CN101858332B - 一种多节定心自旋转变径油管泵 - Google Patents

Abstract

一种多节定心自旋转变径油管泵，由整体油管作为中心泵筒，该泵筒带有上、下接头，泵筒内装有柱塞总成；所述的柱塞总成由一组变径柱塞单元构成，该组变径柱塞单元至少包括两级，各级变径柱塞单元均带有自行的变径机构及自行旋转的推动机构，这些自行的变径机构和自行旋转的推动机构套设在对应级变径柱塞单元的骨架上；相邻变径柱塞单元之间有自动调心的联接轴承；在柱塞总成的上端有上推力器，上推力器再螺接一旋转器，旋转器的上端装有防撞机构，该防撞机构包括有防撞杆、防撞杆接头和防撞块，一刮砂杯套设在防撞杆接头的外侧，在防撞块的上端外侧套有挡砂器；在柱塞总成的下端有防砂埋旋转半球固定阀总成。

Description

一种多节定心自旋转变径油管泵

技术领域

本发明涉及一种抽油机井用设备，尤指一种可定心自旋转变径油管泵。

背景技术

目前国内外抽油机采油所用的抽油泵都是API标准为主的有杆泵，分管式和杆式。经过近六十年来的使用，所反映出来一定的弊端：特别是到了油井的中后期采油实际井况，这种结构的泵会产生诸如砂卡、砂埋、杆柱断脱、油杆接箍偏磨和阀漏失等诸多的问题，给采油厂代来许多不便，特别是由于这些故障造成油井的频繁维修作业，即影响了产量又增加了作业费用，使采油成本居高不下，浪费经费，消耗能源，污染环境。

正因如此，发明人二十余年来致力于井下抽油泵的研发工作，先后研制出一些旋转柱塞油泵、自旋转柱塞抽油泵、储能式球阀和旋转抽杆接箍等，这些专利产品中虽然在采油工作中都起到一定作用，但仍有不尽人意之处，尤其在油田开发后期以及聚合物驱采油所造成的油井大量出砂、结垢情况下，会发生柱塞下行阻力过大等问题，导致柱塞易损坏，产生频繁作业的故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种多节定心自旋转变径油管泵，其克服了现有技术的缺陷。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种多节定心自旋转变径油管泵，由整体油管作为中心泵筒，该泵筒带有上、下接头，泵筒内装有柱塞总成；所述的柱塞总成由一组变径柱塞单元构成，该组变径柱塞单元至少包括两级，各变径柱塞单元均带有自行的变径机构、自独立的定心机构及自行旋转的推动机构；这些自行的变径机构、自独立定心机构和自行旋转的推动机构套设在对应级变径柱塞单元的骨架上；相邻变径柱塞单元之间有自动调心的联接轴承；

在柱塞总成的上端有上推力器，上推力器再螺接一旋转器，旋转器的上端装有防撞机构，该防撞机构包括有防撞杆、防撞杆接头和防撞块，一刮砂杯套设在防撞杆接头的外侧，在防撞块的上端外侧套有挡砂器；在柱塞总成的下端有防砂埋旋转半球固定阀总成。

所述自行的变径机构为套置在各变径柱塞单元骨架上的变径环，该变径环由三个单根件组合构成，径向看呈三个分体瓣，各瓣之间结合点处有15～30°之间的重合角，中心构成滑道孔。

所述变径环中心的滑道孔轴线与柱塞轴线成锥度角。

在柱塞总成两端的变径柱塞单元中设有定心机构；所述的定心机构由至少2个支架夹置的一圈钢珠组合而成，所有钢珠圆周均分。

上述的防砂埋旋转半球固定阀总成可以采用本发明人的专利申请技术(申请号为200910241559.2)，其可以杜绝半球阀的二次弹跳及对阀座密封带的伤害，同时杜绝了砂垢沉积的死角，有效延长泵的使用寿命。

本发明的优点是：

1)该泵可以有效地解决目前抽油机井无法解决的偏磨(抽油杆变型引起其接箍对油管壁产生的不定向偏磨)因该泵的变径环在柱塞下行时自行变小，减少了柱塞的下行阻力，使柱塞的径变化，避免了因阻力影响的抽油杆变形。

2)该泵泵效高，因该泵的变径环在柱塞上行时和油管壁是无间隙吻接，所以提升力大，抽液量大，另外柱塞多节排液量多，效率高。

3)该泵可以防砂埋，其固定阀采用防砂垢的固定阀，从进油道上解决了砂垢埋阀的弊端，其柱塞上端有防撞装置，防撞装置上有旋转挡砂机构，在任何时候，砂垢都很难进入泵腔内，总体柱塞总成上端的防撞块可以保障柱塞在任何情况下不受伤害，均能正常工作。

