CN104747126A - U形管单井液力自循环采油方法及配套装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，属机械采油新领域。该方法及配套装置包括由加压泵泵入动力液的油管、油管自上而下依次串接的弹性扶正爪、井下液力往复泵、油气分离罩及封隔器密封的油套管环形空间U形管产液通道，封隔器之下尾管串接的旋流分砂管，产出液经D口流经多功能中转罐，并由此一路经A口流入过滤器、加压泵，另一路通过E口进入集输管道所组成的采油密闭循环流程；地面配套装置包括依次串连的电动机、加压泵、过滤器和多功能中转罐。该方法及配套装置可解决井下砂、蜡、稠、气、斜、深，地面节能、安全、环保、基本免维护的诸多难题，实现机械采油的方向性创新，是各类采油方式的最佳选择。
Description
技术领域
本发明为一种U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，属机械采油新领域。
背景技术
在油田开发中，除油田开发初期依靠地层能量的自喷采油外，随着开发年限的延长，油井都将转入机械举升采油方式。据不完全统计，全世界目前有油井约200万口，其中机械采油约占95％以上。
国内外常用的机械采油方式主要为电潜泵采油、螺杆泵采油、射流泵采油、四连杆游梁式抽油机有杆泵采油和为了节能增效改进的天平平衡电机直驱立式抽油抽采油。上述采油方式虽然各有优势，但也各有技术局限。
电潜泵采油适应大排量的排液需要，但要举升液柱重量和克服摩擦阻力，能耗高，使用寿命短，且更换费用及入井电缆的高成本制约着该种采油方式的大规模推广。
螺杆泵采油同样需要举升液柱重量和克服摩擦阻力，且对深井、斜井、稀油井难以适应，使用范围较小。
射流泵采油没有运动部件，靠动力液与地层流体之间的动量转换实现液体举升，不受举升高度的限制，工作原理不失为一种较理想的采油方式，但高压喷嘴的磨损和低产能井的不适应制约了其长寿命大面积推广。
四连杆游梁式抽油机和改进的立式抽油机经平衡后只举升液重之半的载荷，且疲实可靠、经久耐用，至今仍占机械采油的90％左右，成为机械采油的主导机型。但结构庞大、维护笨重、费用昂贵和管杆偏磨导致井下故障率高，对斜井、超深井、稠油井使用受限，越来越不适应现代社会低碳经济的发展需要。
上世纪八十年代，国内部分油田曾引进水力活塞泵，引起广泛关注，但由于该采油方式控制机构和换向阀的结构缺陷突出，地面动力液系统的建设费用偏高，很快便退出应用现场。
随着油田开发的深化，诸多矛盾严重制约着油田开发：
一是随着定向斜井和从式井越来越多，井斜问题导致的管杆偏磨成为有杆泵难以攻克的难题；
二是受油田中后期开采越来越严重的砂、蜡、稠、气制约，上述采油方式已难以适应；
三是随着深抽、大排量井的增多，已接近和超出上述机械采油方式的负荷极限；
四是节能、安全、环保、基本免维护的现代企业管理要求亟待采油新工艺、新技术的创新和发展。
如何攻克上述诸多采油工艺的技术制约瓶颈，近10年来，国内围绕液力抽油泵的研究持续深入，先后公开了60多项有关专利，为技术创新提供了宝贵的启示，但均未投入现场应用，究其原因，其液力换向机构复杂导致的上下换向交替瞬间液流通道的闭合和开启可靠性差、流道阻力大、内外筒多个密封面的装配难度及应对砂、蜡、稠、气等技术制约是难以矿场应用的症结，只有对其进一步改进和优化，才能更好地实现向生产力的转化。
针对上述制约机械采油的诸多矛盾，本发明通过分析对比上述各类采油方式的优势和缺陷得出如下结论：
上述诸多采油方式，大多需举升液体重量和摩擦阻力之和，造成高能耗和高物耗。
