技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于在井下操作期间提供
流体压
力的井下
液压泵。
背景技术
[0002] 在井下操作/井下作业（特别是用于驱动操作工具的井下作业和/或用于井
眼壁或井眼
套管的接合的井下操作）期间越来越多地使用将流体作为驱动力的井下工具。通过井下液压泵来提供用于这些流体工作单元的液压动力。由于井下条件，这些液压泵在很多方面都受限制，并且还需要在井下操作期间有效地工作以节省时间和资本。由于井下的空间限制，泵的物理尺寸受限，供给的动力也受限，典型地因为来自于地表的
测井电缆由于长距离上的大压降而受到限制，或者如果使用井下
电池的话，那么空间限制再次变成制约因素。此外，液压泵必须有效以提供足够的用于井下流体工作单元的驱动力和速度，因为这样减少了井下作业时间，继而降低了成本。此外，井下泵必须耐用，因为故障对于作业时间来说更加关键——因为所有的维修和修复必须在地表完成，这就使得必须从井眼中将井下工具全部取回。已知的液压泵包括多个体积周期性地改变的
活塞腔，其中在该活塞腔中，通过转动的
凸轮凸部（cam lobe）迫使活塞以循环的方式移动而提供通过活塞腔的流体的
排量。然而，这种液压泵经常不足以有效地提供井下所需的动力，并且移动部件还可能遭受磨损。
发明内容
[0003] 本发明的目的是部分地或全部地克服上述的
现有技术的缺点和
缺陷。更具体地，本发明的目的是提供一种改进的液压泵，其在井下作业期间能够提供比现有技术中的泵更大的流体动力。
[0004] 通过根据本发明的解决方案能够完成从以下的说明中将变得显而易见的上述目的、以及多个其他目的、优点和特征，本发明涉及一种用于在井下作业期间提供流体压力的井下液压泵，其包括：
[0006] -
凸轮轴，其可转动地设置在所述泵壳中且具有纵向
转轴，所述凸轮轴包括轴和设置在所述轴上的凸轮凸部，
[0007] -呈放射状地设置的活塞，其具有壳端和凸轮端，
[0008] -活塞壳，其设置在所述泵壳中，
[0009] -入口
阀，其设置在所述活塞壳的入口中，
[0010] -出口阀，其设置在所述活塞壳的出口中，以及
[0011] -活塞
弹簧，该活塞弹簧设置在所述泵壳中以用于将所述活塞移离所述活塞壳，[0012] 其中，所述活塞壳可转动地连接到所述泵壳，使得所述活塞壳能够绕平行于所述凸轮轴的纵向转轴的活塞壳转动轴转动。
[0013] 根据本发明的井下液压泵还可包括多个活塞、活塞壳、入口和出口阀以及活塞弹簧。
[0014] 此外，所述活塞可在所述活塞壳中通过所述凸轮凸部在第一方向上移动，通过所述活塞弹簧在第二方向上移动。
[0015] 此外，所述泵壳可具有与所述活塞壳的入口流体连通的入口。
[0016] 所述泵壳可具有与所述活塞壳的出口流体连通的出口。
[0017] 在一个
实施例中，活塞
侧壁和所述活塞壳的内壁之间的间隙距离在宽度上可小于10微米。
[0018] 如上所述的液压泵还可包括
轴承，该轴承设置在所述凸轮轴和所述多个活塞的所述凸轮端之间。
[0020] 另外，根据本发明的井下液压泵可包括含有活塞、活塞壳、入口阀、出口阀和活塞弹簧的组，其中所述入口阀、所述出口阀和所述活塞弹簧设置在所述活塞壳中且沿着纵向轴具有一相互距离。
