一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵

摘要

本发明公开了一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，包括动力端和液力端，动力端包括机身、曲轴，液力端包括泵体、柱塞，动力端的曲轴经连杆连接有十字头，十字头连接有联接杆，联接杆与液力端的柱塞相连接；机身内部设有供联接杆穿过的函体，函体的内壁和联接杆的外壁之间填充有第一密封组件和第二密封组件，第一密封组件和第二密封组件间隔设置，两者之间形成有平衡腔，平衡腔经管路与泵体的进液口相连接，管路上设有介质与润滑油的转换器，联接杆参与形成平衡腔的外壁上设有用于柱塞液力平衡的平衡面。本发明将液力平衡腔设置在动力端，在满足使用时液态CO2不气化的前提下使动力端结构得到简化且便于拆装维修。

权利要求

1.一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，包括动力端和液力端，动力端包括机身（1）以及曲轴（2），液力端包括泵体（3）以及柱塞（4），动力端的曲轴（2）经连杆连接有十字头（5），十字头（5）连接有联接杆（60），联接杆（60）与液力端的柱塞（4）相连接；

其特征在于：所述机身（1）内部设有供联接杆（60）穿过的函体（7），所述函体（7）的内壁和联接杆（60）的外壁之间填充有第一密封组件（8）和第二密封组件（9），所述第一密封组件（8）和所述第二密封组件（9）间隔设置，两者之间形成有平衡腔（10），所述平衡腔（10）经管路（11）与泵体（3）的进液口相连接，所述管路（11）上设有介质与润滑油的转换器，所述联接杆（60）参与形成平衡腔（10）的外壁上设有用于柱塞（4）液力平衡的平衡面（20）；所述联接杆（60）包括一体连接的主联接杆（61）和副联接杆（62），所述副联接杆（62）的端部与十字头（5）相连接，所述主联接杆（61）的端部与柱塞（4）相连接，主联接杆（61）的杆径大于副联接杆（62），所述平衡面（20）过渡连接在主联接杆（61）与副联接杆（62）之间；所述平衡面（20）整体呈环状，由一条多段线围绕联接杆（60）的中轴线回转360°而形成。

2.根据权利要求1所述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，其特征在于：所述第一密封组件（8）位于副联接杆（62）的外壁与函体（7）的内壁之间，第一密封组件（8）包括相对于平衡腔（10）由远及近依次紧密排列的副导向套（81）、副密封填料（82）和副压紧螺帽（83）。

3.根据权利要求1所述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，其特征在于：所述第二密封组件（9）位于主联接杆（61）的外壁与函体（7）的内壁之间，第二密封组件（9）包括相对于平衡腔（10）由近及远依次紧密排列的主导向套（91）、主密封填料（92）和主压紧螺帽（93），所述主压紧螺帽（93）位于函体（7）靠近柱塞（4）端的端口位置。

4.根据权利要求1所述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，其特征在于：所述副联接杆（62）与十字头（5）、主联接杆（61）与柱塞（4）均采用螺纹连接，副联接杆（62）端部设有外凸的螺纹公端（601），主联接杆（61）端部设有内凹的螺纹母端（602）。

5.根据权利要求1‑4任一项所述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，其特征在于：所述多段线包括依次连接的第一弧线（603）、直线（605）和第二弧线（604），所述第一弧线（603）回转形成的弧面连接副联接杆（62）的外壁且该弧面向内凹，所述第二弧线（604）回转形成的弧面连接主联接杆（61）的外壁且该弧面向外凸。

6.根据权利要求1所述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，其特征在于：所述函体（7）与机身（1）为一体式的结构。

7.根据权利要求6所述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，其特征在于：所述函体（7）内部沿动力传送方向依次设有孔径逐渐递增的一级孔（71）、二级孔（72）、三级孔（73）、四级孔（74）、五级孔（75）和六级孔（76），一级孔（71）和二级孔（72）之间的台阶用于抵住第一密封组件（8），四级孔（74）和五级孔（75）之间的台阶用于抵住第二密封组件（9）。

8.根据权利要求1、6或7所述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，其特征在于：所述函体（7）上对应平衡腔（10）的位置设有贯通函体（7）内壁和外壁的贯通孔（12），函体（7）的外壁设有连接贯通孔（12）端部的管接头（13），所述管接头（13）的一端与贯通孔（12）端部相连接，所述管接头（13）的另一端与管路（11）相连接。

