CN103423135A - 液力驱动抽油泵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液力抽油泵，它可以用地面动力液驱动，也可以用井下液压泵驱动，控制往复运动的换向阀包括阀座、空心阀体及滑杆，阀体两端是圆锥形，分别对应阀座的两个密封线，在阀体端部设有一变压腔室，滑杆的一端装在空心阀体内，滑杆与阀体内孔之间形成环形通道，换向阀的初始动作由阀杆提供，然后由液压力推至换相位置，关闭和开启液流通道，使柱塞变换运动方向，柱塞往复运动带动柱塞杆在泵筒内伸出和缩回。由于换向阀中设置了流体变压腔室使其能够在很低的运行速度下实现平稳快速换向，使该泵运行可靠，工作寿命长，换向阀采用线密封，工作中不泄漏。
Description
所属技术领域
本发明涉及油井开采的液力驱动抽油泵，尤其涉及一种控制液力驱动抽油泵往复运动的换向装置。
背景技术
随着石油钻井技术的发展与变化，出现了越来越多的斜井与水平井，其中包括大量的小排量油井及天然气井，因此，近年来适应小排量斜井开采的无杆抽油设备有了较大发展。在众多的小排量无杆采油设备中只有采用井下换向装置的液力柱塞泵效率最高，制造成本也较低。这种柱塞泵的动力可以是来自地面的动力液，也可以由井下潜油电机驱动的液压泵提供。动力柱塞的往复运动是由装在泵内的机械换向阀完成的，换向阀的阀芯有两个位置状态，阀芯的位置变化是通过与其连成一体的滑杆由柱塞拖动完成。阀芯在滑套中的不同位置时，其上的孔道就会改变动力液的走向，从而实现柱塞的往复运动。美国专利4591320及2008/0003118先后公布了具有这种机械换向阀的液力抽油泵，这两份文献中记载的换向阀的共同特点是它们都将驱动阀芯动作的滑杆与阀芯装配成了一个整体，在这种一体结构中，当滑杆带动阀芯从一个位置变化到另一位置时，必须经过一个介于两个位置之间的中间状态，在此中间位置状态时阀芯上的供液孔道和回流孔道都受到阀套遮挡，由于两个孔道的关闭，柱塞也就失去了来自高压液流的动力，泵也就停止了工作。这种机械换向阀在低速运行时无法实现换向的目地。此外，这两份文献中记载的换向阀都是采用滑套阀结构，当动力液粘度低时将产生严重漏失，同时对动力液的清洁度和润滑性要求也十分苛刻。
发明内容
本发明提供一种带有井下换向阀的液力驱动抽油泵，该抽油泵能在很低的运行速度下实现平稳换向以达到提高可靠性和增加工作寿命的目的。
本发明的另一目的是提供一种液力驱动抽油泵，该泵可以使用不清洁的水作为动力液以降低系统的运行成本。
本发明提供的液力驱动抽油泵包括带有空心柱塞杆的动力柱塞，柱塞在缸筒内作往复运动，并且带动柱塞杆同步运动，缸筒端部装有换向阀，换向阀包括阀座、空心阀体及滑杆，阀座的两端面上设有密封线，在两端面间设有连通孔，该连通孔与柱塞的大截面一侧的腔室连通，空心阀体两端设计成锥形，分别对应阀座的两个密封线，阀体一端的外圆柱面与滑套配合形成动密封，在滑套上设有连通孔与回流通道连接，在滑套的另一端设有一变换压力的腔室，此腔室与柱塞环形截面一侧的腔室连通，并且该变压腔室与柱塞大截面一侧的腔室之间装有密封装置。滑杆的一端装在空心阀体内，并且滑杆与阀体内孔之间形成 一环形通道，此通道与变压腔室相连通。滑杆上装有两个触发挡块分别装在空心阀体的上下端附近。滑杆从中心穿越柱塞并进入空心柱塞杆。滑杆上还装有两个限位挡环，分别装在接近上下行程终点的部位。换向阀的初始动作由阀杆提供，然后由液体压力推至换相位置。当动力液驱动柱塞运行到其行程的末端时，柱塞推动滑杆上的限位挡环使滑杆运动，继而滑杆上的触发挡块推动阀体动作，随后在两端压差作用下阀体迅速变换位置状态，由此改变液流通道，使柱塞变换运动方向。柱塞在作往复运动的同时，和其连在一起的柱塞杆也在泵的工作筒内作伸进和缩回的运动，从而使泵筒端部的吸入凡尔和排除凡尔交替开启和关闭将井液举升至地面。
