СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ДИАПАЗОНОМ СИЛЬФОНА НАСОСА, СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
METHOD OF CONTROLLING THE OPERATING RANGE OF THE PUMP BELLOWS, THE CORRESPONDING SYSTEM AND THEIR APPLICATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу управления рабочим диапазоном сильфона насоса, связанной с ним системе и применению, в том числе максимальными ограничениями, такими как положение максимального втягивания и положение максимального растяжения сильфона. Изобретение особенно подходит для использования в системах перекачки больших объемов текучих сред с частицами (суспензия/шлам) при высоких давлениях, таких как давление выше 500 бар и до 1500 бар или даже выше.
Изобретение может являться частью большей насосной системы, содержащей одно или несколько из устройства передачи давления устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и узла регулирования потока (такого, как блок клапанов).
Изобретение пригодно для использования при высоких давлениях, в диапазоне выше 500 бар, и особенно подходит для гидравлического разрыва в нефтегазовых скважинах, где часть текучей среды образуют трудноперекачиваемые текучие среды с частицами, такими как расклинивающие агенты. Однако насосная система может также быть применена в других областях использования, связанных со скважинами, таких для закачки буровых растворов при операциях бурения и при цементировании, закупоривании и ликвидации, заканчивании или интенсификации добычи, кислотной обработке или операциях по циркуляции азота.
Уровень техники
Гидравлический разрыв (также фракционирование, гидроразрыв или гидрофракционирование) представляет собой технику стимулирования скважин, в котором породу разрушают под действием текучей среды под давлением в форме геля, пены, песка или воды. К воде могут быть добавлены химические вещества для увеличения потока текучей среды или улучшения конкретных свойств воды, такую обработанную воду называют реагентом на водной основе для снижения поверхностного натяжения. Этот способ включает в себя впрыск под высоким давлением ''среды гидроразрыва'' (жидкости, содержащей песок или другие расклинивающие агенты и химические вещества) в ствол скважины для образования трещин в пластах глубокого залегания, через которые природный газ, нефть и рассол протекают более свободно. Обычно для перекачивания текучей среды гидроразрыва под высоким давлением используют механические поршневые насосы. Эти механические насосы имеют очень ограниченное время работы из-за механического износа на поверхностях скольжения в насосе, вызванного песком и частицами в перекачиваемой среде. Насосы, работающие с жидкостями, содержащими частицы, и/или химически агрессивными жидкостями под высоким давлением, имеют уплотняющие поверхности, которые повреждаются частицами и/или абразивными жидкими химикатами (соединениями). При повреждении уплотнений возможны утечки и другие накапливающиеся в насосе проблемы, снижающие его эффективность. Кроме того, механические насосы работают с высокими скоростями, что создает быстрые колебания давления во всей установке (с большим числом циклов), что со временем приводит к поломкам из-за усталости конструкций. Следовательно, цикл работы таких насосов очень ограничен и зависит от типа частиц, количества частиц, химического состава и химической концентрации, а также рабочего давления. В ротационных насосах быстро изнашиваются вращающиеся уплотнения (вала) и дорогостоящие элементы насоса, такие как рабочие и турбинные колеса. В поршневых насосах поршень изнашивается об цилиндр, что приводит к утечкам, снижению эффективности и разрушению. Другой хорошо известной проблемой плунжерных насосов является усталостное растрескивание концевых частей, контактирующих с текучей средой. Основной причиной этого являются совокупность напряжений от колебаний давления и механического линейного напряжения от плунжеров. Они также ограничены максимально допустимой нагрузкой на стержень на приводной части, что делает необходимым согласование размера плунжера с требуемой скоростью подачи и давлением.
Обычно используются плунжерные/поршневые насосные агрегаты.
Когда множество насосов соединено с одной и той же линией потока вниз в скважину и находится в рабочем режиме одновременно, существует риск того, что они образуют интерференционные картины, которые соответствуют собственной частоте колебаний линии потока вниз к скважине. Это приводит к зигзагообразным колебательным перемещениям (подобным движениям змеи) линий потока, что может привести к повреждению оборудования и персонала.
В операциях гидравлического разрыва при выключении насосов, когда гидравлическое давление больше не прикладывается к скважине, небольшие зерна расклинивающих агентов гидравлического разрыва удерживают трещины открытыми. Расклинивающие агенты обычно изготавливают из твердого материала, такого как песок. Песок может быть обработанным песком или синтетическими или природными материалами, такими как керамика. При проведении гидравлического разрыва, как правило, так называемый комплекс для работ по гидроразрыву пласта (комплекс ГРП), содержащий некоторое количество грузовиков, транспортируют и располагают в месте работ. Каждый грузовик снабжен насосным агрегатом для закачки в скважину текучей среды гидравлического разрыва. Таким образом, существуют весовые и физические ограничения на используемое оборудование, обусловленные общей грузоподъемностью грузовиков на дороге и физическими ограничениями грузовиков.
К существующему уровню техники, где раскрыта система, в которой чистую гидравлическую текучую среду отделяют от перекачиваемой жидкости, хотя и не пригодная для гидравлического разрыва, относится патентный документ ЕР 2913525, относящийся к диафрагменной насосной машине (''насосу'') с гидравлическим приводом, в частности для воды и трудноперекачиваемых материалов. Система содержит по меньшей мере два насосных агрегата, расположенных рядом друг с другом. Каждый насосный агрегат содержит насосный цилиндр и гидравлический цилиндр. Насосный цилиндр (ссылочные позиции ЕР 2913525, 1, 2), имеет нижний первый конец с первым входом и выходом для перекачиваемой жидкости, и верхний второй конец со вторым входом и выходом для гидравлической текучей среды. Насосный цилиндр (1, 2) содержит сильфон (3, 4), закрытый на его нижнем конце и открытый на его верхнем конце для сообщения с гидравлической текучей средой. Наружная часть сильфона (3, 4) определяет пространство для перекачиваемой жидкости. Сильфон (3, 4) насосного цилиндра (1, 2) выполнен с возможностью приведения в действие гидравлической текучей средой, подаваемой в его верхнем конце, при расширении и сжатии по типу гармошки для накачивания перекачиваемой жидкости вблизи нижнего первого конца насосного цилиндра (1, 2). Гидравлический цилиндр (9, 10) расположен рядом с насосным цилиндром (1, 2). Гидравлический цилиндр (9, 10) имеет нижний первый конец, связанный с гидравлическим приводом, и верхний второй конец, содержащий гидравлическую текучую среду, сообщающуюся с верхним вторым концом насосного цилиндра (1, 2). Гидравлический привод заканчивается на своем верхнем конце приводным поршнем (19, 20), установленным с возможностью скольжения в гидравлическом цилиндре (9, 10). Гидравлические приводы гидравлических цилиндров (9, 10) двух насосных агрегатов соединены гидромеханическим соединением (25, 27), выполненным с возможностью выдвижения и втягивания поршней (19, 20) каждого гидравлического цилиндра (9, 10) Однако решение в патентном документе ЕР 2913525 не применимо для гидравлического разрыва при высоких давлениях (т.е. свыше 500 бар) из-за цилиндрической насосной камеры. Цилиндрическая форма насосной камеры не способна выдерживать испытываемое высокое давление в сочетании с большим количеством циклов при использовании в гидравлическом разрыве. Кроме того, сильфоны являются полимерными, что приводит к риску сжатия частиц между цилиндрической стенкой и сильфоном с возможностью повреждения сильфона. Кроме того, с каждым насосным цилиндром соединен один гидравлический цилиндр. Гидравлический цилиндр не предназначен для повышения давления, поступающего на нижнюю сторону поршня (19, 20), поскольку эффективная площадь на нижней стороне поршня (19, 20) меньше, чем на верхней стороне поршня (19, 20). Кроме того, на полимерных сильфонах отсутствует управление направлением расширения, вследствие чего существует возможность вхождения сильфона в контакт со стенкой цилиндра. Это может привести к разрыву и продавливанию расклинивающих агентов в базовый материал.
Гидромеханические соединения, как правило, имеют некоторые недостатки, включая:
- невозможность синхронизации с множеством блоков,
- невозможность плавного увеличения/уменьшения в зависимости от давления и потока (невозможность обеспечить точное регулирование характеристик насоса),
- невозможность неполного хода,
- невозможность компенсации колебаний давления/потока текучей среды,
- невозможность соединения внахлест и создания ламинарного потока,
- создание перепада давления на управляющем клапане, которое приводит к нагреву масла и потере эффективности в диапазоне 5 - 10%.
Одна из проблем обычных насосов, используемых для фракционирования, в том, что части системы могут разрушаться через несколько часов и должны быть отремонтированы. Таким образом, является нормальным, что комплекс ГРП содержит множество дублирующих насосов для обеспечения резервирования. Это увеличивает как стоимость обслуживания, так и трудозатраты, поскольку один обслуживающий сотрудник может работать только на нескольких грузовиках.
Во всех гидравлических системах присутствует некоторый уровень внутренних утечек гидравлической текучей среды, которые также происходят в гидравлических системах с замкнутым контуром за множество циклов. Эти утечки накапливаются с увеличением количества циклов, добавляясь в замкнутый объем или выходя из него, в результате чего сильфон расширяется или сжимается слишком сильно. Отсутствие контроля за этим может привести к преждевременному выходу сильфона из строя.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение по меньшей мере некоторых недостатков известных решений и, более конкретно, предохранение движущихся частей (поршней, уплотнений) от текучей среды с частицами (т.е. перекачиваемой среды) и предотвращения повреждение частицами движущихся частей.
Более конкретно, задачей настоящего изобретения является обеспечение равномерной и безударной прокачки больших потоков при высоких давлениях, уменьшение износа всех компонентов в контуре потока и в то же самое время обеспечение способности установки легко интегрироваться и адаптироваться к любому требуемому соотношению потока и давления без необходимости механических переделок или изменений. Кроме того, способность настоящего изобретения синхронизироваться с множеством агрегатов минимизирует риск возможных рыскающих колебаний. Более конкретно, одной из задач изобретения является создание системы для гидравлического разрыва, которая может работать при высоких давлениях с большим объемным потоком.
Другой задачей является создание системы, в которой перекачиваемая жидкость отделена от настолько многих движущихся частей, насколько это возможно.
Более конкретно, задачей является минимизация риска повреждения сильфона.
Другая задача заключается в создании насосной системы, которая имеет уменьшенный вес, например, насосная система должна быть выполнена с возможностью размещения и транспортировки на стандартных грузовиках или прицепах, образующих часть так называемых комплексов ГРП, используемых при гидроразрыве пласта.
