CN103452834A - 一种机械强扭式柱塞旋转器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械强扭式柱塞旋转器。机械强扭式柱塞旋转器包括：旋转体、驱动件和滑块销钉，其中，所述旋转体和所述驱动件同轴装配，所述旋转体包括有轨道槽，所述滑块销钉固定在所述驱动件上，并且所述滑块销钉可以在旋转体上的轨道槽中滑动，当所述滑块销钉随着所述驱动件轴向往复运动时，所述滑块销钉驱动所述旋转体沿与轴向垂直的圆周方向旋转。本发明通用性强，可以满足2⁷/₈英寸及以上规格的油管内的使用要求，使处在深井、斜井段，甚至是水平井的水平段中工作的任意规格型号的通用型或特种式抽油泵的柱塞及其滑杆可以整体定向旋转，达到防止滑杆及柱塞偏磨，延长抽油泵的使用寿命，减少卡泵、泵断、泵脱、泵漏等失效井次的效果。

Description

一种机械强扭式柱塞旋转器

技术领域

本发明属于石油工业中抽油机井有杆泵机械采油杆柱防偏磨技术领域，具体涉及一种具有防止抽油泵柱塞或者下部抽油杆柱偏磨功能的机械强扭式柱塞旋转器。

背景技术

在抽油机工作过程中，上冲程时整个抽油杆柱自下而上始终承受拉力作用，杆柱末端，即抽油泵柱塞承受拉力最小，杆柱顶端，即井口光杆悬点承受拉力最大。下冲程时由于杆柱受与运动方向相反的摩擦力、浮力，柱塞摩擦力，以及井液流经凡尔产生的局部阻力等综合作用，当下部杆柱重力无法抵消向上的阻力时，杆柱上将产生中和点，杆柱在该点处轴向力为零，中和点以上部分杆柱承受拉力，中和点以下部分杆柱承受压力，杆柱末端，即抽油泵柱塞承受压力最大，杆柱顶端，即井口光杆悬点承受拉力最大。中和点的存在，尤其是在斜井、深井中，使得中和点以下部分抽油杆柱，即中和点位置至柱塞长度范围内的杆柱容易发生失稳弯曲，由此造成的这部分杆柱偏磨不仅会导致抽油杆在接箍处发生断脱，而且也会使偏磨杆柱对应位置的油管发生磨损漏失。

再者，对于短柱塞抽油泵而言，由于连接柱塞的最后一根抽油杆，即滑杆在工作过程中要随柱塞进入泵筒内，其外径一般较细，刚度较弱，且不能安装抽油杆扶正器。为了缓解下部杆柱偏磨对机采系统造成的危害，传统工艺上采用抽油杆柱底部加重技术，即，中和点或中和点以上十几米范围内至底部滑杆之间范围内的抽油杆柱采用较大外径实芯钢制抽油杆或较大密度金属抽油杆，并在适当位置安装一定量的抽油杆扶正器，这在一定程度上起到了减轻底部杆柱偏磨危害的作用。然而，由于受抽油泵泵径过流、泵型结构的限制，滑杆相对其上部的加重杆外径较细、刚度较弱，且不能安装抽油杆扶正器，又由于下冲程时滑杆和柱塞承受着最大的压力，所以，滑杆将产生最大的屈曲变形，由此容易引起滑杆磨损泵筒内壁，从而增大柱塞与泵筒的间隙漏失量。滑杆的周期性压力屈曲与拉力伸长也会引起其与柱塞上凡尔罩螺纹连接的松动，从而增大该处脱扣的几率。