本发明的液力驱动抽油泵，由于其换向阀中设置了流体变压腔室使其能够在很低的运行速度下实现平稳快速换向，因而使整个泵系统运行可靠，工作寿命增加。由于换向阀的阀座和阀体是线密封，换向阀在工作中不泄漏。不仅如此，采用线密封的另一好处是阀体不会因为动力液存在杂质而卡死。因此本发明的液力驱动抽油泵可以用不清洁的水做动力液，这将使系统的运行成本大幅降低。
第一个优选实施方式是地面动力液驱动的液力抽油泵。
另一优选实施方式是井下液压泵驱动的液力抽油泵。
以下结合附图对本发明的优选实施方式进行具体描述。
图1A是本发明的液力驱动抽油泵在上行程时其换向阀的结构剖面图。
图1B是本发明的液力驱动抽油泵在下行程时其换向阀的结构剖视图。
图2是放大的阀座与阀体结构剖视图。
图3A是地面动力液驱动的液力抽油泵在上行程时的结构剖视图。
图3B是地面动力液驱动的液力抽油泵在下行程时的结构剖视图。
图4是井下液压泵驱动的液力抽油泵结构剖视图。
首先看图1A、图1B和图2换向阀部分，它包括阀座10、空心阀体20、滑杆30、滑套50和支撑套60。阀座10上装有密封圈13、14，在两个密封圈之间设有连通孔12，连通孔12和流道43连通，阀座的上下端面与其内通径之间是密封线11a和11b。阀体20上设有圆锥面21a和21b，靠近圆锥面设有圆柱面22a和22b，阀体的一端还设有圆柱面23。滑杆30装在空心阀体20内，在阀体20与滑杆30之间形成环形通道42，同时在阀体20与阀座10的内通径之间形成环形通道41，阀体的圆柱面23与滑套50的小内径部位动配合，形成动密封，滑套50上装有密封圈52，并设有连通孔51，连通孔51与回流通道45连通。支撑套60压紧滑套50，其上装有密封圈63，并设有连通孔61和64，连通孔61与高压流道44连通，64与流道43连通，支撑套60上还装有止动装置62，其作用是防止滑杆窜动，滑杆30与支撑套小内径部位配合，形成动密封，支撑套60的 内孔径形成一变压腔室46，其作用下面还要详细说明。滑杆30从中心穿越柱塞70并进入空心柱塞杆73，柱塞70上装有动密封71，并设有呼吸孔74，在缸套76的变径部位装有动密封72，在柱塞大截面一侧形成腔室47，并与连通孔64连通，在其环形截面一侧形成腔室48，并与高压流道44连通。滑杆30上装有两个触发挡块31和32，分别装在空心阀体的上下端附近，其中31上设有导流开口31a，滑杆上还装有两个限位挡环33和34，分别装在接近上下行程终点的部位。再来看图1A，此时阀体上的圆锥面21a和阀座上的密封线11a将流道41关闭，来自流道40的高压流体通过开口31a进入环形通道42，接着流经腔室46、连通孔61和通道44进入腔室48推动柱塞70向着箭头所指方向运动，同时腔室47中的乏液通过连通孔64流经通道43和连通孔12进入回流管路45。当柱塞与滑杆上的限位挡环33接触后，滑杆在柱塞的推动下沿着同一方向运动，接着滑杆上的触发挡块32推动阀体移动，此时由于阀体上的圆柱部位22a还未脱离阀座的内孔，高压流体没有改变流动方向，继续推动活塞和滑杆向前运动，当圆柱部位22a刚要脱离阀座内孔时，阀体的另一圆柱部位22b进入阀座内孔，此时环形通道41开通，回流通道45关闭(见图1B)，液流通过环形通道41、连通孔12、通道43和连通孔64进入腔室47，由于柱塞两端截面不同，液流迫使柱塞向着图1B的箭头所指方向运动，同时腔室48内的流体经由流道44和连通孔61进入腔室46，需要提起注意的是滑杆上的凸台35此时已进入了环形通道42，这对流经该通道的液流产生了阻尼作用，因此腔室46内的压力会有所升高，在此压力作用下阀体迅速移动到图1A和图2所示的位置，并且锥面21b和阀座上的密封线11b坐封。从腔室46出来的流体经过环形通道42与流道40内的高压流体会和共同经由流道43进入腔室47。当柱塞接触到滑杆上的限位挡环34时滑杆被拉动，同时带动触发挡块31推动阀体移动，并且按照类似上述的过程完成阀体换向，从而驱动柱塞改变运动方向，并带动柱塞杆73伸出和缩回。
