CN102287358A - 长柱塞式双筒防煤粉排采泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种长柱塞式双筒防煤粉排采泵，能防止偏磨和煤粉埋泵、卡泵以及延长检泵周期。它是由扶正体、泵筒总成、柱塞总成、出液阀和进液阀总成组成；扶正锁爪插入上接箍的锁套中，实现扶正体的定位密封，避免柱塞与泵筒间发生偏磨；内筒可阻挡杆管环空沉积的煤粉进入柱塞和泵筒的间隙，煤粉经外筒和泵筒间的环形空腔回落到尾管中，防止煤粉埋泵；长柱塞短泵筒的结构可及时排出柱塞和泵筒间隙的煤粉，保护泵筒内外工作表面，防止卡泵；防煤粉槽中储存的井液经射流孔冲洗出液阀罩内和出液阀上部沉积的煤粉，实现出液阀的自冲洗功能，防止煤粉堵泵；弹簧配合进液阀球定位销可辅助进液阀球的快速复位，实现低沉没度下泵阀的顺利启闭。

Description

长柱塞式双筒防煤粉排采泵

技术领域

本发明涉及一种煤层气井排水采气中用于抽吸井液的排采泵，特别是涉及一种能防止偏磨和煤粉埋泵、卡泵以及延长检泵周期的长柱塞式双筒防煤粉管式排采泵。

背景技术

当前，我国煤层气开采仍然采用的是采油采气方面的技术和经验，还没有形成自己的体系，90％以上的煤层气井均使用的是开采常规油气时常用的抽油泵，主要是一些防砂泵，包括自旋式防砂泵、泵筒带螺旋槽防砂泵、等径刮砂柱塞防砂泵和动筒式防砂泵。由于煤层气井自身井浅、沉没度较低、产能较小、冲程小和冲次低等实际情况，与石油天然气矿场差别较大，使得所移植抽油泵的使用效果并不理想，现场使用中存在设备不配套、磨损严重等问题，主要体现在：(1)长泵筒短柱塞结构容易使附着在泵筒内壁和沉积的煤粉进入柱塞和泵筒的间隙，加剧二者的磨损，严重时造成煤粉卡柱塞，降低泵的使用寿命；(2)煤层气井下泵后，泵的沉没度较低，导致泵阀打开困难，泵的充满系数和泵效较低，且容易发生卡泵；(3)井液中煤粉颗粒较多并伴有煤焦等黏性物，泵下端液体入泵流速较低，煤粉颗粒在泵筒外和泵腔中易沉积，造成埋泵；(4)抽吸井液中，泵阀不能快速复位，造成泵阀堵死；(5)杆式防砂泵没有安装扶正装置，柱塞和泵筒间的偏磨现象比较严重。由此造成泵的使用寿命较低，检泵周期过短，严重影响了煤层气井的正常、经济排采和高产。

发明内容

为了克服现有煤层气井所移植油气井防砂泵的不足，本发明的目的是提供一种煤层气井防煤粉专用的长柱塞式双筒排采泵。该排采泵依据所设计的特殊结构，可实现低沉没度下泵阀顺利启闭和自冲洗以及沉煤粉功能，防止柱塞与泵筒间的偏磨以及煤粉埋泵筒和卡泵。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种长柱塞式双筒防煤粉排采泵，主要由泵筒总成、柱塞总成、出液阀总成、进液阀总成和扶正体五部分组成。排采泵底部的支撑短节将泵筒固定在排采管柱的下端，柱塞与排采杆柱连接，上冲程中，柱塞伴随排采杆柱上行，柱塞以下的泵腔容积增大，进液阀开启，井液流经进液阀进入泵筒下腔室，与此同时，出液阀在上下压差的作用下关闭，柱塞以上泵腔中的井液随柱塞向上运动，沿杆管环空举升至地面。下冲程中，柱塞下行，泵腔内压增大，出液阀开启，进液阀关闭，泵筒下腔室的井液流经出液阀进入上腔室，由此柱塞上下往复运动一次，排采泵完成了一个抽吸周期。

