[发明专利]泵传动系统阻尼系统和控制系统及其方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求申请日为2014年6月27日的美国专利申请No.62/018,310的优先权，在此结合其全部公开作为参考。

本申请要求申请日为2014年7月1日的美国专利申请No.62/019,610的优先权，在此结合其全部公开作为参考。

技术领域

本发明涉及用于井服务泵的阻尼系统和方法，且更具体地涉及用于减轻往复运动泵组件中的振动的阻尼系统和方法。

背景技术

在井的水力压裂过程中，流体通过往复运动或者容积式泵泵而被泵送进入井眼壳体和地下部件。该泵通常由一个或多个发动机驱动，该发动机经由称作泵传动系统的一组构件连接至泵。泵传动系统可包括多个构件，例如但不限于，发动机输出轴或曲轴，传动装置，一个或多个齿轮减速器，一个或多个传动系统连杆和泵曲轴。在操作过程中，在泵，泵传动系统和连接至泵传动系统的其它设备中发生振动。过量的振动引起对泵传动系统的损坏，并且可损坏泵和连接至泵传动系统的其它设备。此外，该振动可加速在传动系统的部件上的磨损，如传动装置，导致需要在泵传动系统的其它部件需要更换或维护之前就需要更换该部件。当泵传动系统的构件失效时，更换构件必须以对井操作者来说昂贵的费用更换。在一些情况下，井操作者为这种类型的失效准备备用构件，者进一步增加了操作井的成本。在一些实施方式中，泵传动系统经历谐振，其可引起对泵构件的过度损坏，以及对附近工人的潜在危险。

阻尼器用于减轻泵传动系统中的振动。例如，通常将一个或多个粘性阻尼器连接至泵传动系统以减小泵传动系统中的往复振荡力矩和振动。然而，现有的阻尼器没有充分地减轻振动，且通常没有减轻振动直到振动在传动系统中已经获得动量。例如，当前黏弹性阻尼器响应于已经存在于泵传送系统中的惯性且部分由于阻尼器的部件(例如，弹性体袋)中的流体粘性和张力而响应时间缓慢。此外，现有的阻尼器需要大的、重的构件来抵消泵传动系统中的振动。由于当前用于运输设备往返井场地的车辆(例如，压裂车(frac truck))的重量限制，现有的阻尼器可引起压裂车超重，从而需要对于运输压裂设备的通行许可。此外，包括大、重的部件的现有阻尼器通常难以连接至泵传动系统，且当连接至泵组件时难以拆卸和维护。

发明内容

在第一方面，提供了用于往复运动泵组件的阻尼控制系统，该阻尼控制系统更包括：至少一个传感器，被配置成感应所述往复运动泵组件的至少一个特性，该往复运动泵组件具有相反的第一和第二端部，且被配置成在所述第一端部可操作地连接至至少一个齿轮减速器；与所述至少一个传感器通信的至少一个处理器；可操作地连接至所述至少一个处理器的非瞬时计算机可读介质；和计算机程序，其存储在所述非瞬时计算机可读介质中且可由所述至少一个处理器运行；其中由所述至少一个处理器对所述计算机程序的执行被配置成使得一个或多个控制信号发送至位于所述往复运动泵组件的所述第二端部的一个或多个电磁体；以及其中所述一个或多个控制信号被配置成响应于所述至少一个处理器从所述至少一个传感器接收与所述往复运动的泵组件的至少一个特性相关的信号或数据而被发送。

在一个示例性实施方式中，所述阻尼控制系统包括多个传感器，其中所述至少一个传感器是该多个传感器的一部分；其中所述多个传感器被配置成感应所述往复运动泵组件的各特性。

在另一个示例性实施方式中，所述往复运动泵组件包括在所述第一和第二端部之间延伸的曲轴，以及在所述第二端部可操作地连接至所述曲轴的飞轮；且其中所述往复运动泵组件的各特性包括以下的一个或多个：在所述往复运动泵组件中的压力；旋转曲轴位置；和飞轮的加速度。

在仍另一个示例性实施方式中，阻尼控制系统还包括被配置成与所述一个或多个电磁体通信的控制器。

在一些示例性实施方式中，所述控制器包括所述至少一个处理器和所述非瞬时计算机可读介质中的一个或两个。

在示例性实施方式中，所述阻尼控制系统还包括反向通量二极管，其被配置成在所述控制器和所述一个或多个电磁体之间串联地电连接。

在第二方面，提供了一种减轻泵传动系统中的振动的方法，该泵传动系统包括传动轴，可操作地连接至传动轴的传动装置，和可操作地连接至传动装置的发动机。该方法包括：检测在所述泵传动系统中的力矩变化的开始；响应于检测到的所述泵传动系统中的力矩变化的开始而发送一个或多个控制信号至一个或多个电磁体；以及使用所述一个或多个电磁体抵消所述力矩变化的至少一部分，以防止由于力矩变化而在所述传动轴、所述传动装置和所述发动机中的一个或多个中产生不可接受的惯性。