4)该泵使用范围广，水平井、斜井和结垢、含砂重井均可用，常规井更无问题。

5)使用寿命长。

6)常规油管作泵筒，使用范围广，更经济实惠。

附图说明

图1a、图1b、图1c和图1d为本发明多节定心自旋转变径油管泵结构一实施例的总成示意图(图1a为下段；图1b为中下段；图1c为中上段；图1d为上段)。

图2为本实施例的尾管接头结构示意图。

图3为本实施例防砂埋旋转半球固定阀总成装置结构示意图。(图1a中的局部图)

图4为本实施例防砂埋旋转半球固定阀的阀罩结构示意图。

图5为本实施例防砂埋旋转半球固定阀的半球阀结构示意图。

图6为本实施例防砂埋旋转半球固定阀的旋浆结构示意图。

图7为本实施例防砂埋旋转半球固定阀的搅砂器结构示意图。

图8a为本实施例防砂埋旋转半球固定阀的挡块结构示意图(主视图)。

图8b为本实施例防砂埋旋转半球固定阀的挡块结构示意图(图8a中A-A向剖视图)。

图9a为本实施例防砂埋旋转半球固定阀的限位块结构示意图(主视图)。

图9b为本实施例防砂埋旋转半球固定阀的限位块结构示意图(侧视图)。

图10为图1a、图1b、图1c和图1d整合所示实施例中的下变径柱塞单元的柱塞下推力器结构示意图。

图11为本实施例下变径柱塞单元的柱塞下推力器结构示意图。

图12为本实施例下变径柱塞单元的阀球阀座结构示意图。

图13a为本实施例下变径柱塞单元的第一级骨架结构示意图(主视图)。

图13b为本实施例下变径柱塞单元的第一级骨架结构示意图(侧视)。

图14a为本发明的变径环的单个根件结构示意图(主视)。

图14b为本发明的变径环的单个根件结构示意图(剖面)。

图14c为本发明三个根件组合的整体变径环结构示意图(主视)。

图14d为图14c所示整体变径环张开时状态剖面示意图。

图14e为图14c所示整体变径环闭合时状态剖面示意图。

图15a为本实施例下变径柱塞单元的锥肖单元结构示意图(轴向)。

图15b为图15a中A-A剖面结构示意图。

图16a为本实施例下变径柱塞单元的定心轴承结构示意图(主视)。

图16b为本实施例下变径柱塞单元的定心轴承结构示意图(图16a中A-A向剖视图)。

图17为图1a、图1b、图1c和图1d整合所示实施例的中变径柱塞单元的结构示意图。

图18a为本实施例中变径柱塞单元的第二级骨架结构示意图(主视)。

图18b为图18a中A-A剖面结构示意图。

图19a为本实施例中中变径柱塞单元的锥肖结构示意图(主视)。

图19b为本实施例中中变径柱塞单元的锥肖结构示意图(侧视)。

图20为本实施例中变径柱塞单元的锥肖连杆结构示意图。

图21为本实施例中变径柱塞单元的推力器结构示意图。

图22为图1a、图1b、图1c和图1d整合所示实施例的上变径柱塞单元的结构示意图。

图23a为本实施例中上变径柱塞单元的第三级骨架结构示意图(主视)。

图23b为图23a中A-A剖视图。

图24为本实施例中上变径柱塞单元的推力器结构示意图。

图25为本实施例中中变径柱塞单元与上变径柱塞单元间的旋转联接轴承结构示意图。

图26为本实施例中防撞机构构成示意图。

图27为本实施例中防撞机构的防撞杆结构示意图。

图28a为本实施例中防撞机构的防撞杆接头结构示意图(主视)。

图28b为本实施例中防撞机构的防撞杆接头结构示意图(侧视)。

图29a为本实施例中防撞机构的防撞块结构示意图(侧视)。

图29b为图29a中A-A剖视图。

图30a为本实施例中刮砂杯结构示意图(主视)。

图30b为本实施例中刮砂杯结构示意图(侧视)。

图31a为本实施例中挡砂器结构示意图(主视)。

图31b为本实施例中挡砂器结构示意图(侧视)。

图32为本实施例中调心轴承结构示意图(主视)。

图33为本实施例中调心轴承壳结构示意图(主视)。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

具体实施方式

由图1a、图1b、图1c和图1d四段相加组合为整体结构图，如图1a、图1b、图1c和图1d所示，本发明多节定心自旋转变径油管泵由整体油管16作为中心泵筒，该泵筒带有上、下接头45、12，从而构成泵筒内腔，泵筒内腔中由下至上依次装有防砂埋旋转半球固定阀总成装置、一组柱塞总成单元、上推力器、旋转器和防撞机构。