9.根据权利要求1所述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，其特征在于：所述主联接杆（61）的外径小于柱塞（4）的外径。

说明书

一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵

技术领域

[0001] 本发明涉及一种往复式柱塞泵，特别是一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵。

背景技术

[0002] 油田在三次采油中广泛应用CO2吞吐驱油工艺来保产增产。CO2作为油田三次采油工艺中不可缺少的特殊介质之一，把地面上的CO2注入到地下为该工艺的重中之中，同时也
可提高对环境的保护，二者有不可分离之意。液态CO2输送工艺一般都采用往复式柱塞泵，
由于CO2输送过程中温度与压力是根据CO2饱蒸数据的要求而定，需要把液态CO2在完全不
气化状态下输送才能保证往复式柱塞泵能正常运行。

[0003] 目前三次采油工艺中的CO2复合驱油存在的主要问题是CO2普遍会在往复泵注入过程中气化的问题，由于CO2敏感于压力与温度关系，如果在注入过程中，泵进口压力与温
度在饱䒱数据的临界点以上那就很容易气化，一旦气化往复泵就无法作功。通过十几年三
次采油工艺采用CO2吞吐驱油技术，实践证明了CO2驱油工艺的推广是很有价值和意义的，
大量的CO2资源需要注入地下，就目前的注入工艺状况要完成大量CO2注入地下起到快速驱
油增产是难以实现的，根据CO2的特征如果能通过压缩体积后再注入地下来实现CO2注入吞
吐驱油工艺，则效果非常令人期待，把1立方体积的液态CO2注入到地下可迅速膨胀到600立
方体积，但因为液态CO2气化后体积变化大，注入过程中很难做到液态CO2不气化。

[0004] 广大油田用户提出急需一种密态输送CO2的往复泵设备。密态注入就是把液态CO2增压至8‑20MPa后通过往复泵再增压，这样把CO2压缩后进行密态输送注入地下来达到注入
速度快，减少大量的注入设备和缩短注入时间，通过快速注入来瞬间补充提高地下的压力
从而提高采收率。为此研究开发CO2在密态状况下输送的工艺技术设备是具有历史意义的。
由于液态CO2在输送中会产生各种各样的气化原因，一旦气化输送设备就会无效运行。所有
密态输送CO2介质的设备必须具备抗气化功能，常规增压输送介质水、油等液体的泵且进口
带5‑20MPa压力的，均会选用达到液力平衡的往复式柱塞泵来使出口压力与进口压力的压
差达到平衡，从而满足往复式柱塞泵在运行中各动力端的运动件能在平衡条件下工作，确
保运动件在间隙中能进入润滑油以不至于使动力端出现发热烧损等故障。

[0005] 倘若采用常规的液力平衡往复式柱塞泵对液态CO2进行输送，由于输送介质的特殊性，介质会在运动摩擦过程中发热，引起气化，因为常规往复泵的平衡腔设置在液力端且
与泵体进液口相连，进入平衡腔的液力平衡源是输送介质，输送介质往复串锁般地高流射
在函体平衡腔与泵体排出腔中，此处在高流速、高摩擦作用下产生大量的热能会使液态CO2
加速气化，采用传统的液力平衡柱塞泵是很难使液态CO2在不气化的条件下进行密态输送。

[0006] 目前市面上虽然也有将液力平衡腔设置在动力端的往复泵，但由于动力端本身的结构就已经非常紧凑，即动力端本身需要润滑油对其各运动部件进行润滑，油路和油腔无
疑占据了动力端较多的空间，液力平衡腔加装难度大，会使得整个动力端结构偏复杂化，后
续维修和更换零部件难度和成本大，如本申请人先前申请的专利申请号为202010808716 
.X“液力平衡往复泵”，该专利申请中泵的液力平衡点在十字头上，具体是在十字头联接杆
的末端，形状为锥形，液力平衡腔的加装本身就会提高动力端结构的复杂程度，同样提高了
动力端维保的频率及难度，例如，当构成平衡腔的零部件需要更换时，需要沿动力端所在方
向依次将曲轴所连接的连杆、十字头、十字头联接杆等部件拆下，较为费时费力。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于，提供一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵。本发明将液力平衡腔设置在动力端，在满足使用时液态CO2不气化的前提下使动力端结构得到简化且便于
拆装维修。

