專利名稱：具有壓力補(bǔ)償活塞的往復(fù)泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總體涉及泵，尤其是往復(fù)泵，例如用于石油和燃?xì)獾幕厥盏哪酀{泵。更具體而言，本公開涉及用于形成與保持活塞與周圍泵缸之間的密封的活塞部件。
背景技術(shù)：
泥漿泵通常被用于在鉆井操作，例如石油和燃?xì)獾幕厥掌陂g輸送鉆井泥漿。由于需要通過幾千英尺的鉆桿來泵送鉆井泥漿，因此，通常在高壓下運(yùn)行此類泵。另外，對(duì)鉆井泥漿而言，必須以高流速?gòu)你@頭冒出來，以便向鉆頭提供潤(rùn)滑和冷卻，并為車輛除去鉆取形成的泥土鉆屑。此外，泥漿泵產(chǎn)生的壓力有助于總井下壓力的增加，總井下壓力對(duì)防止井噴至關(guān)重要且提供用以防止井噴。
考慮到活塞過了有效使用期之后的磨損，常規(guī)泥漿泵通常需要活塞的密封件與周圍汽缸之間的干涉以允許確保兩元件之間的密封，并提供足夠的材料以保持密封。但是，此干涉會(huì)在活塞上形成降低泵送效率的摩擦負(fù)載。此外，由活塞密封件與汽缸之間的往復(fù)接觸引起的摩擦力、在高壓下經(jīng)過泵的鉆井泥漿的磨損性質(zhì)的綜合影響對(duì)密封件特別不利。隨著活塞移動(dòng)，密封件的邊緣經(jīng)受磨損，且可能被損壞。在某些情況下，摩擦力可能足以導(dǎo)致密封件與活塞分離。
因此，用于保持泵活塞與周圍汽缸之間的密封的裝置是合乎需要的，該裝置還使對(duì)活塞部件的磨損以及活塞與汽缸之間的摩擦負(fù)載最小化。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種具有壓力補(bǔ)償活塞的往復(fù)泵。在某些實(shí)施例中，活塞包括具有徑向朝向外表面的環(huán)狀本體以及布置在該環(huán)狀本體的徑向外
部的環(huán)狀密封件。上述密封件具有與本體的徑向朝向外表面相鄰的內(nèi)表面。環(huán)狀本體還包括具有入口的軸向朝向表面以及在該入口與徑向朝向外表面之間延伸的流道。
在某些實(shí)施例中，上述泵包括具有空腔的桿以及布置在該桿周圍的活塞。活塞包括具有徑向朝向外表面的環(huán)狀本體以及布置在該環(huán)狀本體周圍的環(huán)狀密封件。上述密封件具有與徑向外表面相鄰的內(nèi)表面。第一流體通道在桿的端部與空腔之間延伸，而第二流體通道在空腔與徑向外表面之間延伸。彈性壓力傳遞元件布置在空腔內(nèi)并將第一流體通道與第二流體通道分開。
由此，本文所描述的實(shí)施例包括旨在使得能改進(jìn)某些現(xiàn)有泵和泵部件的特征的組合。在參照附圖閱讀以下優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明之后，上述及其它各種特征和特點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的。


為了詳細(xì)說明公開實(shí)施例，下面將介紹附圖，其中圖1是根據(jù)本文描述的原理制成的包括壓力補(bǔ)償活塞的活塞桿組件的剖面圖2是根據(jù)本文描述的原理制成的另一壓力補(bǔ)償活塞桿組件的剖面圖；以及
圖3是根據(jù)本文描述的原理制成的包括壓力補(bǔ)償活塞桿組件的往復(fù)泵的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
以下論述涉及本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。不應(yīng)將所公開的實(shí)施例解釋為或用作限制包括權(quán)利要求的本公開的范圍。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解到，以下描述應(yīng)用廣泛，且任何實(shí)施例的討論只是示例性實(shí)施例，而不是指本公開的范圍(包括權(quán)利要求)僅限于該實(shí)施例。
某些術(shù)語(yǔ)用于以下描述和權(quán)利要求，以此表示特定零件或部件。與本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解的一樣，不同的人可利用不同的名稱來表示相同的零件或部件。此文檔目的不在于在名稱方面，而是在功能或結(jié)構(gòu)方面對(duì)部件或零件進(jìn)行區(qū)分。附圖不一定是按照比例進(jìn)行繪制的。此處的某些零件和部件可以按比例放大或以略圖形式示出，且出于清晰和簡(jiǎn)明目的，可以不示出常用元件的一些細(xì)節(jié)。
在以下論述以及權(quán)利要求中，以開放方式使用術(shù)語(yǔ)"包括
