[发明专利]用于在流体交换设备中使用的活塞以及相关设备、系统和方法

说明书

活塞和相关方法可以被配置为分离流体，并至少部分地禁止一个流体从活塞的一侧行进到活塞的另一侧。压力交换设备和系统可以包括这样的活塞。

优先权益

本申请要求于2018年11月9日提交的序列号为62/758,373的美国临时专利申请“Fluid Exchange Devices and Related Controls,Systems,and Methods(流体交换设备和相关控制装置、系统和方法)”的权益，其公开内容通过引用全部并入本文。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

附图说明