[0021] 此外，根据本发明的井下液压泵可包括多个活塞、多个活塞壳、多个入口阀、多个出口阀以及多个活塞弹簧，其中，一组包括一个活塞、一个活塞壳、一个入口阀、一个出口阀和一个活塞弹簧，所述井下液压泵还可包括多个设置在所述泵壳中的上述组且所述多个组沿着纵向轴具有一相互距离，各组以星状物的形状对称地设置，大致沿径向远离所述纵向转轴。
[0022] 在一个实施例中，所述泵还可包括以四层（每层由三个活塞构成）设置的12个活塞，各层沿纵向转轴位于四个不同的
位置，每层的三个活塞以彼此之间120°的星形
角呈放射状地设置，并且各层以30°的移位角移位，从而使得所有的12个活塞具有与径向相邻的活塞相隔30°的独一无二的径向位置。
[0023] 另外，所述入口阀和所述出口阀可以是单通阀，诸如
球阀。
[0024] 此外，所述球阀的多个球体可由陶瓷材料制成。
[0025] 根据本发明的井下液压泵还可包括与所述多个出口阀流体连接的聚积单元。
[0026] 此外，具有两个凸轮凸部端面的所述凸轮凸部还可包括至少一个中空部，其在所述凸轮凸部端面之间提供流体连通通道。
[0027] 如上所述的具有两个泵壳端面的泵壳还可包括至少一个中空部，该中空部在所述泵壳端面之间提供流体连通通道。
[0028] 另外，根据本发明的井下液压泵还可包括过滤装置，该过滤装置设置在所述多个入口阀的上游且与所述入口阀流体连接。
[0029] 此外，根据本发明的井下液压泵还可包括多个位于所述泵壳中的凹陷部，所述凹陷部具有与包含在所述泵壳中的相邻的可移动部件（诸如所述活塞，所述活塞壳和/或所述活塞弹簧）的形状相对应的形状。
[0030] 另外，如上所述的活塞壳可以可转动地悬浮在所述泵壳中。
[0031] 所述泵的最大内部液压优选地可超过100bar，更优选地超过300bar，甚至更优选地超过600bar。
[0032] 此外，可通过如下的方式在所述活塞壳的第一端将所述活塞壳可转动地附接到所述泵壳：将所述入口阀设置在所述泵壳的柱形槽中，所述入口阀在一端通过可转动环状
密封件被悬浮设置，将所述入口阀的相对端附接在所述活塞壳中；通过如下的方式在所述活塞壳的第二端将所述活塞壳可转动地附接到所述泵壳：将所述出口阀设置在所述泵壳的柱形槽中，所述出口阀在一端通过可转动环状密封件被悬浮设置，将所述出口阀的相对端附接在所述活塞壳中。
[0033] 此外，所述凸轮轴可通过一组凸轮轴轴承悬浮在所述泵壳中。
[0034] 如上所述的活塞弹簧可设置成包围所述活塞。
[0035] 此外，所述活塞弹簧可设置成包围所述活塞以及局部地包围所述活塞壳。
[0036] 所述活塞弹簧可设置在所述活塞壳内部。
[0037] 另外，所述活塞可以是中空的。
[0038] 泵的最高转速优选地可超过4000rpm，更优选地可超过6000rpm，甚至更优选地可超过8000rpm。
[0039] 此外，如上所述的活塞弹簧可具有优选地超过2000N/m，更优选地超过3000N/m，甚至更优选地超过4000N/m的弹簧常数。
[0040] 最后，根据本发明的井下液压泵还可包括沿着所述泵壳的外表面的多个槽。
[0041] 在本发明的一个实施例中，所述入口和出口阀可与所述泵壳或所述活塞壳固定地连接。
[0042] 此外，所述入口和出口阀可与所述泵壳或所述活塞壳非固定地连接。
[0043] 另外，所述入口和出口阀可与所述泵壳固定地连接，并且所述入口和出口阀可与所述活塞壳非固定地连接。
