CN101117956B - 一种防垢、防腐和防砂陶瓷抽油泵及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在石油开采的结垢、腐蚀和出砂井中使用的防垢、防腐和防砂陶瓷抽油泵及其制造方法。该泵由油管变扣接头1、油管2、泵筒总成3、柱塞总成4组成，在构造材料上，其柱塞和泵筒的工作部分由表面硬度极高的工程结构陶瓷制造，选择的工程结构陶瓷精加工后具有极好的防垢、防腐和防砂性能；在结构上，该泵采用了挡、刮、沉三种特殊结构的组合，完成防垢和防砂的功能。该制造方法包括：陶瓷件的制造方法、陶瓷泵筒的加工和装配方法和陶瓷柱塞的加工和装配方法。该泵工作中性能可靠、寿命长、泵效高，能够解决结垢和出砂严重的油井的有杆泵采油技术难题。

Description

一种防垢、防腐和防砂陶瓷抽油泵及其制造方法

技术领域：

本发明涉及一种在石油开采的结垢、腐蚀和出砂井中使用的防垢、防腐和防砂陶瓷抽油泵及其制造方法。

背景技术：

在石油开采中，有杆泵采油是其中一种最主要的采油方式。随着大量采油新工艺方法和油田化学增油措施的应用，油井的结垢、腐蚀和出砂现象越来越严重，导致井下大量抽油泵早期失效，检泵周期很短，甚至关井停产，这些已经严重影响油田的正常生产和经济效益。目前，虽然对抽油泵进行了大量的研究和改进工作，但由于金属材料本身的特性、泵制造中热处理工艺的限制以及在结构上存在的不足，多年来一直进步不大，现场应用无明显效果，成为困扰油田发展的技术难题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种在石油开采的结垢、腐蚀和出砂井中使用的防垢、防腐和防砂陶瓷抽油泵及其制造方法，该泵使用在结垢、腐蚀和出砂井中能够大幅度延长检泵周期、并且能提高泵效。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在构造材料、形状结构和制造方法上同时提出了适于应用的新的技术方案。

在构造材料上，其柱塞和泵筒的工作部分由表面硬度极高的工程结构陶瓷制造，选择的工程结构陶瓷精加工后具有极好的防垢、防腐和防砂性能。陶瓷部件通过金属零件连结组装成一体，组装部件之间通过间隙的设计和预应力的施加，消除了热变形的影响和应力的合理分布。阀球用工程结构陶瓷制造，阀座可以使用工程结构陶瓷制造，也可以用钨钴类硬质合金、钴铬钨合金或者碳化钛合金制造，为了提高钨钴类硬质合金的抗疲劳性能，材料中可添加0.5～1％的钽。由于油井类型、井下温度和原油物性的不同，陶瓷柱塞、泵筒和阀组分别用氧化锆、氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆增韧陶瓷或金属陶瓷等制造，陶瓷配方应加入合适的增韧剂，在保证抗弯强度的同时，提高陶瓷件的断裂韧性。由于工程结构陶瓷精加工后的疏垢特性、极高的表面硬度和无晶界的组织结构，能达到防垢、防腐和防砂的效果。

在结构上，该泵采用了挡、刮、沉三种特殊结构的组合，完成防垢和防砂的功能。挡是在柱塞上设计了挡垢、挡砂帽，挡垢、挡砂帽可与柱塞出油接头制成一体，其外径大于泵筒内径，在泵的上、下行程中，使油管柱中沉垢，沉砂沿其外径滑落，而不能够进入柱塞与泵筒的工作间隙中去；刮是在泵筒两端设计组合的刮垢、刮砂环，刮垢、刮砂环成组设置，装在环组外套中，环组外套与刮垢、刮砂环中间装有弹簧套，对刮垢、刮砂环施加压力，使其工作中紧紧包复在柱塞外表面，达到工作时粘附在柱塞上的结垢和砂粒也无法进入泵的工作间隙中去；沉是在泵筒外设计了沉砂外管、沉垢、沉砂通道和进液分隔接头，使泵中挡垢、挡砂帽挡落的沉垢、沉砂和刮垢、刮砂环刮落的垢和砂能顺利地进入到盛垢、盛砂管中，在检泵作业时提出地面。