[0008] 本发明的技术方案：一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，包括动力端和液力端，动力端包括机身以及曲轴，液力端包括泵体以及柱塞，动力端的曲轴经连杆连接有十字
头，十字头连接有联接杆，联接杆与液力端的柱塞相连接；所述机身内部设有供联接杆穿过
的函体，所述函体的内壁和联接杆的外壁之间填充有第一密封组件和第二密封组件，所述
第一密封组件和所述第二密封组件间隔设置，两者之间形成有平衡腔，所述平衡腔经管路
与泵体的进液口相连接，所述管路上设有介质与润滑油的转换器，所述联接杆参与形成平
衡腔的外壁上设有用于柱塞液力平衡的平衡面。

[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：通过将液力平衡腔设置在往复泵的动力端且液力平衡腔内输入经介质与润滑油转换器转换后的润滑油，使得液态CO2在输送
时不会因产热而气化，又能在增压参数值达到100%平衡条件下进行输送，进一步地，本发明
的液力平衡腔设置在函体的内壁和联接杆的外壁之间，液力平衡腔可以同时作为联接杆上
通入润滑油的润滑腔，也即通入的润滑油既起液力平衡作用又起润滑作用，虽然平衡腔设
置在动力端但并没有单独占用动力端的空间，使得动力端的结构得以简化，同时，由于平衡
腔设置在函体内壁和联接杆外壁之间的环形空间里，腔内液力交换流速低，润滑油散热面
积大导热快，在一定程度上也有利于密态输送液态CO2 介质。另外，当参与构成平衡腔的动
力端部件也即联接杆需要拆装维修时，本发明无需拆下动力端的连杆、十字头等部件，可沿
液力端方向单独将联接杆拆下更换或维修，第一密封组件和第二密封组件也可沿液力端方
向直接拆下更换或维修，便于拆装维修。

[0010] 前述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵中，所述联接杆包括一体连接的主联接杆和副联接杆，所述副联接杆的端部与十字头相连接，所述主联接杆的端部与柱塞相
连接，主联接杆的杆径大于副联接杆，所述平衡面过渡连接在主联接杆与副联接杆之间。

[0011] 前述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵中，所述第一密封组件位于副联接杆的外壁与函体的内壁之间，第一密封组件包括相对于平衡腔由远及近依次紧密排列的副
导向套、副密封填料和副压紧螺帽。

[0012] 前述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵中，所述第二密封组件位于主联接杆的外壁与函体的内壁之间，第二密封组件包括相对于平衡腔由近及远依次紧密排列的主
导向套、主密封填料和主压紧螺帽，所述主压紧螺帽位于函体靠近柱塞端的端口位置。

[0013] 前述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵中，所述副联接杆与十字头、主联接杆与柱塞均采用螺纹连接，副联接杆端部设有外凸的螺纹公端，主联接杆端部设有内凹的
螺纹母端。

[0014] 前述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵中，所述平衡面整体呈环状，由一条多段线围绕联接杆的中轴线回转360°而形成，所述多段线包括依次连接的第一弧线、直线
和第二弧线，所述第一弧线回转形成的弧面连接副联接杆的外壁且该弧面向内凹，所述第
二弧线回转形成的弧面连接主联接杆的外壁且该弧面向外凸。

[0015] 前述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵中，所述函体与机身为一体式的结构。

[0016] 前述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵中，所述函体内部沿动力传送方向依次设有孔径逐渐递增的一级孔、二级孔、三级孔、四级孔、五级孔和六级孔，一级孔和二级
孔之间的台阶用于抵住第一密封组件，四级孔和五级孔之间的台阶用于抵住第二密封组
件。

[0017] 前述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵中，所述函体上对应平衡腔的位置设有贯通函体内壁和外壁的贯通孔，函体的外壁设有连接贯通孔端部的管接头，所述管接
头的另一端与管路相连接。

[0018] 前述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵中，所述主联接杆的外径小于柱塞的外径。

[0019] 前述的一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵中，柱塞泵的缸数为单缸、双缸、三缸、五缸或七缸等。