另外，滑杆受压变形后，由于泵筒和油管内壁的约束限制，将对底部柱塞形成以滑杆底端，即柱塞上凡尔罩螺纹连接处为支点的弯扭力矩。又由于油井并非是理想直井，往往都具有一定的斜度，抽油泵下深位置，即泵深处所在井段的井斜将使抽油泵始终保持在倾斜状态下工作。柱塞的斜置，再加之压力作用下滑杆对柱塞上凡尔罩形成的弯扭力矩，将使柱塞上凡尔罩在下冲程时受力恶化，加大柱塞上凡尔罩向一侧弯曲变形的趋势。这样，在柱塞上凡尔罩弯向的一侧，将增大柱塞与泵筒间的摩擦力，从而形成柱塞的单边偏磨现象，而由于泵筒对柱塞密封段形成约束支承导向作用，柱塞的单边偏磨现象主要反映在柱塞上不起密封作用、外径比密封段小、具有周向出液口、结构强度相对较弱的上凡尔罩上。柱塞的单边偏磨不仅会刮伤泵筒内壁，降低间隙密封性能，增大抽油泵的漏失量，而且，磨损下来的碎金属屑，裹夹在井液中的泥砂中，极易造成卡泵。另一方面，抽油泵从柱塞上凡尔罩处断裂的井次一直占据油井维护作业总井次的较大比重，而统计泵断井次发现，有八成至九成的泵断井次在柱塞上凡尔罩断口处及其附近有严重偏磨现象。分析主要原因，一方面是，柱塞上凡尔罩处偏磨后，承载截面积减小；另一方面是，下冲程时柱塞上凡尔罩受滑杆压力向一侧微弯曲，而上冲程时受滑杆拉力又向反方向伸直或呈反方向微弯曲趋势，如此周而复始的拉压弯扭循环作用，极易造成柱塞上凡尔罩的金属疲劳，而表面偏磨所造成的划伤沟槽则形成了疲劳源，疲劳源处微观裂纹的逐渐扩大最终导致抽油泵从柱塞上凡尔罩处发生断裂失效。

抽油杆柱底部加重并配套扶正器扶正技术可以在一定程度上缓解中和点至滑杆间杆柱的偏磨，但是滑杆自身的偏磨，以及由滑杆压力形成的柱塞偏磨却得不到有效解决。目前，有一种安装在井口光杆上的抽油杆旋转器，它利用一端连接在自身摇杆上，一端连接在抽油机驴头上的链条传递动力，依靠驴头运动至下死点时拉紧链条并掰动摇杆，进而靠摇杆联动的旋转器内部装置将包括上至光杆，下至柱塞在内的整个抽油杆柱旋转一定角度，达到抽油杆柱整体防偏磨的效果。但是，由于抽油机井悬点负荷一般较大，实际生产中，最高可超过120kN，而且，斜井、大斜度井，甚至是水平井越来越多。而从抽油杆旋转器的实际应用效果来看，其对悬点负荷在80kN以下，且抽油杆柱所处井段最大井斜不超过30°的油井效果较明显，即该种抽油杆旋转器无法满足悬点负荷在80kN以上的直井或泵深范围内井斜在30°以上的斜井的抽油杆柱防偏磨的需要。而处于中后期开发的油田随着深抽挖潜、强采提液的需要，斜井、深井、超深井等高悬点负荷油井所占的比例越来越大。这类油井由于泵深较深、井斜较大，中和点以下杆柱的失稳偏磨以及抽油泵柱塞上凡尔罩处的偏磨、断裂失效等故障急需要解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种机械强扭式柱塞旋转器，使处在深井、斜井段，甚至是水平井的水平段中工作的任意规格型号的通用型或特种式抽油泵的柱塞及其滑杆可以整体定向旋转，从而防止滑杆及柱塞偏磨，延长抽油泵的使用寿命，减少卡泵、泵断、泵脱、泵漏等失效井次的效果，从而延长油井免修期，提高油田开发效益。

本发明所采用的技术方案为：

一种机械强扭式柱塞旋转器，包括：旋转体、驱动件和滑块销钉，其中，所述旋转体和所述驱动件同轴装配，所述旋转体包括有轨道槽，所述滑块销钉固定在所述驱动件上，并且所述滑块销钉可以在旋转体上的轨道槽中滑动，当所述滑块销钉随着所述驱动件轴向往复运动时，所述滑块销钉驱动所述旋转体沿与轴向垂直的圆周方向旋转。

所述驱动件套装在所述旋转体外。

所述驱动件包括有上腔室和下腔室，所述上腔室和下腔室之间由台肩通孔连通，所述上腔室设置有上腔室弹簧，所述下腔室设置有下腔室弹簧，所述旋转体包括有拉杆，所述拉杆依次穿过所述下腔室弹簧、台肩通孔和上腔室弹簧。