扶正体包括滑阀罩和扶正锁爪。滑阀罩材料采用35CrMo，表面氧化处理，同时调质处理布氏硬度不低于220，以抵抗滑阀罩内外井液压差变化引发的冲击；顶壁正中央为圆形孔道，与贯穿其中的排采杆精密配合，形成移动副；上端加工有杆管环空与泵筒连通的流道，四个均布排列，形状采用流线型，降低井液流经滑阀罩时的局部压力损失；中间加工有两个环形沟槽，放置O形密封圈，实现滑阀罩与上接箍之间的密封；下端带有外螺纹，与扶正锁爪连接。扶正锁爪材料采用60Si2Mn，调质处理布氏硬度大于230；上端的内环面加工有内螺纹，中间的外环面有两个环形沟槽，放置O形密封圈，实现扶正锁爪与上接箍之间的密封；下端均布排列六个锁爪，倒角限位部分进行精磨处理，粗糙度不高于1.6，将锁爪直接插入上接箍下部的锁套中进行定位，从而使得整个扶正体固定在上接箍内，由此防止柱塞在泵筒中摆动，避免柱塞与泵筒间发生偏磨，以提高泵的使用寿命。

泵筒总成采用双筒构造，主要包括泵筒、外筒和上下接箍，材料均采用45钢。泵筒是排采泵最主要的零件，由里而外依次为泵筒和外筒，外筒的内壁表面化学镀处理，镀层厚度大于0.08毫米，镀层与基体金属牢固结合；外筒上端加工有外螺纹，与上接箍连接；下端加工有内外螺纹，通过外螺纹与下接箍连接，通过内螺纹与进液阀接头连接，并以额定的上扣扭矩保证上下接箍内孔端面与外筒端面的密封。泵筒下端带有内螺纹，通过与进液阀支撑短节连接而固定在外筒的下端；泵筒外表面喷焊处理，内孔表面化学镀处理，喷焊层和镀层与基体金属牢固结合，其表面不允许有气泡、起皮、麻点和碰伤等缺陷；然后再进行精密加工，保证泵筒具有良好的耐腐蚀和耐磨特性，并与柱塞高精度配合。泵筒内孔尺寸比柱塞外径略大一点，泵筒长度需保证在冲程上死点处泵筒上端能越出柱塞下端一定长度，而在冲程下死点处柱塞下部的下出液阀能高出泵筒下端一段距离，及时带出柱塞和泵筒间隙中沉积的煤粉颗粒，保护泵筒内外工作表面。外筒和泵筒之间形成一个环形空腔，杆管环空中沉积的煤粉经此空腔回落到泵筒下端的尾管中，防止煤粉在泵筒内腔中和柱塞上部发生沉积，导致埋泵现象。上下接箍带有管螺纹，采用阶梯回转体结构，内表面镀铬处理，外表面磷化处理，上接箍的下端加工有内螺纹，内螺纹上部的腔室为锁套，与扶正锁爪精密配合，限位倒角部分精磨处理。

柱塞总成也采用双筒构造，包括柱塞和内筒两部分，材料均采用45钢。柱塞也是排采泵的主要零件，由里而外依次为柱塞和内筒，内筒的内孔表面化学镀处理，镀层厚度大于0.08毫米，镀层与基体金属牢固结合；内筒的上端加工有内螺纹，与上出液阀罩连接，可以阻挡杆管环空沉积的煤粉颗粒进入柱塞和泵筒的间隙。内筒的内孔尺寸比泵筒外径略大一点，并与泵筒外表面高精度配合，内筒和泵筒的单面配合间隙设计为0.065～0.090毫米，内筒长度需保证其下端面与柱塞的下端面齐平。柱塞外表面喷焊处理，喷焊层与基体金属牢固结合，其表面不允许有气泡、起皮、麻点和碰伤等缺陷；然后再进行精密加工，保证柱塞表面孔隙率底，具有良好的耐腐蚀和减磨性能；柱塞两端的螺纹均采用内螺纹，其上端与上出液阀接头连接，下端连接下出液阀罩，从而将整个上下出液阀连接在一起。柱塞外径比泵筒内径略小一点，并与泵筒内表面高精度配合，柱塞和泵筒的单面配合间隙设计为0.040～0.065毫米。内筒、泵筒和柱塞上部形成一个环形槽，即防煤粉槽，可以暂时容纳进入柱塞和泵筒间隙的少量煤粉，减小煤粉等固体颗粒对柱塞和泵筒的磨损，并且在柱塞的上端加工有射流孔，射流孔的孔眼紧挨上出液阀罩，分两层布置，每层八个均布排列，层间孔眼交错排列，孔眼的剖面呈平行四边形，夹角为45°左右，由此柱塞在上下冲程中，通过防煤粉槽中储存的井液冲洗出液阀罩内和出液阀上部沉积的煤粉颗粒，实现排采泵出液阀的自冲洗功能。