(including)"和"包含(comprising)",由此將其解釋為"包括但不限于"。此外，術(shù)語(yǔ)"聯(lián)接(couple)"意指間接或直接連接。由此，如果第一裝置聯(lián)接至第二裝置，則該連接可能是直接連接或通過其它裝置和連接件的間接連接。此外，術(shù)語(yǔ)"軸向"和"軸向地" 一般是指沿著或者平行于中心軸或縱軸，而術(shù)語(yǔ)"徑向"和"徑向地"一般是指垂直于中心縱軸。
現(xiàn)在參照?qǐng)Dl，活塞桿組件100包括布置在壓力補(bǔ)償活塞110內(nèi)的桿105。保持器115將活塞110聯(lián)接至桿105。在此實(shí)施例中，保持器115包括墊圈120以及旋在桿105的端部130上的螺母125。壓力補(bǔ)償活塞110為環(huán)狀，并包括軸向通孔135和圓形凹陷部132， 二者均構(gòu)造用以容納桿105，如圖所示。桿105包括連接至基底部145的細(xì)長(zhǎng)延伸部140。桿105的延伸部140穿過活塞110的軸向通孔135。桿105的基底部145的直徑大于延伸部140的直徑，且因此而形成肩部150。活塞110的圓形凹陷部132容納桿105的肩部150，以使得活塞110抵靠桿105。
活塞110還包括均為環(huán)狀的前蓋155、后蓋160以及布置在其間的本體165。本體165包括圓形凹陷部163,其容納后蓋160的圓形突起部167。在將后蓋160、前蓋155以及本體165組裝在一起或如圖所示地進(jìn)行構(gòu)造時(shí)，這些部件形成容納桿105的軸向通孔135。前蓋155和后蓋160各自分別包括一個(gè)或多個(gè)通孔170、 175。活塞本體165包括一個(gè)或多個(gè)螺孔180，如圖所示，在將本體165布置于前蓋155與后蓋160之間時(shí)，螺孔180與通孔170、 175對(duì)準(zhǔn)。為將這些部件固定在一起，并由此形成活塞110，分別將螺釘185穿過前蓋155和后蓋160的各個(gè)通孔170、 175并旋入本體165中的對(duì)準(zhǔn)螺孔180內(nèi)。前蓋155、后蓋160以及本體165優(yōu)選為由金屬制成，且在某些實(shí)施例中由不銹鋼制成。
活塞IIO還包括徑向向外布置并鄰近本體165的環(huán)狀密封件190。密封件l卯包括大致圓柱形內(nèi)表面215、大致圓柱形外表面217以及兩個(gè)不規(guī)則端面195、 200。外表面217包括一個(gè)或多個(gè)密封凹槽192。不規(guī)則端面195包括環(huán)狀凹陷部和環(huán)狀延伸唇緣。前蓋155包括內(nèi)部配合表面205，該內(nèi)部配合表面包括被成形為分別容納環(huán)狀凹陷部和環(huán)狀延伸唇緣的環(huán)狀延伸唇緣和環(huán)狀凹陷部，由此使得密封件190的不規(guī)則端面195與前蓋155的內(nèi)部配合表面205互鎖。同樣，不規(guī)則端面200包括環(huán)狀凹陷部和環(huán)狀延伸唇緣。后蓋160包括內(nèi)部配合表面210，該內(nèi)部配合表面包括被成形為分別容納環(huán)狀凹陷部和環(huán)狀延伸唇緣的環(huán)狀延伸唇緣和環(huán)狀凹陷部，由此使得密封件190的不規(guī)則端面200與后蓋160的內(nèi)部配合表面210互鎖。
一旦密封件190圍繞本體165卡在前蓋155與后蓋160之間，如圖所示，則不規(guī)則表面195、 200的形狀及在前蓋和后蓋155、 160上的相應(yīng)配合表面205、 210將密封件l卯保持在適當(dāng)位置，并防止密封件190相對(duì)于活塞110的其它部件平移。但是，不以任何其它方式將密封件190連接至活塞110的相鄰部件。如將作的描述，在沿著密封 件的內(nèi)表面215施加壓力負(fù)載時(shí)，密封件190換作在徑向向外的方向 上自由膨脹，且隨后在壓力負(fù)載消除時(shí)收縮或松弛。為實(shí)現(xiàn)上述膨脹 和收縮，密封件l卯優(yōu)選為由彈性材料制成，例如彈性體，且在某些 實(shí)施例中由聚亞安酯制成。
前蓋155還包括各自周向間隔于活塞桿組件100周圍的一系列軸 向流孔220。本體165還包括一系列徑向流孔227，各流孔227聯(lián)接至 軸向*孔225，且同樣周向間隔于活塞桿組件100的周圍。當(dāng)如圖所示 地組裝活塞110時(shí)，前蓋155的軸向流孔220與本體165的軸向流孔 225對(duì)準(zhǔn)而形成從前蓋155內(nèi)的入口 235延伸至密封件190的內(nèi)表面 215的"L形"流道230。