所述轨道槽包括有上轨道槽和下轨道槽，当所述滑块销钉随着所述驱动件轴向往复运动时，所述滑块销钉交替在所述上、下轨道槽中滑动。

所述上、下轨道槽轮廓相同，且在所述圆周方向上错开设定角度。

所述上、下轨道槽分别由竖直面、倾斜面和圆弧过渡面组成。

所述上、下轨道槽分别为锯齿状。

所述机械强扭式柱塞旋转器还包括设置在所述下腔室弹簧两端的第一弹簧垫片和第二弹簧垫片，以及设置在上腔室弹簧两端的第三弹簧垫片和弹簧支承片，所述拉杆的末端安装有反扣螺母。  

所述驱动件上设置有呼吸孔。

所述上腔室弹簧和所述下腔室弹簧均为锥簧。

本发明的有益效果为：

1、本发明通用性强，可以满足2⁷/₈英寸及以上规格的油管内的使用要求，使处在深井、斜井段，甚至是水平井的水平段中工作的任意规格型号的通用型或特种式抽油泵的柱塞及其滑杆可以整体定向旋转，达到防止滑杆及柱塞偏磨，延长抽油泵的使用寿命，减少卡泵、泵断、泵脱、泵漏等失效井次的效果。

2、固定体上设置的呼吸孔可以起到排除进入装置中的井液和砂粒的作用，而且，在固定体上下冲程中，下腔室交错分布的几组呼吸孔中总会有正对旋转体轨道槽的呼吸孔，可以及时排除轨道槽内的砂粒，达到防止旋转体砂卡的效果。

3、本发明结构紧凑，设计合理，经过特殊热处理的旋转体轨道槽与滑块销钉均具有较强的耐磨性，而且，滑块销钉在轨道槽上下死点时不承受最大剪切力，同时，由于缓冲弹簧的支承作用，避免了各连接件的刚性冲击，达到了延长了整个装置使用寿命的效果。

4、基于本发明原理，调整设计旋转体的轨道槽工作斜面角度及高度，以及上下腔室弹簧的刚度后，本发明的其它实例也可以安装于抽油杆柱的中和点以下任意位置，起到使该装置与柱塞间杆柱整体防偏磨的作用，达到延长油井免修期的效果。

附图说明

图1为本发明一实施例的平面剖视图。

图2为本发明一实施例的立体剖视图。

图3为本发明一实施例的旋转体的立体图。

图4为本发明一实施例的固定体的平面剖视图。

图5为本发明一实施例的图4的A-A断面图。

图6为本发明一实施例的固定体的立体透视图。

图7为本发明一实施例的反扣螺母安装立体图。

图8为本发明一实施例的反扣螺母专用扳手的立体透视图。

图9为本发明一实施例的抽油杆柱上冲程示意图。

图10为本发明一实施例的抽油杆柱下冲程示意图。

图11为本发明一实施例剖视后的工作过程及原理示意图。

图中：1. 旋转体，1-1. 轨道槽，1-2. 拉杆，1-3. 台肩面，2. 驱动件，2-1. 滑块销钉孔，2-2. 下腔室呼吸孔，2-3. 下腔室呼吸孔，2-4. 下腔室呼吸孔，2-5. 上腔室呼吸孔，3. 滑块销钉，4-1. 弹簧垫片，4-2. 弹簧垫片，4-3. 弹簧垫片，5. 弹簧支承片，6. 下腔室弹簧，7. 上腔室弹簧，8. 反扣螺母，9. 连接头，10. 接箍，11. 螺母套筒，12. 加力杠， 13.台肩通孔；

Ⅰ. 套管，Ⅱ. 油管，Ⅲ. 抽油杆柱，Ⅳ. 机械强扭式柱塞旋转器，Ⅴ. 滑杆，Ⅵ. 柱塞，Ⅶ. 泵筒，Ⅷ. 中和点。

具体实施方式

本发明实例是一款安装在抽油机井有杆泵机械采油杆柱上，用于杆柱防偏磨的装置，将杆柱在上下冲程中沿直线上下相反方向的拉-压交变力，利用纯机械机构转化为迫使旋转体做定向旋转运动的单向圆周力。