附图说明

[0020] 图1是本发明的结构示意图；

[0021] 图2是联接杆与函体、柱塞及十字头之间的配合结构示意图；

[0022] 图3是联接杆的结构示意图；

[0023] 图4是函体与机身、滑道之间的配合结构示意图；

[0024] 图5是图4沿A‑A方向的内部结构剖视图。

[0025] 附图标记：1‑机身，2‑曲轴，3‑泵体，4‑柱塞，5‑十字头，7‑函体，8‑第一密封组件，9‑第二密封组件，10‑平衡腔，11‑管路，12‑贯通孔，13‑管接头，20‑平衡面，51‑滑道，60‑联
接杆，61‑主联接杆，62‑副联接杆，71‑一级孔，72‑二级孔，73‑三级孔，74‑四级孔，75‑五级
孔，76‑六级孔，81‑副导向套，82‑副密封填料，83‑副压紧螺帽，91‑主导向套，92‑主密封填
料，93‑主压紧螺帽，601‑螺纹公端，602‑螺纹母端，603‑第一弧线，604‑第二弧线，605‑直
线。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

[0027] 实施例：一种密态输送液态CO2的往复式柱塞泵，柱塞泵可为立式或卧式，本发明需要把CO2介质通过在8‑20MPa范围的高压下压缩，把体积缩小后的CO2高压输送注入到地
层下，根据CO2特性来减少输送设备数量及输送注入的时间，最终达到密态输送的特殊经济
效益要求，本发明结构如图1所示，包括动力端和液力端，动力端包括机身1以及曲轴2，液力
端包括泵体3以及柱塞4，动力端的曲轴2经连杆连接有十字头5，十字头5连接有联接杆60，
联接杆60与液力端的柱塞4相连接。

[0028] 本发明机身1内部设有供联接杆60穿过的函体7，函体7的内壁和联接杆60的外壁之间填充有第一密封组件8和第二密封组件9，第一密封组件8和第二密封组件9间隔设置，
两者之间形成有平衡腔10，平衡腔10经管路11与泵体3的进液口相连接，管路11上设有介质
与润滑油的转换器，联接杆60参与形成平衡腔10的外壁上设有用于柱塞4液力平衡的平衡
面20，平衡面20在第一密封组件8和第二密封组件9的密封作用下能抵消泵的进口压力，防
止动力端运动件缺少润滑干磨发热烧瓦事故。

[0029] 第一密封组件8和第二密封组件9能对平衡介质润滑油起液力密封作用。

[0030] 作为优选，本发明对十字头5设置有与函体7前端相连的滑道51，函体7的内孔与十字头5的滑道51设置在同一中心线上，根据柱塞泵的缸数来决定函体7及滑道51的数量，函
体7与机身1为一体式的结构，柱塞泵的缸数可为单缸、双缸、三缸、五缸或七缸等，若柱塞泵
为多缸结构，则函体7与函体7之间在水平方向上相互连体，连体材料为筋板，函体7上下也
与机身1连体以增加机身1与函体7的连接强度、刚度，见图5。

[0031] 如图2所示，本发明由于需要在联接杆60外侧设置平衡腔10，因此对函体7结构进行了新的设计，包括函体7的长度需要相应地增长，此时函体7对连接杆的导向作用会更好，
加上函体7前端增设的用于十字头5导向的滑道51，本发明能确保十字头5、联接杆60、柱塞4
三体连接后运行时的直线性更好，从而减低柱塞4运行中的摩擦功耗。

[0032] 作为优选，联接杆60包括一体连接的主联接杆61和副联接杆62，副联接杆62的端部与十字头5相连接，主联接杆61的端部与柱塞4相连接，主联接杆61的杆径大于副联接杆
62，平衡面20过渡连接在主联接杆61与副联接杆62之间，见图2，本发明对联接杆60结构的
设计基于拆装更加便捷的理念，当本发明柱塞4运行直线性出现问题时，需要对柱塞4、联接
杆60进行维修，包括拆下各自的填料，在拆除联接杆60或其填料时，本发明无需拆下曲轴2
的连杆、十字头5等部件，只需沿液力端所在方向将联接杆60拧出，再沿液力端所在方向取
出填料即可，安装时亦是如此，无需对动力端其它部件进行拆装，后续维保时省时省力。

[0033] 作为优选，如图3所示，副联接杆62与十字头5、主联接杆61与柱塞4均采用螺纹连接，副联接杆62端部设有外凸的螺纹公端601，主联接杆61端部设有内凹的螺纹母端602，在
柱塞4运行到液力端的末端时，保证主联接杆61的端部是露在函体7的外侧的，这样方便工
具夹取主联接杆61的端部以将整个联接杆60拆除。