Другой задачей является создание системы, не требующей внешней направляющей системы для сильфона.
Другая задача состоит в том, чтобы обеспечить полностью бесступенчатое регулирование скорости/амплитуды сильфона для того, чтобы избежать пиков давления, пиков расхода и флуктуаций.
Другой задачей является создание насосной системы для всех конфигураций давления и расхода, обычно используемых при гидроразрыве или в других отраслях, использующих перекачку под высоким давлением, без необходимости механической переделки.
Другой задачей изобретения является создание усовершенствованной системы управления и синхронизации множества агрегатов для устранения проблем, связанных с обычными системами.
Другой задачей является создание решения, которое может быть использовано в новых установках и подсоединено к существующим установкам, например при модернизации существующих систем.
Раскрытие сущности изобретения
Указанные задачи решены изобретением, как оно сформулировано в независимых пунктах формулы, в то время как детально раскрытые варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Настоящее изобретение предлагает решение указанных задач посредством гарантирования того, что количество текучей среды в замкнутом объеме гидравлического контура всегда находится в заданных диапазонах, то есть, что нет ни избытка гидравлической текучей среды, связанного с риском нежелательного растяжения сильфона, ни недостатка текучей среды, связанного с риском избыточного сжатия сильфона. Таким образом, настоящее изобретение может представлять собой способ управления рабочим диапазоном сильфона насоса в системе для гидроразрыва и систему гидроразрыва.
Таким образом, входные данные системы управления важны для увеличения срока службы компонентов системы и в особенности движущихся компонентов. Например, если имеется утечка гидравлической текучей среды из замкнутой системы гидравлического контура, существует риск повреждения сильфона при его слишком сильном втягивании/сжатии.
Управляя движением по настоящему изобретению, осуществляется непрерывное отслеживание сигнала (сигналов) положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и/или сильфона. При необходимости регулирования используется протокол системы маслообеспечения (части общей системы управления) с клапаном для корректирования положений или замены масла. Например, если система содержит устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и напорную полость для создания давления первой текучей среды (например, текучей среды гидроразрыва) посредством второй текучей среды (например, текучей среды гидравлического насоса) с использованием сильфона для разделения первой и второй текучих сред, сильфон не должен быть ни полностью сжат, ни максимально растянут или выдвинут. Если сильфон неоднократно растягивают и сжимают до максимальных пределов, существенно увеличивается износ, то есть усталость конструкций, в результате чего уменьшается срок службы.
Настоящее изобретение относится к способу управления рабочим диапазоном сильфона насоса, в том числе максимальными ограничениями, такими как положение максимального втягивания и положение максимального растяжения сильфона, причем способ содержит следующие шаги:
a) считывание по меньшей мере первого положения сильфона в замкнутом объеме гидравлического контура с помощью по меньшей мере одного датчика положения,
b) передача первого сигнала положения, указывающего первое положение, системе управления,
c) причем система управления, на основе по меньшей мере первого сигнала положения:
c1) определяет положение сильфона, указываемое по меньшей мере первым сигналом положения,
c2) сравнивает положение сильфона с заданным рабочим диапазоном положений сильфона, и
c3) если положение находится вне заданного рабочего диапазона положений сильфона, выдает команду клапану системы маслообеспечения, позволяя устройству разделения жидкостей с повышением давления двойного действия перекалибровать объем гидравлической текучей среды в замкнутом объеме гидравлического контура для восстановления объема гидравлической текучей среды, который обеспечивает возвращение по меньшей мере первого положения в заданный рабочий диапазон положений сильфона.
Заданный рабочий диапазон положений сильфона может быть предварительно заданным интервалом положений сильфона, причем положения сильфона непрерывно считывает или отслеживает система управления, и соответственно система управления непрерывно отслеживает первое положение сильфона и сравнивает с заданным рабочим диапазоном положений.
Заданный рабочий диапазон положений сильфона может быть определен конкретными физическими конечными положениями сильфонов как для сжатия, так и для растяжения сильфона. Альтернативно вместо физических конечных положений конечные положения могут представлять собой программно-управляемые положения, указывающие конечные положения. Тогда системе управления, может быть передан сигнал, указывающий на то, что сильфон достигает конечного положения (положений). Физические или программно-управляемые положения, указывающие на конечные положения, могут представлять собой неотъемлемую часть сильфона, например, как часть направляющей системы или датчика положения сильфона, или быть отдельными от сильфона. Тогда система управления может принять решение, достиг ли сильфон своего конечного положения. Если сильфон не достиг конечного положения, система управления может принять решение о том, что (ожидаемый) сигнал не считывается, и подать команду на клапан системы маслообеспечения для слива или добавления гидравлической текучей среды в замкнутый объем гидравлического контура.
Ясно, что во всех гидравлических системах присутствует некоторый уровень внутренней утечки гидравлической текучей среды, однако в настоящем описании и формуле изобретения термин гидравлическая система с замкнутым контуром используется для такой ''закрытой'' системы для указания на отличие от систем, которые не определены конечным объемом.
Заданный рабочий диапазон положений сильфона может изменяться в зависимости от размера и/или количества частиц в прокачиваемой текучей среде (например, текучей среде гидроразрыва).
Заданные диапазоны зависят от рабочего давления, то есть от сжимаемости гидравлической текучей среды.
В одном из аспектов упомянутый способ может быть способом управления рабочим диапазоном сильфона насоса в системе для гидроразрыва.
В одном из аспектов первый сигнал положения по меньшей мере от одного датчика положения указывает положение сильфона, установленного с возможностью перемещения в напорной полости.
В одном из аспектов второй сигнал по меньшей мере от одного датчика положения указывает положение плунжера в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия.
Если система оснащена по меньшей мере двумя датчиками положения, и, возможно, дополнительными датчиками, обеспечивается резервирование. При использовании более одного датчика гарантируется резервирование для системы управления при неисправности одного из датчиков.
В одном из аспектов, система управления сравнивает по меньшей мере первый сигнал положения и второй сигнал и определяет разность положений сильфона и плунжера и
- сравнивает разность положений с заданным диапазоном разностей положений, и
- если разность положений находится вне заданного диапазона разностей положений, выдает команду клапану системы маслообеспечения, позволяя устройству разделения жидкостей с повышением давления двойного действия перекалибровать объем гидравлической текучей среды в замкнутом объеме гидравлического контура для восстановления объема гидравлической текучей среды, который обеспечивает возвращение разности положений в заданный диапазон разностей положений.
Заданный диапазон разностей положений зависит и изменяется в зависимости от значений давления. Это обусловлено сжимаемостью гидравлической жидкости/текучей среды при различных давлениях. Кроме того, в этом аспекте система управления отслеживает два различных заданных диапазона, то есть заданный диапазон разности положений и заданный рабочий диапазон положений сильфона, и система управления определяет, находятся ли первое положение и разность положений в пределах заданных диапазонов.
Если положение сильфона приближается к заданному максимальному отклонению относительно положения плунжера, система управления может посылать сигнал клапану системы маслообеспечения для закрытия второго канала клапана и открытия третьего канала клапана по отношению к резервуару масла. После закрытия клапана (то есть второго канала клапана) системы маслообеспечения устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия регулирует поршень в соответствии с предыдущим положением сильфона. После регулировки клапан системы маслообеспечения открывает первый канал клапана и второй канал клапана и продолжает свой рабочий цикл.
В одном из аспектов, если положение находится ниже заданного рабочего диапазона положений сильфона или диапазона разностей положений, система управления выдает команду клапану системы маслообеспечения, позволяя устройству разделения жидкостей с повышением давления двойного действия осуществить перекалибровку для пополнения гидравлической текучей среды в замкнутом объеме гидравлического контура, и если вычисленный объем гидравлической текучей среды находится выше заданного рабочего диапазона положений сильфона, система управления выдает команду клапану системы маслообеспечения, позволяя устройству разделения жидкостей с повышением давления двойного действия осуществить перекалибровку для слива гидравлической текучей среды из замкнутого объема гидравлического контура.
В одном из аспектов упомянутое по меньшей мере первое положение указывает объем в замкнутом объеме гидравлического контура, причем система управления, перед шагом c1), вычисляет объем гидравлической текучей среды в замкнутом объеме гидравлического контура для обеспечения точности положения сильфона перед продолжением на шаге c1).
В одном из аспектов способ может дополнительно содержать: d) перед шагом c), считывание первой температуры с одного или нескольких датчиков температуры, расположенных в замкнутом объеме гидравлического контура в различных местоположениях,
e) передачу первого сигнала температуры, указывающего первую температуру, системе управления,
f) причем система управления, на основе первого сигнала температуры,
- определяет температуру в замкнутом объеме гидравлического контура,
- сравнивает температуру с заданным рабочим диапазоном температур, и
- в зависимости от того, находится ли положение, разность положений или температура внутри, выше или ниже заданного рабочего диапазона положений сильфона, заданного диапазона разностей положений или заданного рабочего диапазона температур, соответственно, управляет клапаном системы маслообеспечения, позволяя устройству разделения жидкостей с повышением давления двойного действия осуществить перекалибровку посредством:
- бездействия, добавления гидравлической текучей среды в замкнутую систему гидравлического контура, или слива гидравлической текучей среды из нее.
В одном из аспектов сильфон может иметь центральную ось, и сильфон может растягиваться или втягиваться, по существу, в продольном направлении вдоль центральной оси, причем одним из датчиков положения является датчик положения сильфона, считывающий осевое растяжение сильфона.
В одном из аспектов клапан системы маслообеспечения может быть расположен между устройством разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и устройством передачи давления и содержит клапанный механизм, причем клапанный механизм, на основе входных данных от системы управления, приводят в действие для:
- открытия для соединения по текучей среде устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и внутреннего объема сильфона,
- открытия для соединения по текучей среде резервуара текучей среды и замкнутого объема гидравлического контура для добавления гидравлической текучей среды в замкнутый объем гидравлического контура,
- открытия для соединения по текучей среде резервуара текучей среды и замкнутого объема гидравлического контура для слива гидравлической текучей среды из замкнутого объема гидравлического контура.
