用于在流体交换设备中使用的活塞以及方法与流程

本公开内容大体涉及用于交换设备的活塞。更具体地，本公开内容的实施方式涉及用于在流体交换设备中使用的活塞以及系统和方法，该设备用于在流体之间交换特性(例如，压力)中的一种或更多种。

背景技术：

1、工业过程往往涉及液压系统，其包括泵、阀、叶轮等。泵、阀和叶轮可以用于控制在液压过程中使用的流体的流。例如，一些泵可以用于增加(例如，增压)液压系统中的压力，其他泵可以用于将流体从一个位置移动到另一位置。一些液压系统包括阀，以控制流体的流向。阀可以包括控制阀、球阀、闸阀、截止阀、止回阀、隔离阀、它们的组合等。

2、一些工业过程涉及使用腐蚀性流体、磨蚀性流体和/或酸性流体。这些类型的流体可能会增加液压系统的部件上的磨损量。增加的磨损可能导致增加的维护和修理成本，或者需要提前更换器材。例如，磨蚀性、腐蚀性或酸性流体可能会增加泵的内部部件诸如叶轮、轴、叶片、喷嘴等上的磨损。一些泵是可修复的，并且操作可能会选择更换磨损零件来修复磨损泵，这可能会造成磨损泵的停机时间延长，从而造成需要冗余泵或造成生产力下降。其他操作可以更换磨损泵，费用较高但停机时间减少。

3、石油和天然气行业中的完井作业往往涉及液压压裂(往往被称为压裂或致裂)，以增加岩层中石油和天然气的释放。液压压裂涉及在高压下将含有水、化学物质和支撑剂(例如沙子、陶瓷)的组合的流体(例如致裂流体、压裂流体等)泵送到井中。流体的高压增加了裂缝的大小和裂缝在岩层中的传播，释放出更多的石油和天然气，而支撑剂则在流体减压后防止裂缝闭合。压裂作业使用高压泵来增加压裂流体的压力。然而，压裂流体中的支撑剂由于其磨蚀性增加了高压泵的磨损和维护，并基本上降低了高压泵的运行寿命。

技术实现思路

1、不同的实施方式可以包括用于在流体之间交换压力的设备或系统。设备可以包括至少一个罐、在至少一个罐中的至少一个活塞以及阀设备。罐可以包括：清洁侧，用于接收处于较高压力的清洁流体；和污浊侧，用于接收处于较低压力的井下流体(例如，压裂流体，钻探流体)。活塞可以被配置为将清洁流体与井下流体分离，从而至少部分地禁止流体井下流体从污浊侧行进至清洁侧。阀设备可以被配置为选择性地将处于较高压力的清洁流体通过活塞与处于较低压力的井下流体连通，以将井下流体加压至第二较高压力。

2、另一实施方式可以包括用于在流体之间交换至少一种特性的设备或系统。设备可以包括至少一个罐、在至少一个罐中的至少一个活塞以及阀设备。罐可以包括用于接收具有第一特性的第一流体(例如，清洁流体)的第一端部和用于接收具有第二特性的第二流体(例如，污浊流体)的第二端部。活塞可以被配置为将清洁流体与污浊流体分离，并基本上禁止流体污浊流体从第二侧行进至第一侧。

3、另一实施方式可以包括用于至少部分地分离至少两个流体流的活塞。活塞可以在上面讨论的设备或系统中实施。活塞包括：本体，该本体具有沿本体轴线延伸的开口，其中该开口限定了通过活塞的流体通路；以及阻塞该开口的至少一个阀。至少一个阀被配置为使流体能够在沿流体通路的一个方向上流动通过开口，并至少部分地抑制流体在沿流体通路的另一相反方向上流动通过开口。

4、另一实施方式可以包括操作压力交换设备的方法，该方法包括：向阀的高压进口供应高压流体，该阀被配置为将高压流体的流引导至腔室；通过腔室中的活塞将压力从高压流体转移到污浊流体；使高压流体中的一些能够经过活塞；以及基本上禁止污浊流体经过活塞进入高压流体。

5、本技术的一个方面提供了一种用于至少部分地分离至少两个流体流的活塞，所述活塞包括：本体，所述本体具有沿所述本体的轴线延伸的开口，所述开口限定了经过所述活塞的流体通路，所述本体被配置为基于由至少一个流体在罐内施加的力而在所述罐内不受约束地行进；以及阻塞所述开口的至少一个阀，所述至少一个阀被配置为使流体能够在沿所述流体通路的一个方向上流过所述开口，并且至少部分地抑制流体在沿所述流体通路的另一相反方向上流过所述开口，其中，所述至少一个阀朝向所述一个方向偏置到关闭位置。