[0044] 此外，所述入口和出口阀可通过固定式环状阀密封件与所述泵壳或所述活塞壳固定地连接。
[0045] 此外，所述入口和出口阀可通过非固定式环状阀密封件与所述泵壳或所述活塞壳非固定地连接。
[0046] 最后，所述入口和/或出口阀可以是所述泵壳或所述活塞壳的一体部分。
附图说明
[0047] 以下将参考示意性附图更加详细地对本发明和它的多个优点进行说明，为了说明的目的，示出了一些非限制性实施例，其中：
[0048] 图1示出了井下液压泵的剖视图，
[0049] 图2示出了凸轮轴的立体图，
[0050] 图3示出了不带泵壳的井下液压泵的12个活塞构造的立体图，
[0051] 图4示出了不带泵壳的井下液压泵的12个活塞构造的剖视图，
[0052] 图5示出了泵壳的剖视图，
[0053] 图6示出了泵壳立体图，
[0054] 图7示出了活塞和活塞壳的剖视图，以及
[0055] 图8示出了井下液压泵的另一实施例的剖视图。
[0056] 所有的附图都是高度示意的，并不一定按比例绘制，并且它们只示出了为了解释本发明所必需的一部分，其他部分被省略了或仅仅给予暗示。具体实施方式。
[0057] 图1示出了用于在井下作业期间提供流体动力的井下液压泵的剖视图。该液压泵包括泵壳2和凸轮轴3，该凸轮轴3可转动地设置在泵壳2中且具有纵向转轴A1。该凸轮轴包括轴4和凸轮凸部5，该凸轮凸部5设置在轴上以用于移动呈放射状（沿径向）设置的活塞6，该活塞6具有位于活塞壳（该活塞壳设置在泵壳中）中的壳端6a和凸轮端6b。活塞弹簧10设置在泵壳中在活塞壳7和活塞之间，从而迫使活塞在朝向凸轮凸部的方向上移动。以此，凸轮凸部迫使活塞沿朝向活塞壳的方向移动，并且弹簧用于沿相反的方向移动活塞。
[0058] 术语“流体动力”用在全文中以定义由受控循环的加压流体传递至
马达或其他单元的动力，其中马达或其他单元将该流体动力转换成能够在负载上做功的机械输出。流体动力因此是压力和液压流体的速度的函数。
[0059] 活塞壳7具有设置在活塞壳7的入口中的入口阀8和设置在活塞壳的出口中的出口阀9。设置在活塞壳中的活塞围出一个体积空间。阀是单通阀，当凸轮凸部5将活塞6移动到活塞壳7中时，上述体积减小且该体积空间中的流体被迫经由出口阀9而流出到出口通道30中。此外，当凸轮移离活塞壳7时，弹簧确保活塞6在相反的方向上跟随凸轮轴3且确保上述体积空间增大，由此使得流体经由入口阀8而流入。以此，凸轮轴的旋转力被传导成将流体泵入到出口通道30中以致动连接到泵的操作工具。
[0060] 活塞壳可转动地连接到泵壳，从而使得活塞壳7能够绕平行于轴4的纵向转轴A1的活塞壳转动轴A2转动。液压泵1还可包括与多个出口阀9流体连接的聚积单元13，以用于收集在所有的活塞壳7中产生的加压流体。液压泵1还可包括设置在多个入口阀8的上游的且与入口阀8流体连接的过滤装置76，以用于从进入到活塞壳7的液压流体中过滤掉任何不想要的粗粒子。过滤装置76大大地减少了液压泵1的磨损。
[0061] 如图1所示，借助于用作泵壳2和活塞壳7之间的
铰链或固定件的入口和出口阀8、9，活塞壳被设置成可转动地连接到泵壳。通过环状阀密封件11有利于完成入口和出口阀8、
9与活塞壳的可移动连接，该密封件设置为O型环，该环状阀密封件另外将入口阀和出口阀的内部与外部隔离。因为入口阀的内部与泵壳2的入
