低压活塞、左高压柱塞、右高压柱塞、左高压缸和右高压缸，所述低压活塞滑动设置在低压缸内并在其左右两端分别形成有左活塞腔和右活塞腔，其左右两端分别与滑动设置在左高压缸内的左高压柱塞和右高压缸内的右高压柱塞相连，所述低压缸上设有第一进油流道、第二进油流道、第一控制流道和第二控制流道，所述第一进油流道和第二进油流道均与进油口P相连通，所述低压缸的左右两端还设有第一通流槽和第二通流槽，所述低压活塞的周面上开有环形的连通槽；在低压活塞左移到其将第一通流槽完全遮盖位置时，所述连通槽将第一进油流道和第一控制流道连通，且低压活塞通过密闭的左活塞腔进行制动；在低压活塞右移到其将第二通流槽完全遮盖位置时，所述连通槽将第二进油流道和第二控制流道连通，且低压活塞通过密闭的右活塞腔进行制动；

所述先导式液控换向阀设置有进油流道、回油流道、第一工作油口A、第二工作油口B、第一控制油口X1和第二控制油口X2，所述进油流道和进油口P相连通，所述回油流道和所述回油口T相连通；所述第一工作油口A分成两路，一路通过第一通流槽与左活塞腔相连通，另一路通过第一连通单向阀经左高压缸的右端面与左活塞腔相连通；所述第二工作油口B分成两路，一路通过第二通流槽与右活塞腔相连通，另一路通过第二连通单向阀经右高压缸的左端面后与右活塞腔相连通；所述第一控制油口X1和所述第一控制流道相连通，所述第二控制油口X2和所述第二控制流道相连通；

所述先导式液控换向阀包括先导阀和主阀，所述先导阀为二位三通换向阀，所述主阀为二位四通换向阀，所述主阀的进油口P1和先导阀的进油口P2都与进油流道相连通，所述主阀的回油口T1与回油流道相连通，所述主阀的工作油口A1与第一工作油口A相连通，所述主阀的工作油口B1与第二工作油口B相连通，所述先导阀的工作油口A2与主阀的左控制腔相连通，所述主阀的左控制腔还通过第四阻尼孔与回油流道相通，所述先导阀的工作油口B2与主阀的右控制腔相连通，所述主阀的右控制腔还通过第三阻尼孔与回油流道相通；所述先导阀的左先导腔与第一控制油口X1相连通，所述先导阀的右先导腔与第二控制油口X2相连通，所述先导阀的左先导腔还通过第一阻尼孔与回油流道相连通，所述先导阀的右先导腔还通过第二阻尼孔与回油流道相连通。

通过上述技术方案，该双柱塞压裂泵工作时，通过低压活塞运动到左右两端完全遮盖住第一通流槽或第二通流槽位置时将第一控制流道或第二控制流道与进油口连通，对先导式液控换向阀的先导阀进行触发，使先导阀先进行换向，再通过先导阀控制主阀进行换向，这样可以保证当低压活塞开始往相反方向运动时，主阀和低压活塞的位移不会相互影响，而先导阀在主阀换向后通过的流量很小，能可靠的保持在换向位置，因此本发明无需电控控制即可实现对压裂液的吸入及增压排出循环，也无需曲轴、动力输入齿轮、连杆、润滑系统和冷却系统，零部件少、结构简单、成本低；另外，因为低压活塞和左右高压柱塞皆为低速直线运动，可以实现长冲程，从而提高有效吸入效率、减少冲次及提高寿命，且低压活塞来回运动一次可实现两次的吸液及增压排出，无空行程、效率高；另外通过设置第一通流槽和第二通流槽，在低压活塞向左右两端运动到一定位置时将第一通流槽和第二通流槽遮盖，切断油液流出通道，利用完全封闭的左活塞腔和右活塞腔进行制动，可以防止低压活塞和左高压缸和右高压缸的碰撞，因此不会产生撞击噪音。

