CN103742381B - 压裂泵系统及压裂车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压裂泵系统及压裂车。该压裂泵系统中，第一输送机构和第二输送机构均包括油缸、增压缸和配流阀；配流阀包括第一通道、第二通道和第三通道，第一通道、第二通道和第三通道的第一端相连，第二通道中设有吸入阀，第三通道中设有排出阀；油缸的活塞杆伸出端设有塞体，塞体可移动地设置于增压缸内，增压缸的出口连接于第一通道的第二端；发动机用于驱动油泵；控制阀组用于控制各油缸的进回油状态。实施本发明，能够有效增大冲程、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，有效降低结构复杂性、节约成本，以及有效降低对润滑和冷却的要求。

Description

压裂泵系统及压裂车

技术领域

本发明涉及压裂车技术领域，特别涉及一种压裂泵系统及压裂车。

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，一般需要借助于压裂作业才能达到稳产和增产的目的。压裂车是压裂施工的主要设备，它的作用是向地层内注入高压、大排量的压裂液，将地层压开，把支撑料（如压裂砂）挤入裂缝，以增强地层渗透率，增加油气的流动性，提高油气采收率。

目前，常见的压裂车一般包括底盘以及设置于底盘上的柴油发动机、液力变矩器、传动轴和压裂泵等，在工作过程中，柴油发动机启动后，经液力变矩器变速、变矩后，通过传动轴带动压裂泵转动，以实现压裂作业。

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1示出了这种曲轴式柱塞泵的结构示意图，如图所示，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

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种压裂泵系统，以有效增大冲程、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。

具体而言，所述压裂泵系统包括发动机、油泵、控制阀组、第一输送机构和第二输送机构，其中：所述第一输送机构和所述第二输送机构均包括油缸、增压缸和配流阀；所述配流阀包括第一通道、第二通道和第三通道，所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道的第一端相连，所述第二通道中设有吸入阀，所述第三通道中设有排出阀；所述油缸的活塞杆伸出端设有塞体，所述塞体可移动地设置于所述增压缸内，所述增压缸的出口连接于所述第一通道的第二端；所述发动机用于驱动所述油泵；所述控制阀组连接于所述油泵与所述第一输送机构、所述第二输送机构之间，用于控制所述第一输送机构中油缸和所述第二输送机构中油缸的进回油状态。

进一步地，所述压裂泵系统还包括第三输送机构，所述第三输送机构包括油缸、增压缸和配流阀；所述控制阀组还用于控制所述第三输送机构中油缸的进回油状态。

进一步地，所述第一输送机构中的增压缸处于排出状态时，所述第二输送机构中的增压缸处于吸入状态。

进一步地，所述第一输送机构、所述第二输送机构和所述第三输送机构中，其中一个的增压缸处于排出状态时，剩余两个中的其中一个的增压缸处于吸入状态，剩余两个中的另一个的增压缸处于准备状态。

进一步地，所述发动机为多个，所述油泵为多个，每个发动机用于驱动至少一个油泵。

进一步地，各输送机构的油缸的有杆腔依次连通；所述控制阀组用于控制各油缸的无杆腔的进回油状态。

进一步地，所述塞体包括所述油缸的活塞杆伸出端形成的柱塞以及连接于所述柱塞前端的活塞头，所述活塞头与所述增压缸的内壁密封配合。

进一步地，所述活塞头通过卡式接头与所述柱塞的前端连接。

进一步地，所述塞体包括所述油缸的活塞杆伸出端形成的柱塞，所述增压缸内设有密封套，所述柱塞与所述密封套密封配合。

本发明的第二目的在于提供一种压裂车，以有效降低压裂车的制造成本和生产难度，同时有效提高作业性能、作业效率和可维护性。

具体而言，所述压裂车上设置有上述任一项所述的压裂泵系统。

采用本发明的压裂泵系统时，发动机驱动油泵供应压力油，在控制阀组的控制下，第一输送机构和第二输送机构中的油缸依次作伸缩运动，进而实现对应的增压缸从配流阀的第一通道吸入压裂液或从配流阀的第二通道排出压裂液，从而实现压裂液的连续输送，与现有技术相比，由于油缸和增压缸的行程较大，例如，该行程易于达到1m以上，因而可以有效增大冲程、减少冲次，减少运行时的换向次数、降低速度，这样能够有效提高相关部件（如增压缸、油缸和密封部件等）的使用寿命；另外，由于增压缸的行程较大，压裂液经充分吸入后再排出，提高了吸入效率，从而提高了工作效率；另外，油缸及其活塞杆均为二力杆受力，因而可以有效提高输出压力和流量，且各输送机构可以分别采用不同缸径的油缸以及不同缸径的增压缸相互配合，以实现不同压力下的多种排量要求，这样增大了输出压力、流量的覆盖范围；另外，发动机、油泵和控制阀组的布置方式较为灵活，各输送机构的结构简单，既便于降低成本，也便于拆装维护；另外，油缸工作时为低速直线运动，对润滑和冷却要求较低，因而无需配置结构复杂的润滑系统及对应的冷却系统。