出液阀总成包括上出液阀和下出液阀两部分，分别由上出液阀罩、出液阀球、出液阀座和上出液阀接头以及下出液阀罩、出液阀球、出液阀座和下出液阀接头组成。上出液阀位于柱塞的上部，其中上出液阀罩表面磷化处理，上端带有内螺纹，将整个出液阀总成和柱塞连接在排采杆柱的下端，内部装有出液阀球和出液阀座，下端外环面加工有外螺纹，与内筒连接，而内环面带有内螺纹，直接与上出液阀接头连接，并实现出液阀座在出液阀罩内的定位；阀罩壁上加工有泵筒上腔室与下腔室连通的流道，三个均布排列，形状采用流线型，降低井液流经阀罩时的局部压力损失，同时调质处理布氏硬度不低于210，以抗击泵阀启闭时的液压冲击。阀球和阀座是排采泵的主要零件，阀球的材料采用9Cr18Mo，不允许有技术缺陷，热处理洛氏硬度不低于58；阀座的材料采用6Cr18Mo，热处理洛氏硬度不低于52；阀球和阀座的密封面精密研磨后，须先经退磁处理然后再进行配研，出液阀球和出液阀座的密封带宽度不小于1.50毫米，而进液阀球和进液阀座的密封带宽度需大于1.70毫米，以保证二者较高的密封性。上出液阀接头表面磷化处理，两端带有外螺纹，下端与柱塞连接。下出液阀位于柱塞的下部，其中下出液阀罩表面磷化处理，上端加工有外螺纹，与柱塞连接，顶壁加工有六个均布排列的圆形流道，内部装有出液阀球和出液阀座，下端加工有内螺纹，与下出液阀接头连接。下出液阀接头的下端采用锥形构造，方便下泵时柱塞进入泵筒。

进液阀总成包括进液阀罩、弹簧、进液阀球、进液阀座、支撑短节和进液阀接头。进液阀罩表面磷化处理，上端加工有外螺纹，与泵筒相连接，顶壁周围加工有六个均布排列的圆形流道，内装有进液阀球、弹簧和进液阀座，下端通过内螺纹与支撑短节相连接，并实现进液阀座在阀罩内的定位。进液阀球分为球体和定位销两部分，定位销采用阶梯轴结构，上端与进液阀罩顶壁连接并与其内孔精密配合，形成移动副，下端与球体端面连接形成轴肩，来定位贯穿其外的弹簧。弹簧通过进液阀球定位销的导向作用实现伸缩，辅助进液阀球的快速复位，实现低沉没度下泵阀的顺利启闭。支撑短节上端带有外螺纹，下端采用丝堵进行密封，中间均布排列四个贯穿基体的类圆形管道，管道端部所在的圆环面分别与进液阀接头的内孔表面过盈配合，实现支撑短节与接头间的固定。进液阀接头表面磷化处理，上端加工有外螺纹，与外筒连接，从而实现泵筒与进液阀的固定与密封；中间加工有四个类圆形的流道，对应于支撑短节的四个管道而贯通；下端截面采用圆锥面进行过渡，底端加工有外螺纹，与尾管相连接，储存杆管环空沉积的煤粉。