陶瓷件的制造方法是：粉料超细制备—真空造粒—振动法填模—等静压成型—烧结—热处理—粗磨—精磨。在粗磨后按每窑抽样的方式进行力学性能和烧熟检验，精磨后用飘红、荧光检验或其它相应检验方法逐—检查表面质量。

陶瓷泵筒的加工和装配方法是：陶瓷衬套内外圆柱面及端面精加工后，端面进行镀铜处理，以增加密封性能和减少装配中的应力集中，然后按设计长度进行组配，泵筒外套装配前要加热至280—350℃，将陶瓷衬套迅速放入泵筒外套中，再用泵筒接头上紧，泵筒外套和泵筒接头的螺纹连接处要用耐温螺纹密封胶粘牢，并用紧固螺钉固定。多节陶瓷衬套的装配可以采用液压涨力装配芯轴来装配。泵筒外套与陶瓷衬套要有0.01～0.03mm的装配过盈，以对陶瓷衬套施加预应力，抵抗泵工作时内腔的张力和热变形。

安装在泵筒两端的刮垢、刮砂环用38CrMoAl制造，表面进行氮化处理，也可以用其它材料进行表面硬化处理制造。制造工艺是：粗车—调质—精车—粗磨—去应力时效处理—精磨—氮化—研磨—线切割。

陶瓷柱塞的加工和装配方法是：陶瓷柱塞管内外圆柱面及端面先进行精磨加工，装配端面磨成10～15℃斜面，以保证装配过程和使用过程中的定位，陶瓷柱塞管的所有加工尖角都要倒成0.5～1mm的圆角，以避免装配过程和使用过程中的损坏，端面进行镀铜处理，以增加密封性能和减少装配中的应力集中，然后将陶瓷柱塞和所有的支撑零件、紧固零件依次套装在中心管上，放入炉中加热，加热温度控制在油井井下使用温度以上30～50℃之间，保温1小时左右，出炉后用专用工具迅速上紧。陶瓷柱塞的所有螺纹连接处要用耐温螺纹密封胶粘牢，并用紧固螺钉固定，再修整定位中心孔或定位面，进行整体通磨和抛光至给定尺寸和粗糙度。多节陶瓷柱塞组装成长柱塞时，一定在装配部位加工与柱塞外圆柱面同轴的定位圆柱面，其长度不得少于30mm，螺纹连接处也要用耐温螺纹密封胶粘牢，并用紧固螺钉固定。

本发明的有益效果是，特殊工程结构陶瓷材料的表面特性可防垢防砂，独特的结构能保证刮垢、刮砂和沉垢、沉砂，专门的制造方法可确保产品的质量，该泵工作中性能可靠、寿命长、泵效高，能够解决结垢、腐蚀和出砂严重的油井的有杆泵采油技术难题。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的泵筒总成结构示意图。

图3是本发明的柱塞总成结构示意图。

具体实施方式：

本发明由以下实施例给出，下面结合附图予以说明。

如图1所示，本发明由油管变扣接头1、油管2、泵筒总成3、柱塞总成4组成。其结构、组装关系如下：油管变扣接头1用螺纹上接采油管柱，下接油管2，油管2再用螺纹连接泵筒总成3，柱塞总成4放置在泵筒总成3内。