下面是由下至上依次介绍本发明的结构构成：

参见图1a，在泵筒下接头12的外端螺接有一尾管接头1，该尾管接头1的结构可参见图2，其连接端具有的内螺纹可以和泵筒下接头12螺接。

位于尾管接头1与下接头12结合区域的内腔中置有防砂埋旋转半球固定阀总成装置，该防砂埋旋转半球固定阀总成装置的构成可参见图3，包括有一阀罩10、半球阀6及阀座组件5。

所述阀罩10的底杯101与尾管接头1内壁螺接，底杯前带有一组出油口102(3个为佳)，阀罩由下至上呈渐缩型，最上端带有上接头杆103；参见图4所示。

所述的半球阀6、阀座组件5置于阀罩10内，半球阀6坐落于阀座组件5之上，其由上阀杆及下部的半球阀帽合体制成，在半球阀帽的底部中心开设凹槽61(结构参见图5)。

又一旋浆3，其结构参见图6所示，该旋浆3由上端的推杆及下端的螺旋叶浆组合构成，且防砂垢固定阀装配时，旋浆3上端的推杆贯穿阀座并插入到半球阀底部中心开设的凹槽61中，可旋转带动半球阀6行进。一由调节球7、调节轴8和储能弹簧9组成的调节定心单元抵压在半球阀6上阀杆上，其中储能弹簧套设于半球阀的阀杆上，调节轴8下头端开有凹槽，阀杆将调节球7扣压在半球阀6上。

防砂埋旋转半球固定阀总成装置的底部有一压帽2，将旋浆3、半球阀6、阀座组件5及调节定心单元抵置在阀罩10内。

一搅砂器13，其结构参见图7，该搅砂器由上端的旋叶浆131及下端的连接套132组合构成，其下端的连接套具有中部开孔133，该连接套套合于阀罩的上接头杆103上，且其间置有轴承46、垫圈47和轴承48(参见图1a)。

在阀罩10与尾管接头1内壁的间隙中置有防死角垫。

依序在搅砂器13的上方置有一挡块14及限位块15。所述的挡块14结构参见图8(a)及图8(b)，其可为一三瓣(或更多瓣)体。

所述的限位块15结构参见图9(a)及图9(b)，其可为一掏有三瓣(或更多瓣)孔151的块状体。

图1a、图1b、图1c和图1d所示的是本发明一具有代表性结构的实施例，图中示出的柱塞总成单元共采用了三级(上、中、下)变径柱塞单元。

参见图1a、图1b所示，泵筒下接头12的上端与泵筒16连接，在进入泵筒16的起始端，首先置有的是第一级(下)变径柱塞单元，参见图10，包括一柱塞下推力器17及一在第一级骨架21上搭建的变径柱塞单元架构，其中由第一级骨架21的下头端的内套孔与柱塞下推力器17的连接套套合后形成的中间腔室内置有阀球阀座单元。

该柱塞下推力器17的结构参见图11，由下端的旋叶浆171及上端的连接套172组合构成，其上端的连接套具有中部开孔，下头端渐缩型为佳。

所述的阀球阀座单元与上述防砂埋旋转半球固定阀的阀球阀座结构略有不同，参见图12，其半阀球19的上阀杆不再是直杆状，呈阶梯变化，以适应连接的需要。

第一级骨架21的结构参见图13a、图13b，有其独特的构型，下头端的内套孔211与柱塞下推力器17的连接套172套合在一起，将带有半阀球19的阀球阀座单元夹置在其中。

本发明的一新创造点在于：在第一级骨架(及其后的第二、三级骨架)上套有一变径环23，该变径环的独特设计一较佳实施例结构可参见图14a、图14b、图14c、图14d和图14e。其中，图14a为单个根件的主视图；图14b为单个根件的侧视图；图14c为由至少三个根件组合的整体变径环的主视图；图14d为整体变径环张开时状态示意图；图14e为整体变径环整体变径环闭合时状态示意图，该变径环整体部件由三个单个根件组合构成，径向看呈三个分体瓣，各瓣之间结合点处有15～30°之间的重合角，以使增加密度，瓣闭合时的最大尺寸与张开时的最大尺寸差一般为5～10mm。变径环整体部件的滑道孔轴线与柱塞轴线成锥度角。变径环上的凹槽内置有耐油胶圈。