本发明所能达到的技术效果是，扶正锁爪直接插入上接箍下部的锁套中，实现扶正体的定位密封，防止柱塞在泵筒中摆动，避免柱塞与泵筒间发生偏磨；杆管环空中沉积的煤粉经外筒和泵筒间的环形空腔回落到泵筒下端的尾管中，防止煤粉在泵筒内腔中和柱塞上部发生沉积，导致埋泵；采用长柱塞短泵筒的结构，可以及时带出柱塞和泵筒间隙中沉积的煤粉，保护泵筒内外工作表面，防止煤粉卡泵；柱塞总成采用双筒构造，可以阻挡杆管环空沉积的煤粉颗粒进入柱塞和泵筒的间隙，同时内筒的往复运动，不断地搅动外筒和泵筒间环形空腔内的井液和沉降的煤粉，防止通道发生堵塞；内筒、泵筒和柱塞上部形成的防煤粉槽可以暂时容纳进入柱塞和泵筒间隙的少量煤粉，减小煤粉等固体颗粒对柱塞和泵筒的磨损；防煤粉槽的顶部设有射流孔，利用槽中储存的井液冲洗出液阀罩内和出液阀上部沉积的煤粉，实现排采泵出液阀的自冲洗功能，防止煤粉沉积使得出液阀堵死，造成煤粉堵泵；弹簧通过进液阀球定位销的导向作用实现伸缩，辅助进液阀球的快速复位，减少漏失，实现低沉没度下泵阀的顺利启闭，最终达到提高泵的使用寿命，延长检泵周期的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是根据本发明所提出的长柱塞式双筒防煤粉排采泵的典型结构简图。

图2是长柱塞式双筒防煤粉排采泵中扶正体的结构简图。

图3是长柱塞式双筒防煤粉排采泵中泵筒总成的结构简图。

图4是长柱塞式双筒防煤粉排采泵中柱塞总成与出液阀总成的结构简图。

图5是长柱塞式双筒防煤粉排采泵中进液阀总成的结构简图。

图6是长柱塞式双筒防煤粉排采泵的工作原理简图。

图中1-排采杆，2-扶正体，3-泵筒总成，4-柱塞总成，5-出液阀总成，6-进液阀总成，7-滑阀罩，8-扶正锁爪，9-上接箍，10-外筒，11-泵筒，12-下接箍，13-上出液阀罩，14-出液阀球，15-出液阀座，16-上出液阀接头，17-柱塞，18-内筒，19-下出液阀罩，20-下出液阀接头，21-进液阀罩，22-弹簧，23-进液阀球，24-进液阀座，25-支撑短节，26-进液阀接头。

具体实施方式

在图1中，长柱塞式双筒防煤粉排采泵由上而下依次为排采杆1、扶正体2、泵筒总成3、柱塞总成4、出液阀总成5和进液阀总成6，柱塞总成4和出液阀总成5直接接在排采杆1的下端，并作上下运动，泵筒总成3上部与排采管柱下端连接，下部接防煤粉筛管，进液阀总成6上部接泵筒总成3，下部接沉煤粉尾管，尾管底部用丝堵密封。根据煤层气井实际开采要求，可以在泵筒总成3与防煤粉筛管间增装气锚等井下器具。

在图1中，排采泵下泵前，柱塞总成4和出液阀总成5置于泵筒总成3中往复拉动和转动，应轻快灵活且无阻滞，并保持柱塞和泵筒的润滑与清洁；同时检查排采泵各螺纹连接处是否牢固，有无松动、损伤和锈蚀。下泵时，首先将泵筒总成3、防煤粉筛管、进液阀总成6和尾管随排采管柱一起下到井筒中的设计深度，尾管最下端用丝堵密封，根据要求下沉煤粉尾管50～200米，要求尾管上紧并密封；然后再将扶正体2、柱塞总成4和出液阀总成5随排采杆1下入排采管柱中，到位后靠排采泵的自重实现柱塞入泵筒，靠排采杆1的重量实现扶正体2锁爪的入位与密封；最后，连接光杆，上提防冲距，泵即可正常工作。起泵时，上提排采杆1，就可使柱塞总成4与泵筒总成3脱离，进而提到地面上来，然后起出排采管柱就可以把泵筒总成3取出。

在图2中，滑阀罩7位于扶正体2的上部，其顶壁正中央的圆孔与排采杆1精密配合，下端通过外螺纹与扶正锁爪8上端的内螺纹连接。扶正锁爪8位于扶正体2的下部，其下端的锁爪插入上接箍的锁套后实现定位，从而避免排采杆1和柱塞在泵筒中发生摆动。