本體165沿其與桿105相鄰的內(nèi)表面還包括環(huán)狀凹槽240。同樣， 后蓋160沿其與桿105相鄰的內(nèi)表面還包括環(huán)狀凹槽245。凹槽240、 245分別構(gòu)造用以容納環(huán)狀密封件250、 255。在某些實(shí)施例(包括圖1 所示的實(shí)施例)中，密封件250、 255為0形環(huán)。密封件250、 255除 防止流體經(jīng)由入口 235流失，而且還防止其從流孔220、 225流失。
如將作的描述，可將活塞桿組件100安裝在往復(fù)泵內(nèi)并將其用于 加壓流體，例如鉆井泥漿。在泵的運(yùn)行期間，稍后被稱作鉆井流體的 流體進(jìn)入前蓋155的入口 235，并沿著穿過前蓋155的流孔220和本體 165的流孔225、 227的流道230流動(dòng)，直到到達(dá)密封件l卯，其中， 鉆井流體將壓力負(fù)載施加給密封件190的內(nèi)表面215。響應(yīng)于所施加的 壓力負(fù)載，密封件190在徑向向外的方向上膨脹。此外，鉆井流體的 壓力越大，對(duì)密封件190的壓力負(fù)載越大，且密封件l卯徑向向外膨 脹也更多。
相反，當(dāng)鉆井流體經(jīng)由入口 235流出流孔220、 225、 227或者當(dāng) 流孔220、 225、 227內(nèi)包含的鉆井流體的壓力減小時(shí)，施加于密封件190的內(nèi)表面215的壓力負(fù)載也減小。響應(yīng)于壓力負(fù)載減小，密封件 190松馳或收縮。在不存在鉆井流體壓力的情況下，密封件l卯松馳到 其非膨脹構(gòu)造，如圖1所示。
可由包括壓力補(bǔ)償活塞的泵進(jìn)行加壓的某些鉆井流體，如泥漿包 含磨蝕微粒，這些磨蝕微?？赡軗p害活塞的密封件或者不適合活塞， 并導(dǎo)致過度磨損以及活塞與周圍汽缸之間密封的最終消失。在這種情 況下，活塞桿組件內(nèi)包括擋板以防止密封件暴露于磨蝕性的鉆井流體 是合乎需要的。圖2繪出了包fe上述擋板的壓力補(bǔ)償活塞桿組件。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，活塞桿組件300包括布置在壓力補(bǔ)償活塞310內(nèi) 的桿305。保持器315將活塞310聯(lián)接至桿305。在此實(shí)施例中，保持 器315包括墊圈320以及被旋在桿305的端部330上的螺母325。壓力 補(bǔ)償活塞310為環(huán)狀，并包括軸向通孔335和圓形凹陷部332， 二者均. 構(gòu)造用以容納桿305,如圖所示。桿305包括聯(lián)接至第二基底部345的 第一基底部348，第二基底部具有細(xì)長(zhǎng)延伸部340。桿305的延伸部340 穿過活塞310的軸向通孔335。桿305的第二基底部345的直徑大于延 伸部340的直徑，且因此而形成肩部350。活塞310的圓形凹陷部332 容納桿305的肩部350，以使得活塞310抵靠桿305。
活塞310還包括均為環(huán)狀的前蓋355、后蓋360以及布置在其間 的本體365。本體365包括分別容納后蓋360和前蓋355的圓形突起部 367、 369的圓形凹陷部363。在如圖所示地組裝或構(gòu)造前蓋、后蓋360 以及本體365時(shí)，這些部件形成容納桿305的延伸部340的軸向通孔 335。前蓋355、后蓋360以及本體365優(yōu)選為由金屬制成，且在某些 實(shí)施例中由不銹鋼制成。
活塞310還包括徑向向外布置并鄰近本體365的環(huán)狀密封件390。 密封件390包括大致圓柱形內(nèi)表面415、大致圓柱形外表面417以及兩 個(gè)不規(guī)則端面395、 400。外表面417包括一個(gè)或多個(gè)密封凹槽392。不規(guī)則端面395包括環(huán)狀凹陷部和環(huán)狀延伸唇緣。前蓋355包括內(nèi)部 配合表面405，該內(nèi)部配合表面包括被成形為分別容納環(huán)狀凹陷部和環(huán) 狀延伸唇緣的環(huán)狀延伸唇緣和環(huán)狀凹陷部，由此使得密封件390的不 規(guī)則端面395與前蓋355的內(nèi)部配合表面405互鎖。同樣，不規(guī)則端 面400包括環(huán)狀凹陷部和環(huán)狀延伸唇緣。后蓋360包括內(nèi)部配合表面 410，該內(nèi)部配合表面包括被成形為分別容納環(huán)狀凹陷部和環(huán)狀延伸唇 緣的環(huán)狀延伸唇緣和環(huán)狀凹陷部，由此使得密封件3卯的不規(guī)則端面 400與后蓋360的內(nèi)部配合面410互鎖。