为实现各级变径环与各级骨架间的牢靠连接及各级变径柱塞单元的同步运行，本发明在各自的变径柱塞单元中设计有自独立的定心机构，其中，锥肖单元20是第一级(下)变径柱塞单元的自独立的定心机构，其结构构成可参见图15，其细杆端的中心孔201套住第一级(下)变径柱塞单元的半阀球19的上阀杆上实现连接，其较粗端的杆上开有一组用于实现与变径环连接的肖孔。变径环23则可通过锥肖20与第一级骨架21固定套接。

在骨架A上的适当位置处还设有一组定心机构22，其具体构成可参见图16a、图16b，在柱塞总成两端有定心机构，该定心机构由至少2个支架夹置的一圈钢珠组合而成，所有钢珠应圆周均分，工作时，依靠钢珠组件的内径和外径起定心作用，使柱塞沿油管的轴线旋转。所述的钢珠数量不少于6个。

参见图1b、图1c和图17所示，继本实施例的第一级(下)变径柱塞单元之后连接的是第二级(中)变径柱塞单元。其中：亦由主体骨架(第二级骨架)24、带有储能弹簧30的半球阀26、推力器27、自独立的定心机构及套在第二级骨架上的变径环23组成。

图18示出了第二级(中)变径柱塞单元中的第二级骨架24的结构示意图。

同理，套在第二级骨架上的变径环23可通过一独立的锥肖28与第二级骨架24固定套接，锥肖28的结构可参见图19所示，锥肖28上开有一轴孔，锥肖连杆29(参见图20)的两端分别插入锥肖28的轴孔及半球阀26的半球上开有的轴孔中，实现上下部件的联动。

第二级(中)变径柱塞单元中的推力器27的结构构成可参见图21所示。

参见图1c、图1d和图22所示，继本实施例的第二级(中)变径柱塞单元之后连接的是第三级(上)变径柱塞单元。类同于第一级变径柱塞单元；其中：亦由主体骨架(第三级骨架)35、半球阀、推力器34及套在第三级骨架上的变径环组成，第三级(上)变径柱塞单元是本发明的最上级的变径柱塞单元，包括有上、下的两个半球阀单元及辅助的推力器。

图23示出了第三级(上)变径柱塞单元中的第三级骨架35的结构示意图。

第三级(上)变径柱塞单元中的推力器34的结构构成可参见图24所示。

关于第三级(上)变径柱塞单元中的半球阀、推力器34、自独立的定心机构及套在第三级骨架上的变径环此不再赘述。

相邻的两级间可以采用一组自动调心的旋转联接轴承，例如图1b和图1c中，第二级(中)变径柱塞单元与第三级(上)变径柱塞单元间通过旋转联接轴承31实现两者的联合对接，该旋转联接轴承31的结构参见图25所示。

当然，柱塞总成单元亦可以根据需要采用不同级的变径柱塞单元，如采用2级、4级、5级或更多级等等，但至少要包括上述实施例中所示出的上、下级部分，且各级变径柱塞单元均应带有自行的变径机构、自独立的定心机构及自行旋转的推动机构；相邻变径柱塞单元之间有自动调心的联接轴承。

本实施例中，在柱塞总成的上段部分加有上旋转器，旋转器的上端装有防撞机构，参见图26，该防撞机构包括有防撞杆41、防撞杆接头38和防撞块42，防撞杆41、防撞杆接头38和防撞块42的结构可参见图27、图28a、图28b、图29a和图29b。

一刮砂杯39套设在防撞杆38外侧，在防撞块42的上端外侧围装有挡砂器43，挡砂器43通过一备帽44压置在防撞块42上端的阶台处。刮砂杯39的结构参见图30，挡砂器43的结构参见图31。

在柱塞总成上段部分的上旋转器与防撞机构间通过调心轴承36、调心轴承壳37实现定心连接，该调心轴承36、调心轴承壳37的结构参见图32、图33。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

本发明的工作原理：

A)当柱塞上行时，固定阀开启，原液进入油管泵腔，每一节柱塞的进出油阀在油管泵内原液的作用下和自重的作用下下沉，球阀下沉的结果迫使球阀下行，下行的硝返使变径环沿着径向开，这是事先设计好的轨道，直到贴近管壁，使油管壁和变径环成无间式的接触，将油管腔的原液提升上来，每一节柱塞都是如此。

