压裂泵及压裂泵组的制作方法

本发明涉及压裂泵技术领域，具体涉及一种压裂泵及压裂泵组。

背景技术：

石油钻井工程中的泥浆泵包括双缸双作用泥浆泵、三缸单作用泥浆泵和柱塞式压裂泵。其中，双缸双作用泥浆泵的工作原理是活塞往复，前端排液的同时，后端即实施进液；三缸单作用泥浆泵的工作原理为活塞往复，活塞前进时排液，后退时进液。柱塞式压裂泵的工作原理是柱塞往复运动以产生高压流体压裂液。双缸双作用泥浆泵、三缸单作用泥浆泵和柱塞式压裂泵它们都是间歇式的能量转换工作机（将机械能转换为液能），随着地质矿藏中页岩气能源的被发现及开发，现有的往复间歇式的能量转换工作机的优化已经到了极限，它们的体量、重量、能量转换的效率都难以满足现世界工程施工经济性不断的优化的需求，且严重地受到矿藏地理地质位置的限制，并且，往复间歇式的能量转换工作机由于输出的流体不连续，容易使能量转换工作机产生振动，进而影响能量转换工作机的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、冲击载荷小、噪音低以及使用寿命长的压裂泵及压裂泵组。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种压裂泵，包括缸体、螺杆和第一密封件，所述缸体内设置有密封空间，所述螺杆至少部分旋转安装于密封空间中，该螺杆具有螺旋形凹槽，所述缸体上开设有流体进口与流体出口，所述流体进口与该螺旋形凹槽的一端连通，所述流体出口与该螺旋形凹槽的另一端连通，所述第一密封件套设于该螺旋形凹槽外部以与螺旋形凹槽形成流体输送通道。

可选地，所述第一密封件包括多个同轴且紧密相抵的密封圈，至少部分所述密封圈的材质不同。

可选地，所述压裂泵还包括固设于所述密封空间内的进口垫套和出口垫套，所述螺杆的至少部分可转动地设于所述进口垫套和所述出口垫套内，所述多个密封圈定位在所述进口垫套和所述出口垫套之间。

可选地，所述出口垫套和所述第一密封件之间以及所述进口垫套和所述第一密封件之间中的一者设置有凸起部，所述进口垫套和所述第一密封件之间以及所述出口垫套和所述第一密封件之间中的另一者设置有与该凸起部相配合的凹陷部，以通过所述凸起部将所述第一密封件的至少部分压紧于所述凹陷部内。

可选地，所述缸体内设置有多个密封空间，每个所述密封空间内均设置有所述螺杆，所述缸体内还设置有相互独立的第一中转空间和第二中转空间，多个密封空间绕该第一中转空间和第二中转空间的周向均匀分布，所述第一中转空间分别与所述流体进口和所述多个螺旋形凹槽的一端连通，所述第二中转空间分别与所述流体出口和所述多个螺旋形凹槽的另一端连通。

可选地，所述缸体上开设有分别连通所述第一中转空间和所述密封空间的第一流体孔以及分别连通所述第二中转空间和所述密封空间的第二流体孔，所述第一流体孔与该流体进口相对应，所述第二流体孔与该流体出口相对应。

可选地，所述压裂泵还包括进口端盖、出口端盖和第二密封件，所述进口端盖固定连接在所述缸体的一端，所述出口端盖固定连接在所述缸体的另一端，所述螺杆穿过所述进口端盖并伸入到所述缸体内，所述第二密封件套设在位于所述进口端盖内的所述螺杆上。

可选地，所述压裂泵还包括流体输入管、流体输出管以及单向阀，所述单向阀包括第一单向阀和第二单向阀，所述流体输入管和流体输出管的数量均包括至少两根，且每根所述流体输入管内设置有允许流体进入所述缸体的所述第一单向阀，每根所述流体输出管内设置有允许流体从所述缸体中排出的所述第二单向阀，至少两根所述流体输入管均匀分布在所述缸体上并与所述流体进口连通，至少两根所述流体输出管均匀分布在所述缸体上并与所述流体出口连通。

本发明还提供一种压裂泵组，包括减速器和上述的压裂泵，所述减速器的输出端与所述螺杆连接以驱动该螺杆转动；

所述减速器包括箱体、中心齿轮、多个行星轮、主动轴和多根从动轴，所述主动轴至少部分旋转安装于所述箱体内，所述中心齿轮安装于所述主动轴上并位于所述箱体内，所述多根从动轴至少部分旋转安装于所述箱体内并沿所述主动轴的周向分布，每根从动轴上均安装有所述行星轮，每个行星轮均与中心齿轮啮合，所述从动轴与所述螺杆传动连接。