在一种可选的方案中，可以同时采用三个输送机构，以实现压裂液的连续输送；在此基础上，第一输送机构中的增压缸处于排出状态时，第二输送机构中的增压缸处于吸入状态，第三输送机构中的增压缸处于准备状态；这样能够实现压裂液的稳定、连续输送。

在一种可选的方案中，塞体包括油缸的活塞杆伸出端形成的柱塞以及连接于柱塞前端的活塞头，该活塞头与增压缸的内壁密封配合，这样有助于提高增压缸的输出压力；在此基础上，该活塞头通过卡式接头与柱塞的前端连接，这样便于活塞头的拆装和更换。

本发明的压裂车具有上述的压裂泵系统，因而能够有效降低压裂车的制造成本和生产难度，同时能够有效提高作业性能、作业效率和可维护性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中典型的曲轴式柱塞泵的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种压裂泵系统的组成原理示意图；

图3为本发明其他实施例二提供的一种压裂泵系统的组成原理示意图；

图4为本发明其他实施例三提供的一种压裂泵系统的组成原理示意图；

图5为图2和图4中活塞头及其连接方式的结构示意图；

图中主要元件符号说明：

1发动机

2油泵

3控制阀组

4油缸

5增压缸

6配流阀

8液压油箱

41活塞杆

42有杆腔

43柱塞

44活塞头

45卡式接头

51密封套

61第一通道

62第二通道

63第三通道

64排出阀

65吸入阀

具体实施方式

应当指出，本部分中对具体结构的描述及描述顺序仅是对具体实施例的说明，不应视为对本发明的保护范围有任何限制作用。此外，在不冲突的情形下，本部分中的实施例以及实施例中的特征可以相互组合。

请参考图2至图5，下面将结合附图对本发明实施例作详细说明。

结合图2所示，本发明实施例一的压裂泵系统可以包括发动机1、油泵2、控制阀组3、液压油箱8、第一输送机构和第二输送机构。

其中，第一输送机构和第二输送机构均包括油缸4、增压缸5和配流阀6；配流阀6包括第一通道61、第二通道62和第三通道63，第一通道61、第二通道62和第三通道63的第一端相连，第二通道62中设有吸入阀65，所述第三通道63中设有排出阀64；油缸4的活塞杆41伸出端设有塞体，塞体从增压缸5的一端可移动地设置于增压缸5内，增压缸5的出口连接于第一通道61的第二端；发动机1用于驱动油泵2；第一输送机构中油缸4和第二输送机构中油缸4的有杆腔41连通，控制阀组3连接于油泵2与第一输送机构、第二输送机构之间，用于控制第一输送机构中油缸4和第二输送机构中油缸4的无杆腔进回油状态。

在具体实施过程中，发动机1的动力输出端可以与油泵2的动力轴传动连接，发动机1可以直接驱动油泵2，当然也可以采用间接驱动，即在发动机1与油泵2之间的传动连接线路上可以设置分动箱，由分动箱带动油泵2。

另外，在具体实施过程中，油泵2的吸油口接于液压油箱8，油泵2的出油口连接于控制阀组3的进油口，控制阀组3的回油口接于液压油箱8，控制阀组3的两个工作油口分别接于两个油缸4的无杆腔，这样通过改变控制阀组的工作状态，即可控制两个油缸4的进回油状态，例如，控制阀组3可以采用两位四通阀或者具有中位机能的三位四通阀，这样即可控制其中一个油缸4的无杆腔处于进油状态时，另一个的无杆腔处于回油状态。

另外，在具体实施过程中，设于各油缸4的活塞杆41伸出端的塞体可以采用多种形式，只要能够实现塞体在增压缸5中来回伸缩进而使增压缸5出口吸入和排出压裂液即可；在本实施例中，塞体可以包括油缸4的活塞杆41伸出端形成的柱塞43以及连接于柱塞43前端的活塞头44，活塞头44与增压缸5的内壁密封配合。