进一步的技术方案中，所述先导式液控换向阀的主阀处于左位时，所述进油口P1与工作油口B1相连通，所述工作油口A1与所述回油口T1相连通；所述主阀处于右位时，所述工作油口P1与工作油口A1相连通，所述工作油口B1与所述回油口T1相连通。

进一步的技术方案中，所述先导式液控换向阀的先导阀处于左位时，所述进油口P2与工作油口A2相连通；所述先导阀处于右位时，所述进油口P2与工作油口B2相连通。

进一步的技术方案中，所述左高压缸和右高压缸分别通过第一出液单向阀和第二出液单向阀与高压出液口H连通，进液口V分别通过第一进液单向阀和第二进液单向阀与左高压缸和右高压缸连通。

进一步的技术方案中，在低压活塞左移到其将第一通流槽完全遮盖位置时，所述低压活塞左端面距离低压缸最左端距离大于20mm；在低压活塞右移到其将第二通流槽完全遮盖位置时，所述低压活塞右端面距离低压缸最右端距离大于20mm。因为低压活塞与低压缸内孔为间隙液密封配合，为了保证在低压活塞已经遮盖住第一通流槽和第二通流槽时，不会因为油液继续从低压活塞与低压缸内孔之间的间隙流出造成低压活塞继续运动而造成制动失败，需要足够的密封长度，所以低压活塞距离两端面的距离至少大于20mm。

进一步的技术方案中，在所述进油流道和所述先导阀的进油口P2之间还连接有第五阻尼孔。通过设置第五阻尼孔，可以使先导式液控换向阀的主阀换向更加平稳，无冲击。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

该双柱塞压裂泵工作时，通过低压活塞运动到左右两端完全遮盖住第一通流槽或第二通流槽位置时将第一控制流道或第二控制流道与进油口连通，对先导式液控换向阀的先导阀进行触发，使先导阀先进行换向，再通过先导阀控制主阀进行换向，这样可以保证当低压活塞开始往相反方向运动时，主阀和低压活塞的位移不会相互影响，而先导阀在主阀换向后通过的流量很小，能可靠的保持在换向位置，因此本发明只需要和液压泵相连，无需复杂的电控控制就可以实现对压裂液的增压和吸入循环过程，并且低压活塞来回运动一次，可实现对压裂液的两次吸入及增压排出过程，无空行程、效率高，也无需曲轴、动力输入齿轮、连杆、润滑系统和冷却系统，结构简单、成本低；另外，因为低压缸和左右高压缸皆为低速直线运动，可以实现长冲程，从而提高有效吸入效率、减少冲次及提高寿命；另外通过设置第一通流槽和第二通流槽，在低压活塞向左右两端运动到一定位置时将第一通流槽和第二通流槽遮盖，切断油液流出通道，利用完全封闭的左活塞腔和右活塞腔进行制动，可以防止低压活塞和左高压缸和右高压缸的碰撞，因此不会产生撞击噪音。