可选地，所述压裂泵组还包括底座，底座包括底板、支撑板、撑板以及定位件，所述支撑板可回转地设置在所述底板上，该定位件用于将所述支撑板锁止在底板上，所述撑板垂直设置在支撑板远离底板的一侧，该撑板支承于压裂泵。

本发明至少具有以下优点：

本发明所公开的压裂泵，其通过螺杆连续旋转以实现对流体连续、高速地输送，其冲击载荷小，噪音低，有利于降低使用成本且延长使用寿命。另外，相对于现有的柱塞式压裂泵，由于流体经由压裂泵连续地输出，螺杆转动过程中所产生的热量能够由流体带走，因此，无需针对压裂泵设置冷却系统，这样可以降低压裂泵的制造成本且使得其结构更加紧凑、合理。

附图说明

图1为本发明示例性实施例提供的压裂泵组的结构示意图；

图2为本发明示例性实施例提供的底座与压裂泵的部分结构示意图；

图2a为本发明示例性实施例提供的多个密封圈压紧在压圈和坐圈之间的状态示意图；

图3为本发明示例性实施例提供的缸体的结构示意图；

图4为本发明示例性实施例提供的第一密封件和出口垫套的结构示意图；

图5为本发明示例性实施例提供的螺杆的结构示意图；

图6为本发明示例性实施例提供的压裂泵与底座的结构示意图；

图7为图6的另一种视角的结构示意图；

图8为本发明示例性实施例提供的第一流体孔、第一中转空间和密封空间的位置示意图，或者第二流体孔、第二中转空间和密封空间的位置示意图；

图9为本发明示例性实施例提供的减速器的部分剖视图；

图10为本发明示例性实施例提供的从动轴和行星轮的结构示意图；

图11为本发明示例性实施例提供的主动轴和中心齿轮的结构示意图；

图12为本发明示例性实施例提供的底座的结构示意图；

图中，10-缸体；11-密封空间；12-流体进口；13-流体出口；14-第一中转空间/第二中转空间；15-第一流体孔/第二流体孔；20-螺杆；21-第一连接部；22-内螺纹孔；31-进口垫套；32-出口垫套；321-开孔；40-第一密封件；41-压圈；411-凸起部；42-坐圈；421-凹陷部；50-进口端盖；60-出口端盖；70-第二密封件；80-流体输入管；81-第一单向阀；90-流体输出管；91-第二单向阀；911-导套；912-弹簧；913-球塞；100-底板；101-支撑板；102-撑板；1021-凹槽；103-定位件；104-导向块；110-箱体；111-主动轴；112-中心齿轮；121-从动轴；122-行星轮；123-第二连接部；130-连轴套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

根据本发明的第一方面，提供一种压裂泵，参照图1-图12，该压裂泵包括缸体10、螺杆20和第一密封件40。

缸体10内设置有密封空间11，螺杆20至少部分旋转安装于密封空间11中，该螺杆20具有螺旋形凹槽，缸体10上开设有流体进口12与流体出口13，流体进口12与该螺旋形凹槽的一端连通，流体出口13与该螺旋形凹槽的另一端连通，第一密封件40套设于该螺旋形凹槽外部以与螺旋形凹槽形成流体输送通道。

在本发明的实施例中，当螺杆20在外部的驱动机构的作用下高速转动且流体经流体进口12进入螺旋形凹槽内时，流体在螺旋形凹槽的作用下不断地推进，从而形成高速的流体并经流体出口13排出。

现有柱塞式压裂泵采用间歇性的能量转换方式（机械能向液能的输出转换），其冲击载荷大、噪音高、使用成本也较高，本发明所公开的压裂泵，其通过螺杆20连续旋转以实现对流体连续、高速地输送，其冲击载荷小使得压裂泵内的零部件使用寿命长，噪音低，有利于降低使用成本，例如，在某些具有较高环境指标要求的区块进行工程施工时，为达到环境指标的要求，需要付出更多的工程施工成本。另外，相对于现有的柱塞式压裂泵，由于流体经由压裂泵连续地输出，螺杆20转动过程中所产生的热量能够由流体带走，因此，本发明实施例中无需针对压裂泵设置冷却系统，这样可以降低压裂泵的制造成本且使得其结构更加紧凑、合理。