Кроме того, изобретение относится к системе, содержащей систему управления с возможностью осуществления связи с системой маслообеспечения, причем система содержит:
- устройство передачи давления, содержащее:
- корпус напорной камеры, причем корпус напорной камеры содержит:
- напорную полость и сильфон, установленный с возможностью перемещения в напорной полости,
- по меньшей мере один датчик положения, выполненный с возможностью считывания положения сильфона и передачи первого сигнала положения, указывающего первое положение, системе управления, и
причем система управления выполнена с возможностью, на основе по меньшей мере первого сигнала положения:
- определения положения сильфона, указываемого по меньшей мере первым сигналом положения,
- сравнения положения сильфона с заданным рабочим диапазоном положений сильфона, и
- в случае если положение находится вне заданного рабочего диапазона положений сильфона, приведения в действие клапана системы маслообеспечения, позволяя устройству разделения жидкостей с повышением давления двойного действия перекалибровать объем гидравлической текучей среды в замкнутом объеме гидравлического контура для восстановления объема гидравлической текучей среды, который обеспечивает возвращение по меньшей мере первого положения в заданный рабочий диапазон положений сильфона.
В одном из аспектов системы первый сигнал положения по меньшей мере от одного датчика положения может указывать положение сильфона.
В одном из аспектов системы второй сигнал по меньшей мере от одного датчика положения может указывать положение плунжера в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия.
В одном из аспектов системы система управления выполнена с возможностью:
- сравнения по меньшей мере первого сигнала положения и второго сигнала и определения разности положений сильфона и плунжера и
- сравнения разности положений с заданным диапазоном разностей положений, и
- если разность положений находится вне заданного диапазона разностей положений, выдачи команды клапану системы маслообеспечения, позволяя устройству разделения жидкостей с повышением давления двойного действия перекалибровать объем гидравлической текучей среды в замкнутом объеме гидравлического контура для восстановления объема гидравлической текучей среды, который обеспечивает возвращение разности положений в заданный диапазон разностей положений.
В одном из аспектов система может дополнительно содержать один или несколько датчиков температуры, выполненных с возможностью считывания температуры в замкнутой системе гидравлического контура и передачи сигналов системе управления, причем система управления выполнена с возможностью:
- в зависимости от того, находится ли положение, разность положений или температура внутри, выше или ниже заданного рабочего диапазона положений сильфона, заданного диапазона разностей положений или заданного рабочего диапазона температур, соответственно, управления клапаном системы маслообеспечения, позволяя устройству разделения жидкостей с повышением давления двойного действия осуществить перекалибровку посредством:
- бездействия, добавления гидравлической текучей среды в замкнутую систему гидравлического контура, или слива гидравлической текучей среды из нее.
Настоящее изобретение дополнительно относится к компьютерной программе, содержащей вычислительные инструкции, которые при исполнении вычислительным устройством приводят к тому, что вычислительное устройство действует как описано далее в соответствии с раскрытым выше способом.
Настоящее изобретение дополнительно относится к применению раскрытой выше системы при следующих операциях: добыча или производство углеводородов, операции по гидравлическому разрыву, тампонаж и закрытие, бурение скважин, заканчивание или стимуляция, цементирование, кислотная обработка, циркуляция азота.
Настоящее изобретение дополнительно относится к применению раскрытых выше способа или системы для управляемого ускорения или замедления, соответственно, сильфона насоса в точке изменения направления движения плунжера в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. Это способствует демпфированию ударных воздействий в обратных клапанах и снижению вибраций в системе, поскольку система управления способна отслеживать положение устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия с помощью датчика положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и, при приближении к конечному положению, скорость выпуска агрегата уменьшают для того, чтобы амортизировать/демпфировать скорость клапанного элемента перед входом в седло клапана.
Диапазон хода, то есть рабочий диапазон, определяемый максимальными ограничениями, такими как положение максимального втягивания или сжатия и положение максимального растяжения барьера, где растяжение в 0% указывает полностью сжатое или втянутое положение (то есть первое концевое положение), а 100% соответствует положению максимального растяжения (то есть второму концевому положению) барьера, предпочтительно находится в пределах: от 10% до 90%, более предпочтительно от 20% до 80%, и еще более предпочтительно от 30% до 70%. Эти примеры диапазонов гарантируют существенное увеличение срока службы барьера.
3
3
Настоящее изобретение обеспечивает существенные усовершенствования по сравнению с известными решениями. Насосная система и ее соответствующие компоненты обеспечивают возможность перекачивания при давлении до 1500 бар и выше при высоком объемном расходе. Например, конструкция обеспечивает возможность прокачки 1 м/мин при давлении 1000 бар или 2 м/мин при давлении 500 бар, а также любые другие промежуточные соотношения потока и давления. Настоящее изобретение обеспечивает гибкость в отношении требуемых расхода и давления насоса, например, пониженный расход при высоких давлениях и более высокий расход при пониженном давлении по существу с ламинарным потоком во всех вариантах осуществления.
Насосная система, которая может быть использована в способе и системе согласно настоящему изобретению, может содержать одно или несколько из устройства передачи давления, устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и узла регулирования потока (такого, как блок клапанов). Гидравлический насосный агрегат, как правило, создает давление в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, причем устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия создает давление в устройстве передачи давления. Сильфон в устройстве передачи давления функционирует как ''поршень'' между стороной гидравлического давления, то есть устройством разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и гидравлическим насосным агрегатом на одной стороне, и перекачиваемой средой на другой стороне. Сильфон функционирует как продолжение поршня в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. Сильфон в устройстве передачи давления отделяет чистую гидравлическую текучую среду (внутри сильфона) от грязной текучей среды с частицами (снаружи сильфона).
Во всех аспектах изобретения подразумевается, что сильфон является непроницаемым барьером для текучей среды, отделяющим внутренний объем сильфона и объем между наружной стороной сильфона и внутренней частью напорной полости. То есть наружный диаметр сильфона фиксирован, тогда как аксиально он является гибким, обеспечивая кольцевой зазор (размер зазора, например, по меньшей мере соответствует диаметру частиц в текучей среде для гидроразрыва) между внутренней поверхностью корпуса напорной камеры и сильфоном во всех положениях сильфона и при всех давлениях.
Сильфон предпочтительно жестко соединен в верхней части напорной полости, и сильфон окружен напорной полостью во всех направлениях, то есть ниже, радиально и, возможно, частично на своей верхней стороне в части, не образующей часть соединительного канала для гидравлической текучей среды, входящей и выходящей из внутреннего объема сильфона. Общий объем напорной полости является постоянным, в то время как внутренний объем сильфона изменяется. По мере того, как сильфон растягивается и втягивается внутри полости сжатия, доступный оставшийся объем напорной полости изменяется. Объем гидравлической текучей среды входит внутрь сильфона и вытесняет объем перекачиваемой текучей среды из напорной полости.
Насосная система может быть насосом прямого вытеснения, в котором изменения объема в устройстве передачи давления достигаются с использованием герметичного сильфона, который является жестким в радиальном направлении и гибким в осевом направлении. Такая компоновка приводит к тому, что сильфон перемещается по существу в осевом направлении, в то время как перемещения в радиальном направлении невозможны или ограничены. Когда сильфон находится в первом положении, то есть в сжатом состоянии, свободный объем в напорной полости является наибольшим, а когда сильфон находится во втором положении, то есть в растянутом состоянии, свободный объем в напорной полости является наименьшим. Соотношение размеров внутренней поверхности напорной полости и наружной поверхности сильфона выполнено таким образом, что во всех положениях сильфона образуется зазор между внутренней поверхностью напорной полости и внешней поверхностью сильфона, предотвращающий прилипание частиц между внутренней поверхностью напорной полости и сильфоном. Таким образом, текучие среды гидроразрыва окружают сильфон, и зазор сформирован таким образом, что его минимальный размер больше, чем наибольший размер частиц расклинивающих агентов. Радиальная жесткость сильфона гарантирует, что сильфон не входит в контакт с внутренней поверхностью корпуса напорной камеры. Гидравлическая текучая среда, поступающая во внутренний объем сильфона через соединительный канал, оказывает давление на барьер, и благодаря жестким свойствам сильфона и/или возможной внутренней направляющей все движение сильфона происходит в осевом направлении. Давление перекачиваемой жидкости, например, текучей среды гидроразрыва, повышается за счет заполнения внутреннего объема сильфона гидравлической текучей средой, которое увеличивает вытесненный объем сильфона, что приводит к уменьшению свободного объема напорной полости снаружи сильфона и повышению давления перекачиваемой жидкости. Затем перекачиваемая жидкость выходит через первый канал и далее наружу через узел регулирования потока, такой как блок клапанов.
Устройство передачи давления не имеет скользящих поверхностей, находящихся в контакте с перекачиваемой жидкостью. Таким образом, срок службы деталей увеличивается, поскольку отсутствуют уязвимые детали, находящиеся в скользящем контакте с какой-либо абразивной перекачиваемой жидкостью. Устройство передачи давления является уравновешенным по давлению таким образом, что управляющее гидравлическое давление является таким же, как давление в перекачиваемой жидкости, т.е. текучей среде гидроразрыва, и, по существу, сильфону не приходится выдерживать разность давлений между внутренним управляющим гидравлическим давлением и давлением в перекачиваемой жидкости.
Устройство передачи давления может работать под давлением, подаваемым из устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, при этом давление в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия обеспечивает гидравлический насосный агрегат. Устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия может представлять собой устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. Первая и/или вторая плунжерная камера в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия является частью по меньшей мере одного объема замкнутого гидравлического контура с внутренним объемом сильфона и способно подавать и отводить большой объем гидравлических текучих сред под высоким давлением во внутренний объем сильфона.
Сильфон может быть возвращен в первое положение, то есть в сжатое состояние, с помощью давления подачи перекачиваемой жидкости. Перекачиваемая жидкость, то есть давление подачи от нагнетающего жидкость насоса подачи, обеспечивает давление, благодаря которому сильфон сжимается, переходя к первому положению. В этой фазе сжатия давление перекачиваемой жидкости равно давлению гидравлической текучей среды во внутреннем объеме сильфона, а результатом создания разности давлений в объеме устройством разделения жидкостей с повышением давления двойного действия будет отведение. При отведении назад устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия создается дифференциальный объем, который, посредством сжатия сильфона, компенсирует объем перекачиваемой текучей среды, подаваемой и находящейся под давлением под действием подающего насоса (смесителя) (то есть подающий насос подает текучую среду гидроразрыва в напорную полость). В состоянии растяжения, т.е. когда сильфон начинает растягиваться под действием текучей среды под давлением, заполняющей внутренний объем, давление гидравлической текучей среды равно давлению перекачиваемой жидкости (то есть давлению подачи во впускном коллекторе и/или в резервуаре перекачиваемой жидкости). Когда давление в напорной полости превышает давление подачи, первый клапан закрывается, а когда давление превышает давление в выпускном коллекторе, открывается второй клапан, и текучая среда течет в скважину. Эти сжатие и растягивание сильфона происходят в устройстве передачи давления последовательно.