图3A和图3B分别是地面动力液驱动的液力抽油泵在其上、下冲程的结构原理图。它是由图1A和图1B所示的换向阀加装了常规的抽油泵部件而组成。其中80是泵筒，与缸茼76的下部连接，81是泵筒的内腔，82是排出凡尔，83是吸入凡尔，84是泵吸入口，90是输出油管，92是泵排出口，91是出油环形通道。在动力液作用下换向阀按照前述的控制过程促使柱塞和柱塞杆往复运动，当柱塞杆73按照图3A所示向上运行时，吸凡尔83开启，排出凡尔82关闭，油流通过泵入口84进入泵腔81。当柱塞杆73按照图3B所示向下运行时，柱塞杆73迫使吸入凡尔83关闭，排出凡尔82开启，泵腔81内的原油经由泵出口92进入管道91排至地面。需要说明的是乏液的回流通道45可以是闭路流程单独返回地面，也可以是开路流程与环形通道91连通。
图4是井下液压泵驱动的液力抽油泵在下行程的结构原理图。它是由图1A和图1B所示的换向阀加装了常规的抽油泵部件、动力电缆、潜油电机和液压泵等组成。动力电缆100从地面向井下潜油电机101提供电能，潜油电机101转动带动液压泵102运转，液压泵102是以液压油或电机油作为动力传递介质。103是液压泵吸入口，它与换向阀上的回流通道45相连接，104是液压泵的高压出口，它与换向阀上的通道40相连接。当换向阀处于图4所示的位置时，来自液压泵出口104的高压油经由环形通道42和流道44进入腔室48推动柱塞70向下运行，腔室47内的乏油经由连通孔64、流道43、环形通道41和回流通道45返回到液压泵入口103。在柱塞缸茼76的上端还装有泵筒80a，81a是泵腔，82a是排出凡尔，83a是吸入凡尔，84a是泵吸入口，90a是油管，92a是泵出口，当柱塞杆73按照图4所示向下运行时，排出凡尔82a关闭，吸入凡尔83a开启，油流经由泵入口吸进泵腔81a。柱塞上行的工作过程与地面动力液驱动的方式都是一样的，不再重复。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变换和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用地面动力液驱动的液力抽油泵，它包括泵筒(80)，连接在缸茼(76)下端，在泵筒下端装有排出凡尔(82)和吸入凡尔(83)，柱塞杆(73)在柱塞推动下往复运动促使吸入凡尔和排出凡尔交替开启和关闭，将原油吸进和排除泵腔(81)，它还包括泵吸入口(84)、泵排出口(92)和输出油管(90)，其特征在于：在缸茼(76)的上端安装有控制柱塞往复运动的换向阀，换向阀包括阀座(10)、空心阀体(20)、滑杆(30)、滑套(50)和支撑套(60)，阀座(10)上装有密封圈(13)、(14)，在两个密封圈之间设有连通孔(12)，连通孔(12)和流道(43)连通，空心阀体的一端设有圆柱面(23)，滑杆(30)装在空心阀体(20)内，在阀体(20)与滑杆(30)之间形成环形通道(42)，同时在阀体(20)与阀座(10)的内通径之间形成环形通道(41)，阀体的圆柱面(23)与滑套(50)的小内径部位动配合，形成动密封，滑套(50)上装有密封圈(52)，并设有连通孔(51)，连通孔(51)与回流通道(45)连通，支撑套(60)压紧滑套(50)，其上装有密封圈(63)并设有连通孔(61)和(64)，连通孔(61)与高压流道(44)连通，(64)与流道(43)连通，滑杆(30)与支撑套小内径部位配合形成动密封，支撑套(60)的内孔径形成一变压腔室(46)，滑杆(30)从中心穿越柱塞(70)并进入空心柱塞杆(73)，柱塞(70)上装有动密封(71)，并设有呼吸孔(74)，在缸套(76)的变径部位装有动密封(72)，在柱塞大截面一侧形成腔室(47)，并与连通孔(64)连通，在其环形截面一侧形成腔室(48)，并与高压流道(44)连通。