一旦密封件390圍繞本體365卡在前蓋355與后蓋360之間，如 圖所示，則不規(guī)則表面395、 400的形狀及在前蓋和后蓋355、 360上 的相應(yīng)配合面405、 410將密封件390保持在適當(dāng)位置，并防止密封件 390相對(duì)于活塞310的其它部件平移。但是，不以任何其它方式將密封 件390連接至活塞310的相鄰部件。如將作的描述，在沿著密封件390 的內(nèi)表面415施加壓力負(fù)載時(shí)，密封件換作在徑向向外的方向上自由 膨脹，且隨后在壓力負(fù)載消除時(shí)收縮或松弛。為實(shí)現(xiàn)上述膨脹和收縮， 密封件390優(yōu)選為由彈性材料制成，例如彈性體，且在某些實(shí)施例中 由聚亞安酯制成。
桿305還包括其內(nèi)的空腔455以及與該空腔聯(lián)接的軸向流孔460。 軸向流孔460從空腔455延伸通過桿305的端部330，終止于入口 435。 如將作的描述，鉆井流體經(jīng)由入口 435進(jìn)入桿305，并經(jīng)由流孔460流 入空腔455。
液壓系統(tǒng)490還聯(lián)接至空腔455，并在與軸向流孔460相反的方 向上開始從空腔455延伸。液壓系統(tǒng)4卯包括軸向流孔465，該軸向流 孔從空腔455延伸通過桿305的第一基底部348，終止于兩個(gè)徑向流孔 505、 510。徑向流孔505在軸向流孔465與桿30的第一基底部348的 外表面472之間延伸，其中，徑向流孔505終止于出氣口 470。液壓系 統(tǒng)490還包括從徑向流孔510延伸通過桿305的第一基底部348、第二基底部345、活塞310的后蓋360以及活塞310的本體365直至本體 365的外表面540的一系列流孔515、 520、 525、 530、 535。液壓流體 通過流孔510、 515、 520、 525、 530、 535被傳送到空腔455以及與密 封件390的內(nèi)表面415相鄰的本體365的外表面540之間。液壓系統(tǒng) 490還包括沿著桿305的第二基底部345的外表面480的入口 485，以 及從入口 485延伸通過桿305的第二基底部345、活塞310的后蓋360 和活塞310的本體365直至本體365的外表面540的一系列流孔545、 550、 555、 560。液壓流體通過流孔545、 550、 555、 560從入口 485 被傳送至與密封件390的內(nèi)表面415相鄰的本體365的外表面540。
為防止空腔455與本體365的外表面540之間的液壓流體的損失， 將密封件518布置在第一基底部348與第二基底部345之間而位于流 孔520周圍、第二基底部345與后蓋360之間而位于流孔520周圍， 以及后蓋360與本體365之間而位于流孔530周圍。同樣，為防止入. 口 485與本體365的外表面540之間的液壓流體的損失，將密封件518 布置在第二基底部345與后蓋360之間而位于流孔545周圍以及后蓋 360和本體365之間而位于流孔555周圍。為防止施加給密封件390的 內(nèi)表面415的液壓流體的損失，或者說使得液體通過徑向流孔535流 回液壓系統(tǒng)490，同樣將密封件518布置在本體365與后蓋360之間、 本體365與前蓋355之間，以及后蓋365與桿305的肩部350之間。 在某些實(shí)施例中，密封件518為位于形成在桿305的第二基底部345 內(nèi)、活塞310的后蓋360內(nèi)以及活塞310的本體365內(nèi)的環(huán)狀凹槽中 的O形環(huán)。
液壓系統(tǒng)490內(nèi)含有不可壓縮流體，例如石油。在組裝活塞桿組 件300的過程中，于入口 485處將液壓流體注入液壓系統(tǒng)490。然后經(jīng) 由出氣口 470排出液壓流體中可能被截流的任何空氣。必要時(shí)，將其 它液壓流體注入液壓系統(tǒng)490，然后排出液壓流體中截流的任何空氣。 重復(fù)此處理，直到液壓系統(tǒng)4卯完全裝滿和包含實(shí)體的液壓流體柱。 然后關(guān)閉入口 485和出氣口 470。當(dāng)必要或需要時(shí)，可經(jīng)由出氣口470從液壓系統(tǒng)490排出液壓流體。壓力傳遞元件525被布置在桿305的 空腔455內(nèi)。壓力傳遞元件525為經(jīng)由入口 435進(jìn)入軸向流孔460的 鉆井流體與包含在液壓系統(tǒng)4卯內(nèi)的不可壓縮流體之間的擋板。由此， 壓力傳遞元件525防止可能包含磨蝕微?；蛘卟贿m合密封件390的鉆 井流體與包含在液壓系統(tǒng)490內(nèi)的流體混合或污染該流體。因此，壓 力傳遞元件525防止密封件390暴露于潛在的磨蝕性或不適宜的鉆井 流體，例如泥漿。