口腔31流体连接，所以阀密封件11确保在液压泵1的入口通道中循环的液压流体进入到活塞壳7的内部。
[0062] 通过使用入口和出口阀8、9并且通过诸如O型环的阀密封件11将它们可转动地连接到活塞壳7和泵壳，提供了活塞壳的转动以及活塞壳7的内部以及入口和出口阀8、9的密封，并且避免使用额外的轴承。
[0063] 图2示出了凸轮轴3的立体图，其中凸轮凸部5在第一和第二凸轮端面5a、5b之间沿纵向延伸，且包括一个以上腔体5c，该腔体5c提供穿过凸轮的从第一凸轮端面5a到第二凸轮端面5b的通道。这使得流体能够从凸轮的一侧穿过腔体/多个腔体5c到凸轮的另一侧。因为来自于操作工具（泵向该操作工具供给流体）的流体经常经井下液压泵返回输送——即，泵中的液压流体的返流——通过泵的内部而到达入口阀，通过具有这些通道可使得这些返流最大化。此外，腔体5c具有额外的优点，即，它们能够减小凸轮凸部5的
质量。通过减小凸轮凸部的质量，转动凸轮的质量所需的
能量最小化，这将是有利的，特别是在
加速和减速期间。此外，使转动凸轮轴的
不平衡效应进一步最小化。凸轮轴3借助于马达围绕纵向转轴A1转动，马达因此更加有效地用于对液压流体加压。
[0064] 图3示出了井下液压泵的12个活塞构造的立体图，其中，泵壳已经被省去以能够看见凸轮轴3和活塞壳之间的活塞6、活塞壳7、入口/出口阀8、9以及活塞弹簧10的构型。如图3所示的构型包括12个活塞6和12个活塞壳7。在使用期间，凸轮轴3由于施加到轴4的外部旋转力（典型地，通过未示出的
电机施加，该电机由未示出的地表装置供电或者由未示出的电池供电）而绕纵向转轴A1转动。轴的旋转力通过凸轮凸部5被传递到活塞，导致活塞6的由活塞壳7引导的往复运动。图3示出了多个活塞弹簧10，这些活塞弹簧10确保多个活塞一直被压向凸轮轴3的凸轮。因为由于活塞壳中的体积空间的减小而使得在活塞壳的内部存在
负压，为了使得液压泵能够像预期一样起作用，活塞需要被朝向凸轮轴推回。此外，液压泵1可在很高的转速下工作使得活塞6连续地与凸轮凸部5保持
接触以确保可以获得全的泵送体积对于泵的效率而言是关键的。在转速增加的情况下，活塞弹簧因此需要具有高的弹簧常数以跟上快速的旋转。如图3所示，活塞壳7具有第一和第二端，入口和出口阀设置成它们促使流体在活塞壳的第一端中流动，同时活塞在活塞壳的第二端中移动。因此，活塞壳的用于使得流体流入和流出活塞壳的开口41设置成靠近活塞壳的底部40，活塞壳被打开从而使得活塞能够朝向和远离活塞壳的底部40移入和移出活塞壳。
[0065] 活塞可选地可由本领域中已知的较为传统的活塞-杆装置构成，这样可以减小活塞的质量且可以降低活塞在移动期间在活塞壳中的阻力。
[0066] 图4示出了液压泵1的12个活塞构型的剖视图。如图4所示的垂直于纵向的剖视图展示了如何围绕凸轮轴3设置多组活塞。在此构型中，各组活塞由以120°的相互活塞角（v1，v2，v3）设置的三个活塞组成。在此构型中，四组活塞（每组由三个构成）已经以30°的相互活塞组角度（v4）设置。通过使各组活塞移位30°，活塞壳被允许在纵向上重叠，因此使得可以减小泵在纵向上的总体延伸尺寸。为了减小凸轮和活塞之间的
摩擦力，围绕凸轮凸部5设置有轴承（诸如滚针轴承）14。为了能够围绕凸轮设置滚针轴承14，凸轮凸部5可以是偏心筒。以此，凸轮可以在轴承内部自由地转动，由此使凸轮的外表面5d和活塞6的凸轮端之间的横向摩擦力最小化。
