[发明专利]泵系统

说明书

技术领域

本申请总体涉及泵系统，该泵系统具有与流体端可操作连通的动力端，更具体地，涉及一种运送压裂流体的泵系统。

背景技术

从低渗透储集岩中经济地产生碳氢化合物是困难的。油和气的生产率通常通过水力压裂而提高，水力压裂为一种提高岩层渗透率的技术，该技术能够打开使碳氢化合物进入回收井的通道。在水力压裂过程中，流体在高压(有时高达50,000PSI)下被泵送进入地层，进入储集岩并且将其破裂或压裂。大量的支撑剂悬浮在流体中被运载进入裂缝中。当压力释放时，裂缝部分地包围支撑剂，为油和气留出流动通道。

专业的泵系统被用于以非常高的速率和压力运送压裂流体来完成水力压裂过程或“压裂作业”。用在油田井服务设备中的容积式泵在恶劣的环境和运行条件中运行，服务和维护。导致这些泵性能减低和使用寿命减少的四个主要问题为：1)由于充注流不足和/或不一致而产生的泵空穴；2)在泵的流体端产生的由金属疲劳导致的破裂和故障，流体端已知的也被称作泵的流体或压力侧。这是由随着泵往复运动来移动处于压力下的流体而产生的每秒发生三次的不间断的高强度增压和泄压而引起的；3)不正确的维护；以及4)不正确的操作。

这些泵系统通常设置有动力端和流体端。动力端引起柱塞在容纳受压流体的流体端内部进行移动。在这些流体端内部具有多个为压裂流体加压的往复式柱塞。吸入阀和排放阀控制流体流向和流出柱塞。

具有太多内部突起的阀能够捕获或者“淘汰”足够多的支撑剂来阻碍流体流动通过泵，需要花费时间和精力来清理堵塞，这是一项高成本的工作。还有，这些突起物能够产生明显的压力损失，这需要消耗更多的对于执行水力压裂工作来说是必须的能量。通常使用的排放阀拥有多个突伸进入阀中心的引导件或“翼”，以将柱塞保持在合适的位置。这些翼已知的捕获悬浮在压裂流体中的支撑剂。当前存在对改进的，没有翼的排放阀的需求。

位于这些阀中的活塞通常按压阀座以选择性地阻止流体流动。柱塞运动产生的压力差通常能够打开和关闭这些阀。为了减少阀座周围的泄漏并且使泵送效率最大化，在吸入阀和排放阀中的活塞通常装配有密封部件。这些密封部件或填充物通常是由弹性材料形成的环。这些环固定到活塞的凹槽中，设置的这些凹槽有助于与阀座的接触。密封部件的典型设计允许它们在安装之后围绕它们的定位凹槽移动，使密封部件在由压裂流体运载的磨蚀性支撑剂和其它材料的环境中过渡磨损。因此，已知的密封部件需要频繁更换。

密封部件设置在泵的流体端的深处，泵被大量重的螺纹紧固件固定在一起。为了接近磨损的密封部件，需要多次频繁地拆卸流体端。尽管制造商提供了结实且坚固的泵，然而本领域中泵的拆卸是特别耗时且难以执行的。因此如果吸入阀和排放阀中的密封部件寿命的增加，将能够为油田经营者节省大量的成本。

柱塞在增压腔中往复运动以产生对于破裂地下储集岩来说是必须的非常高的压力。随着柱塞在增压腔中往复运动，柱塞在高压和低压之间循环并且经受高应力变化。柱塞在增压腔的末端还摩擦密封部件，并且由此被运载在泵送流体中的支撑剂和其它材料所磨损和刮擦。

这些泵通常具有将十字头接合在动力端内部并且驱动柱塞的连接杆。传统的连接管被铸造为单个个体并且由此被加工成其最终尺寸。当这种连接杆的部分被磨坏，杆必须进行更换，并且这是一个整体耗时且昂贵的任务。组合连接杆已经发展成为单件杆的替代物，以通过仅仅更换杆被磨损的部分而使杆的更换时间最小化。然而，组合连接杆还没有获得广泛的接受，因为磨损不仅仅发生在通常发生磨损的点，而且还发生在组合件的连接处。

这些泵具有位于动力端内部、将连接杆连接到曲轴的轴承。这些轴承通常包括包围曲轴并且防止或限制摩擦的青铜套筒。然而，这些套筒的不正确设计可能限制润滑剂流向接触曲轴的表面。如果流动被阻碍，套筒和泵可能受到损坏。损坏可能是由于套筒抓住曲轴使得磨损其壳体以及在由于磨损曲轴的地方发生的磨擦而造成。在每种情况中，受影响的泵必须立即被关停并且对轴承进行维修。这种情况是耗时的，并且对于执行压裂工作的油田经营者来说是代价很高的。

该泵系统具有许多可释放地彼此固定的部件，以使得它们能够容易地维修或更换。泵系统内部的这些部件和支承部件之间的连接削弱了泵系统，限制了其压力等级，并且使其易于腐蚀，泄露并且在高的循环应力下发生的破裂。因此，泵系统有时候在具有负载的情况下过早地发生故障。

为了提高压力等级并且降低故障率，泵制造商已经提出了对流体端进行改进，然而这些设计还没有被广泛使用或者获得商业成功，因为它们制造起来很困难且昂贵并且同样难以在现场使用。因此，泵系统对解决描述的缺点存在着持续的需求。