壓力傳遞元件525還將包含于桿305內(nèi)的鉆井流體的壓力傳遞至 包含在液壓系統(tǒng)490內(nèi)的流體，反之亦然，由此以至于壓力傳遞元件 525兩側(cè)上的流體壓力基本平衡。在包括活塞桿組件300的泵的運(yùn)行期 間，高壓鉆井流體經(jīng)由入口 435進(jìn)入桿305的軸向流孔460，并將壓力 施加在壓力傳遞元件525上，該壓力傳遞元件反過來對(duì)包含在液壓系 統(tǒng)490內(nèi)的流體施壓。隨著液壓流體壓力增大，液壓流體以逐漸增大 的作用力推動(dòng)密封件3卯的內(nèi)表面415。作為響應(yīng)，密封件3卯在徑向 向外的方向上逐漸膨脹。相反，隨著鉆井流體壓力減小，此流體施加 在壓力傳遞元件525上的壓力減小，且繼而施加在液壓流體上的壓力 也減小。作為響應(yīng)，由液壓流體施加在密封件3卯的內(nèi)表面415上的 作用力減小，使得密封件390收縮或松馳。
在圖2所示的實(shí)施例中，壓力傳遞元件525為隔膜。隔膜525為 在壓力下坍縮并在所施加的壓力減小或消除時(shí)又膨脹的氯丁二烯橡膠 或其它適當(dāng)材料制成的中空鐘形杯。隔膜525包括大致圓柱形薄壁， 該薄壁具有用以容納液壓系統(tǒng)4卯中的液壓流體的開口端以及靠近軸 向流孔460的封閉端。在開口端，柱形壁形成有凸緣。此凸緣端被壓 于桿305的第一基底部348與第二基底部345之間，從而將隔膜525 保持在空腔455內(nèi)的適當(dāng)位置。選擇在不存在通過液壓流體或鉆井流 體對(duì)隔膜525施加的任何壓力的自然狀態(tài)下測(cè)量的隔膜的尺寸，例如 長(zhǎng)度和/或內(nèi)部容積，由此使得隔膜525完全坍縮時(shí)，由液壓流體施加 在密封件390上的壓力足以在所期望的整個(gè)范圍的鉆井流體壓力下保持活塞310與周圍泵缸之間的密封。
在活塞桿組件300的運(yùn)行期間，鉆井流體進(jìn)入桿305的流孔460, 并將壓力施加在隔膜525上。在施加來自鉆井流體的壓力時(shí)，隔膜525 枬縮，除去包含在其杯形形狀內(nèi)的液壓流體，借此對(duì)包含于液壓系統(tǒng) 490內(nèi)的流體進(jìn)行加壓。液壓流體隨后將壓力施加到密封件390的內(nèi)表 面415上，并對(duì)密封件390施力以在徑向向外的方向上移位。相反， 隨著鉆井流體壓力減小，隔膜525膨脹，并再次將液壓流體容納于其 杯形形狀內(nèi)。作為響應(yīng)，液壓系統(tǒng)4卯內(nèi)流體的壓力減小，密封件3卯 隨之收縮或松馳。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容易地理解到，活塞310的部件可采取其 它形式而執(zhí)行相同的功能。例如，空腔455的位置可沿著桿305的長(zhǎng) 度而改變。此外，桿延伸部可聯(lián)接至桿305的端部330以及布置在桿 延伸部?jī)?nèi)的空腔455。此時(shí)，可更改形成液壓系統(tǒng)490的部件的位置和 尺寸以匹配空腔455的新位置。但是，它們的功能以及壓力補(bǔ)償活塞 310的運(yùn)行原理可與如上所述的相同。此外，可根據(jù)圖2來更改液壓系 統(tǒng)490的總體布局，而同樣可經(jīng)由壓力傳遞元件525將來自鉆井流體 的流體壓力以及液壓流體傳遞至密封件390，反之亦然。包括圖1的組 件100以及圖2的組件300的壓力補(bǔ)償活塞桿組件的實(shí)施例在泵中， 尤其是與鉆井作業(yè)有關(guān)的泥漿泵中得到了應(yīng)用。轉(zhuǎn)向圖3，往復(fù)泥漿泵 10包括泵的流體端20和電源端30。流體端20包括活塞，此實(shí)施例中 為活塞IIO，如圖l所示和所描繪的。流體端20還包含汽缸套24、模 塊26、進(jìn)氣閥27和排氣閥28。電源端30包含曲軸32、連桿34以及 十字頭36。流體端20通過延伸桿42、副桿46以及桿105 (仍然如圖 l所示和所描繪的)聯(lián)接至電源端30。延伸桿42連接至十字頭36，并 通過夾具50聯(lián)接至副桿46和桿105，桿105聯(lián)接至活塞110。盡管延 伸桿42在此實(shí)施例中通過夾具50聯(lián)接至副桿46，但可通過其它同等 裝置來聯(lián)接這些部件，例如但不限于螺紋連接。如前所述，聯(lián)接有活 塞110的桿105形成活塞桿100。將理解的是，作為替代活塞桿組件100，泵10可替代地包括活塞桿組件300，如圖2所示和所描繪的。