在图3中，泵筒总成3直接接在排采管柱的下端，双筒中的外筒10在外而泵筒11在内，泵筒总成3的最上部为上接箍9，其下端通过内螺纹与外筒10上端的外螺纹连接，上端通过管螺纹与排采管连接，从而将排采泵固定在排采管柱上。泵筒总成3的最下部为下接箍12，其上端通过内螺纹与外筒10下端的外螺纹连接，下端通过管螺纹与筛管等井下器具连接。

在图4中，柱塞总成4上部的上出液阀罩13通过上端的内螺纹与排采杆1下端的外螺纹连接，从而将柱塞总成4和出液阀总成5固定在排采杆柱上；上出液阀罩13下端通过外螺纹与内筒18上端的内螺纹连接。柱塞总成4双筒中的柱塞17位于内筒18的内部，柱塞17的上端通过内螺纹与上出液阀接头16下端的外螺纹连接，下端通过内螺纹与下出液阀罩19上端的外螺纹连接，从而将整个柱塞总成4和出液阀总成5连接为一体。

在图3和图4中，泵筒总成3和柱塞总成4高精度配合，由里而外依次为柱塞17、泵筒11和内筒18，外筒10位于最外面，与泵筒11构成沉煤粉的环空。排采泵组装前，各零部件应清洗干净；组装时，选取不同直径的柱塞17、泵筒11和内筒18配合，以得到所需要的间隙泵；另外，组装时应根据煤层气井况选取化学镀的泵筒总成3和喷焊的柱塞总成4构成摩擦副，不允许相同表面处理方式的柱塞和泵筒配合；组装后，对排采泵进行密封性能和漏失量试验，然后在外筒10的外表面喷漆。

在图5中，进液阀罩21位于进液阀总成6的最上部，与其上部的下出液阀接头20下端面的距离大于防冲距，上端通过外螺纹与泵筒11下端的内螺纹连接，实现泵筒的固定。支撑短节25与进液阀接头26间由过盈配合实现固定与密封，二者间的流道形状相同并且贯通。进液阀接头26位于进液阀总成6的下部，上端通过外螺纹与外筒10下端的内螺纹连接，从而将泵筒11和进液阀总成6固定在外筒10下部，下端由外螺纹与尾管上部的内螺纹连接。

在图6中，上冲程中，排采杆1带动柱塞总成4和出液阀总成5向上运动，出液阀球14落回出液阀座15，出液阀关闭，柱塞17、泵筒11和内筒18形成的防煤粉槽中压力减小，进液阀弹簧22沿定位销方向收缩，进液阀球23在泵内外压差与弹簧22压缩力的作用下离开进液阀座24，进液阀顺利开启。井液由防煤粉筛管中先后流经进液阀接头26的流道、支撑短节25的管道、进液阀座24和进液阀罩21的流道进入泵筒下腔室内，并且一部分井液经射流孔进入防煤粉槽中；同时，柱塞总成4和出液阀总成5以上的井液伴随排采杆1向上运动，举升至地面，上冲程结束时完成泵筒下腔室进液和上腔室出液的过程。下冲程中，排采杆1带动柱塞总成4和出液阀总成5向下运动，出液阀球14在压差力的作用下离开出液阀座15，出液阀顺利开启，防煤粉槽中压力增大，弹簧22沿定位销方向伸长，进液阀球23落回进液阀座24，进液阀关闭。井液经射流孔进入上出液阀罩13内，冲洗沉积的煤粉，同时井液由泵筒下腔室，依次流经下出液阀接头20、下出液阀罩19、柱塞17、上出液阀接头16、出液阀座15、上出液阀罩13和滑阀罩7的流道进入柱塞以上的泵筒上腔室内。同时，排采杆1向下运动浸入一个冲程长度的排采管中，井口排出排采杆1冲程长度体积的井液，下冲程结束时完成泵筒下腔室出液和上腔室进液的过程。

在图6中，上下冲程中，杆管环空中沉积的煤粉颗粒伴随井液先后通过滑阀罩7和扶正锁爪8的流道、外筒10和泵筒11的环形空腔、支撑短节25的管道外间隙和进液阀接头26的锥形漏斗，进入沉煤粉尾管中，而不会在泵筒内腔中和柱塞上部发生沉积。

Claims (6)