B)当柱塞下行时，此时固定阀关闭，油管原腔内的柱塞每一节的进出油阀球冲开，随着柱塞下行推力器在油管内原液阻力的作用下每一节柱塞自行旋转下行，此时柱塞腔内原液推动球阀上行，并带动球阀下的锥肖上行，锥肖上行迫使变径环沿着径向收缩外径变小使塞顺利下长。

柱塞下行变经环变小不按触油管壁和油管壁的间隙增大，使柱塞顺利下行，减少绝抽油杆接箍和油管壁产生偏磨的机率。

柱塞上行变径环变大，直到和抽管壁开成无间的吻接把油管原腔内的原液最大限度提升上来，所以有极高的泵效。

C)每一节柱塞上的定心机构在柱塞上行时都发生变化，当柱塞下行是由小变大直到和管壁接触，下行时由大变小直到不和油管壁接触此机构设计的目的就是使柱塞始保持油管泵中心运行。

D)每一节柱塞中间的调心轴承都有一定的旋转角度，此结构的目的是使每一节柱塞都能在油管泵中顺畅运行抽汲原油。

E)柱塞上端的防撞装置是保护整体柱塞在任何时候都能正常工作。

本发明多节定心自旋转变径油管泵的功能是：

1、柱塞上行时固定阀开启，原液进入泵腔，每节柱塞的进出油阀在原液作用下自动关闭，变径机构膨胀变大，减少环漏，提高泵效。

2、当柱塞下行时，固定阀关闭，每节柱塞的进、出油阀球打开。随着柱塞下行，推力器在油管内原液的冲击下，每节柱塞自行旋转下行。此时变径机构收缩变小，降低柱塞下行阻力，顺利下行，减少抽油杆弯曲，消除杆管不定向偏磨。

3、每一节柱塞上的定心机构在推力器的推动下保持柱塞沿垂直轴线快速旋转，消除筒内偏磨，达到流体密封，起到携砂携垢的效果。

4、防砂垢储能半球固定阀，当柱塞上行，半球阀打开，压缩储能器，液流进入筏腔并推动搅砂器旋转，使液流旋转进入泵腔。当柱塞下行时，半球阀在储能器和尾浆的作用下快速旋转关闭，消除球座伤害，减少回程损失，提高泵效。可以使用在大斜度井和水平井采油。同时阀腔内的防死角环、引流器和旋浆消除了固定阀的砂沉和砂埋。

5、柱塞上端的防撞装置，保证在采油过程中任何情况下柱塞底端不会和固定阀接触，造成撞击伤害。防撞装置顶部的挡砂器防止进入油管的砂垢回流入泵筒。

6、利用内表面专门处理的油管做泵筒，可以有效增大排量，提高产量。

Claims (5)

1.一种多节定心自旋转变径油管泵，由整体油管作为中心泵筒，该泵筒带有上、下接头，泵筒内装有柱塞总成；在柱塞总成的上端有上推力器，上推力器再螺接一旋转器，旋转器的上端装有防撞机构，该防撞机构包括有防撞杆、防撞杆接头和防撞块，一刮砂杯套设在防撞杆接头的外侧；在防撞块的上端外侧套有挡砂器；在柱塞总成的下端有防砂埋旋转半球固定阀总成；其特征在于：所述的柱塞总成由一组变径柱塞单元构成，该组变径柱塞单元至少包括两级，各级变径柱塞单元均带有自行的变径机构及自行旋转的推动机构，这些自行的变径机构和自行旋转的推动机构套设在对应级变径柱塞单元的骨架上；相邻变径柱塞单元之间有自动调心的联接轴承；所述自行的变径机构为套置在各变径柱塞单元骨架上的变径环，该变径环至少由三个单根件组合构成，径向看呈三个分体瓣，各瓣之间结合点处有15～30°之间的重合角，中心构成滑道孔。

2.根据权利要求1所述的多节定心自旋转变径油管泵，其特征在于：在柱塞总成两端的变径柱塞单元中设有定心机构。

3.根据权利要求2所述的多节定心自旋转变径油管泵，其特征在于：所述的定心机构由至少2个支架夹置的一圈钢珠组合而成，所有钢珠圆周均分。

4.根据权利要求3所述的多节定心自旋转变径油管泵，其特征在于：所述的钢珠数量不少于6个。

5.根据权利要求1所述的多节定心自旋转变径油管泵，其特征在于：所述变径环中心的滑道孔轴线与柱塞轴线成锥度角。

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