Изобретение может использоваться с насосом для перекачки текучей среды с частицами при давлении выше 500 бар, содержащему корпус напорной камеры и по меньшей мере один соединительный канал, причем по меньшей мере один соединительный канал выполнен с возможностью соединения с помощью средств соединения по текучей среде с устройством разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, причем корпус напорной камеры содержит:
- напорную полость внутри корпуса напорной камеры и по меньшей мере первый канал для впуска и/или выпуска текучей среды в напорную полость,
- сильфон, определяющий внутренний объем внутри напорной полости, причем внутренний объем сообщается по текучей среде с соединительным каналом,
причем напорная полость имеет центральную ось с осевой длиной, определяемой расстоянием между соединительным каналом и первым каналом, и изменяющуюся площадь поперечного сечения по меньшей мере на части осевой длины, причем сильфон выполнен с возможностью перемещения в направлении, по существу параллельном центральной оси, на части осевой длины напорной полости. Сильфон предпочтительно является радиально жестким и гибким в осевом направлении и выполнен с возможностью растяжения и втягивания по меньшей мере на часть длины напорной полости.
Таким образом, напорная полость имеет различное поперечное сечение, например, по меньшей мере два различных поперечных сечения в продольном направлении. Предпочтительно, чтобы переходные зоны между различными поперечными сечениями были гладкими или плавными (без острых кромок). Такие гладкие или плавные переходные зоны предотвращают седиментацию и позволяют работать при более высоком давлении без слабых мест в напорной полости. То есть силы, прикладываемые к напорной полости, возникают в результате внутреннего давления. Геометрия оптимизирована для того, чтобы сделать эти силы как можно более однородными.
Таким образом, соединительный канал адаптирован для всасывания гидравлической текучей среды и/или вывода гидравлической текучей среды под давлением в напорную полость и из нее.
Первый канал адаптирован для впуска/выпуска перекачиваемой жидкости в напорную камеру и из нее.
В соответствии с одним аспектом, сильфон может быть соединен с внутренней поверхностью напорной полости. Предпочтительно сильфон присоединен в верхней части напорной полости с помощью средств, обеспечивающих герметичное соединение между сильфоном и внутренней поверхностью напорной полости. Таким образом предотвращается протекание текучих сред из внутреннего объема сильфона в напорную полость.
Сильфон имеет форму, адаптированную к форме напорной полости, так что во всех рабочих положениях сильфона предотвращается его контакт с внутренней поверхностью корпуса напорной камеры. Это означает, что максимальное растяжение сильфона в осевом и радиальном направлениях во всех рабочих положениях меньше, чем сужения, образованные внутренней поверхностью корпуса напорной камеры.
В одном аспекте напорная полость сужается по направлению к первому каналу, образуя, таким образом, естественную воронку, через которую отложения/расклинивающие агенты/песок могут выходить вместе с текучей средой. Следовательно, первый канал корпуса напорной камеры предпочтительно имеет такую форму, чтобы предотвратить образование осадка (расклинивающего агента/песка и т.д.) путем наклона напорной полости к первому каналу. Таким образом, первый канал может быть предпочтительно расположен в нижней части напорной полости, так что отложения могут выходить через первый канал под действием силы тяжести.
В одном аспекте напорная полость может быть удлиненной, яйцевидной, эллиптической, круглой, сферической, шарообразной или овальной или иметь две параллельные стороны и по меньшей мере часть поперечного сечения, меньшего по сравнению с поперечным сечением в параллельной части.
В другом аспекте, напорная полость может быть круглой формы. В еще одном аспекте напорная полость может иметь множество вздутий (например, как надувной человечек Мишлен).
В одном из аспектов сильфон имеет меньшее радиальное и осевое растяжение, чем внутренняя поверхность корпуса напорной камеры (определяющей радиальное и осевое растяжение напорной полости), что обеспечивает образование зазора между внешней окружностью сильфона и внутренней окружностью, то есть внутренней поверхностью, корпуса напорной камеры во всех рабочих положениях сильфона. Таким образом, во время работы устройства передачи давления текучая среда окружает по меньшей мере две стороны сильфона при всех давлениях.
В соответствии с одним аспектом, сильфон может иметь цилиндрическую форму, форму гармошки, или форму концертины. Конструкция сильфонного цилиндра обеспечивает минимальные нагрузки на сильфон, поскольку вся его поверхность постоянно находится в гидравлически уравновешенном состоянии. Таким образом, сильфон может иметь боковую стенку как у гармошки, обеспечивающую осевую гибкость, и герметичную торцевую крышку, соединенную с боковой стенкой сильфона. Таким образом, боковая стенка как у гармошки может содержать множество круговых складок или изгибов, расположенных по соседству. Соседние складки или изгибы могут быть, например, сварены друг с другом или соединены друг с другом с помощью других подходящих средств крепления, таких как клей, механические соединения. Соседние складки или изгибы могут быть образованы таким образом, чтобы воспрепятствовать захвату частиц текучей среды гидроразрыва между соседними складками или изгибами в сильфоне во время втягивания и растяжения сильфона. Это может быть достигнуто путем задания такого рабочего диапазона сильфона, т.е. предварительного определения максимального растяжения и втягивания сильфона, чтобы зазоры между соседними складками или между складками и внутренней поверхностью напорной полости всегда были больше, чем наибольший ожидаемый размер частиц. Таким образом минимизируется риск задержания частиц.
Сильфон предпочтительно изготовлен из достаточно жесткого материала: металла, композита, твердой пластмассы, керамики или их комбинаций, и тому подобных, обеспечивающих герметичность сильфона, а также радиальную жесткость и гибкость в аксиальном направлении. Сильфон предпочтительно перемещается по существу в осевом направлении, в то время как перемещения в радиальном направлении невозможны или ограничены. Материал сильфона выбирают таким образом, чтобы он выдерживал большие изменения давления и химические вещества в перекачиваемой жидкости, тем самым сводя к минимуму усталость конструкций и риск повреждений. Если сильфон изготовлен из металла, его можно использовать при более высоких температурах, чем сильфоны, изготовленные из более чувствительных к температуре материалов (т.е. материалов, которые не могут работать при более высоких температурах).
Ясно, что другие детали, образующие часть всей системы, также могут быть изготовлены из соответствующих материалов, зависящих от требований конкретных проектов, таких как металл (чугун, сталь, специальная сталь или примеры выше). Однако могут быть использованы и другие материалы, такие как композит, твердый пластик, керамика или, альтернативно, комбинации металлов, композита, твердой пластмассы, керамики.
В одном аспекте сильфон может содержать направляющую систему, совпадающую с центральной осью напорной полости или параллельную ей, причем сильфон растягивается и втягивается в осевом и продольном направлении вдоль центральной оси.
В одном аспекте направляющая система может содержать направляющую.
Устройство передачи давления может дополнительно содержать датчик положения сильфона, отслеживающий положение сильфона, и/или датчик температуры, отслеживающий температуру управляющей текучей среды в замкнутом объеме гидравлического контура. Кроме того, могут быть использованы датчики давления.
Сильфон может содержать направляющую систему, содержащую направляющую. Направляющая может быть соединена с нижней частью сильфона и может быть выполнена с возможностью направления в корпусе напорной камеры. Тогда направляющая в корпусе напорной камеры может образовывать часть входа и выхода для гидравлической текучей среды во внутренний объем сильфона и из него. Направляющая может совпадать с центральной осью напорной полости или параллельна ей, а сильфон может растягиваться и втягиваться в осевом направлении продольно вдоль центральной оси.
Датчик положения сильфона может представлять собой линейный датчик положения. Датчик положения сильфона может быть размещен в соединительном канале и содержать осевые сквозные отверстия для свободного протекания текучей среды.
В одном аспекте, когда датчик положения сильфона представляет собой линейный датчик, устройство считывания может быть жестко соединено с датчиком положения сильфона, и магнит может быть жестко соединен с направляющей, причем устройство считывания может представлять собой индуктивный датчик, который может считывать положение магнита таким образом, что датчик положения сильфона может отслеживать относительное положение магнита и тем самым сильфона, индуктивным образом.
В одном аспекте индуктивным датчиком может быть индуктивный стержень, выполненный с возможностью считывания положения магнита и, тем самым, сильфона.
В одном аспекте индуктивный датчик может содержать индуктивный стержень, выполненный с возможностью считывания положения магнита, прикрепленного к направляющей, для того, чтобы датчик положения сильфона отслеживал относительное положение магнита и, тем самым, сильфона, индуктивным образом.
Устройство передачи давления может дополнительно содержать дополнительный герметичный барьер внутри сильфона. Это может быть использовано для того, чтобы дополнительно уменьшить или минимизировать риск утечки текучих сред между внутренним объемом сильфона и напорной полостью, содержащей перекачиваемую жидкость. Этот дополнительный герметичный барьер может быть эластичным баллоном, сильфоном, непроницаемым слоем материала и может иметь такую же или другую форму, как и упомянутый ранее сильфон.
В одном аспекте устройство передачи давления может дополнительно содержать внешний барьер между сильфоном и внутренней поверхностью корпуса напорной камеры. Этот внешний барьер может защитным от частиц (сеткой) или непроницаемым для текучей среды, и может быть изготовлен из податливого материала, представлять собой сильфон, подобный упомянутому ранее сильфону, сетку и тому подобное.
Система управления также обеспечивает возможность неполного хода при работе с крупноразмерными расклинивающими агентами и/или при запуске. Это имеет решающее значение в ситуациях, в которых установка незапланированно отключается, когда перекачиваемая жидкость все еще представляет собой суспензию, позволяя расклинивающим агентам выпасть в осадок суспензии и осуществить седиментацию. Поэтому применяют неполный ход для повторного суспензирования расклинивающих агентов в буровом растворе (суспензии).
