專利名稱：水力活塞泵換向閥的制作方法
技術領域：
水力活塞泵換向閥技術領域[0001]本實用新型涉及一種水力活塞泵的換向閥，特別是一種換向閥的運動副采用動態(tài)密封的，應用于油田進行抽油作業(yè)的用水作動力液的水力活塞泵換向閥。
背景技術：
[0002]水力活塞泵系統(tǒng)是一種液壓傳動的無桿抽汲設備，是一種用于從地下深孔中抽采石油的設備，它是由地面動力泵將動力液增壓后經(jīng)油管或專用通道泵入井下驅動油缸中的活塞和換向閥，實現(xiàn)液馬達做上下往復運動，通過井下柱塞泵進行抽汲作業(yè)的泵，是一種專門的深抽設備。水力活塞泵系統(tǒng)由井下部分、地面部分和中間部分組成，其中中間部分指動力液管管道以及被抽汲的液體和乏動力液輸送管道；地面部分由動力泵、控制閥及動力液處理設備組成，用于供給和處理動力液；井下部分水力活塞泵是水力活塞泵系統(tǒng)的主體，本實用新型涉及水力活塞泵關鍵元件換向閥。[0003]水力活塞泵抽油是油田采油使用的主要方式之一，其工作方式嚴格意義上說屬于液壓應用領域，其工作介質的壓力高達幾十MPa。水力活塞泵的液壓源在地面，水力活塞泵的工作端則在幾千米的井下，水力活塞泵的結構是用液力驅動液壓往復馬達，實現(xiàn)柱塞泵抽油，液壓往復馬達核心部件是換向閥，它用液力驅動，控制液壓往復馬達往復運動。換向閥控制高低壓液體有序流動，換向閥在工作時既要頻繁靈活運動，同時又要保持在高壓狀態(tài)下運動面不能有泄漏。現(xiàn)有技術水力活塞泵的換向閥是采用剛性的間隙密封，即在運動副間保留適當?shù)拈g隙，以保證其可以靈活運動，同時避免動力介質從運動間隙泄漏，高壓狀態(tài)下對換向閥運動副間隙有極嚴格的要求。由于通常的液壓系統(tǒng)用油作動力介質，液壓油的黏度大，潤滑性能好，可以滿足在高壓條件下能正常靈活運動同時運動面泄漏很小的使用要求。同時，由于油膜的潤滑保護作用使換向閥能長期頻繁運動不產(chǎn)生過度的磨損。例如按相關的技術規(guī)范要求水力活塞泵的配合間隙為0.005mm，這是一個加工精度要求極高的配合間隙?，F(xiàn)有技術中用油作為工作介質為時能完全保障水力活塞泵換向閥的正常工作。但用水作動力介質時傳統(tǒng)的水力活塞泵換向閥不能滿足實用要求，因為水的黏度很小，流動性很好，在井下高溫條件下其表面張力急劇減小，流動性加強，以致在高壓條件下滲漏嚴重。另外，采用水作為水力活塞泵工作介質時，在頻繁的換向運動條件下，水的潤滑性能十分有限，造成換向閥配合面磨損嚴重，實際運行時當密封間隙因磨損增大到0.1毫米時換向閥就已不能正常工作。當以水為工作介質時換向閥的工作壽命很短，在運行不長時間就無法滿足間隙配合的條件?，F(xiàn)有技術中使用了各種耐磨損的處理方法之后依然達不到實用要求。因此通常的水力活塞泵無法使用水作動力液。實際應用的水力活塞泵多采用井下抽上來的石油作動力液，或者使用加添加劑的水基動力液作水力活塞泵高壓動力介質，用這些動力介質大幅度提高了設備運行費用。此外，水力活塞泵的關鍵部件換向閥在油井中小尺寸、高壓、潤滑條件不良及頻繁運動條件下故障率高、壽命短，在幾十MPa高壓下，要求換向閥不漏液必須在多個間隙配合面有極高的動態(tài)配合間隙，對機械加工和耐磨損提出極高的要求，因此造成了設備價格高、運行費用高、壽命短的特點，大大限制了水力活塞泵的應用。采油區(qū)域的水力活塞抽油泵由于特定的使用條件均希望用水作為動力介質，但這需要解決水力活塞泵用水作動力液動配合面密封的問題，既要解決高壓條件下水的動密封，同時要在動密封的前提下使動密封有一定耐磨損能力。迄今為止在水力活塞泵采油設備上所采用的各種技術仍無法解決這些問題。[0004]從原理上說水力活塞抽油泵是一種理想的油田抽油設備，具有效率高、抽汲深度深，省去抽油桿，適合于平井、斜井抽油等一系列優(yōu)點。