根据U形管原理：U形管内装有同一种液体时，液体总是从一端流向另一端，一直流到两端液面一样平为止。因此，举升U形管内液体，只需克服液体与管壁之间往返摩擦力，其举升力小于等液柱压力的30％。因而，为更好地适应现代采油工艺的需求，经优化筛选，U形管采油原理是所有采油方式的最佳选择。
发明内容
本发明的目的是根据U形管原理，利用油井油管、油套管环形空间和井下液力往复泵组成的U形管循环回路，通过地面加压泵提供液体动力，实现井下液力泵往复运动举升采油，并一揽子解决井下砂、蜡、稠、气、斜、深，地面节能、安全、环保、基本免维护的诸多难题，实现机械采油的创新和突破，为采油方式的更新换代开创方向性新方法并提供高效配套装置。
本发明的技术解决方案是：
所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置包括如图1所示的由加压泵2泵入动力液的油管5、油管5自上而下依次串接的弹性扶正爪7、井下液力往复泵8、油气分离罩9及封隔器10密封的油管5和套管6环形空间U形管产液通道，封隔器10之下尾管串接的旋流分砂管11，产出液经D口流经多功能中转罐4，并由此一路经A口流入过滤器3、加压泵2，另一路通过E口进入集输管道所组成的采油密闭循环流程；地面配套装置包括依次串连的电动机1、加压泵2、过滤器3和多功能中转罐4。
所述的采油密闭循环流程为由封隔器10密封油套管环形空间组成的U形管产液密闭循环回路，其流程至少为以下七种类型之一：
第一种如图1和图5所示为加压泵2将高压动力液从C口泵入油管5，经井下液力往复泵8换向阀芯8-5换向，推动液动缸柱塞8-19往复运动，并带动排液缸柱塞8-25双向将产出液经上排液凡尔8-21和下排液凡尔8-28排入油套管环形空间，进而以U形管方式将产出液举升至地面，经D口进入多功能中转罐4预处理分配，大部分产出液经E口进入集输管道，少部分产出液经A口进入过滤器3，过滤后经B口进入加压泵2加压，成为新动力液实现新一轮循环；
第二种如图2所示为加压泵2将高压动力液从C口泵入油套管环形空间，经常规抽油泵泵筒下部入口进泵筒推动柱塞上行，以U形管方式将产出液由油管5举升至地面，经D口进入多功能中转罐4预处理分配，大部分产出液经E口进入集输管道，停加压泵2柱塞靠液柱压力完成下行程进油，再次启动加压泵2，少部分产出液经A口进入过滤器3，过滤后经B口吸入加压泵2，加压后成为新动力液间歇实现新一轮循环；
第三种如图3所示为动力液通过地面液力换向阀总成12换向，加压泵2交替将高压动力液从C口泵入油管5和油套管环形空间，以U形管方式将产出液交替由油套管环形空间、油管5举升至地面，进入多功能中转罐4预处理分配，大部分产出液经E口进入集输管道，少部分产出液经A口进入过滤器3，过滤后经B口吸入加压泵2，加压后成为新动力液交替实现新一轮循环；
第四种-第六种为油管5内下入空心抽油杆取代油管5，油管5功能代替套管6，组成空心抽油杆和油管5环形空间，实现与第一、第二、第三种密闭循环流程相同的U形管密闭采油流程；
第七种为加压泵2将高压动力液从C口泵入油套管环形空间，经井下液力往复泵8乏动力液出口流道8-7进入换向阀芯8-5中空内腔，顶开上部单流凡尔从油管5返回多功能中转罐4的反冲洗流程。
所述的加压泵2为柱塞泵或离心泵或兼有与电动机1传动轴非接触传动的无泄露和自加热功能的磁力密封泵，其与电动机1的配套方式为三相异步电动机或永磁同步电机或开关磁阻调速电机，传动轴耦合为通用联轴器或永磁联轴器。