В одном аспекте система может содержать два устройства передачи давления, и устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия может быть выполнено с возможностью последовательного повышения давления в двух устройствах передачи давления и приведения их в действие, так что в одном устройстве передачи давления повышается давление и осуществляется слив (слив текучей среды гидроразрыва), в то время как в другом устройстве передачи давления давление снижается и происходит наполнение (наполнение новой текучей средой гидроразрыва), и наоборот. Операциям по сбросу давления и наполнению может способствовать питающий насос. Два устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия могут быть выполнены с возможностью индивидуальной работы, так что они могут повышать давление в двух устройствах передачи давления одновременно, т.е. синхронно, или асинхронно, т.е. с перекрытием.
В другом аспекте система может содержать четыре устройства передачи давления и два устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, причем каждое из устройств разделения жидкостей с повышением давления двойного действия выполнено с возможностью последовательного повышения давления и слива в двух устройствах передачи давления, так что в двух устройствах передачи давления повышается давление и осуществляется слив, в то время как в других двух устройствах передачи давления давление снижается и происходит наполнение, и наоборот.
Кроме того, может быть дополнительно предложен грузовик, содержащий устройство передачи давления, раскрытое выше, и/или раскрытую выше систему, используемую для гидравлического разрыва.
Система может дополнительно содержать датчик положения сильфона, выполненный с возможностью отслеживания осевого растяжения сильфона и, таким образом, количества текучей среды, поступающей и выходящей из внутреннего объема сильфона, а также датчик положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, отслеживающий положение устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, при этом сигналы от датчика положения сильфона и датчика положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия отслеживаются системой управления и сравниваются с заданными рабочими диапазонами растяжения сильфона и положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. Это делают, потому что выгодно знать и иметь возможность управлять положением осевого растяжения сильфона (сильфон никогда не должен быть полностью сжат или растянут). Таким образом, такое входное значение важно для системы управления. Например, если имеется утечка гидравлической текучей среды из замкнутой системы гидравлического контура, существует риск повреждения сильфона при его слишком сильном сжатии или растяжении (т.е. вне заданного рабочего диапазона). Чрезмерное сжатие может привести к захвату расклинивающих агентов или песка между соседними складками или изгибами в сильфоне и/или увеличению перепада давления, в то время как чрезмерное растяжение может привести, например, к повышенной усталости конструкций сильфона или потенциальному столкновению с нижней поверхностью корпуса напорной камеры, что уменьшает ожидаемый срок службы сильфона.
Объем, протекающий внутрь и из внутреннего объема сильфона, отслеживается с использованием датчика положения сильфона, обеспечивающего высокую точность и управляемое ускорение/замедление сильфона в точке изменения направления движения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, что также приводит к спокойной и мягкой посадке клапанов, то есть к более плавному движению клапанов в системе регулирования потока. Медленное и управляемое перемещение клапанов предотвращает или минимизирует риск повреждения седел клапанов в системе регулирования потока. Таким образом, чтобы достичь этого, система способна отслеживать положение устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия с использованием датчика положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, причем, при приближении к конечному положению, скорость выпуска агрегата уменьшается для того, чтобы амортизировать/демпфировать скорость клапанного элемента перед входом в седло клапана.
Устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, которое обеспечивает регулирование объема, подаваемого в сильфон и выпускаемого из него, а также работающее как усилитель давления или напорный усилитель, предпочтительно представляет собой гидравлический цилиндр/плунжерный насос с повышением давления двойного действия, в котором гидравлическое давление, поступающее в насос, оказывает толкающее/сжимающее усилие на область, в фиксированный коэффициент раз превышающую вторичную область. Вторичная область представляет собой область, действующую на текучую среду, поступающую и выходящую из внутреннего объема сильфона. Такая компоновка обеспечивает двойное, тройное или даже четырехкратное (или более) рабочее давление на вторичную область. Система гидравлического насоса, приводящая в действие устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, имеющая диапазон давлений, например, 350 бар, может, например, подавать 700-1400 бар во внутренний объем сильфона и, таким образом, такое же давление в напорную полость. Для того чтобы обеспечить возможность удовлетворительного функционирования и работы устройства передачи давления и устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия при указанных выше высоких давлениях, система должна предпочтительно быть выполнена с возможностью управления и позиционирования сильфона с высокой точностью. Замкнутый объем гидравлического контура (например, объем масла), обеспечивающего работу сильфона, предпочтительно выполнен с возможностью регулирования объема с помощью клапана системы маслообеспечения для того, чтобы гарантировать работу сильфона в заданных рабочих диапазонах/областях работы, а гидравлическая текучая среда в замкнутом объеме гидравлического контура должна постоянно отслеживаться по температуре и заменяться охлажденной (свежей) текучей средой по необходимости, причем в течение/при/во время перекачивания, хотя и при пониженном расходе всей системы.
Устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия предпочтительно является устройством двойного действия, то есть первичная сторона, определяемая первой поршневой областью устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, работает с перепадом давлений 350-400 бар, а на вторичной стороне, определяемой второй поршневой областью, может быть повышенное давление, например, до 1050 бар или выше, которое близко к давлению, при котором работает устройство передачи давления, то есть сильфон и напорная полость.
Устройство передачи давления может приводиться в действие гидравлическим насосным агрегатом, например, двунаправленным насосом переменной производительности, который управляет устройством разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. Гидравлический насосный агрегат может иметь два направления потока и регулируемую производительность. Гидравлический насосный агрегат может приводиться в действие, например, любым двигателем, пригодным для работы с такими гидравлическими насосными агрегатами, таким как дизельные двигатели или другие известные моторы/двигатели. Однако ясно, что описанный гидравлический насосный агрегат может быть заменен на множество гидравлических насосов, управляемых посредством пропорционального клапана управления для создания давления в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и напорной полости.
Устройство передачи давления предпочтительно уравновешено по давлению, что означает, что сильфон гидравлически приводится в действие посредством направления некоторого количества масла или другой гидравлической жидкости во внутренний объем сильфона и из него, перемещая сильфон между первым положением, то есть сжатым состоянием, и вторым положением, то есть растянутым состоянием. При работе давление гидравлических текучих сред во внутреннем объеме сильфона будет таким же, как и в текучей среде гидроразрыва пласта (т.е. в перекачиваемой среде) в напорной полости снаружи сильфона. Перекачиваемая жидкость или среда, например текучая среда гидроразрыва, расположена ниже сильфона в зазоре, образованном между наружной стороной сильфона и внутренней поверхностью корпуса напорной камеры.
Устройство передачи давления и устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия не имеют скользящих поверхностей, контактирующих с перекачиваемой жидкостью. Таким образом, срок службы деталей увеличивается, поскольку отсутствуют уязвимые детали, находящиеся в скользящем контакте с какой-либо абразивной перекачиваемой жидкостью.
Система может управляться электромеханической системой управления. Входные данные для управления насосом могут включать в себя одно или более из следующего:
- датчики давления в гидравлической системе низкого давления (чистое масло) и линии подачи суспензии/бурового раствора
- датчики положения в устройстве двойного действия для увеличения напора жидкости гидроразрыва, включая положение поршня/плунжера и положение сильфона
- температурные датчики в замкнутом объеме гидравлического контура и гидросистеме низкого давления
- человеко-машинный интерфейс (HMI, Human Machine Interface) для ввода желаемых значений потока, мощности, объема, подачи
- данные скважины (значения давления, потока, пульсаций)
- состояние фильтра, уровень масла
Устройство передачи давления (через устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия) управляется посредством подачи изменяемых команд на основе входных данных гидравлическим насосным агрегатам, например, двунаправленным осевым поршневым насосам.
Кроме того, может быть дополнительно предложен прицеп, контейнер или модуль, содержащий раскрытую выше систему, используемую для гидравлического разрыва вместе с двигателем и необходимой арматурой.
Кроме того, изобретение относится к комплексу, содержащему по меньшей мере два прицепа, причем каждый прицеп содержит по меньшей мере одну систему, раскрытую выше.
В целом, изобретение и система управления, которая может быть связана с электромеханической системой управления, могут иметь преимущества по сравнению с известными решениями, включая:
- Переменные давление, мощность и поток; поскольку условия задачи по перекачиванию могут изменяться, система способна адаптироваться к конкретным условиям. Например, если давление увеличивается, система способна автоматически регулировать поток до максимально допустимой выходной мощности. Если задано давление, то система электромеханического управления способна изменять поток для поддержания этого давления. Если задан поток, то электромеханическая система управления способна изменять давление и мощность вплоть до ограничений системы. Можно также комбинировать управляющие параметры.
- Возможность неполного хода; когда система выводится из эксплуатации без предварительного вымывания осадка/суспензии, происходит седиментация. Чтобы избежать засорения, система способна ''повторно взмучивать'' перекачиваемую среду посредством пульсации.
- Плавное изменение; идеальное плавное изменение для системы изменяется в зависимости от давления и потока.
Плавное включение/выключение; система способна постепенно увеличивать поток для того, чтобы предотвратить пики давления при включении/выключении насосной системы.
- Синхронизация множества агрегатов; причем ''комплекс гидроразрыва'' (комплекс ГРП) включает в себя несколько агрегатов, осуществляющих перекачивание одновременно. Это приводит к ситуациям, в которых колебания давления в системе иногда совпадают по частоте с гармоническими колебаниями трубопровода, вызывая повреждения и потенциально опасные ситуации (рыскающие колебания, описанные выше). Посредством синхронизации блоков и, таким образом, управления выходной частотой колебаний, эту проблему устраняют. Это также позволяет отдельным агрегатам увеличивать или уменьшать скорости подачи в зависимости от ограничений по перегреву системы без изменения рабочих характеристик всей системы.
- Работа устройств передачи давления с перекрытием для достижения стабильного ламинарного потока перекачиваемой среды (например, текучей среды гидроразрыва) вниз в скважину. Например, если каждая система содержит четыре устройства передачи давления, соединенных попарно с двумя устройствами разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. Это позволяет создать систему с асинхронным приводом, которая может обеспечивать практически свободный от пульсаций поток (ламинарный поток).
- Сглаживание пульсаций; в случае использования гибридного ''комплекса гидроразрыва'' с комбинацией обычных насосных систем и устройства и систем передачи давления в соответствии с настоящим изобретением возможно противодействовать пульсациям, генерируемым обычными насосными системами, посредством пульсаций устройства и системы передачи давления в соответствии с настоящим изобретением в противоположной фазе.
- Отсутствие минимального расхода; гидравлические насосные агрегаты, например, двунаправленный аксиально-поршневой насос, функционируют как привод с бесступенчатым регулированием (IVT, infinite variable drive) и может, таким образом, бесступенчато изменять скорости подачи от нуля до максимума.