附图说明

图1为本发明实施例的液压原理图(低压活塞处于中间位置状态)；

图2为本发明实施例的液压原理图(低压活塞由右行转左行状态)；

图3为本发明实施例的液压原理图(低压活塞由左行转右行状态)；

图4为现有技术中典型的曲轴式柱塞泵的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1-3，为本发明优选的一个实施例，本发明提供一种液压驱动的双柱塞压裂泵，设置有进油口P、回油口T、进液口V、高压出液口H，其包括增压缸和先导式液控换向阀；增压缸包括低压缸4、低压活塞6、左高压柱塞5b、右高压柱塞5a、左高压缸3b和右高压缸3a，低压活塞6滑动设置在低压缸4内并在其左右两端分别形成有左活塞腔4b和右活塞腔4a，其左右两端分别与滑动设置在左高压缸3b内的左高压柱塞5b和右高压缸3a内的右高压柱塞5a相连，低压缸4上设有第一进油流道10、第二进油流道8、第一控制流道11和第二控制流道9，所述第一进油流道10和第二进油流道8均与进油口P相连通，低压缸4的左右两端还设有第一通流槽4d和第二通流槽4c，低压活塞6的周面上开有环形的连通槽7；在低压活塞6左移到其将第一通流槽4d完全遮盖位置时，所述连通槽7将第一进油流道10和第一控制流道11连通，且低压活塞6通过密闭的左活塞腔4b进行制动；在低压活塞6右移到其将第二通流槽4c完全遮盖位置时，所述连通槽7将第二进油流道8和第二控制流道9连通，且低压活塞6通过密闭的右活塞腔4a进行制动。可以理解的是，密闭的左活塞腔4b是指当低压活塞6将第一通流槽4d完全遮盖后，左活塞腔4b与第一工作油口A的连通被切断，左活塞腔4b内的油液既不能通过第一通流槽4d回第一工作油口A，也不能通过反向截止的第一连通单向阀15b回第一工作油口A，另外在此位置低压活塞6的左端面肯定与低压缸4的最左端还要有一定的距离才能形成容腔(左活塞腔4b)；同理密闭的右活塞腔4a是指当低压活塞6将第二通流槽4c完全遮盖后，右活塞腔4a与第二工作油口B的连通被切断，右活塞腔4a内的油液既不能通过第二通流槽4c回第二工作油口B，也不能通过反向截止的第二连通单向阀15a回第二工作油口B，另外在此位置低压活塞6的右端面肯定与低压缸4的最右端还要有一定的距离才能形成容腔(右活塞腔4a)。

先导式液控换向阀设置有进油流道16、回油流道17、第一工作油口A、第二工作油口B、第一控制油口X1和第二控制油口X2，进油流道16和进油口P相连通，回油流道17和回油口T相连通；第一工作油口A分成两路，一路通过第一通流槽4d与左活塞腔4b相连通，另一路通过第一连通单向阀15b经左高压缸3b的右端面与左活塞腔4b相连通；第二工作油口B分成两路，一路通过第二通流槽4c与右活塞腔4a相连通，另一路通过第二连通单向阀15a经右高压缸3a的左端面后与右活塞腔4a相连通；第一控制油口X1和第一控制流道11相连通，第二控制油口X2和第二控制流道9相连通；

先导式液控换向阀包括先导阀13和主阀12，先导阀13为二位三通换向阀，主阀12为二位四通换向阀，主阀12的进油口P1和先导阀13的进油口P2都与进油流道16相连通，主阀12的回油口T1与回油流道17相连通，主阀12的工作油口A1与第一工作油口A相连通，主阀12的工作油口A2与第二工作油口B相连通，先导阀13的工作油口A2与主阀12的左控制腔12b相连通，主阀12的左控制腔12b还通过第四阻尼孔14d与回油流道17相通，先导阀13的工作油口B2与主阀12的右控制腔12a相连通，主阀12的右控制腔12a还通过第三阻尼孔14c与回油流道17相通；先导阀13的左先导腔13b与第一控制油口X1相连通，先导阀13的右先导腔13a与第二控制油口X2相连通，先导阀13的左先导腔13b还通过第一阻尼孔14b与回油流道17相连通，先导阀13的右先导腔13a还通过第二阻尼孔14a与回油流道17相连通。先导阀13的进油口P2和进油流道16之间还连有第四阻尼孔14e。

先导式液控换向阀的先导阀13处于左位时，进油口P2与工作油口A2相连通；先导阀13处于右位时，进油口P2与工作油口B2相连通。

左高压缸3b和右高压缸3a分别通过第一出液单向阀2b和第二出液单向阀2a与高压出液口H连通，进液口V分别通过第一进液单向阀1b和第二进液单向阀1a与左高压缸3b和右高压缸3a连通。