所述的多功能中转罐4为图4所示的集聚光太阳能真空传热装置、强磁旋流自发电加热装置、产出液余温加热和油气旋流分离装置及产出液流向分配多种功能于一罐的多功能中转罐，该罐罐体为双层真空罐4-1，其真空夹层底部充装导热介质4-6，真空罐体外壁上设置抽气充液阀4-9，真空罐体上、下部设置液位计4-12；罐体内部通过上、下转轴固定过滤隔板4-7设置由轴承固定的两轴端带叶轮4-5、轴径外围包覆强磁体环4-3的转轴4-4及强磁体环4-3外置的套装式组合鼠笼4-2所组成的强磁旋流自发电加热装置；罐体上部设置法兰式罐盖4-8，罐盖4-8顶部设置超压报警安全阀4-11，罐盖4-8下部设置油气旋流分离伞4-10；罐体中部、底部、上部、顶部径向90°或120°切向分布产生高速旋流，为强磁体环4-3高速旋转切割套装式组合鼠笼4-2发电制热提供动力的低压动力液出口A、产出液进口D、产出液出口E、分离气出口F，其中低压动力液出口A连接过滤器3，过滤器3出口B连接加压泵2，加压泵2出口C高压动力液泵入油管5形成U形管采油密闭循环回路。
所述的聚光太阳能真空传热装置包括如图4所示的双层真空罐4-1，罐壁上部设置的抽气充液阀4-9，通过抽气充液阀4-9向双层真空罐4-1夹层充装的水、冠醚、硫酸钾或重铬酸钾、可解离顺磁化合物Fe2O3导热介质4-6以及导热介质4-6聚焦点设置的弧形线聚焦菲涅耳高倍聚光镜，有光照条件通过太阳能聚能光斑激发导热介质4-6急骤汽化、蒸发、与罐内旋转液流快速换热、凝结、回流高强度循环换热；无光照条件通过罐内产液余温激发导热介质4-6进行低强度上述循环换热过程。
所述的强磁旋流自发电加热装置包括如图4所示的多功能中转罐4罐体内部通过上、下转轴固定过滤隔板4-7设置的由轴承固定的两轴端带叶轮4-5、轴径外围包覆强磁体环4-3的转轴4-4及强磁体环4-3外置的套装式组合鼠笼4-2，转轴4-4为非导磁材料，套装式组合鼠笼4-2为高阻非导磁材料，其中强磁体环4-3永磁体为径向充磁轴向叠置；套装式组合鼠笼4-2在磁力线影响范围内轴向套置一组、二组或多组，构成同轴多机发电制热机组，套置间距0.2-3mm；套装式组合鼠笼4-2的结构至少为以下五种类型之一：
第一种为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相绝缘，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的直长缝或斜长缝或直长孔；
第二种为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相绝缘，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的针状电晕放电锥尖；
第三种为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相绝缘，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的锯齿状电弧放电锥尖；
第四种为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相并联，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的直长缝或斜长缝或直长孔或针状电晕放电锥尖或锯齿状电弧放电锥尖；
第五种为对称真空管闭合鼠笼，管内充装低温快速启动，并以汽化、蒸发、冷凝、回流方式与管外旋转流体快速循环换热的蒸馏水、乙醇导热介质。
所述的油气旋流分离装置包括如图4所示的沿罐壁切向设置的产出液进口D，罐盖4-8之下设置的旋流分离伞4-10，正置或倒置的伞面上设径向旋流导流槽，经旋流分离的重质砂、水经上、下转轴固定过滤隔板4-7进入产出液出口E，经旋流分离的天然气经出口F并入产出液出口E混输入油气处理站。