- Электромеханическая система управления обеспечивает возможность прямого привода устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия от гидравлического насосного агрегата, например, двунаправленного аксиально-поршневого насоса. Это обеспечивает более быстрое время отклика и меньшее падение давления в системе в целом, повышение эффективности и уменьшение генерации тепла в системе.
- Достигается полное управление растяжением и втягиванием сильфонов по всему ходу. Это дает возможность обнаружения неисправностей, внутренних утечек и исключает повреждение сильфона, не допуская выхода его за пределы заданных рабочих параметров.
В описании и в формуле изобретения для перекачиваемой жидкости использованы различные термины. Этот термин следует понимать как жидкость в напорной полости снаружи сильфона, например, гидравлическую текучую среду для гидроразрыва, текучую среду для гидравлического разрыва, текучую среду для гидроразрыва или гидрофракционирования, или буровой раствор, текучую среду для стимулирования скважин, кислоту, цементный раствор и т.д.
Кроме того, различные термины использованы для положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия или положения штока или поршня в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. Их следует понимать как положение штока или поршня относительно внешней оболочки устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия.
Эти и другие характеристики изобретения будут очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления, приведенного в качестве не ограничивающего примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан пример предпочтительной рабочей компоновки для способа и соответствующей системы в соответствии с настоящим изобретением;
На фиг.2 более подробно показано устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, которое может быть использовано в сочетании по меньшей мере с одним устройством передачи давления.
Осуществление изобретения
На фиг, 1 показан пример предпочтительной рабочей компоновки для способа и соответствующей системы в соответствии с настоящим изобретением. Раскрыто устройство передачи давления для стимулирования скважины, специально предназначенное для перекачивания текучих сред очень высокого давления (500 бар и выше) при высоких расходах (например, 1000 л/мин или более для конкретной системы, раскрытой на фиг.1), таких как буровые растворы, содержащие большие количества абразивных частиц. На фиг.1 показаны две идентичных компоновки, имеющие общее устройство 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, где элементы компоновки на левой стороне обозначены одним апострофом ('), а элементы в идентичной компоновке на правой стороне обозначены двойным апострофом ('').
На фиг.2 более подробно показано устройство 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, используемое вместе с устройством передачи давления 1', 1''. Показано устройство 1'' передачи давления для перекачки текучей среды при давлении выше 500 бар, содержащее корпус напорной камеры и соединительный канал 3', 3'', причем соединительный канал 3', 3'' выполнен с возможностью соединения с устройством 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия с помощью средств соединения по текучей среде в виде первого канала 26', 26'' клапана и второго канала 27', 27'' клапана, и, возможно, с помощью клапана 16', 16'' системы маслообеспечения. Корпус напорной камеры содержит напорную полость 4', 4'' и первый канал 5', 5'', соединяющий напорную полость 4', 4'' со скважиной через систему 13 управления потоком. Первый канал 5', 5'' действует как вход и/или выход для перекачиваемой текучей среды или жидкости. Кроме того, показан сильфон 6', 6'', расположенный внутри напорной полости 4', 4'', в котором внутренний объем 7', 7'' сильфона 6', 6'' сообщается по текучей среде с соединительным каналом 3', 3'', а внутренний объем 7', 7'' разделен по текучей среде от напорной полости 4', 4''. Площадь поперечного сечения по длине L', L'' напорной полости, измеряемой в продольном направлении между соединительным каналом 3', 3'' и первым каналом 5', 5'', изменяется. Сильфон 6', 6'' выполнен с возможностью перемещения по существу в продольном направлении, которое на чертеже совпадает с центральной осью С, С'' напорной полости 1', 1''.
Устройство 1', 1'' передачи давления содержит сильфон, для простоты приведенный в виде герметичного сильфона 6', 6'' с гидроприводом, содержащего внутреннюю направляющую 9', 9'' и датчик 12', 12'' положения сильфона с индуктивным стержнем 43', 43'', выполненным с возможностью считывания положения магнита 10', 10''. Магнит 10', 10'' может быть жестко соединен с направляющей 9', 9''. Направляющая 9', 9'' направляется, в свою очередь, сама в корпусе напорной камеры, например, вдоль продольного протяжения соединительного канала 3', 3''. В описанном примере направляющая 9', 9'' соединена с нижним концом сильфона 6', 6'' с одного торца и направляется в корпусе напорной камеры на верхнем торце. Направляющая 9', 9'' и, следовательно, магнит 10', 10'' следуют за движением сильфона 6', 6''. Датчик 12', 12'' положения сильфона, например, измерительный стержень 43', 43'', может содержать средство для обнаружения и определения положения магнита 10', 10'' (и, таким образом, направляющей 9', 9'' и сильфона 6', 6''), например, посредством индуктивного определения положения магнита. Хотя в описании раскрыто, что магнит 10', 10'' соединен с направляющей 9', 9'', которая перемещается относительно неподвижного измерительного стержня 43', 43'', магнит 10', 10'' может быть размещен неподвижно и, например, направляющая 9', 9'' может быть выполнена с возможностью индуктивного определения положения. Кроме того, могут быть использованы другие датчики, отличные от линейного датчика положения, описанного выше, при условии, что они способны отслеживать точное положение сильфона 6', 6''.
Сильфон 6', 6'' размещен в напорной полости 4', 4'' с заданным зазором с внутренней поверхностью корпуса напорной камеры. Управляющую текучую среду направляют во внутренней объем 7', 7'' сильфона 6', 6'' и из него через соединительный канал 3', 3'' в верхней части напорной камеры 4', 4'' (то есть в верхней части корпуса напорной камеры). Сильфон 6', 6'' жестко присоединен в верхней части напорной полости 4', 4'' к внутренней поверхности корпуса напорной камеры с помощью средств, известных специалистам в данной области техники. Соединительный канал 3', 3'' связан с устройством 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и, возможно, с клапаном 16', 16'' системы маслообеспечения.
Устройство 1',1'' передачи давления может дополнительно содержать вентиляционное отверстие (не показано) для выпуска воздуха из перекачиваемой текучей среды. Вентиляционное отверстие для воздуха может быть любым вентиляционным отверстием, выполненным с возможностью выпуска или вентилирования избыточного воздуха из закрытой системы, таким, как любые подходящие клапаны (заслонки) и тому подобное.
Прокачиваемая среда, например текучая среда гидроразрыва с частицами, входит в напорную полость 4', 4'' и выходит из нее через первый канал 5', 5'' на днище напорной полости 4', 4'' (то есть в корпусе напорной камеры). Первый канал 5', 5'' сообщается с устройством 13 регулирования потока, таким как блок клапанов. Устройство 13 регулирования потока более подробно раскрыто ниже.
Приводимая устройством 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия напорная полость 4', 4'' в сочетании с сильфоном 6', 6'' перекачивает текучую среду путем втягивания и растяжения сильфона 6', 6'' между его минимальным и максимальным заданным ограничением. Удержание сильфона в пределах этого минимального и максимального заданного ограничения увеличивает срок службы сильфона. Для того чтобы обеспечить работу сильфонов 6', 6'' в пределах заданного ограничения, это движение отслеживается датчиком 12', 12'' положения сильфона. Динамическое перемещение сильфона за пределы этих минимальных и максимальных заданных ограничений может сильно уменьшить срок службы сильфона. Без этого контроля сильфон 6', 6'' с течением времени в результате внутренней утечки, главным образом в устройстве 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия будет перенапряжен либо вследствие чрезмерного растяжения (в конечном счете происходит столкновение с напорной полостью 4', 4'') или чрезмерного сжатия (втягивания), в результате которых частицы в текучей среде деформируют или пробивают сильфон 6', 6'' или создают перепад давления. Центральная направляющая система 9', 9'', показанная упрощенно направляющей 9', 9'', обеспечивает линейное втягивание и растяжение сильфона 6', 6'', гарантируя, что сильфон 6', 6'' не соударяется с боковыми стенками напорной полости 4', 4'', и в то же время обеспечивает точные показания положения от датчика 12', 12'' положения сильфона. Таким образом, напорная полость 4', 4'' специально предназначена для выдерживания высоких давлений и циклических нагрузок и в то же время гарантирует предотвращение накопления осадка. Заданное расстояние между наружной частью сильфона 6', 6'' и внутренним размером корпуса напорной камеры обеспечивает уравновешивание внутреннего давления сильфона 6', 6'' и давления перекачиваемой среды в напорной полости 4', 4''.
Эта напорная полость рассчитана на то, чтобы переносить циклические нагрузки, воздействию которых подвергается эта система, и для размещения сильфона и системы позиционирования сильфона. Соединительный канал 3', 3'' представляет собой сквозное цилиндрическое отверстие, образованной посредством механической обработки и хонингования в основном материале ''тела'' напорной полости 4', 4'', и является частью направляющей системы 9', 9'', подобно конструкции цилиндра и поршня. Напорная полость 4', 4'' предпочтительно имеет такую форму, чтобы предотвратить концентрации напряжений. Внутренняя направляющая система 9', 9'' сильфона обеспечивает линейное перемещение сильфона 6', 6'' без необходимости внешней направляющей.
Первый канал 5', 5'' днища в напорной полости 4', 4'' имеет такую форму, чтобы предотвратить накопление осадка за счет наклона или сужения напорной полости 4', 4'' в направлении первого канала 5', 5''. Следовательно, предотвращается накопление осадка, потому что отложения или частицы перекачиваемой жидкости текут естественным образом, то есть под действием силы тяжести, из напорной полости 4', 4'', проходя через первый канал 5', 5''. Без этой наклонной или конической формы накопление осадка может привести к проблемам во время запуска устройства передачи давления, или отложения могут накапливаться и, в конечном счете, окружать нижние части наружной части сильфона 6', 6''.
Устройство 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия содержит полый корпус 20 цилиндра с продольным протяжением, при этом полый корпус 20 цилиндра содержит первую часть и вторую часть, имеющие первую площадь а1 перпендикулярного поперечного сечения, и третью часть, имеющую вторую площадь а2 перпендикулярного поперечного сечения, отличную от первой площади а1 перпендикулярного поперечного сечения. Устройство разделения жидкостей с повышением давления двойного действия содержит шток, установленный с возможностью перемещения подобно поршню внутри цилиндра. Шток имеет площадь поперечного сечения, соответствующую площади а1 первого поперечного сечения, и образует вторую поршневую область 31', 31'', и при этом шток при расположении внутри полого цилиндра образует первую плунжерную камеру 17' и вторую плунжерную камеру 17'' в первой и второй частях. Шток дополнительно содержит выступающую часть 30, имеющую площадь поперечного сечения, соответствующую второй площади а2 перпендикулярного поперечного сечения, и выступающую часть, определяющую первую поршневую область 30', 30'' и первую внешнюю камеру 44' и вторую внешнюю камеру 44'' в третьей части. Часть штока, образующая первую и вторую плунжерные камеры 17', 17'', по меньшей мере на части ее длины, выполнена с первой выемкой 40', сообщающейся по давлению с первой плунжерной камерой 17', и второй выемкой 40'', сообщающейся по давлению со второй плунжерной камерой 17''.