[0067] 图5示出了一个由三个活塞构成的活塞组的活塞以及凸轮轴的示意图。因为凸轮相对于凸轮轴的纵向转轴被偏心地
定位，所以活塞试图在靠近凸轮的转动中心的方向上而不是在靠近轴心的方向上与凸轮接合。因此，凸轮的力被传递到活塞上的施力点35经常较靠近活塞的中
心轴33，从而使得活塞不被迫使成沿着径向34移动。在现有技术的泵中，因为活塞壳不能朝向具有更优的施力点的更优位置转动，所以施力点偏离活塞的中心轴33移位。因此，如图5所示，活塞壳绕活塞壳转轴A2转动允许活塞与凸轮以更优的位置接合，继而增大了泵的效率且减小了活塞、活塞壳和凸轮的磨损。当凸轮轴3转动时，活塞和活塞壳将在两个极端位置之间来回地进行摇摆运动。
[0068] 图6示出了带有以下将说明的多个槽、凹陷部和雕刻图案（carvings）的泵壳，所有的槽、凹陷部和雕刻图案都用于容纳如图1至4所示的移动部件——也就是活塞壳、弹簧、凸轮轴和活塞。如图6所示的泵壳2以如上所述的4个活塞组——每组由三个活塞构成——容纳12个活塞。四组活塞壳被容纳在四组槽（18a，19a，20a，21a）中，四组槽在泵壳2的纵向上具有一相互距离。第一组槽18a容纳第一组活塞壳18c，活塞壳18c借助于泵壳2中的一组柱形槽18d中的入口和出口阀18b而安装到泵壳2，进行必要的修正后可用于剩下的三组槽（19a，20a，21a）、入口和出口阀（19b，20b，21b）、活塞壳（19c，20c，21c）和柱形槽（19d，20d，21d）。
[0069] 液压泵1将液压流体泵送到在井下操作期间需要液压动力的其他井下工具。典型地，液压流体被以闭环的形式输送返回到液压泵1——因为由于一般地在井下工具管柱中只有小量的液压油可用所以操作时间非常有限。在此液压流体的闭环中，由于特殊的井下限制，液压流体被有利地经泵的内部37输送返回。以此，泵的内部37用作液压流体储存箱。然而，在具有此类型的设计的情况下，要求流经内部37的流动不受限，从而使得泵受到流回到入口阀8的液压流的限制。因此，内部37必须针对通过泵壳内的流动情况被优化。这种设计的另一优点是通过液压流体对内部37中的移动部件进行恒定的润滑。
[0070] 活塞弹簧10的作用是与来自凸轮的意图将活塞推向活塞壳的力相对抗。为了方便，对于附图所示的实施方式，活塞弹簧10可选地可设置在活塞内部或活塞壳内部，并且仍然实现弹簧的目的。
[0071] 入口和出口阀8、9可以是单通球阀。为了提高球阀的响应能力，可优选地使用很轻的球8a。特别是在很高的转速期间，球的重量可变成泵效率的制约因素，因为球不能在球阀中足够快地移动。为了具有非常轻的球，考虑到重量和耐用性两者，陶瓷材料是非常有用的。因为陶瓷材料非常耐用且非常轻，所以这种材料可有利地用于球阀。
[0072] 凸轮轴3连接到马达的转动轴42，且悬浮在一组凸轮轴轴承39诸如球轴承中，以确保凸轮轴3以很小的摩擦力平稳转动。
[0073] 可利用
锁定环（未示出）来锁定凸轮轴轴承39，还在内部37中提供更开阔的空间，以使液压流体在泵壳中返流的阻力最小化。
[0074] 具有重叠的多组活塞壳的液压泵1的紧凑性使得泵轴在纵向上长度很短。短的泵轴（即，凸轮和凸轮轴的长度短）使得轴可以细且坚固，因为该尺寸对于井下装备的用途多样性而言是很重要的。此外，泵的对称性使得凸轮轴的力恒定。