需要说明的是，本发明实施例中的流体可以是水基酸化加沙液体。例如，可以通过石英砂、盐酸等按比例混配到水基液中。

为匹配螺杆20的安装，密封空间11可以设置为中空的圆柱状结构，螺杆20的轴线可以与密封空间11的轴线共线。

本实施例中，第一密封件40包括多个同轴且紧密相抵的密封圈，也就是说，密封圈的数量为多个，且相邻的两个密封圈紧紧地抵在一起，这种情况下，流体输送通道即形成在螺旋形凹槽与多个密封圈之间，由于相邻的两个密封圈之间紧密抵在一起（即两个密封圈之间没有间隙），这样可以避免流体从两个密封圈之间溢出，使得流体能够不断地从螺旋形凹槽的一端向另一端高速推进。并且，至少部分的密封圈的材质不同，换言之，多个密封圈的材质并不相同，由于本发明实施例中的流体含沙，若多个密封圈的材质相同，例如，当多个密封圈的材质均为弹性材料时，其难以满足加沙流体的冲击，而当多个密封圈的材质均为较硬质的密封圈时，在加沙流体的冲击下，其难以恢复形变，容易造成永久变形，因此，多个不同材质的密封圈有利于承压且延长第一密封件40的变形周期。

在本发明的实施例中，多个密封圈可以由任意合适的材质构成，例如，多个密封圈可以包括锡青铜密封圈、塑料密封圈、氟纤维夹布密封圈和氮化物瓷密封圈。

在其他实施例中，第一密封件40也可以由多种材质一体形成，例如，将较硬质的材料设置在第一密封件40的内部，而将软质的材料设置在第一密封件40的外部。

参照图2，本发明实施例中，压裂泵还包括固设于密封空间11内的进口垫套31和出口垫套32，螺杆20的至少部分可转动地设于进口垫套31和出口垫套32内，多个密封圈定位在进口垫套31和出口垫套32之间，其中，进口垫套31和出口垫套32可以通过螺纹连接的方式固定在密封空间11内，例如，可以通过t形螺纹以实现进口垫套31、出口垫套32稳定地固定在缸体10内。由于进口垫套31和出口垫套32的在缸体10内的位置固定，因此，通过进口垫套31和出口垫套32可以紧密地将多个密封圈定位在进口垫套31和出口垫套32之间，确保多个密封圈之间无间隙产生。

参照图2，进一步地，为使得多个密封圈紧紧地抵在一起，出口垫套31和第一密封件40之间以及进口垫套32和第一密封件40之间中的一者设置有凸起部，进口垫套32和第一密封件40之间以及出口垫套31和第一密封件40之间中的另一者设置有与该凸起部相配合的凹陷部，以通过凸起部将第一密封件40的至少部分压紧于凹陷部内，为了方便加工，凸起部可以设置在出口垫套32面向第一密封件40的端面，凹陷部可以设置在进口垫套31面向第一密封件40的端面，另外，凹陷部也可以设置在出口垫套32面向第一密封件40的端面，而凸起部可以设置在进口垫套31面向第一密封件40的端面，也就是说，凸起部可以一体成型在出口垫套31或者进口垫套32的端面上，且凹陷部可以一体成型在进口垫套32或者出口垫套31的端面上。其中，凸起部和凹陷部均沿出口垫套32或进口垫套31的径向延伸，即，凸起部和凹陷部在出口垫套32或进口垫套31的端面上呈圆环形地分布。

具体地，为了简化加工难度，参照图2a，该压裂泵还可以包括坐圈42和压圈41，坐圈42和压圈41均套设在螺杆20的周向，并且，坐圈42可以设置在出口垫套32和第一密封件40之间或者进口垫套31和第一密封件40之间，相应地，压圈41可以设置在进口垫套31和第一密封件40之间或者出口垫套32和第一密封件40之间，也就是说，压圈41和坐圈42对应分布在第一密封件40的两端，其中，压圈41靠近第一密封件40的端面设置有凸起部411，坐圈42靠近第一密封件40的端面设置有与该凸起部411相配合的凹陷部421，即，凸起部411可以一体成型在压圈41或者坐圈42的端面，凹陷部421可以一体成型在坐圈42或者压圈41的端面上，通过压圈41和坐圈42的相互挤压，即通过凸起部411将第一密封件40向凹陷部421内挤压，这样可以使得多个密封圈之间接触更加紧密。其中，凸起部411和凹陷部421可以构造成任意合适的结构，例如，沿螺杆20的轴向延伸的竖直截面对螺杆20进行剖面，凸起部411的形状可以为三角形，相应地，凹陷部421可以为三角形凹槽；此外，凸起部和凹陷部还可以呈梯形。