图1所示为本发明一实施例的机械强扭式柱塞旋转器的平面剖视图。机械强扭式柱塞旋转器包括旋转体1、驱动件2、滑块销钉3、弹簧垫片4-1、弹簧垫片4-2、弹簧垫片4-3、弹簧支承片5、下腔室弹簧6、上腔室弹簧7、反扣螺母8、连接头9以及接箍10。除滑块销钉3外，其余零部件均为同轴装配。其中，旋转体1包括有轨道槽1-1。在一个实施例中该轨道槽1-1是在圆柱形的旋转体1上铣削加工而成。滑块销钉3可以固定在驱动件2上，并且滑块销钉3可以在轨道槽1-1中滑动，当滑块销钉3随着驱动件2轴向往复运动（即上下运动）时，滑块销钉3驱动旋转体1沿与轴向垂直的圆周方向（即俯视顺时针旋转）旋转。因为要将杆柱在上下冲程中沿直线上下相反方向的拉-压交变力转化为迫使旋转体做定向旋转运动的单向圆周力，所以，柱塞旋转器需要安装在杆柱的中和点以下位置。本发明实例安装在滑杆顶端。旋转体1下端与滑杆（在图9中示出）采用螺纹连接，驱动件2上端与连接头9采用螺纹连接，连接头9与接箍10采用螺纹连接，接箍10与滑杆以上的抽油杆柱（在图9中示出）采用螺纹连接。

旋转体1下端为抽油杆连接头，连接滑杆；旋转体上端为拉杆1-2。拉杆1-2依次穿过弹簧垫片4-1，下腔室弹簧6，弹簧垫片4-2，驱动件2中部的台肩通孔13，弹簧垫片4-3，上腔室弹簧7，弹簧支承片5。拉杆1-2顶部为反扣螺纹，安装两个反扣螺母8，其中一个反扣螺母8作为背帽；旋转体中部为杆体连续轨道槽1-1，轨道槽1-1至少为2条，该实例为5条。轨道槽1-1分上行轨道槽和下行轨道槽2组，将轨道槽1-1展开来看，上下行轨道槽的结构为沿水平方向上平移一定距离后的镜像对称结构。换句话说，上、下轨道槽轮廓相同，且在所述圆周方向上错开设定角度。轨道槽1-1的工作面为上下2组斜向一侧倾斜的斜面，水平方向上与此斜面相对的是竖直面，轨道槽1-1的上下死点利用圆弧面对斜面与竖直面进行过渡。

图2为本发明一实施例的机械强扭式柱塞旋转器的立体剖视图。图3为本发明一实施例的机械强扭式柱塞旋转器的旋转体1的立体图。

图4为本发明一实施例的机械强扭式柱塞旋转器的驱动件2的平面剖视图。图5为本发明一实施例的图4的A-A断面图。图6为本发明一实施例的机械强扭式柱塞旋转器的驱动件2的立体透视图。驱动件2分为同轴线的上下两个腔室。下腔室设置有滑块销钉孔2-1。滑块销钉孔2-1的孔数可以为1孔，也可以与轨道槽1-1的条数对应相等，即至少为2孔，该实例为5孔，当孔数大于1时，要求沿下腔室周向均布；滑块销钉孔2-1的下侧设置有下腔室呼吸孔2-2，上侧设置有下腔室呼吸孔2-3和2-4，下腔室呼吸孔2-2、2-3、2-4沿下腔室周向依次向右偏转一定角度，沿下腔室轴向依次向上偏移一定距离，沿下腔室轴向斜向下一定角度将下腔室侧壁贯穿，同时沿下腔室径向对称分布；上下腔室被台肩通孔13贯穿，台肩通孔13的内径比拉杆1-2的外径稍大，这样，就保证了拉杆1-2能够在台肩通孔中自由跳动和转动；上腔室底平面外圆设置有上腔室呼吸孔2-5，上腔室呼吸孔2-5沿上腔室轴向斜向下一定角度将上腔室侧壁贯穿，同时沿上腔室径向对称分布；上腔室顶部与连接头9采用螺纹连接。下腔室弹簧6与上腔室弹簧7均为锥簧，且小头均朝上。