1.一种长柱塞式双筒防煤粉排采泵，由上而下依次为扶正体、泵筒总成、柱塞总成、出液阀总成和进液阀总成五部分，泵筒总成、防煤粉筛管、进液阀总成和尾管随排采管柱一起下到井筒中的设计深度，扶正体、柱塞总成和出液阀总成随排采杆下入排采管柱中，上冲程中，泵筒上腔室出液，防煤粉槽中压力减小，进液阀弹簧沿定位销收缩，泵筒下腔室进液同时井液经射流孔进入防煤粉槽，下冲程中，泵筒上腔室进液，弹簧沿定位销伸长，泵筒下腔室出液，井液经射流孔进入上出液阀罩内，冲洗沉积的煤粉，其特征是：扶正体上部滑阀罩的顶壁正中央为圆形孔道，与贯穿其中的排采杆精密配合，形成移动副，上端加工有杆管环空与泵筒连通的流道，四个均布排列，形状采用流线型，扶正体下部扶正锁爪的下端均布排列六个锁爪，倒角限位部分进行精磨处理，将锁爪直接插入上接箍下部的锁套中进行定位；泵筒总成采用双筒构造，由里而外依次为泵筒和外筒，外筒上端由外螺纹与上接箍连接，下端通过外螺纹与下接箍连接，并由内螺纹与进液阀接头连接，泵筒下端与进液阀支撑短节连接而固定在外筒的下端，外筒和泵筒间形成一个环形空腔，杆管环空中沉积的煤粉经此空腔回落到尾管中；柱塞也采用双筒构造，由里而外依次为柱塞和内筒，内筒与上出液阀罩连接，可阻挡沉积的煤粉进入柱塞和泵筒的间隙，内筒、泵筒和柱塞上部形成一个环形槽，即防煤粉槽，并且在柱塞的上端加工有射流孔，分两层布置，每层八个均布排列，层间孔眼交错排列；上出液阀位于柱塞的上部，通过上出液阀罩上端的内螺纹将整个出液阀总成和柱塞连接在排采杆柱的下端，下出液阀位于柱塞的下部；进液阀罩上端通过外螺纹与泵筒相连接，下端通过内螺纹与支撑短节相连接，进液阀球分为球体和定位销两部分，定位销采用阶梯轴结构，上端与进液阀罩顶壁连接并与其内孔精密配合，形成移动副，下端与球体端面连接形成轴肩，来定位贯穿其外的弹簧，支撑短节下端采用丝堵进行密封，中间均布排列四个贯穿基体的类圆形管道，管道端部所在的圆环面分别与进液阀接头的内孔表面过盈配合，实现支撑短节与接头间的固定，进液阀接头上端与外筒连接，中间加工有四个类圆形的流道，对应于支撑短节的四个管道而贯通，下端截面采用圆锥面进行过渡。

2.根据权利要求1所述的长柱塞式双筒防煤粉排采泵，其特征是：外筒、内筒和泵筒的内孔表面化学镀处理，镀层厚度大于0.08毫米，泵筒和柱塞外表面喷焊处理，喷焊层和镀层与基体金属牢固结合。

3.根据权利要求1所述的长柱塞式双筒防煤粉排采泵，其特征是：内筒与泵筒高精度配合，单面配合间隙为0.065～0.090毫米，而柱塞与泵筒高精度配合，单面配合间隙为0.040～0.065毫米。

4.根据权利要求1所述的长柱塞式双筒防煤粉排采泵，其特征是：进液阀球和出液阀球的材料采用9Cr18Mo，进液阀座和出液阀座的材料采用6Cr18Mo，阀球和阀座的密封面精密研磨后，须先经退磁处理然后再进行配研，出液阀球和出液阀座的密封带宽度不小于1.50毫米，而进液阀球和进液阀座的密封带宽度需大于1.70毫米。

5.根据权利要求1所述的长柱塞式双筒防煤粉排采泵，其特征是：泵筒总成上部与排采管柱下端连接，下部接防煤粉筛管，进液阀总成上部接泵筒总成，下部接沉煤粉尾管，尾管底部用丝堵密封。

6.根据权利要求1所述的长柱塞式双筒防煤粉排采泵，其特征是：内筒长度需保证其下端面与柱塞的下端面齐平，泵筒长度需保证在冲程上死点处泵筒上端能越出柱塞下端，而在冲程下死点处柱塞下部的下出液阀能高出泵筒下端。

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