参照图2、图3和图8，缸体10内设置有多个密封空间11，每个密封空间11内均设置有螺杆20，也就是说，密封空间11、螺杆20和第一密封件40的数量是相同的，为了提高流体的输送效率，密封空间11可以设置为三个、四个、五个及其以上，缸体10内还设置有相互独立的第一中转空间14和第二中转空间14，这里的独立是指第一中转空间14和第二中转空间14是间隔开且未相互连通的（或者可以理解为，在圆柱状且中空的结构内在其中部设置一径向延伸的隔板，从而将中空的结构分为两段分隔开的空间），第一中转空间14和第二中转空间14可以沿缸体10的轴向延伸，多个密封空间11绕第一中转空间14和第二中转空间14的周向均匀分布，第一中转空间14分别与流体进口12和多个螺旋形凹槽的一端连通，第二中转空间14分别与流体出口13和多个螺旋形凹槽的另一端连通，通过第一中转空间14，可以将经由流体进口12进入的流体输送到多个螺旋形凹槽的一端，通过第二中转空间14，可以将经由多个螺旋形凹槽的另一端排出的流体引导至流体出口13，这样有利于使缸体10紧凑地布置，且有利于提高流体的输送效率。设置多根螺杆20和密封空间11，有利于增大压裂泵的排量，增大流体的压力。

需要说明的是，参照图2和图4，进口垫套31和出口垫套32构造成中空且两端贯通的圆柱状结构，其上设置有开孔321，开孔321的数量为多个，并沿进口垫套31和出口垫套32的周向均匀分布，以使流体经由密封空间11进入螺旋形凹槽的一端以及经由螺旋形凹槽的另一端进入到密封空间11中。

进一步地，参照图3和图8，缸体10上开设有分别连通第一中转空间14和密封空间11的第一流体孔15以及分别连通第二中转空间14和密封空间11的第二流体孔15，也就是说，第一中转空间14、第二中转空间14原本是与密封空间11间隔开的，在第一流体孔15、第二流体孔15的作用下使得第一中转空间14和密封空间11连通、第二中转空间14和密封空间11连通，这里的第一流体孔15的轴线分别垂直于第一中转空间14和密封空间11（或者是，第一流体孔15是沿缸体10的径向延伸），第二流体孔15的轴线分别垂直于第二中转空间14和密封空间11，这样可以缩短流体由第一中转空间14进入与进口垫套31对应的密封空间11的时间、以及流体由与出口垫套32对应的密封空间11进入第二中转空间14的时间。第一流体孔15与该流体进口12相对应，也就是说，流体经过缸体10上的流体进口12进入第一中转空间14后，再经由第一流体孔15进入到与螺旋形凹槽一端对应的密封空间11内，第二流体孔15与该流体出口13相对应，也就是说，流体经过螺旋形凹槽另一端对应的密封空间11、第二流体孔15，进入到第二中转空间14，再通过缸体10上的流体出口13排出指缸体10外。

参照图2和图5，压裂泵还包括进口端盖50、出口端盖60和第二密封件70，进口端盖50固定连接在缸体10的一端，出口端盖60固定连接在缸体10的另一端，螺杆20穿过进口端盖50并伸入到缸体10内，第二密封件70套设在位于进口端盖50内的螺杆20上，第二密封件70的设置，有利于防止流体从进口端盖50处溢出。其中，螺杆20与第二密封件70相配合的部分构造为光杆结构，第二密封件70的构造方式可以如第一密封件40的构造方式，即采用多个不同材质的密封圈，例如，可以采用氟纤维夹布密封圈、氮化物瓷密封圈、塑料密封圈和锡青铜密封圈交替地布置。另外，出口端盖60的设置，当需要对压裂泵检修时，通过卸下出口端盖60，有利于及时对压裂泵的内部零部件进行维修或者更换。为了方便螺杆20的取出，在螺杆20的端部（即螺杆20与出口端盖60对应的端部）设置有内螺纹孔22，以便具有外螺纹的杆件与螺杆20的内螺纹孔22配合后，拔出螺杆20。