將活塞IIO，尤其是密封件190設(shè)計(jì)為在將活塞桿組件100安裝在 泵IO之后，活塞110的密封件l卯(圖1)與周圍汽缸24之間存在徑 向干涉。在某些實(shí)施例中，密封件190與汽缸24在安裝之后的徑向干 涉為0.060英寸。此干涉壓縮密封件190，致使密封件190將作用力施 加給汽缸24。由密封件l卯施加給汽缸24的作用力形成了活塞110與 汽缸24之間的初始密封。
在運(yùn)行期間，泵10經(jīng)由進(jìn)氣閥27將鉆井泥漿吸入模塊26，在此 處鉆井泥漿通過活塞IIO得以加壓。然后在髙壓下經(jīng)由排氣閥28排出 鉆井泥漿。在加壓處理期間，活塞桿組件100暴露于加壓鉆井泥漿。 盡管活塞110的密封件190 (圖1)與汽缸24之間的干涉在活塞桿組 件100暴露于低氣壓鉆井流體時(shí)足以保持這些部件之間的密封，但在 活塞110暴露于更大的鉆井流體壓力時(shí)，希望密封件190與汽缸24之 間的更大接觸力來保持該密封。
為實(shí)現(xiàn)此目的，將壓力補(bǔ)償活塞桿組件IOO構(gòu)造成以逐漸增大的 鉆井流體壓力將逐漸增大的作用力施加到汽缸24上。由此，活塞桿組 件IOO能隨著鉆井流體壓力的增大而保持活塞110汽缸24之間的密封。 如上所述，在泵10的運(yùn)行期間，鉆井流體經(jīng)由入口 235 (圖l)進(jìn)入 活塞IIO，并流過流孔220、 225、 227，直到到達(dá)密封件190的內(nèi)表面 215，其中，鉆井流體將壓力負(fù)載施加給密封件190。響應(yīng)于所施加的 壓力負(fù)載，密封件190在徑向向外的方向上膨脹，并將增加的作用力 施加給汽缸24。由活塞110施加到汽缸24上的增加的作用力使得這些 部件之間的密封得以保持。此外，隨著鉆井流體壓力繼續(xù)增大，由鉆 井流體施加在密封件l卯上的壓力負(fù)載，且繼而由密封件l卯施加在 汽缸24上的壓力負(fù)載也繼續(xù)增大。照這樣，活塞桿組件100補(bǔ)償增大 的鉆井流體壓力，從而保持活塞110與汽缸24之間的密封。相反，當(dāng)鉆井流體壓力減小時(shí)，由鉆井流體施加在密封件190上
的壓力負(fù)載減小。作為響應(yīng)，密封件190收縮或松馳，且由密封件190 施加在汽缸24上的作用力減小，同時(shí)仍然保持這些部件之間的密封。 此外，因密封件190與汽缸24之間的接觸而對(duì)活塞110造成的摩擦負(fù) 荷也減小。
照這樣，壓力補(bǔ)償活塞桿組件100僅將保持活塞110與汽缸24之 間的密封所需要的最小壓力施加給了密封件190，其中，保持密封所需 要的最小壓力取決于鉆井流體壓力。此外，通過調(diào)整由活塞110施加 到汽缸24上的作用力至僅保持密封所需的大小，從而最小化密封件190 與汽缸24之間的接觸產(chǎn)生的摩擦負(fù)載。這提高了泵送效率，且減少對(duì) 密封件190的磨損，進(jìn)而延長(zhǎng)活塞IIO的使用壽命。
相反，許多常規(guī)泥漿泵中的密封件與汽缸之間的摩擦負(fù)載為常數(shù)。 這就是由密封件對(duì)周圍汽缸施加的作用力在泵是經(jīng)受最小還是最大鉆 井流體壓力下也不變的原因。為此，將泵設(shè)計(jì)為在活塞與周圍汽缸之 間提供干涉，以使得在所期望的整個(gè)范圍鉆井流體壓力內(nèi)保持活塞與 汽缸之間的密封。換言之，基于最壞的情況條件選擇干涉。這就意味 著在泵未在上述最壞情況條件下運(yùn)行時(shí)，干涉大于保持密封所需要的 干涉。這形成了密封件與汽缸之間的過大摩擦負(fù)載，對(duì)密封件造成了 不必要的磨損以及降低了泵送效率。
盡管已示出和描述了各種實(shí)施例，在不脫離本文的范圍或教導(dǎo)的 前提下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行修改。本文所描述的實(shí)施例只 是示例性的，而非限制性的。系統(tǒng)和裝置的諸多變更和修改是可能的， 且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，各種部件的相對(duì)尺寸以及各種部件的材 料可不同。因此，保護(hù)范圍不限于本文特定描述的實(shí)施例，而僅由所 附權(quán)利要求限制，其范圍應(yīng)包括權(quán)利要求主題的等同物。
權(quán)利要求