但水力活塞泵設備存在價格高、運行費用高、設備正常運行壽命短的不足，這些問題大大限制了水力活塞泵在油田抽油作業(yè)中的應用。如進入21世紀，我國大部分油田已處于開發(fā)后期，油田供液能力明顯不足，產(chǎn)出液中含水量不斷增加，以石油為動力液的水力活塞泵的工況變劣，用水力活塞泵采油變的更為困難，最終水力活塞泵在國內退出正常使用。[0005]在油田的開發(fā)深度和廣度不斷擴大的情況下，對石油開采設備提出了更高的要求。目前抽油設備性能與人們期望值有較大差別，提高抽油設備性能是世界性的科研課題，在過去相當長的時間里抽油設備的工作原理和應用方法沒有大的突破，技術性能只在局部范圍改進與完善，國內抽油設備主要是企業(yè)仿制改進國外產(chǎn)品，由于企業(yè)眾多，缺乏主流產(chǎn)品，與國外產(chǎn)品尚有較大差距。目前常用的采油設備仍是常規(guī)的抽油效率低下的游梁式抽油機，盡管采取了各種措施，但仍無法解決常規(guī)游梁式抽油機效率低下的問題，這類設備在石油開采領域占據(jù)主要地位，統(tǒng)計資料表明，有桿抽油方法在我國的石油開采中所占比例為 90%-97%。[0006]多年以來專家呼吁從技術上解決水力活塞泵的不足，充分發(fā)揮水力活塞泵高技術性能的優(yōu)勢以適應油田發(fā)展的需求。雖然專家提出很多解決方案，但用水直接作為水力活塞泵工作動力介質是最好的解決方法，找到可直接用水作動力液的換向閥的技術，是現(xiàn)階段急需解決技術難題。發(fā)明內容[0007]本實用新型提供一種可以克服現(xiàn)有技術不足，可以提高水力活塞泵運動副密封效果，可以降低對水力活塞泵加工精度要求、材質要求，同時能滿足高壓條件下用水作為動力液的水力活塞泵換向閥。[0008]本實用新型的用水作動力液的水力活塞泵換向閥的運動副間進行動態(tài)密封的方法是將換向閥的所有動配合件間均采用組合密封，即采用選格來圈或/和斯特封這類組合密封進行密封。[0009]本實用新型的水力活塞泵換向閥的運動副間對軸動密封的組合密封為斯特封，用于孔動密封的組合密封為格來圈；或者用于軸動密封的組合密封為軸用格來圈，用于孔動密封的組合密封為孔用格來圈。[0010]采用本實用新型的方法水力活塞泵換向閥，包括:滑閥，閥套，活塞，上下有換向槽的活塞連桿，本實用新型的水力活塞泵換向閥中在滑閥與閥套的動配合面、滑閥與活塞連桿的動配合面的所有的動配合面都裝有格來圈或斯特封的密封組合密封件。[0011]本實用新型的水力活塞泵換向閥，包括:滑閥，閥套，活塞，上下有換向槽的活塞連桿，及安裝在滑閥和閥套上的組合密封，其特征在于設置于活塞、滑閥和閥套上用于軸動密封的組合密封為斯特封，用于孔動密封的為格來圈。[0012]本實用新型的水力活塞泵換向閥，包括:滑閥，閥套，活塞，上下有換向槽的活塞連桿，本實用新型的水力活塞泵換向閥在活塞、滑閥和閥套上用于軸動密封的組合密封件為軸用格來圈，用于孔動密封的組合密封件為孔用格來圈。[0013]上述本實用新型的水力活塞泵換向閥可以直接在現(xiàn)有水力活塞泵換向閥結構基礎上改進實現(xiàn)，也可以在設計成新結構的換向閥上實現(xiàn)。[0014]本實用新型從工作原理、實際結構到實際試驗效果很好的解決現(xiàn)有技術存在的專業(yè)難題，制成了用水直接作高壓動力液的高性能水力活塞抽油成套設備，實現(xiàn)了真正意義上的水力活塞泵。本實用新型方法可以有效地解決高壓條件下以水作為動力介質液壓系統(tǒng)運動摩擦副密封的問題，運動摩擦副磨損和壽命問題，這些正是水力活塞泵現(xiàn)有技術中長期難于解決的問題。[0015]本實用新型的關鍵之處是把傳統(tǒng)水力活塞泵換向閥的所有動密封由剛性結構的間隙密封改為柔性結構的接觸密封，也稱為材料密封。具體的技術方案就是加裝動密封性能優(yōu)越的組合密封一格來圈或斯特封類的組合密封。