[0075] 图7示出了活塞和活塞壳的剖视图。活塞和活塞壳优选地可制造成：活塞的外表面43和活塞壳的内表面44之间的间隙距离D1非常小。该间隙距离还可用术语“直径间隙距离（D1）”表示，因为该间隙距离表示活塞壳的内径和活塞的外径之间的不同。优选地，间隙距离D1小于10微米，该间隙可通过诸如珩磨的加工工艺达到。使得间隙距离D1较小将使得经过空隙而发生的
泄漏保持在可接受的
水平，并且避免了进一步密封活塞壳，从而防止油从活塞壳的内部经由此间隙距离D1逸出。
[0076] 图8示出了液压泵1的一个实施方式。如图1所示，活塞壳设置成借助于作为泵壳2和活塞壳7之间的铰链的入口和出口阀8、9而可转动地连接到泵壳。通过环状的阀密封件11a、11b（诸如O型环）有利于入口和出口阀8、9与活塞壳7之间的可移动连接，该密封件另外将入口和出口阀的内部相对于外部密封。给定的入口阀8或出口阀9可通过固定式环状阀密封件11a而固定地连接到泵壳2或活塞壳7，并通过非固定式环状密封件11b而可转动地连接到泵壳2或活塞壳7中的另一个。通过使用具有用于将活塞壳7固定到泵壳2的固定式和非固定式的环状阀密封件11a、11b的阀，固定环状阀密封件11a上的磨损可被最小化，同时还保持活塞壳7绕活塞壳转动轴转动的能力。非固定式环状阀密封件11a可包括与O型环组合的
钢垫圈，以确保阀8、9以及活塞壳7之间小的摩擦。使用钢垫圈提高了活塞壳7的可动性，但是，钢垫圈和活塞壳之间的接触增加了活塞壳上的磨损。因此，为了提高泵的使用寿命以抵抗活塞壳上的加剧磨损，活塞壳可在制成之后被硬化。如果阀8、9通过非固定式环状阀密封件11a在两端非固定地连接，也将导致泵壳2上的加剧磨损。泵壳上的加剧磨损是更加严重的问题，因为整个泵壳的硬化是更加昂贵和困难的任务。硬化表示的不仅仅是材料的硬化，还是材料的尺寸的微小改变。在设计泵壳尺寸的过程中必须要考虑硬化之前的这种微小改变，从而使得泵壳在硬化之后有正确的尺寸。如例如图6中所示，泵壳2是复杂的结构，因此受控的硬化很难且很昂贵。活塞壳7的硬化不太复杂，仅仅是因为活塞壳7较小且结构比泵壳2更简单。通过非固定式环状阀密封件11a将入口和出口阀8、9固定到活塞壳7且通过固定式环状阀密封件11b将入口和出口阀8、9固定到泵壳2，可以克服上述的问题。或者，入口和/或出口阀8、9可以是泵壳2的一体的部分，且仍只设置有一个非固定式环状阀密封件11a以提供可转动的活塞固定件。
[0077] 因此，为了减小井下液压泵中的移动部件的磨损，入口和出口阀可与泵壳或活塞壳固定地连接，但是没有必要与两者都固定连接。通过使得入口和出口阀仅在入口和出口阀的一端与泵壳或活塞壳非固定地连接，活塞壳还可绕轴转动，在入口和出口阀的该固定端对泵的磨损可减少。
[0078] 入口和出口阀可通过应用固定式环状阀密封件或
焊接连接可固定地连接到泵壳或活塞壳。在本发明的一些实施例中，入口和出口阀可以是泵壳或活塞壳的一体部分。
[0079] 虽然以上已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域的技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的由如下的
权利要求限定的范围的情况下，可设想到多种
修改。