如图2所示，本发明的泵筒总成由外管上接箍5、外管6、泵筒扶正头7、刮垢、刮砂环8、环组外套9、弹簧套10、泵筒接头11、陶瓷泵筒12、泵筒外套13、泵筒下接箍14、泵筒短节15、固定阀上接头16、固定阀罩17、固定阀球18、固定阀座19、固定阀下接头20、外管下接箍21、进液分隔接头22、盛垢、盛砂管接头23、盛垢、盛砂管24和丝堵25组成。其结构、组装关系如下：外管上接箍5、外管6、外管下接箍21、进液分隔接头22、盛垢、盛砂管接头23、盛垢、盛砂管24和丝堵25从上至下依次用螺纹连接组成泵外管总成。陶瓷泵筒12装在泵筒外套13内，两端用带有螺纹的泵筒接头11上紧，构成陶瓷泵筒总成。刮垢、刮砂环8成组使用，装在环组外套9中，环组外套9与刮垢、刮砂环8中间装有弹簧套10，环组外套9装在陶瓷泵筒总成的两端。陶瓷泵筒总成的上端用螺纹与泵筒扶正头7相连，下端依次与泵筒下接箍14、泵筒短节15、固定阀上接头16、固定阀罩17、固定阀下接头20用螺纹连接，固定阀球18和固定阀座19装在固定阀罩17内并用带有螺纹的固定阀下接头20压紧固定阀座19。固定阀下接头20下端的外螺纹与进液分隔接头22上部的内螺纹相连接，完成泵筒与泵外管总成的组装。所有螺纹连接处用耐温螺纹密封胶粘牢，并用紧固螺钉固定。组装完的泵筒与泵外管总成之间形成连续的沉垢通道。

如图3所示，本发明的柱塞总成由出油接头26、上游动阀球27、上游动阀座28、挡砂帽29、柱塞上接头30、陶瓷柱塞31、中心管32、柱塞下接头33、中间接管34、下游动阀接头35、下游动阀罩36、下游动阀球37、下游动阀座38和下接头39组成。其结构、组装关系如下：出油接头26、挡砂帽29、柱塞上接头30、中心管32、柱塞下接头33、中间接管34、下游动阀接头35、下游动阀罩36、和下接头39从上至下依次用螺纹连接，上游动阀球27和上游动阀座28安装在出油接头26内，并用带有螺纹的挡砂帽29压紧上游动阀座28，下游动阀球37和下游动阀座38安装在下游动阀罩36内，并用带有螺纹的下接头39压紧下游动阀座38。陶瓷柱塞31套装在中心管32上，分别用带有螺纹的柱塞上接头30、柱塞下接头33和中间接管34、下游动阀接头35上紧。所有螺纹连接处用耐温螺纹密封胶粘牢，并用紧固螺钉固定。

Claims (2)