[0016]格來圈與斯特封為上世紀后期出現(xiàn)的液壓密封器件，它們是由由彈性體和密封環(huán)組合而成，其中的彈性體一般用標準的丁晴橡膠制成的O形圈，或X形的密封圈或矩形的密封圈；而密封環(huán)則是采用了填充有青銅或二硫化鑰或石墨或炭纖維等混合而成的氟塑料，經(jīng)固結后的管狀毛坯再經(jīng)機加工而成形。密封環(huán)是一種極為耐摩的材料，具有在極苛刻條件下，仍能保持高剛性，并具有抗一切化學物質的能力，其吸水性小于0.01 %，摩擦系數(shù)低，靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)極為接近，使用中不易發(fā)生爬行現(xiàn)象。把具有良好彈性的O形圈，與優(yōu)異的密封環(huán)組合在一起，構成組合密封，組合密封最常用的形式是格來圈和斯特封。其中的O形圈除了發(fā)揮靜密封作用外，還對密封環(huán)施加徑向均布壓力，使密封環(huán)發(fā)揮其優(yōu)異的密封作用；而密封環(huán)則承擔了動密封作用。這樣，組合密封圈使上述兩者揚長避短，形成了最佳搭配，各自發(fā)揮其優(yōu)點。格來圈一般用于缸孔與活塞間的密封，是雙向密封；而斯特封多用于活塞桿，是單向密封，為進一步提高其密封效果，故而多設計成階梯形；串聯(lián)布置兩個格來圈或斯特封時，能實現(xiàn)零泄漏。密封環(huán)中最著名的商業(yè)注冊名稱為特康。[0017]本實用新型用格來圈與斯特封對水力活塞泵中的泵管與活塞間、閥套與滑閥間、滑閥與活塞桿間的間隙進行動態(tài)密封，所使用的密封環(huán)可使用在水介質環(huán)境下有良好潤滑的青銅粉、碳纖維與氟塑料的復合材料，這可以保證水力活塞泵在水為動力液的條件下能良好地工作，同時因為采用格來圈或/和斯特封這種特殊的密封填料，可以使水力活塞泵的運動副間有較大的運動間隙，這樣可以大幅度降低制造難度，減少制造成本，同時又能充分實現(xiàn)運動副間的零泄漏，這一切是現(xiàn)有技術完全無法實現(xiàn)的。[0018]本實用新型的優(yōu)點:[0019]1、水力活塞泵采用液壓原理工作，換向閥頻繁切換高低壓通路，壓差高達幾十MPa，用閥套與滑閥的環(huán)空間間隙來維持密封，通常環(huán)空間的軸向長度很小，要使泄漏量滿足使用要求，密封間隙必須很小，用液壓油或石油作動力液，由于動力液黏度和潤滑性能好，在密封間隙內可以形成油膜，保護換向閥的摩擦副相互不直接接觸摩擦，只要保證一定的密封間隙就可以滿足使用要求。換用水作動力液情況就不同了，水黏度小流動性好，要求更小的間隙才能使高低壓的泄漏滿足使用要求。還有另外一個問題，水不能形成完整的膜保護換向閥摩擦副，潤滑性能差，將導致?lián)Q向閥摩擦副直接接觸摩擦，在頻繁的運動摩擦下形成的磨損將加大密封間隙，間隙大到一定程度，由水表面張力形成的粘滯阻力將減小，高壓將使泄漏量急劇增加，同時高速泄漏的水流將沖刷腐蝕換向閥體，使磨損間隙進一步加大，形成惡性循環(huán)。高壓狀態(tài)下用水作動力液，采用間隙密封的換向閥結構，即便現(xiàn)代技術實現(xiàn)起來也是很困難的。[0020]本實用新型解決了水力活塞泵使用水作動力介質時動態(tài)密封的問題，跳出了傳統(tǒng)水力活塞泵換向閥在剛性間隙密封條件下提高加工精度、更改結構、選擇對磨材料，結構越改越復雜的怪圈，可以大幅度提高水力活塞泵的實用性。方法結構簡化使加工變的簡單，成本大幅度降低。結構簡化使得工作過程更趨合理，故障率減少壽命增加。結構簡化使得安裝拆卸方便便于維護。[0021]2、本實用新型換向閥運行機制穩(wěn)定可靠，從應用上看，換向閥壽命要遠高于活塞壽命，因為兩者都使用動密封性能優(yōu)越的組合密封格來圈作為密封方式，換向閥和活塞都反復換向運動，但換向閥運行的距離和時間遠比活塞的短，所以換向閥壽命與活塞比要長的多。