下面结合具体场景说明上述实施例一的压裂泵系统的原理及技术效果：

在使用过程中，各配流阀6外接于管汇系统（图中未示出），其中，各配流阀6的第二通道62均接于压裂液输入口，第三通道63均接于压裂液输出口；在工作过程中，发动机1启动，带动油泵2运转，控制阀组3可循环往复控制其中一个油缸4的无杆腔进油，另一个油缸4的无杆腔回油，进而使其中一个增压缸5处于排出状态时，另一增压缸5处于吸入状态，这样对应的柱塞43及其活塞头44将在增压缸5中来回移动，从而使对应的增压缸5通过配流阀6的第二通道62、第一通道61将压裂液吸入或者通过配流阀6的第一通道61、第三通道63将压裂液高压输出，从而实现压裂液的高压、连续输出，以满足压裂作业的需要。

具体地，结合图2所示，当第一输送机构中油缸4的无杆腔进油时，活塞杆41带动柱塞43及活塞头44向右移动，给增压缸5加压，排出阀64开启，吸入阀65关闭，增压后的压裂液从第三通道63的第二端排出；与此同时，第一输送机构中油缸4的有杆腔42液压油流入到第二输送机构中油缸4的有杆腔42中，第二输送机构中油缸4的无杆腔处于回油状态，第二输送机构中活塞杆41带动柱塞43及活塞头44向左移动，增压缸5内形成负压，吸入阀65开启，排出阀64关闭，压裂液从第三通道63被吸入；当第一输送机构和第二输送机构中的油缸4各运动到终点需要换向时，通过控制阀组3，使第二输送机构中油缸4的无杆腔进油，第一输送机构中油缸4的无杆腔回油，此时第一输送机构将吸入压裂液，第二输送机构将排出压裂液，如此循环，能够实现连续地吸入和排出。

与现有技术相比，油缸4和增压缸5的行程较大，例如，该行程易于达到1m以上（现有技术中的行程仅为200mm左右），因而可以有效增大冲程、减少冲次，减少运行时的换向次数、降低速度，这样能够有效提高相关部件（如增压缸、油缸和密封部件等）的使用寿命。另外，由于增压缸5的行程较大，压裂液经充分吸入后再排出，提高了吸入效率，从而提高了工作效率。另外，油缸4及其活塞杆41均为二力杆受力，因而可以有效提高输出压力和流量，并且各输送机构的油缸4可以采用不同缸径，相应地，对应的增压缸5也可以采用不同缸径，由此油缸4与增压缸5相互配合能够实现不同压力下的多种排量要求，有效增大了输出压力、流量的覆盖范围；再者，塞体包括柱塞43和活塞头44，柱塞43能够提供良好的导向作用，而活塞头44与增压缸5内壁形成移动式密封，这种布置方式也有助于提高增压缸5的输出压力。另外，发动机1、油泵2和控制阀组的布置方式较为灵活，各输送机构的结构简单，既便于降低成本，也便于拆装维护；另外，油缸4工作时为低速直线运动，对润滑和冷却要求较低，因而无需配置结构复杂的润滑系统及对应的冷却系统。

需要说明的是，在具体实施过程中，上述实施例一的压裂泵系统还可以采用如下至少一种优化方案：

一、吸入阀65和排出阀63均可采用单向阀；

二、结合图5所示，活塞头44通过卡式接头45与柱塞43的前端连接，这样便于活塞头44的拆装和更换；

三、发动机1和油泵2均为多个，每个发动机1驱动至少一个油泵2，这样在满足最大功率的前提下，各个发动机承担的功率能够有效减少，因而，可以选用常见的小功率发动机，这样大大提高了选型范围，相应地，各个油泵2、各油缸4、各增压缸5等液压元件的选型范围也能够得到有效提高，有效降低了实现难度，也便于实现多种匹配方式；另外，采用这种方式后，各发动机1、各油泵2、各油缸4和各增压缸5等易于获得，实施容易，无需受到进口、专用等限制，因而能够有效降低成本；另外，采用这种方式后，若某一个发动机1或油泵2损坏后，整个传动输送系统仍能保证压裂作业继续进行一段时间，因而有效提高了安全冗余度，降低了施工方发生损失的风险。

需要说明的是，上述实施例一中，采用柱塞43和活塞头44组成塞体与增压缸5相配合，但在其他实施例中，增压缸5与塞体配合的方式并不局限于此，还可以采用其他方式，例如，图3所示的实施例二中，塞体包括油缸4的活塞杆41伸出端形成的柱塞43，增压缸5的内壁设有密封套51，该密封套51邻近增压缸5的第一端，该柱塞43与该密封套51密封配合，这种方式也能实现本发明的主要功能。