滑杆(30)上装有两个触发挡块(31)和(32)，滑杆上还装有两个限位挡环(33)和(34)，柱塞运行至行程终点时推动滑杆上的限位挡环并带动滑杆上的触发挡块推动阀体移动，关闭和开启液流通道以驱动柱塞改变运动方向，并带动柱塞杆(73)伸出和缩回。
2.如权利要求1所述的液力抽油泵，其特征在于：滑杆(30)上装有阻流凸台(35)。
3.一种井下液压泵驱动的液力抽油泵，它包括泵筒(80a)，连接在缸茼(76)上端，在泵筒上端装有排出凡尔(82a)和吸入凡尔(83a)，柱塞杆(73)在柱塞推动下往复运动促使吸入凡尔和排出凡尔交替开启和关闭，将原油吸进和排除泵腔(81a)，它还包括泵吸入口(84a)、泵排出口(92a)和输出油管(90a)，其特征在于：它是通过动力电缆(100)将电能传送给潜油电机(101)潜油电机驱动液压泵(102)运转，液压泵(102)的吸入口(103)与控制柱塞(70)往复运动的换向阀上的回流通道(45)连通，液压泵的排出口(104)与换向阀上的通道(40)连通，换向阀还包括阀座(10)、空心阀体(20)、滑杆(30)、滑套(50)和支撑套(60)，阀座(10)上装有密封圈(13)、(14)，在两个密封圈之间设有连通孔(12)，连通孔(12)和流道(43)连通，空心阀体的一端 设有圆柱面(23)，滑杆(30)装在空心阀体(20)内，在阀体(20)与滑杆(30)之间形成环形通道(42)，同时在阀体(20)与阀座(10)的内通径之间形成环形通道(41)，阀体的圆柱面(23)与滑套(50)的小内径部位动配合，形成动密封，滑套(50)上装有密封圈(52)，并设有连通孔(51)，连通孔(51)与回流通道(45)连通，支撑套(60)压紧滑套(50)，其上装有密封圈(63)并设有连通孔(61)和(64)，连通孔(61)与高压流道(44)连通，(64)与流道(43)连通，滑杆(30)与支撑套小内径部位配合形成动密封，支撑套(60)的内孔径形成一变压腔室(46)，滑杆(30)从中心穿越柱塞(70)并进入空心柱塞杆(73)，柱塞(70)上装有动密封(71)，并设有呼吸孔(74)，在缸套(76)的变径部位装有动密封(72)，在柱塞大截面一侧形成腔室(47)，并与连通孔(64)连通，在其环形截面一侧形成腔室(48)，并与高压流道(44)连通。滑杆(30)上装有两个触发挡块(31)和(32)，滑杆上还装有两个限位挡环(33)和(34)，柱塞运行至行程终点时推动滑杆上的限位挡环并带动滑杆上的触发挡块推动阀体移动，关闭和开启液流通道以驱动柱塞改变运动方向，并带动柱塞杆(73)伸出和缩回。
4.如权利要求1或3所述的液力抽油泵，其特征在于：阀体(20)上设有圆锥面(21a)和(21b)，靠近圆锥面设有圆柱面(22a)和(22b)。
5.如权利要求1或3所述的液力抽油泵，其特征在于：阀座的上下端面与其内通径之间设有密封线(11a)和(11b)，分别对应阀体圆锥面(21a)和(21b)。
6.如权利要求1或3所述的液力抽油泵，其特征在于：支撑套(60)上装有止动装置(62)，以防止滑杆(30)窜动。
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