弹簧垫片4-1、4-2、4-3和弹簧支承片5的内径比拉杆1-2的外径稍大，其中，弹簧支承片5的内径比反扣螺母8的最大外径小，弹簧垫片4-1和4-2的外径比驱动件2的下腔室内径稍小，弹簧垫片4-3和弹簧支承片5的外径比驱动件2的上腔室内径稍小，这样，就保证了弹簧垫片4-1、4-2、4-3和弹簧支承片5能够在拉杆1-2上自由跳动和转动。

滑块销钉3的个数与驱动件2上的滑块销钉孔2-1的孔数对应相等，安装时，先将弹簧垫片4-1、弹簧垫片4-2、下腔室弹簧6和旋转体1串接好插入驱动件2的下腔室中，再将滑块销钉3穿过滑块销钉孔2-1并对应插入任意一条轨道槽1-1内，然后在保证滑块销钉3不顶死轨道槽1-1的余量间隙下，将滑块销钉3与滑块销钉孔2-1通过螺纹上紧，最后将滑块销钉3的外端面与驱动件2焊死，并将焊接面打磨光滑，使打磨后的表面直径与驱动件2的最大外径保持一致。旋转体1、驱动件2、连接头9和接箍10的最大外径相同，均不超过1英寸规格的抽油杆接箍的最大外径。

图7为本发明一实施例的反扣螺母8安装立体图。图8为本发明一实施例的反扣螺母8专用扳手的立体透视图。本发明实例中，安装反扣螺母8时需要使用专用扳手。如图7所示专用扳手由螺母套筒11和加力杠12组成，将弹簧垫片4-3、上腔室弹簧7和弹簧支承片5在拉杆1-2上套装好后，用专用扳手将2个反扣螺母8依次与拉杆1-2上紧。

图9为本发明一实施例的抽油杆柱上冲程示意图。图10为本发明一实施例的抽油杆柱下冲程示意图。图11为本发明一实施例剖视后的工作过程及原理示意图。A状态表示滑块销钉3到达1#下轨道槽下死点，B状态表示滑块销钉3开始进入1#上轨道槽，C状态表示滑块销钉3滑入1#上轨道槽，D状态表示滑块销钉3到达1#上轨道槽上死点，E状态表示滑块销钉3开始进入2#下轨道槽，F状态表示滑块销钉3滑入2#下轨道槽，G状态表示滑块销钉3到达2#下轨道槽下死点。当滑块销钉3在轨道槽1-1中往复运动时，由于滑块销钉3被固定在驱动件2上，不做圆周方向的转动，滑块销钉3驱动旋转体做顺时针方向运动。

在驱动件2上冲程中，滑块销钉3运动至上死点时，将轨道槽1-1展开来看，滑块销钉3外圆轮廓线最上切点相对于轨道槽1-1最上切点向下偏移一定距离，这样就保证滑块销钉3不会与轨道槽1-1的上圆弧面接触，而是会留有一个间隙距离，此时，旋转体1所承受的拉力全部被压缩后的上腔室弹簧7承受；同理，在驱动件2下冲程中，滑块销钉3运动至下死点时，将轨道槽1-1展开来看，滑块销钉3外圆轮廓线最下切点相对于轨道槽1-1最下切点向上偏移一定距离，这样就保证滑块销钉3不会与轨道槽1-1的下圆弧面接触，而是会留有一个间隙距离，此时，驱动件2的下端面将抵到旋转体1的台肩面1-3上，下腔室弹簧6也同步被压缩。这种设计，滑块销钉3在轨道槽1-1的上下死点不会承受最大的剪切力，而上下腔室弹簧也起到了缓冲的作用，避免了各连接件的刚性冲击，延长了整个装置的使用寿命。

在本发明实例的设计中，当滑块销钉3上行或下行至轨道槽1-1的上轨道槽与下轨道槽的接合处，即轨道槽1-1轴向上的垂直中分横截面时，上下腔室弹簧都处于自然长度状态，即弹簧支承片5的上平面与反扣螺母8的下平面分离，弹簧垫片4-2的上平面与驱动件2的下腔室顶平面分离。