[0034] 作为优选，第一密封组件8位于副联接杆62的外壁与函体7的内壁之间，第一密封组件8包括相对于平衡腔10由远及近依次紧密排列的副导向套81、副密封填料82和副压紧
螺帽83，由于拆第一密封组件8时，拆除方向是沿液力端所在方向，因此，副压紧螺帽83相对
于副导向套81和副密封填料82需要处于靠近拆除端所在位置。

[0035] 作为优选，第二密封组件9位于主联接杆61的外壁与函体7的内壁之间，第二密封组件9包括相对于平衡腔10由近及远依次紧密排列的主导向套91、主密封填料92和主压紧
螺帽93，主压紧螺帽93位于函体7靠近柱塞4端的端口位置，由于拆第二密封组件9时，拆除
方向是沿液力端所在方向，因此，主压紧螺帽93相对于主导向套91和主密封填料92需要处
于靠近拆除端所在位置。

[0036] 作为优选，平衡面20整体呈环状，由一条多段线围绕联接杆60的中轴线回转360°而形成，多段线包括依次连接的第一弧线603、直线605和第二弧线604，第一弧线603回转形
成的弧面连接副联接杆62的外壁且该弧面向内凹，第二弧线604回转形成的弧面连接主联
接杆61的外壁且该弧面向外凸，平衡面20并非是与柱塞4端面平行的环形面，而是由一个斜
面接两个弧面的结构，该结构有助于实现液力平衡。

[0037] 作为优选，如图4、5所示，函体7内部沿动力传送方向依次设有孔径逐渐递增的一级孔71、二级孔72、三级孔73、四级孔74、五级孔75和六级孔76，一级孔71和二级孔72之间的
台阶用于抵住第一密封组件8，四级孔74和五级孔75之间的台阶用于抵住第二密封组件9。

[0038] 一级孔71满足副联接杆62向十字头5所在端伸出，其孔径最小；二级孔72用于副导向套81和副密封填料82的安装；三级孔73用于副压紧螺帽83的安装，三级孔73在轴向方向
上的长度短于副压紧螺帽83在轴向方向上的长度，也即副压紧螺帽83一部分是处于四级孔
74内；四级孔74为平衡腔10设置的位置，轴向长度为各孔中最长的一个；五级孔75用于主导
向套91和主密封填料92的安装；六级孔76用于主压紧螺帽93的安装，主压紧螺帽93安装后
其外侧面与函体7在该侧的外侧面相齐平。

[0039] 孔径逐渐递增的一级孔71、二级孔72、三级孔73、四级孔74、五级孔75和六级孔76是为了函体7内两组填料的拆卸方便而设计，同时也使得函体7的内孔便于加工，只需按六
级孔76、五级孔75、四级孔74、三级孔73、二级孔72和一级孔71的加工顺序沿动力端所在方
向逐个加工即可，制造成本低。

[0040] 作为优选，函体7上对应平衡腔10的位置设有贯通函体7内壁和外壁的贯通孔12，函体7的外壁设有连接贯通孔12端部的管接头13，管接头13的另一端与管路11相连接，管接
头13通过螺纹连接的方式拧在函体7的外壁上。

[0041] 联接杆60上的主联接杆61与副联接杆62的外径尺寸以及平衡面20的面积可由柱塞力的平衡要求来决定。

[0042] 作为优选，主联接杆61的外径小于柱塞4的外径，该设计能大大缩短本发明动力端的长度，由于本发明联接杆60及其填料的拆除是沿液力端所在方向的，当柱塞4沿泵体3的
柱塞腔拆出后，联接杆60也能从柱塞腔拆出，这样一来，函体7端部与泵体3之间的长度可以
大大缩短（原先至少大于联接杆60的长度，便于联接杆60的拆装），且方便拆装。

[0043] 本发明的工作原理：当柱塞泵排液时，动力端向前运动，泵体3的排液口排出液态CO2，此时，液态CO2部分输入至管路11，介质与润滑油的转换器转换作用将动力端的润滑油
压入平衡腔10内，此时润滑油既起到润滑联接杆60的作用，又起到液力平衡的作用；具体
地，由于平衡腔10内压力与泵体3出口以及柱塞4端面相同，此时，当柱塞4往前运动时，其直
径端面受力为泵体3出口压强与柱塞4端面积的积，该力大小与平衡腔10内平衡面20受到的
合力大小相等，刚好平衡，动力端的运动件在轴与瓦中心线的中间周边都有间隙，润滑油可
进入润滑状态，动力端运动件均在润滑条件中运行无干磨发热的症状。

[0044] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便
于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以
特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0045] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。