1.一种在石油开采的结垢、腐蚀和出砂井中使用的防垢、防腐和防砂陶瓷抽油泵，包括泵筒总成、柱塞总成和固定阀总成，其特征在于：在构造材料上，其柱塞、泵筒和阀组的工作部分由表面硬度极高的工程结构陶瓷制造，选择的工程结构陶瓷精加工后具有极好的防垢、防腐和防砂性能，在结构上，该泵采用了挡、刮、沉三种特殊结构的组合，挡是在柱塞上设计了挡垢、挡砂帽，挡垢、挡砂帽的外径大于泵筒内径，刮是在泵筒两端设计组合的刮垢、刮砂环，紧紧包复在柱塞外表面，沉是在泵筒外设计了沉砂外管、沉垢、沉砂通道和进液分隔接头；泵筒总成由外管上接箍(5)、外管(6)、泵筒扶正头(7)、刮垢、刮砂环(8)、环组外套(9)、弹簧套(10)、泵筒接头(11)、陶瓷泵筒(12)、泵筒外套(13)、泵筒下接箍(14)、泵筒短节(15)、固定阀上接头(16)、固定阀罩(17)、固定阀球(18)、固定阀座(19)、固定阀下接头(20)、外管下接箍(21)、进液分隔接头(22)、盛垢、盛砂管接头(23)、盛垢、盛砂管(24)和丝堵(25)组成，其结构、组装关系如下，外管上接箍(5)、外管(6)、外管下接箍(21)、进液分隔接头(22)、盛垢、盛砂管接头(23)、盛垢、盛砂管(24)和丝堵(25)从上至下依次用螺纹连接组成泵外管总成，陶瓷泵筒(12)装在泵筒外套(13)内，两端用带有螺纹的泵筒接头(11)上紧，构成陶瓷泵筒总成，刮垢、刮砂环(8)成组使用，装在环组外套(9)中，环组外套(9)与刮垢、刮砂环(8)中间装有弹簧套(10)，环组外套(9)装在陶瓷泵筒总成的两端，陶瓷泵筒总成的上端用螺纹与泵筒扶正头(7)相连，下端依次与泵筒下接箍(14)、泵筒短节(15)、固定阀上接头(16)、固定阀罩(17)、固定阀下接头(20)用螺纹连接，固定阀球(18)和固定阀座(19)装在固定阀罩(17)内并用带有螺纹的固定阀下接头(20)压紧固定阀座(19)，固定阀下接头(20)下端的外螺纹与进液分隔接头(22)上部的内螺纹相连接，完成泵筒与泵外管总成的组装；柱塞总成由出油接头(26)、上游动阀球(27)、上游动阀座(28)、挡砂帽(29)、柱塞上接头(30)、陶瓷柱塞(31)、中心管(32)、柱塞下接头(33)、中间接管(34)、下游动阀接头(35)、下游动阀罩(36)、下游动阀球(37)、下游动阀座(38)和下接头(39)组成，其结构、组装关系如下，出油接头(26)、挡砂帽(29)、柱塞上接头(30)、中心管(32)、柱塞下接头(33)、中间接管(34)、下游动阀接头(35)、下游动阀罩(36)、和下接头(39)从上至下依次用螺纹连接，上游动阀球(27)和上游动阀座(28)安装在出油接头(26)内，并用带有螺纹的挡砂帽(29)压紧上游动阀座(28)，下游动阀球(37)和下游动阀座(38)安装在下游动阀罩(36)内，并用带有螺纹的下接头(39)压紧下游动阀座(38)，陶瓷柱塞(31)套装在中心管(32)上，分别用带有螺纹的柱塞上接头(30)、柱塞下接头(33)和中间接管(34)、下游动阀接头(35)上紧。

2.根据权利要求1所述的防垢、防腐和防砂陶瓷抽油泵，其特征在于：陶瓷件的制造方法是，粉料超细制备-真空造粒-振动法填模-等静压成型-烧结-热处理-粗磨-精磨；陶瓷泵筒的加工和装配方法是，陶瓷衬套内外圆柱面及端面精加工后，端面进行镀铜处理，泵筒外套装配前要加热至280-350℃，将陶瓷衬套迅速放入泵筒外套中，再用泵筒接头上紧，多节陶瓷衬套的装配可以采用液压涨力装配芯轴来装配，泵筒外套与陶瓷衬套要有0.01～0.03mm的装配过盈；刮垢、刮砂环用38CrMoAl制造，表面进行氮化处理，制造工艺是，粗车-调质-精车-粗磨-去应力时效处理-精磨-氮化-研磨-线切割；陶瓷柱塞的加工和装配方法是，陶瓷柱塞管内外圆柱面及端面先进行精磨加工，装配端面磨成10～15度斜面，陶瓷柱塞管的所有加工尖角都要倒成0.5～1mm的圆角，端面进行镀铜处理，然后将陶瓷柱塞和所有的支撑零件、紧固零件依次套装在中心管上，放入炉中加热，加热温度控制在油井井下使用温度以上30～50℃之间，保温1小时左右，出炉后用专用工具迅速上紧，再修整定位中心孔或定位面，进行整体通磨和抛光至给定尺寸和粗糙度，多节陶瓷柱塞组装成长柱塞时，一定在装配部位加工与柱塞外圆柱面同轴的定位圆柱面，定位圆柱面长度不得少于30mm。

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