参照图2、图6和图7，可选地，压裂泵还包括流体输入管80、流体输出管90以及单向阀，单向阀包括第一单向阀81和第二单向阀91，流体输入管80和流体输出管90的数量均包括至少两根，且每根流体输入管80内设置有允许流体进入缸体10的第一单向阀81，每根流体输出管90内设置有允许流体从缸体10中排出的第二单向阀91，第二单向阀91有利于防止流体返流到缸体10内，第一单向阀81和第二单向阀91可以均包括导套911、弹簧912和球塞913，流体输入管80和流体输出管90可以位于缸体10外，也可以至少部分位于缸体10内，另外，缸体10上还设置有分别连通第一中转空间14和流体进口12的第三流体孔、分别连通第二中转空间14和流体出口13的第四流体孔，第一单向阀81可以至少部分地设置在第三流体孔内，第二单向阀91可以至少部分地设置在第四流体孔内，第一单向阀81的导套911与流体输入管80连通，第一单向阀81的弹簧912位于导套911和球塞913之间，且该球塞913相对导套911远离于第一中转空间14，第二单向阀91的导套911与流体输出管90连通，第二单向阀91的弹簧912位于导套911和球塞913之间，且该球塞913相对导套911靠近于第二中转空间14。

至少两根流体输入管80均匀分布在缸体10上并与流体进口12连通，至少两根流体输出管90均匀分布在缸体10上并与流体出口13连通，例如，当流体输入管80和流体输出管90的数量分别为两根时，两根流体输入管80、两根流体输出管90可以相对于第一中转空间14的轴线对称地分布，流体输出管90也可以如此地布置，通过设置两根流体输入管80和两根流体输出管90，可以提高压裂泵的输出流量，同时，用户也可以根据场地的要求，即可以根据场地的要求选择其中一根流体输入管80和流体输出管90。

参照图1，根据本发明的第二方面，提供一种压裂泵组，包括减速器和上述的压裂泵，减速器的输出端与螺杆20连接以驱动该螺杆20转动。在本发明的实施例中，通过减速器驱动压裂泵的螺杆20转动，与传统的压裂泵传动机构（曲轴）不同，采用减速器来带动螺杆20转动，有利于降低压裂泵组的占用空间和整体重量，另外还可以减少制造成本，方便对压裂泵组的搬运和安装，例如，可以通过车装或者撬装的方式进行移运，不易受矿藏地理地质位置的影响。

参照图1、图9、图10和图11，具体地，减速器包括箱体110、中心齿轮112、多个行星轮122、主动轴111和多根从动轴121，主动轴111至少部分旋转安装于箱体110内，主动轴111可以与外部的动力源连接，以由动力源驱动转动，中心齿轮112安装于主动轴111上并位于箱体110内，多根从动轴121至少部分旋转安装于箱体110内并沿主动轴111的周向分布，即多根从动轴121沿主动轴111的圆周方向均匀分布，每根从动轴121上均安装有行星轮122，每个行星轮122均与中心齿轮112啮合，从动轴121与螺杆20传动连接，从动轴121的数量与螺杆20的数量一致，以由每根从动轴121与其中一根螺杆20连接。由此，当主动轴111在外部动力源的驱动下转动时，主动轴111可以通过中心齿轮112带动行星轮122转动，从而使从动轴121转动，这样就可以通过主动轴111驱动多根从动轴121同时转动。

参照图1、图5和图10，作为一种示例性实施方式，螺杆20的一端设置有第一连接部21，从动轴121的一端设置有第二连接部123，第一连接部21和第二连接部123均可以构造成齿轮，从而使得第一连接部21和第二连接部123可以通过连轴套130连接在一起，以使从动轴121与螺杆20通过连轴套130实现传动连接。

参照图1和图12，进一步地，底座包括底板100、支撑板101、撑板102以及定位件103，底板100和支撑板101的形状不定，其可以为圆形、矩形或者其他形状，支撑板101可回转地设置在底板100上，该定位件103用于将支撑板101锁止在底板100上，例如，可以通过螺栓将支撑板101相对于底板100锁止，撑板102垂直设置在支撑板101远离底板100的一侧，撑板102的数量可以为两块，并相对地设置在支撑板101上，该撑板102支承于压裂泵，具体而言，在撑板102上可以设置匹配缸体10外形的凹槽1021，这样可以有利于牢固地将缸体10固定于撑板102的凹槽1021中。此外，由于压裂泵可以相对于底板100转动，工作人员可以调节压裂泵在水平方向上的角度，以便拆卸进口端盖50和出口端盖60。

参照图12，另外，底板100的下方可以设置导向块104，以方便移动压裂泵组。

作为本发明的一种具体实施方式，还可以采用多个压裂泵串联的方式，以满足较高压力应用的需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。