所述的井下液力往复泵8为由内外筒组成的整筒式或分体式液力双向举升装置，包括如图5所示的自上而下用丝扣密封连接的上接箍8-1、换向阀总成H、外筒8-2和下接头兼固定凡尔座8-3以及外筒8-2内自上而下密封串连的换向阀总成H、液动缸总成Y、上吸入排出凡尔总成S、排液缸总成P、下吸入排出凡尔总成X，其中液动缸总成Y和排液缸总成P之间通过换向阀总成H的液动缸进口流道8-8、乏动力液返回流道8-9以及上吸入排出凡尔总成S和下吸入排出凡尔总成X的进出油流道构成密闭循环回路，根据不同井深和排液量需求，液动缸总成Y和排液缸总成P可串连组成单级或多级抽排装置，各总成的构造和连接关系为：
换向阀总成H为柱塞上下行程终端轴向拉杆牵引强磁弹射和强磁吸合双保险换向机构，包括中心孔径向开泵入、进液、返液、出液等间距凹槽的换向阀体8-4、与等间距凹槽对应开径向通孔的空心换向阀芯8-5、从换向阀体8-4下端中心孔密封通过连接空心换向阀芯8-5的控制拉杆8-10，其中：
换向阀体8-4为上部密封连接上接箍8-1，下部密封连接外筒8-2、内筒液动缸筒8-18的液流换向中枢，其阀体上部沿圆周呈60-120°轴向开与动力液入口流道8-6相通的连通孔，与上述连通孔交错位置向上斜向开与乏动力液出口流道8-7相通的连通孔；阀体下部沿圆周呈60-120°轴向开与液动缸进口流道8-8相通的连通孔，与上述连通孔交错位置径向开与乏动力液返回流道8-9相通的连通孔；
换向阀芯8-5为与换向阀体8-4密封配合的液流换向执行机构，包括上部带中心孔、外壁开长凹槽的芯管和外覆的与芯管长凹槽对应配合的短径向通孔耐磨耐热材料护套，其芯管上下长凹槽沿圆周每30-120°开径向通孔与乏动力液出口流道8-7连通；
控制拉杆8-10为柱塞上下行程终端轴向拉杆牵引强磁弹射和强磁吸合双保险换向控制机构，其上端连接换向阀芯8-5，并从换向阀体8-4下部中心孔密封通过，其下端密封通过液动缸柱塞8-19中心孔后进入与液动缸柱塞8-19下部连接的空心排液缸柱塞杆8-24；空心排液缸柱塞杆8-24顶部设置上强磁吸合环8-14；控制拉杆8-10上行程终端固定上挡环8-12，上挡环8-12上部同极性叠置2-3块强磁弹射环8-11，上挡环8-12下部设置上缓冲簧8-13；控制拉杆8-10下行程终端固定下挡环8-17，下挡环8-17上部异极性叠置2-3块下强磁吸合环8-16，下强磁吸合环8-16上部设置下缓冲簧8-15；
液动缸总成Y为提供液体动力的执行机构，包括液动缸筒8-18和与其密封配合的液动缸柱塞8-19，液动缸柱塞8-19下端中心孔用丝扣或活节连接空心排液缸柱塞杆8-24；
上吸入排出凡尔总成S为下吸上排的两用阀，包括空心上凡尔体8-20、上排液凡尔8-21和上吸入凡尔8-22，其中上凡尔体8-20上端径向呈90°或120°设置与油套管环形空间出油流道连通的上排液凡尔8-21；上凡尔体8-20下端径向呈90°或120°设置与内外筒进油流道连通的上吸入凡尔8-22；上排液凡尔8-21和上吸入凡尔8-22由凡尔罩限位的凡尔球为高耐磨耐热材料球体或带尾杆的半球体，凡尔腔与凡尔球间隙配合，并呈90°或120°设置轴向出进油流道；
排液缸总成P为双吸双排的抽排机构，包括排液缸筒8-23和与其密封配合的排液缸柱塞8-25以及拖动排液缸柱塞8-25的空心排液缸柱塞杆8-24，排液缸柱塞8-25上部中心孔与从上吸入排出凡尔总成S中心孔密封通过的空心排液缸柱塞杆8-24用丝扣或活节连接，排液缸柱塞8-25下部为以下两种类型之一：
第一种为不设中心孔的光柱塞；
第二种为柱塞下部设置中心孔，该中心孔用丝扣或活节与从下吸入排出凡尔总成X中心孔密封通过的平衡杆连接；