6、在一些实施方式中，所述开口从所述本体的第一端部上的第一凹部延伸到所述本体的第二端部上的第二凹部，所述第一凹部和所述第二凹部被定位为在所述至少一个阀之间并被所述至少一个阀分离。

7、在一些实施方式中，所述至少一个阀包括被定位在所述至少一个阀的上游的凹部。

8、在一些实施方式中，所述至少一个阀被配置为：当在所述一个方向上行进的流体克服所述至少一个阀的偏置力时，所述至少一个阀移动到打开位置。

9、在一些实施方式中，所述活塞包括抗磨蚀材料，所述抗磨蚀材料被配置为在流体中至少部分地具有浮力。

10、在一些实施方式中，所述活塞的所述本体被配置为在不附接外部轴的情况下在所述罐内不受约束地行进。

11、在一些实施方式中，所述本体的至少一个端部包括倒棱边缘部分，所述倒棱边缘部分被配置为在所述本体与所述罐的内壁之间的交界面处产生流体涡流，所述本体被配置为在所述罐的所述内壁中行进。

12、在一些实施方式中，所述活塞还包括传感器的至少一部分，所述传感器被配置为检测所述本体的存在，并且所述本体移动穿过所述罐。

13、在一些实施方式中，所述活塞还包括至少一个磁体，所述至少一个磁体被定位为围绕所述本体的环周，所述至少一个磁体被配置为产生磁场，以用于通过相关联的传感器进行感测。

14、在一些实施方式中，所述至少一个阀被定位在所述本体的中间部分中，其中，所述本体的第一端部上的第一凹部和所述本体的第二端部上第二凹部被定位在所述至少一个阀的相对侧上。

15、本技术的另一方面提供了一种用于在罐内至少部分地分离至少两个流体流的活塞，所述活塞包括：本体，所述本体具有沿所述本体的轴线延伸的开口，所述开口限定了经过所述活塞的流体通路，所述本体被配置为基于由至少一个流体施加的或在所述罐内施加的力而在所述罐内不受约束地行进；以及阻塞所述开口的一部分的至少一个阀，所述至少一个阀被配置为使流体能够在沿所述流体通路的一个方向上流过所述开口，并且至少部分地抑制流体在沿所述流体通路的另一相反方向上流过所述开口。

16、在一些实施方式中，所述至少一个阀被定位在所述本体的中间部分中，其中，所述本体的第一端部上的第一凹部和所述本体的第二端部上第二凹部被定位在所述至少一个阀的相对侧上，以及其中，所述第一凹部和所述第二凹部被所述至少一个阀分离。

17、在一些实施方式中，所述至少一个阀包括止回阀，所述止回阀朝向所述一个方向偏置到关闭位置。

18、在一些实施方式中，所述活塞还包括非接触式传感器组件的一部分，所述非接触式传感器组件被配置为能够在所述本体移动穿过所述罐时检测所述本体的存在。

19、在一些实施方式中，所述非接触式传感器组件的所述部分包括至少一个磁体，所述至少一个磁体被定位为围绕所述本体的环周，所述至少一个磁体被配置为产生磁场，以用于通过所述非接触式传感器组件的相关联的传感器进行感测。

20、本技术的又一方面提供了一种利用活塞至少部分地分离至少两个流体流的方法，所述方法包括：使流体沿着被限定在活塞的本体中的流体通路进行流动，并流过沿着所述活塞的所述本体的轴线延伸的开口，利用至少一个阀来阻挡所述开口的一部分；在所述至少一个阀的第一状态下，使流体能够在沿着所述流体通路的一个方向上流过所述开口；以及在所述至少一个阀的第二状态下，至少部分地抑制流体在沿着所述流体通路的另一相反方向上流过所述开口。

21、在一些实施方式中，所述方法还包括：在所述至少一个阀的所述第一状态下，使高压流体能够经过所述活塞；以及在所述至少一个阀的所述第二状态下，基本上禁止低压流体经过所述活塞进入所述高压流体。

22、在一些实施方式中，所述方法还包括：在所述至少一个阀的所述第一状态下，打开所述至少一个阀；以及在所述至少一个阀的所述第二状态下，关闭所述至少一个阀。

23、在一些实施方式中，所述方法还包括：利用传感器组件对所述活塞的所述本体的位置进行感测。

24、在一些实施方式中，所述方法还包括：利用至少一个磁体产生磁场以通过所述传感器组件的一部分进行感测，所述至少一个磁体被定位为围绕所述本体的环周。