在低压活塞6左移到其将第一通流槽4d完全遮盖位置时，低压活塞6左端面距离低压缸4最左端距离大于20mm；在低压活塞6右移到其将第二通流槽4c完全遮盖位置时，低压活塞6右端面距离低压缸4最右端距离大于20mm。因为低压活塞6与低压缸4内孔为间隙液密封配合，为了保证在低压活塞6已经遮盖住第一通流槽4d和第二通流槽4c时，不会因为油液继续从低压活塞6与低压缸4内孔之间的间隙流出造成低压活塞6继续运动而造成制动失败，所以低压活塞6距离两端面的距离至少大于20mm。

本发明的工作原理如下：

应用时将本发明的进油口P和液压泵出口相连，回油口T和油箱相连，进液口V和压裂液输入管道相连，高压出液口H和压裂液输出管道相连。假设主阀12初始位置处于左位，如图3所示，则进油口P1和工作油口A1相连通，工作油口B1和回油口T1相连通，一方面油液由进油口P经主阀12、第一工作油口A后通过第一连通单向阀15b进入左活塞腔4b推动活塞6向右移动，另一方面压裂液经第一进液单向阀1b进入左高压缸3b进行充液，右活塞腔4a的油液经第二通流槽4c、第二工作油口B、工作油口B1、回油口T1、回油流道17回到油箱，右增压缸3a内的压裂液经增压后由第二出液单向阀2a到达高压出液口H。当活塞6向右运动到将第二通流槽4c完全遮盖时(如图2所示)，右活塞腔4a的油液不能再由第二通流槽4c排出，活塞6会在封闭的右活塞腔4a的作用下制动，且第二进油流道8通过连通槽7与第二控制流道9相连通后经第一控制油口X1进入先导阀13的右先导腔13a，右先导腔13a内建立起压力推动先导阀13换向到右位，左先导腔13b的油液经第一阻尼孔14b、回油流道17后都到达回油口T，此时进油口P2与工作油口B2相连通，进油口P的油液经进油口P2、工作油口B2进入主阀12的右控制腔12a控制主阀12换向到右位，左控制腔12b的油液由第四阻尼孔14d流入回油流道17；主阀12换向到右位后，液压泵出口油液经进油口P、进油口P1、工作油口B1、第二工作油口B、第二连通单向阀15a后进入右活塞腔4a(同时，进液口V的压裂液液经第二进液单向阀1a进入右增压缸3a进行充液)推动低压活塞6向左运动，左活塞腔4b内的油液经第一通流槽4d、第一工作油口A、工作油口A1、回油口T1、回油流道17后到达回油口T，左高压缸3b内的压裂液经增压后由第一出液单向阀2b排出到高压出液口H，当活塞6向左运动到将第一通流槽4d完全遮盖位置时，左活塞腔4b内的油液不能再由第一通流槽4d排出，活塞6会在封闭的左活塞腔4b的作用下制动，且第一进油流道10通过连通槽7与第一控制流道11相连通，油口P的油液依次经第一进油流道10、通流槽7、第一控制流道11、第二控制油口X2、进入先导阀13的左先导腔13b推动先导阀13换向到左位，右先导腔13a内的油液经第一阻尼孔14a流回回油口T，当先导阀13换向到左位后，主阀12被先导阀13控制换向到左位，进油口P的油液经进油口P1、第一工作油口A、第一连通单向阀15b进入左活塞腔4b，推动活塞6向右运动增压，至此完成循环。只要进油口P有油液持续供应，本发明的双柱塞压裂泵就会来回往复运动进行充液、增压排液的循环过程。

上部所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种液压驱动的双柱塞压裂泵，设置有进油口P、回油口T、进液口V和高压出液口H，其特征在于，包括增压缸和先导式液控换向阀；