傳統(tǒng)水力活塞泵活塞由于密封面短，也采用接觸密封的方式，活塞的壽命一般不是問題，由此本實用新型換向閥壽命問題應該更不是問題。再則組合密封是低值標準件，更換成本很低，現(xiàn)場起降泵體更換又特別方便，所以從根本上克服了傳統(tǒng)水力活塞泵的關鍵不足。[0022]3、多動力介質使用，本實用新型使用動力介質多元化，給使用帶來極大方便，普通水過濾顆粒雜質后就可以作為高壓動力液，而這種動力液制備成本很低，井下污水、地表水簡單過濾都可直接使用，海水和其它腐蝕性強的水可以淡化后應用，目前淡化成本很低，再則換向閥經(jīng)過簡單處理，比如鑲鈦合金套等辦法，就可以大幅度提高抗腐蝕能力，甚至可以直接用海水作動力液。用井下產(chǎn)液簡單處理作動力液可以大幅度降低運行成本，提高實用性。[0023]4、目前油田的主流抽油設備是游梁式的抽油機，游梁式的抽油機存在效率低、設備笨重、可控性差、不適合斜井和平井抽油等一系列不足，受工作原理制約，能夠改進的余地不大。與此相反水力活塞泵效率高，重量輕，抽汲深度深，可在平井、斜井、海洋環(huán)境抽油，能夠抽稠油，可控性能好，主要技術性能優(yōu)越。但存在價格高、故障率高、壽命短、運行費用高的不足，限制了廣泛使用。原因主要是換向閥制約因素，本實用新型可大幅度降低水力活塞泵的造價，延長使用壽命，降低運行費用，從根本上打破水力活塞泵使用的瓶頸。本實用新型滿足油田對高性能抽油設備的需求，將從多方面提升抽油設備技術指標，符合國內外技術發(fā)展趨勢，為提高油田抽油效果趟出一條新路。[0024]依據(jù)本實用新型原理制作的水力活塞泵樣品地面試驗效果良好，運行平穩(wěn)可靠，以水作動力液的環(huán)境下試驗，運行一百多小時，換向閥密封件肉眼看不到磨損的痕跡。


[0025]附圖1為一種采用了本實用新型的方法的現(xiàn)有的水力活塞泵結構示意圖。附圖2為圖1中I部分局部放大圖。[0026]圖中:[0027]1、為上活塞上缸；2、上活塞；3、上活塞下缸；4、水力活塞泵體與油井套管環(huán)空間；5、上泵缸進油管道；6、上換向槽；7、孔；8、換向閥；9、組合密封(格來圈)；10、孔；11、孔；12、下?lián)Q向槽；13、下活塞；14、下活塞下缸；15、下活塞上缸；16、密封環(huán)；17、斯特封；18、閥芯； 19、孔；20、孔；21、孔。
具體實施方式
[0028]本實用新型
以下結合附圖說明。[0029]附圖1是一種常用的水力活塞泵換向閥結構的示意圖，美國KEBO公司的E型水力活塞泵采用這種結構，國內唯一生產(chǎn)水力活塞泵的廠家，勝利油田無桿泵有限公司生產(chǎn)的水力活塞泵換向閥均為此種類型。在現(xiàn)有技術中其結構中各相互運動的部件間均以間隙相隔。本實用新型的結構與現(xiàn)有技術不同在于，在圖1示的結構中各相互運動的部件間設置有斯特封或格來圈，即用黑色小方格表示的部分。[0030]本實用新型的工作原理為:當換向閥8處于上限位置時，高壓動力液進入下活塞的上端面，活塞組下行，上泵端吸入，下泵端排出；當活塞組運行到下極限位置時，活塞拉桿上的上換向槽將孔11和孔10連通，將孔11的低壓通過孔10連接到換向閥的底端，此時換向閥頂端承受著高壓，在壓差力的作用下?lián)Q向閥運動到下限位置。此時高壓動力液通過孔7進入上活塞下缸，活塞組換向上行，下活塞上缸中做過功的乏液通過孔20排出，上泵端開始排出，下泵端吸入。在這一過程中當活塞組向上運動到接近上極限位置時，高壓動力液通過拉桿下部的下?lián)Q向槽、孔10將高壓動力液連通到換向閥底部，此時換向閥頂部與底部同時作用高壓，但頂部與底部截面積不一樣大，底部大，壓差將使換向閥運動到上極限位置，活塞組又開始下行運動，如此反復循環(huán)，形成的液壓往復馬達將上下泵端的地層產(chǎn)液依次交替地推到泵、套管環(huán)形空間，并經(jīng)井口輸至地面。