1.一種泵，包括具有軸向通孔的活塞，所述活塞包括環(huán)狀本體，所述環(huán)狀本體具有徑向朝向外表面、軸向朝向表面、位于所述軸向朝向表面內(nèi)的入口、以及在所述入口與所述徑向朝向外表面之間延伸的流道；以及環(huán)狀密封件，該環(huán)狀密封件沿徑向布置在所述環(huán)狀本體的外部，所述密封件具有與所述本體的徑向朝向外表面相鄰的內(nèi)表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中，所述環(huán)狀密封件為彈性構(gòu)件， 該彈性構(gòu)件能夠在壓力負(fù)載施加至所述內(nèi)表面時(shí)沿徑向向外的方向膨 脹，并且能夠在壓力負(fù)載減小時(shí)收縮。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，還包括布置于所述環(huán)狀本體的相對(duì) 端部附近的第一環(huán)形蓋與第二環(huán)形蓋，每個(gè)所述環(huán)形蓋具有構(gòu)造用以 容納所述密封件的端面并與所述端面互鎖的內(nèi)表面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的泵，其中，所述本體以機(jī)械方式聯(lián)接至 所述第一蓋和第二蓋。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的泵，其中，所述本體通過一個(gè)或多個(gè)螺 釘聯(lián)接至所述第一蓋和第二蓋，每個(gè)所述螺釘穿過所述第一蓋和第二 蓋中的一個(gè)內(nèi)的通孔而插入，且旋入所述本體內(nèi)的螺孔中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的泵，還包括位于所述本體與所述第二蓋 之間的環(huán)狀密封件，所述密封件構(gòu)造為用以限制容納在所述本體的所 述流孔內(nèi)的流體的滲漏。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，還包括延伸通過所述活塞的所述軸向通孔的桿。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的泵，還包括構(gòu)造為用以將所述活塞聯(lián)接 至所述桿的保持器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的泵，其中，所述流道包括第一流孔，所 述第一流孔從所述徑向朝向外表面延伸，并與從所述軸向朝向外表面 延伸的第二流孔相交。
10. —種泵，包括桿，該桿具有布置在其內(nèi)的空腔以及端部； 布置在所述桿周圍的活塞，所述活塞包括 具有徑向朝向外表面的環(huán)狀本體；環(huán)狀密封件，該環(huán)狀密封件布置在所述環(huán)狀本體周圍，并具 有與所述徑向朝向外表面相鄰的內(nèi)表面；第一流體通道，該第一流體通道位于所述桿的端部與所述空腔之間；第二流體通道，該第二流體通道位于所述空腔與所述環(huán)狀本體的 徑向朝向外表面之間；以及彈性壓力傳遞元件，該彈性壓力傳遞元件布置在所述空腔內(nèi)，并 分隔所述第一流體通道與所述第二流體通道。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的泵，其中，所述彈性壓力傳遞元件構(gòu) 造為使得所述第二流體通道中流體的壓力與所述第一流體通道中的流 體的壓力相平衡。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的泵，其中，在所述壓力傳遞元件的外 表面上施加壓力負(fù)載時(shí)，所述彈性壓力傳遞元件能夠坍縮，所述壓力 傳遞元件對(duì)所述第二流體通道中的不可壓縮流體加壓，并且所述密封 件膨脹；所述壓力傳遞元件能夠在所述壓力負(fù)載減小時(shí)膨脹，所述壓力傳遞元件減小所述不可壓縮流體的壓力，所述密封件收縮。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的泵，其中，所述不可壓縮流體為石油。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的泵，其中，所述壓力傳遞元件為杯狀隔膜，所述杯狀隔膜能夠坍縮，以排出容納于其內(nèi)的流體，所述杯狀隔膜還能夠膨脹，以在其內(nèi)容納流體。
15. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的泵，其中，通過在所述空腔與所述環(huán)狀本體的徑向朝向外表面之間延伸的一個(gè)或多個(gè)流孔來設(shè)置所述第二流體通道。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的泵，還包括用于接收流體的入口以及用于排出流體的出口，其中，所述入口以及所述出口與所述第二流體通道流體連通。
17. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的泵，還包括布置于所述環(huán)狀本體的相對(duì)兩端附近的第一環(huán)形蓋與第二環(huán)形蓋，每個(gè)所述環(huán)形蓋具有構(gòu)造為用以容納所述密封件的端面并與所述端面互鎖的內(nèi)表面。
18. —種泵，包括活塞筒；布置在所述活塞筒內(nèi)并具有軸向通孔的活塞，所述活塞包括彈性環(huán)狀密封件，該彈性環(huán)狀密封件具有內(nèi)表面以及與所述汽缸相鄰的外表面；以及環(huán)狀本體，該環(huán)狀本體具有與所述環(huán)狀密封件的內(nèi)表面相鄰的徑向朝向外表面；桿，所述桿穿過所述活塞的軸向通孔而插入；以及位于所述環(huán)狀本體中的流體通道，所述流體通道將受壓流體輸送至所述彈性環(huán)狀密封件。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的泵，其中，所述流體通道從所述環(huán)狀本體的軸向朝向表面中的入口延伸至所述徑向朝向外表面。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的泵，其中，所述流體通道包括第一流孔，所述第一流孔從所述徑向朝向外表面延伸，并與從所述軸向朝向外表面延伸的第二流孔相交。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的泵，其中，所述環(huán)狀密封件為彈性構(gòu)件，該彈性構(gòu)件能夠在壓力負(fù)載施加至所述內(nèi)表面時(shí)沿徑向向外的方向膨脹，并且能夠在壓力負(fù)載減小時(shí)收縮。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的泵，還包括布置于所述環(huán)狀本體的相對(duì)兩端附近的第一環(huán)形蓋與第二環(huán)形蓋，每個(gè)所述環(huán)形蓋具有構(gòu)造為用以容納所述環(huán)狀密封件的端面并與所述端面互鎖的內(nèi)表面。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的泵，其中，所述桿包括空腔，且其中所述泵還包括第一流體通道，該第一流體通道位于所述桿的端部與所述空腔之間；第二流體通道，該第二流體通道位于所述空腔與所述環(huán)狀本體的徑向朝向外表面之間；以及彈性壓力傳遞元件，該彈性壓力傳遞元件布置在所述空腔內(nèi)，并分隔所述第一流體通道與第二流體通道。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的泵，其中，在所述壓力傳遞元件的外表面上施加壓力負(fù)載時(shí)，所述彈性壓力傳遞元件能夠坍縮，所述壓力傳遞元件對(duì)所述第二流體通道中的不可壓縮流體加壓，并且所述密封件膨脹；所述壓力傳遞元件能夠在所述壓力負(fù)載減小時(shí)膨脹，所述壓力傳遞元件減小所述不可壓縮流體的壓力，所述密封件收縮。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的泵，其中，所述壓力傳遞元件為杯狀隔膜，所述杯狀隔膜能夠坍縮，以排出容納于其內(nèi)的流體，所訴杯狀隔膜還能夠膨脹，以在其內(nèi)容納流體。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的泵，還包括用于接收不可壓縮流體的入口以及用于排出所述不可壓縮流體的出口，其中，所述入口和所述出口與所述第二流體通道流體連通。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的泵，還包括布置于所述環(huán)狀本體的相對(duì)兩端附近的第一環(huán)形蓋與第二環(huán)形蓋，每個(gè)所述環(huán)形蓋具有構(gòu)造為用以容納所述密封件的端面并與所述端面互鎖的內(nèi)表面。
全文摘要
公開了一種包括壓力補(bǔ)償活塞的往復(fù)泵。在某些實(shí)施例中，所述泵包括活塞，該活塞具有環(huán)狀本體以及布置在所述環(huán)狀本體的徑向外部的環(huán)狀密封件。所述環(huán)狀本體具有與所述密封件的內(nèi)表面相鄰的徑向外表面以及具有入口的軸向表面。流道在所述環(huán)狀本體的所述入口與所述徑向外表面之間延伸。
文檔編號(hào)F04B39/10GK101680441SQ200880013515
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月23日
發(fā)明者安德魯·戴爾·賴?yán)? 賈森·惠利 申請(qǐng)人:國(guó)民油井華高有限公司