将轨道槽1-1展开来看，当滑块销钉3处于轨道槽1-1下死点时，滑块销钉3的外圆轮廓线最左切点相对轨道槽1-1上拐点向右偏移一定距离，当滑块销钉3处于轨道槽1-1上死点时，滑块销钉3的外圆轮廓线最左切点相对轨道槽1-1下拐点向右偏移一定距离。在驱动件2上冲程中，可以保证滑块销钉3能够准确顺利地由其所在1#下轨道槽1-1滑入竖直方向上与该轨道槽1-1相对的1#上轨道槽1-1；同理，在驱动件2下冲程中，可以保证滑块销钉3能够准确顺利地由其所在1#上轨道槽1-1滑入竖直方向上与该轨道槽1-1相对的2#下轨道槽1-1。由于与滑块销钉3相切的运动面，即轨道槽1-1的工作面为上下2组斜向一侧倾斜的斜面，而滑块销钉3随驱动件2理论上不做圆周旋转运动（实际上由于整体细长抽油杆柱存在一定的柔性，驱动件2在上下冲程中会有微量扭转运动），所以在上下冲程中，滑块销钉3将迫使旋转体1始终做俯视顺时针转动，相应地，滑杆与柱塞在旋转体1的驱动扭力下将同步做俯视顺时针转动，这种设计，就起到了防止柱塞与滑杆偏磨的作用。同时，由于滑杆与柱塞的旋转运动以及上部连接的抽油杆柱的旋转趋势都是朝着各自螺纹扭紧的方向，所以，也起到了整个抽油杆柱防脱扣的作用。

Claims (10)

1.一种机械强扭式柱塞旋转器，其特征在于包括：旋转体（1）、驱动件（2）和滑块销钉（3），其中，所述旋转体（1）和所述驱动件（2）同轴装配，所述旋转体(1)包括有轨道槽（1-1），所述滑块销钉（3）固定在所述驱动件（2）上，并且所述滑块销钉（3）可以在旋转体(1)上的轨道槽（1-1）中滑动，当所述滑块销钉（3）随着所述驱动件（2）轴向往复运动时，所述滑块销钉（3）驱动所述旋转体（1）沿与轴向垂直的圆周方向旋转。

2.根据权利要求1所述的机械强扭式柱塞旋转器，所述驱动件（2）套装在所述旋转体（1）外。

3.根据权利要求1所述的机械强扭式柱塞旋转器，所述驱动件（2）包括有上腔室和下腔室，所述上腔室和下腔室之间由台肩通孔（13）连通，所述上腔室设置有上腔室弹簧（7），所述下腔室设置有下腔室弹簧（6），所述旋转体（1）包括有拉杆（1-2），所述拉杆（1-2）依次穿过所述下腔室弹簧（6）、台肩通孔（13）和上腔室弹簧（7）。

4.根据权利要求1所述的机械强扭式柱塞旋转器，所述轨道槽（1-1）包括有上轨道槽和下轨道槽，当所述滑块销钉（3）随着所述驱动件（2）轴向往复运动时，所述滑块销钉（3）交替在所述上、下轨道槽中滑动。

5.根据权利要求4所述的机械强扭式柱塞旋转器，所述上、下轨道槽轮廓相同，且在所述圆周方向上错开设定角度。

6.根据权利要求5所述的机械强扭式柱塞旋转器，所述上、下轨道槽分别由竖直面、倾斜面和圆弧过渡面组成，其中所述竖直面与所述倾斜面之间由所述圆弧过渡面连接。

7.根据权利要求5所述的机械强扭式柱塞旋转器，所述上、下轨道槽分别为锯齿状。

8.根据权利要求3所述的机械强扭式柱塞旋转器，其特征在于：所述机械强扭式柱塞旋转器还包括设置在所述下腔室弹簧（6）两端的第一弹簧垫片（4-1）和第二弹簧垫片（4-2），以及设置在上腔室弹簧（7）两端的第三弹簧垫片（4-3）和弹簧支承片（5），所述拉杆（1-2）的末端安装有反扣螺母（8）。

9.根据权利要求1所述的机械强扭式柱塞旋转器，其特征在于：所述驱动件（2）上设置有呼吸孔。

10.根据权利要求3所述的机械强扭式柱塞旋转器，所述上腔室弹簧（7）和所述下腔室弹簧（6）均为锥簧。

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