Первая плунжерная камера 17' содержит первый плунжерный канал 18', который сообщается с внутренним объемом 7' сильфона 6', в качестве варианта, через первый клапан 16' системы маслообеспечения. Аналогично, вторая плунжерная камера 17'' содержит второй плунжерный канал 18'', который сообщается с внутренним объемом 7'' сильфона 6'', в качестве варианта, через второй клапан 16'' системы маслообеспечения. Объемы внутри первой и второй плунжерных камер 17', 17'' изменяют с помощью выдвижения и втягивания штока 19 из соответствующих первой и второй плунжерных камер 17', 17'' или в них. Шток 19 может содержать датчик 21 положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. Первое и второе уплотнения 22', 22'' могут быть расположены между выступающей частью 30 штока и первой плунжерной камерой 17' и второй плунжерной камерой 17'', соответственно. Указанные первое и второе уплотнения 22', 22'' могут вентилироваться и охлаждаться отдельной или общей системой 23', 23'' смазки.
Шток 19 приводится в движение назад и вперед, обеспечивая последовательную подачу текучей среды под давлением, такой как масло или другая подходящая гидравлическая текучая среда, в первый впускной/выпускной канал 24' и из второго впускного/выпускного канала 24'', и наоборот, в противоположном направлении. Первый и второй впускные/выпускные каналы 24', 24'' сообщаются с гидравлическим насосным агрегатом 11.
Первый и второй клапаны 16', 16'' системы маслообеспечения расположены между сильфоном 6', 6'' и устройством 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и приведены для простоты в виде двух трехходовых клапанов, которые могут содержать первый и второй исполнительные механизмы 25', 25'', приводящие первый и второй трехходовые клапаны, соответственно. Компоновка первого и второго клапанов 16', 16'' системы маслообеспечения и их соединение с различными устройствами 1', 1'' передачи давления являются идентичными. Таким образом, в дальнейшем будет описана более подробно система с левой стороны, т.е. система, соединенная с первым плунжерным каналом 18'. Клапан 16' системы маслообеспечения, показанный на чертежах для простоты в качестве трехходового клапана, содержит три канала, включающих в себя первый канал 26' клапана, сообщающийся с первым плунжерным каналом 18', второй канал 27' клапана, сообщающийся с соединительным каналом 3' устройства передачи давления и третий канал 28' клапана, сообщающийся с масляным резервуаром 29'. Аналогично, со ссылкой на устройство 1'' передачи давления с правой стороны, клапан 16'' системы маслообеспечения, сообщающийся со вторым плунжерным каналом 18'', содержит три канала, включая первый канал 26'' клапана, сообщающийся со вторым плунжерным каналом 18'', второй канал 27'' клапана, сообщающийся с соединительным каналом 3' устройства 1'' передачи давления, и третий канал 28'' клапана, сообщающийся с масляным резервуаром 29''.
Гидравлический насосный агрегат 11 может содержать двунаправленные аксиально-поршневые насосы, которые управляются данными положения от обоих датчиков 12', 12'' положения сильфонов и датчика 21 положения устройства 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и, возможно, в соответствии с входными данными от человеко-машинного интерфейса (HMI) и/или системы управления. Гидравлический насосный агрегат 11 может приводиться в действие, например, двигателем, таким как любые стандартные двигатели, используемые в соответствующих областях техники.
Узел 13 регулирования потока, например, блок клапанов, может представлять собой общий узел регулирования потока для идентичных систем с левой стороны и с правой стороны чертежа. По отношению к системе с левой стороны узел 13 регулирования потока может содержать насосный канал 36', сообщающийся с первым каналом 5' устройства 1' передачи давления, впускной канал 35', сообщающийся с перекачиваемой жидкостью через впускной коллектор 14 узла 13 регулирования потока, и выпускной канал 37', сообщающийся с выпускным коллектором 15 узла 13 регулирования потока. Для обеспечения возможности переключения и работы с различными входами и выходами, узел регулирования потока может содержать подающий клапан 38', содержащий обратный клапан, обеспечивающий подачу рабочей текучей среды, когда давление во впускном коллекторе 14 больше, чем давление в напорной полости 4', и меньше, чем давление в выпускном клапане 39'. Впускной коллектор 14 сообщается с питающим насосом и смесителем. Смеситель приготавливает перекачиваемую жидкость, и питающий насос обеспечивает давление во впускном коллекторе 14 и распределяет указанную смесь текучей среды в устройства 1', 1'' передачи давления (напорные полости 4', 4''). Смеситель обычно смешивает перекачиваемую жидкость с частицами, такими как песок и расклинивающие агенты. Такой питающий насос и смеситель известны специалистам в данной области техники и не будут описаны более подробно в настоящей заявке.
Аналогично, для системы с правой стороны чертежа, узел 13 регулирования потока может содержать насосный канал 36'', сообщающийся с первым каналом 5'' устройства передачи давления 1'', впускной канал 35'', сообщающийся с перекачиваемой жидкостью через впускной коллектор 14, и выпускной канал 37'', сообщающийся с выпускным коллектором 15. Кроме того, для обеспечения возможности переключения и работы с различными входами и выходами, узел регулирования потока может содержать подающий клапан 38', содержащий обратный клапан, обеспечивающий возможность подачи рабочей текучей среды, когда давление во впускном коллекторе 14 больше, чем давление в напорной полости 4'', и выпускной клапан 39'', обеспечивающий возможность выпуска текучей среды в выпускной коллектор 15, когда давление в напорной полости 4'' выше, чем давление в выпускном коллекторе 15, для перекачки текучих сред при высоких давлениях и расходах, например, в скважину.
Узел 13 регулирования потока распределяет перекачиваемую жидкость между впускным коллектором 14, напорной полостью 4', 4'' и выпускным коллектором 15 с использованием двух обратных клапанов, одного для впуска и одного для выпуска, и впускного/выпускного канала, расположенного между ними. Впускной клапан 38', 38'', расположенный между впускным каналом 35', 35'' и каналом 36', 36'' насоса, позволяет текучей среде заполнять напорную полость 4', 4'', когда сильфон 6', 6'' втягивают, т.е. перекачиваемая жидкость обеспечивает давление снизу, способствуя втягиванию/сжатию сильфона 6', 6''. Вспомогательное давление жидкости в устройстве передачи давления во впускном коллекторе 14, как правило, находится в интервале 3-10 бар при наполнении напорной полости 4', 4'' и приготовлении к следующей порции среды высокого давления, закачиваемой в скважину. Когда сильфон 6', 6'' начинает растягиваться (т.е. текучая среда под давлением наполняет внутренний объем 7', 7'' сильфона 6', 6''), впускной клапан 38', 38'' закрывается, как только давление достигает питающего давления во впускном коллекторе 14, тем самым заставляя выпускной клапан 39', 39'' открыться, выпуская содержимое напорной полости 4', 4'' через выпускной канал 37', 37'' и в выпускной коллектор 15. Это происходит последовательно, соответственно, в компоновке на левой стороне чертежа и на правой стороне чертежа.
В гидравлическом насосном агрегате 11 используются двунаправленные аксиально-поршневые насосы, выполненные в обычном для области техники замкнутом объеме гидравлического контура, называемые также аксиально-поршневыми насосами с наклонной шайбой. Насосы с наклонной шайбой содержат вращающийся набор цилиндров, содержащих поршни. Поршни соединены с наклонной шайбой посредством шарового шарнира и прижаты к неподвижной наклонной шайбе, которая расположена под углом к цилиндру. Поршни всасывают жидкость в течение половины оборота и выталкивают жидкость в течение другой половины. Чем больше наклон, тем дальше перемещаются поршни насоса, и тем больше текучей среды они перекачивают. Такие насосы имеют переменную производительность и могут переключаться между созданием давления в первом впускном/выпускном канале 24' и втором впускном/выпускном канале 24'', таким образом, непосредственно управляя устройством (устройствами) 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия.
Клапан 16', 16'' системы маслообеспечения упрощенно представлен в виде трехходового клапана. Однако могут быть использованы другие компоновки, такие как набор двух или более клапанов. Клапан системы маслообеспечения управляется системой управления, которая может определять, правильный ли объем гидравлической текучей среды циркулирует между внутренним объемом 7', 7'' сильфона 6', 6'' и первой и второй плунжерными камерами 17' 17'', с использованием датчиков положения в сильфоне и в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. В то же время это позволяет системе заменять масло в этом замкнутом объеме гидравлического контура, если температура масла достигает рабочих пределов. Это осуществляется путем изолирования второго канала 27', 27'' клапана от устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и открытия сообщения между первым каналом 26', 26'' клапана и третьим каналом 28', 28'' клапана, тем самым обеспечивая возможность позиционирования поршня 30 или штока 19 устройства 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия в зависимости от положения сильфона 6', 6''. Система управления, управляющая клапанами 16', 16'' системы маслообеспечения, отслеживает положение сильфона 6', 6'' по отношению к положению плунжера 19 и добавляет или отводит масло из системы, когда система достигает предела максимального отклонения. Это происходит предпочтительно автоматически посредством остановки сильфона 6', 6'' в определенном положении и, соответственно, обеспечения возможности плунжера 19 вернуться в ''положение сильфона''. Положение сильфона плунжера 19 обычно соответствует положению, в котором объемы первой плунжерной камеры 17' и второй плунжерной камеры 17'' одинаковы, что в большинстве ситуаций является положением, в котором сильфон 6', 6'' находится в среднем положении. Таким образом, плунжер 19 предпочтительно позиционируют относительно фактического положения сильфона 6', 6''.