所述增压缸包括低压缸、低压活塞、左高压柱塞、右高压柱塞、左高压缸和右高压缸，所述低压活塞滑动设置在低压缸内并在其左右两端分别形成有左活塞腔和右活塞腔，其左右两端分别与滑动设置在左高压缸内的左高压柱塞和右高压缸内的右高压柱塞相连，所述低压缸上设有第一进油流道、第二进油流道、第一控制流道和第二控制流道，所述第一进油流道和第二进油流道均与进油口P相连通，所述低压缸的左右两端还设有第一通流槽和第二通流槽，所述低压活塞的周面上开有环形的连通槽；在低压活塞左移到其将第一通流槽完全遮盖位置时，所述连通槽将第一进油流道和第一控制流道连通，且低压活塞通过密闭的左活塞腔进行制动；在低压活塞右移到其将第二通流槽完全遮盖位置时，所述连通槽将第二进油流道和第二控制流道连通，且低压活塞通过密闭的右活塞腔进行制动；

所述先导式液控换向阀设置有进油流道、回油流道、第一工作油口A、第二工作油口B、第一控制油口X1和第二控制油口X2，所述进油流道和进油口P相连通，所述回油流道和所述回油口T相连通；所述第一工作油口A分成两路，一路通过第一通流槽与左活塞腔相连通，另一路通过第一连通单向阀经左高压缸的右端面与左活塞腔相连通；所述第二工作油口B分成两路，一路通过第二通流槽与右活塞腔相连通，另一路通过第二连通单向阀经右高压缸的左端面后与右活塞腔相连通；所述第一控制油口X1和所述第一控制流道相连通，所述第二控制油口X2和所述第二控制流道相连通；

所述先导式液控换向阀包括先导阀和主阀，所述先导阀为二位三通换向阀，所述主阀为二位四通换向阀，所述主阀的进油口P1和先导阀的进油口P2都与进油流道相连通，所述主阀的回油口T1与回油流道相连通，所述主阀的工作油口A1与第一工作油口A相连通，所述主阀的工作油口A2与第二工作油口B相连通，所述先导阀的工作油口A2与主阀的左控制腔相连通，所述主阀的左控制腔还通过第四阻尼孔与回油流道相通，所述先导阀的工作油口B2与主阀的右控制腔相连通，所述主阀的右控制腔还通过第三阻尼孔与回油流道相通；所述先导阀的左先导腔与第一控制油口X1相连通，所述先导阀的右先导腔与第二控制油口X2相连通，所述先导阀的左先导腔还通过第一阻尼孔与回油流道相连通，所述先导阀的右先导腔还通过第二阻尼孔与回油流道相连通。

2.根据权利要求1所述的双柱塞压裂泵，其特征在于，所述先导式液控换向阀的主阀处于左位时，所述进油口P1与工作油口A1相连通，所述工作油口B1与所述回油口T1相连通；所述主阀处于右位时，所述工作油口P1与工作油口B1相连通，所述工作油口A1与所述回油口T1相连通。

3.根据权利要求1-2任一项所述的双柱塞压裂泵，其特征在于，所述先导式液控换向阀的先导阀处于左位时，所述进油口P2与工作油口A2相连通；所述先导阀处于右位时，所述进油口P2与工作油口B2相连通。

4.根据权利要求1-3任一项所述的双柱塞压裂泵，其特征在于，所述左高压缸和右高压缸分别通过第一出液单向阀和第二出液单向阀与高压出液口H连通，进液口V分别通过第一进液单向阀和第二进液单向阀与左高压缸和右高压缸连通。

5.根据权利要求1-4任一项所述的双柱塞压裂泵，其特征在于，在低压活塞左移到其将第一通流槽完全遮盖位置时，所述低压活塞左端面距离低压缸最左端距离大于20mm；在低压活塞右移到其将第二通流槽完全遮盖位置时，所述低压活塞右端面距离低压缸最右端距离大于20mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的双柱塞压裂泵，其特征在于，在所述进油流道和所述先导阀的进油口P2之间还连接有第五阻尼孔。