需要说明的是，上述实施例一中，采用两个输送机构可以实现压裂液的连续输送，但在其他实施例中，为了实现压裂液的稳定、连续输送，减小换向冲击，可以采用三个及三个以上的输送机构，例如，图4所示的实施例三中，还包括第三输送机构，第三输送机构的组成与第一输送机构、第二输送机构相同，相应地，控制阀组3的第三工作油口接于第三输送机构中油缸4的无杆腔，第三输送机构中油缸4的有杆腔与第二输送机构中油缸4的有杆腔连通，这样可以通过改变控制阀组3的状态，使得在第一输送机构中的增压缸5处于排出状态时，第二输送机构中的增压缸5处于吸入状态，第三输送机构中的增压缸5处于准备状态，进一步地，在第二输送机构中的增压缸5处于排出状态时，第三输送机构中的增压缸5处于吸入状态，第一输送机构中的增压缸5处于准备状态，进一步地，在第三输送机构中的增压缸5处于排出状态时，第一输送机构中的增压缸5处于吸入状态，第二输送机构中的增压缸5处于准备状态，按照上述步骤循环往复。需要说明的是，实现这种控制功能的控制阀组3具有多种多样，有关控制阀组3的各种具体实现方式可以参考现有技术中的相关描述，在此不再展开描述。

需要说明的是，上述各种实施例中，为了更好地实现各油缸4依次进行相应动作，各油缸4的有杆腔依次连通，但在其他实施例中，并不受限于此，各油缸4的依次动作（即各油缸4的有杆腔和无杆腔的进回油状态）可以由控制阀组3分别控制实现。

本发明其他实施例还提供了一种压裂车，该压裂车上设置有上述任一种实施例所述的压裂泵系统。由前述压裂泵系统的技术效果可知，该压裂车能够有效降低压裂车的制造成本和生产难度，同时能够有效提高作业性能、作业效率和可维护性。压裂车其他部分的具体实施过程可参见现有技术的相关描述，兹不赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压裂泵系统，其特征在于，所述压裂泵系统包括发动机(1)、油泵(2)、控制阀组(3)、第一输送机构和第二输送机构，其中：所述第一输送机构和所述第二输送机构均包括油缸(4)、增压缸(5)和配流阀(6)；所述配流阀(6)包括第一通道(61)、第二通道(62)和第三通道(63)，所述第一通道(61)、所述第二通道(62)和所述第三通道(63)的第一端相连，所述第二通道(62)中设有吸入阀(65)，所述第三通道(63)中设有排出阀(64)；所述油缸(4)的活塞杆(41)伸出端设有塞体，所述塞体可移动地设置于所述增压缸(5)内，所述增压缸(5)的出口连接于所述第一通道(61)的第二端；所述发动机(1)用于驱动所述油泵(2)；所述控制阀组(3)用于控制所述第一输送机构中油缸(4)和所述第二输送机构中油缸(4)的进回油状态。

2.如权利要求1所述的压裂泵系统，其特征在于，所述压裂泵系统还包括第三输送机构，所述第三输送机构包括油缸(4)、增压缸(5)和配流阀(6)；所述控制阀组(3)还用于控制所述第三输送机构中油缸(4)的进回油状态。

3.如权利要求1所述的压裂泵系统，其特征在于，所述第一输送机构中的增压缸(5)处于排出状态时，所述第二输送机构中的增压缸(5)处于吸入状态。

4.如权利要求2所述的压裂泵系统，其特征在于，所述第一输送机构、所述第二输送机构和所述第三输送机构中，其中一个的增压缸(5)处于排出状态时，剩余两个中的其中一个的增压缸(5)处于吸入状态，剩余两个中的另一个的增压缸(5)处于准备状态。

5.如权利要求1所述的压裂泵系统，其特征在于，所述发动机(1)为多个，所述油泵(2)为多个，每个发动机(1)用于驱动至少一个油泵(2)。

6.如权利要求1至5任一项所述的压裂泵系统，其特征在于，各输送机构的油缸(4)的有杆腔(42)依次连通；所述控制阀组(3)用于控制各油缸(4)的无杆腔的进回油状态。

7.如权利要求1至5任一项所述的压裂泵系统，其特征在于，所述塞体包括所述油缸(4)的活塞杆(41)伸出端形成的柱塞(43)以及连接于所述柱塞(43)前端的活塞头(44)，所述活塞头(44)与所述增压缸(5)的内壁密封配合。

8.如权利要求7所述的压裂泵系统，其特征在于，所述活塞头(44)通过卡式接头(45)与所述柱塞(43)的前端连接。

9.如权利要求1至5任一项所述的压裂泵系统，其特征在于，所述塞体包括所述油缸(4)的活塞杆(41)伸出端形成的柱塞(43)，所述增压缸(5)内设有密封套(51)，所述柱塞(43)与所述密封套(51)密封配合。

10.一种压裂车，其特征在于，所述压裂车上设置有权利要求1至9任一项所述的压裂泵系统。