Устройство 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия может управляться, например, регулированием подачи потока, например, от гидравлического насосного агрегата 11 через первый впускной/выпускной канал 24' и второй впускной/выпускной канал 24''. Выступающая часть 30 содержит первый конец (т.е. первую поршневую область 30'), сообщающийся по текучей среде с первым впускным/выпускным каналом 24', и второй конец (т.е. первую поршневую область 30''), сообщающийся по текучей среде со вторым впускным/выпускным каналом 24''. Шток 19 дополнительно определяет вторую поршневую область 31', 31'', которая меньше, чем первая поршневая область 30', 30''. Шток 19, разделяющий первую и вторую плунжерные камеры 17', 17'', задействован для изменения объемов первой и второй плунжерных камер 17', 17'' путем выдвижения и втягивания штока 19 в/из первой и второй плунжерных камер 17', 17'', соответственно. Шток 19 является частично полым и содержит первую выемку 40' и вторую выемку 40''. Первая и вторая выемки 40', 40'' отделены друг от друга. Таким образом, текучая среда не может протекать между первым и вторым углублениями 40', 40''. Первая выемка 40' сообщается по текучей среде с первой плунжерной камерой 17', а вторая выемка 40'' сообщается по текучей среде со второй плунжерной камерой 17''.
Функция устройства 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия состоит в том, чтобы гарантировать, что фиксированный объем гидравлической текучей среды, например масла, заполняет/вытекает из сильфонов 6', 6''. В то же время он действует как усилитель давления (усилитель давления или напорный усилитель). В проиллюстрированном устройстве 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия давление увеличивается за счет первой поршневой области 30', 30'', большей, чем вторая поршневая область 31' в первой плунжерной камере 17' и вторая поршневая область 31'' во второй плунжерной камере 17'', соответственно. Первая поршневая область 30', 30'' и вторая поршневая область 31', 31'' связаны фиксированным отношением в зависимости от того, насколько отличаются площади первой и второй поршневой области. Таким образом, фиксированное давление в первой или второй внешней камерах 44', 44'' обеспечивает фиксированное давление, усиленное разностью давлений первой и второй площадей поршней. Впрочем, входное давление может быть изменено, чтобы получить различное давление на выходе, но отношение является фиксированным. Усиление давления является важным для того, чтобы обеспечить возможность перекачивания текучих сред сильно выше максимального нормального диапазона давлений в промышленных гидравлических насосных агрегатах 11, которые приводят в действие систему, и регулируется для достижения наиболее подходящих требуемых в промышленности давлений.
Устройство 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия может содержать датчик 21 положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, который непрерывно взаимодействует с общей системой управления, которая может приводить в действие клапаны 16', 16'' системы маслообеспечения для пополнения или слива гидравлической текучей среды из замкнутого объема гидравлического контура на основании входного сигнала от датчика 21 положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия в устройстве 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, и датчика положения сильфона 12', 12''. На чертежах датчик 21 положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия расположен между штоком 19 и внутренними стенками первой или второй плунжерной камеры 17', 17'', так что датчик 21 положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия способен непрерывно отслеживать положение штока 19 и передавать сигналы системе управления, сравнивающей положение сильфона 6', 6'' и поршня или штока 19 в устройстве 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. Однако датчик 21 положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия может быть установлен и в других местах, в том числе снаружи устройство 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, при условии, что он может отслеживать положение штока 19. По существу, любая утечка или переполнение гидравлической текучей среды в любой из первой или второй плунжерных камер 17', 17'' может быть обнаружена и устранена (например, с использованием клапана 16', 16'' системы маслообеспечения для возврата штока в положение нулевого отклонения в соответствии с положением сильфона, как описано выше).
Экстремальным давлениям подвергаются, в частности, первая и вторая плунжерные камеры 17', 17''. Все переходы имеют такую форму, чтобы избежать концентрации напряжений. Шток 19 в устройстве разделения жидкостей с повышением давления двойного действия предпочтительно представляет собой полый шток для компенсации раздувания оболочки (оболочка = наружные стенки устройства 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия) во время цикла давления. Предпочтительно, чтобы раздувание полого стержня было немного меньшим, чем раздувание оболочки, для предотвращения превышения допустимых пределов какого-либо экструзионного зазора между полым штоком и оболочкой. Если этот зазор слишком велик, то возникает утечка через первое и второе уплотнения 22', 22'', что приводит к неравным объемам гидравлических текучих сред в первой и второй плунжерных камерах 17', 17''. Толщину оболочки и стенок полого штока, т.е. стенок, окружающих первую и вторую выемки 40', 40'', выбирают таким образом, что они деформируются аналогично/одинаково в радиальном направлении, и что первое и второе уплотнения 22', 22'' защищены, что обеспечивает длительный срок службы первого и второго уплотнений 22', 22''.
Система управления имеет три основных функции. Первая основная функция системы управления заключается в управлении выходными характеристиками устройства 1', 1'' передачи давления: устройство 1', 1'' передачи давления способно обеспечивать поток на основе ряда параметров, таких как: поток, давление, мощность или их комбинации. Кроме того, если используются два устройства 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия, устройство передачи давления может подавать без пульсаций поток до 50% от максимального теоретического расхода, посредством работы двух устройств 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия с перекрытием, таким образом, что одно из них работает вместо другого (плавно увеличиваясь до двойной скорости), когда другое достигает точки перемены направления движения. Таким образом обеспечивается малый расход при высоких давлениях и высокий расход при пониженном давлении, во всех вариантах осуществления с практически ламинарным потоком. Это достигается за счет избыточной производительности гидравлического насосного агрегата 11. По мере увеличения расхода уменьшается возможность работы с перекрытием, поэтому увеличивается количество пульсаций. Гидравлический насосный агрегат 11 с переменной производительностью в сочетании с датчиками давления и датчиком 12', 12'' положения сильфона и датчиком 21 положения устройства разделения жидкостей с повышением давления двойного действия являются ключевыми для обеспечения гибкости системы. Система управления, которая может быть выполнена на основе компьютера, дополнительно обеспечивает возможность использования множества параллельных насосных систем, действующих как одна за счет их соединения посредством полевой шины. Это может быть сделано путем расположения насосных систем в параллель и использования системы управления для асинхронной работы отдельных насосных систем. Это минимизирует риск рыскающих колебаний вследствие интерференции.
Вторая основная функция системы управления состоит в том, чтобы обеспечить полное управление движением сильфона 6', 6'' по всем циклам по отношении к устройству 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия. Это актуально при закрытии/посадке клапанов в узле 13 регулирования потока (например, во впускном канале 35', 35'', канале 36', 36'' насоса, выпускном канале 37', 37'', впускном клапане 38', 38'', выпускном клапане 39', 39''), поскольку существует комбинация факторов, которые должны присутствовать синхронно для того, чтобы эта система функционировала с такими экстремальными давлениями и расходами. Что касается пружины, то для сильфона 6', 6'' важно работать в пределах проектных параметров, то есть не растягиваться или сжиматься чрезмерно для увеличения срока службы.
Третья основная функция системы управления связана с клапаном 16', 16'' системы маслообеспечения системы управления, который действует, когда система управления определяет разность между положениями устройства 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия и сильфона 6', 6'', или определяет, что температура находится вне заданных пределов. Устройство 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия имеет, в целом, такие же преимущества и недостатки, как и гидравлический цилиндр, оно является надежным и точным, но оно имеет некоторую степень внутренней утечки по первому и второму уплотнениям 22', 22'', которая со временем накапливается в качестве коэффициента добавления или уменьшения в замкнутом объеме гидравлического контура между первой и второй плунжерными камерами 17', 17'' и внутренним объемом 7', 7'' сильфона 6', 6''. Чтобы решить эти проблемы, как сильфон 6', 6'', так и устройство 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия оснащены датчиками положения 12', 12'', 21, которые непрерывно отслеживают положение этих узлов для того, чтобы обеспечить их синхронизацию в соответствии с заложенной программой управления. С течением времени внутренняя утечка системы накапливается, и когда отклонение положения между сильфоном 6', 6'' и устройством 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия достигает максимально допустимого предела, первый и/или второй клапаны 16', 16'' системы маслообеспечения добавляют или отбирают необходимый объем для возвращения системы к синхронизации (и регулирования, предпочтительно, автоматически, по отношению к известному положению сильфона 6', 6''). Кроме того, может возникнуть проблема, заключающаяся в том, что жидкость в замкнутом объеме гидравлического контура между устройством 1', 1'' передачи давления и устройством 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия выделяет тепло за счет трения при протекании туда и обратно. Кроме того, первое и второе уплотнения 22', 22'' в устройстве 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия также выделяют тепло, которое рассеивается в жидкости (например, масле) в замкнутом объеме гидравлического контура. Эта проблема может быть решена с использованием той же системы, что и для компенсации внутренней утечки. Гидравлический объем замкнутого контура может быть заменен клапаном 16', 16'' системы маслообеспечения. Система управления при обнаружении утечки в системе гидравлического контура управляет первым и/или вторым клапанами 16', 16'' системы маслообеспечения для обеспечения возможности замещения объема замкнутого гидравлического контура посредством отсоединения сильфона 6', 6'' в сжатом, втянутом положении и возможности слива объема устройства 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия в резервуар (внешний) и заполнения его заново холодным маслом из системы охлаждения. Для увеличения срока службы клапанов системы 13 регулирования потока (например, впускного канала 35', 35'', насосных каналов 36', 36'', выпускного канала 37', 37'', впускного клапана 38', 38'', выпускного клапана 39', 39''), предпочтительно, чтобы посадка клапанов или каналов 35', 35'', 36', 36'', 37', 37'', 38', 38'' была плавной или мягкой, то есть чтобы детали клапанов не ударялись о соответствующие седла клапанов. Чтобы достичь этого, система отслеживает положение устройства 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия (то есть поршня устройства 2 разделения жидкостей с повышением давления двойного действия) и, при приближении к конечному положению, скорость выпуска гидравлического насосного агрегата 11 плавно уменьшают для амортизации клапана перед посадкой в седло для предотвращения расклепывания седла клапана.
В предшествующем описании различные аспекты способа, устройства и применения согласно изобретению раскрыты со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления изобретения. Для целей объяснения были изложены системы и конфигурации, которые обеспечивают полное понимание системы и ее действия. Однако это описание не должно рассматриваться в ограничивающем смысле. Различные модификации и вариации иллюстративных вариантов осуществления, также как и другие варианты осуществления системы, которые очевидны специалистам в данной области техники, к которой относится раскрытый предмет изобретения, считаются находящимися в пределах объема настоящего изобретения.
Список ссылочных обозначений