[0031]本實用新型的目的在于解決換向閥用水作動力介質時動密封密封性能及應用壽命問題，因此選最為常見換向閥結構，在其基礎上將剛性的間隙密封換為柔性的材料接觸密封，方法就是在其中的動密封配合面上開槽加裝組合密封，在圖上可以看到換向閥的三個配合面裝上了格來圈，兩個配合面裝在換向閥上，另一個配合面裝在閥芯上。另外在活塞連桿的動配合面上也加裝了斯特封，同樣目的也是為了增強動密封性能，活塞動配合面通常加裝格來圈。[0032]格來圈、斯特封是組合密封的兩種形式，典型的工作參數(shù)是:[0033]標稱最聞工作壓力:63MPa ；[0034]適用工作介質:油、乳化液、水；[0035]最高運動速度:6M/秒[0036]工作溫度:-30——200C0。[0037]組合密封形式很多，還有軸用格來圈、直角組合密封、腳形組合密封、C形組合密封、Y形組合密封、帽形組合密封、三角形組合密封、V形組合密封、泛塞封(四氟彈簧密封)、齒形組合密封、階梯形組合密封等等。分別適用于不同使用目的，強化一些技術指標的使用效果。填充改性的聚四氟乙烯作為接觸密封材料具有超耐磨特性，摩擦系數(shù)小，適用水潤滑。依據(jù)填充改性材料的不同，可以應用于油、乳化液、水多種介質，或專門應用于油或水單一介質。O形圈作為靜密封構件，在起到靜密封作用的條件下，還向聚四氟乙烯內面?zhèn)鬟f壓力，保證動密封面的密封效果。[0038]有資料報道，使用格來圈在運行150公里的條件下，格來圈還保持良好的密封性能，本實用新型設計的水力活塞泵換向閥每換向一次運動2cm，每4秒換向一次，按此計算，本實用新型的換向閥工作一年運行距離約為150公里，也就是說采用本實用新型方法的水力活塞泵換向閥至少可以正常運行一年以上，而國內現(xiàn)使用的水力活塞泵正常更換易損件的平均時間僅為一月左右。[0039]本實用新型以成熟的水力活塞泵換向閥為例，解決水工作介質條件下?lián)Q向閥動密封性能，目的是為了說明這一方法適用的廣泛性，如果重新設計水力活塞泵，在此技術的基礎上可以使設計更加方便有效，進一步提升水力活塞泵的全面技術性能指標，比如多液馬達多泵缸結構，使采油技術獲得大的突破。
權利要求1.水力活塞泵換向閥，包括:滑閥，閥套，活塞，上下有換向槽的活塞連桿，其特征在于在滑閥與閥套的動配合面、滑閥與活塞連桿的動配合面的所有的動配合面都裝有格來圈或斯特封的密封組合密封件。
2.根據(jù)權利要求1所述的水力活塞泵換向閥，其特征在于設置于活塞、滑閥和閥套上用于軸動密封的組合密封為斯特封，用于孔動密封的為格來圈。
3.采用權利要求2所述方法的水力活塞泵換向閥，包括:滑閥，閥套，活塞，上下有換向槽的活塞連桿，其特征在于設置于活塞、滑閥和閥套上用于軸動密封的組合密封件為軸用格來圈，用于孔動密封的組合密封件為孔用格來圈。
專利摘要本實用新型公開對水力活塞泵換向閥中的運動副間設置有組合密封件的水力活塞泵換向閥。本實用新型的技術特征是將水力活塞泵的換向閥的所有動配合件間均采用格來圈或斯特封的組合密封件進行密封。本實用新型解決了水力活塞泵使用水作動力介質時動態(tài)密封的問題，并可水力活塞泵所使用動力介質多元化；可使換向閥運行穩(wěn)定，動密封效果更為可靠；充分發(fā)揮水務活塞泵的優(yōu)點，使其更廣泛應用于油田，并取代游梁式的抽油機；可使換向閥密封件壽命大大延長。
文檔編號F04B53/12GK202954964SQ20122068360
公開日2013年5月29日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權日2012年12月12日
發(fā)明者張金生 申請人:張金生