下吸入排出凡尔总成X为上吸下排的两用阀，包括空心下凡尔体8-26、下吸入凡尔8-27和下排液凡尔8-28，其中下凡尔体8-26上端径向呈90°或120°设置与内外筒进油流道连通的下吸入凡尔8-27；下凡尔体8-26下端径向呈90°或120°设置与油套管环形空间出油流道连通的下排液凡尔8-28；下吸入凡尔8-27和下排液凡尔8-28由凡尔罩限位的凡尔球为高耐磨耐热材料球体或带尾杆的半球体，凡尔腔与凡尔球间隙配合，并呈90°或120°设置轴向进出油流道。
所述的液动缸柱塞8-19和排液缸柱塞8-25与缸筒的密封为高耐磨金属间隙密封或张力密封，其中张力密封至少为以下二种类型之一：
第一种为热张力密封，柱塞本体为高耐磨金属，与缸筒保持间隙密封，柱塞径向凹槽内热装热胀冷缩系数大于柱塞本体材质的有机或无机或有机无机合成材料密封环，靠磨损后密封环热张力大于柱塞本体热张力可靠密封，密封环材料为无油自润滑、耐高温、耐磨、耐油、耐腐蚀改性MC尼龙、丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、聚苯並咪咪、聚酰亞胺的其中之一，不排除耐温耐磨性能更优异的其它合成材料；
第二种为液压张力密封，柱塞本体为高耐磨金属，与缸筒保持间隙密封，柱塞本体外层设置与动力液连通的密封薄壁耐磨金属空腔，靠磨损后动力液高压对薄壁金属的张力变形可靠密封。
采用以上技术方案，本发明是各种采油方式的最佳选择，可一揽子解决井下砂、蜡、稠、气、斜、深，地面节能、安全、环保、基本免维护的诸多难题，实现机械采油的方向性创新。
附图说明
图1为U形管单井液力自循环采油方法及配套装置结构、流程示意图；
图2为图1的U形管单井液力间歇式循环配套装置结构、流程示意图；
图3为图1的U形管单井液力交替式循环配套装置结构、流程示意图；
图4为图1的地面配套装置结构、流程示意图；
图5为图1的井下液力往复泵结构示意图。
图中：
1.电动机；2.加压泵；3.过滤器；4.多功能中转罐；5.油管；6.套管；7.弹性扶正爪；8.井下液力往复泵；9.油气分离罩；10.封隔器；11.旋流分砂管；12.地面液力换向阀总成。
其中多功能中转罐4各部件名称和标注号为：
4-1.双层真空罐；4-2.套装式组合鼠笼；4-3.强磁体环；4-4.转轴；4-5.叶轮；4-6.导热介质；4-7.转轴固定过滤隔板；4-8.罐盖；4-9.抽气充液阀；4-10.旋流分离伞；4-11.安全阀；4-12.液位计。
井下液力往复泵8各部件名称和标注号为：
(1).泵体
8-1.上接箍；8-2.外筒；8-3.下接头兼固定凡尔座；
(2).液流口
A口.低压动力液出口；
B口.过滤器3出口；
C口.加压泵2出口；
D口.产出液进口；
E口.产出液出口；
F口.分离气出口；
(3).换向阀总成H
8-4.换向阀体；8-5.换向阀芯；8-6.动力液入口流道；8-7.乏动力液出口流道；8-8.液动缸进口流道；8-9.乏动力液返回流道；8-10.控制拉杆；8-11.强磁弹射环；8-12.上挡环；8-13.上缓冲簧；8-14.上强磁吸合环；8-15.下缓冲簧；8-16.下强磁吸合环；8-17.下挡环；
(4).液动缸总成Y
8-18.液动缸筒；8-19.液动缸柱塞；
(5).上吸入排出凡尔总成S
8-20.上凡尔体；8-21.上排液凡尔；8-22.上吸入凡尔；
(6).排液缸总成P
8-23.排液缸筒；8-24.排液缸柱塞杆；8-25.排液缸柱塞；
(7).下吸入排出凡尔总成X
8-26.下凡尔体；8-27.下吸入凡尔；8-28.下排液凡尔。
具体实施方式
实施例1：
如图1和图5所示：本发明所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置包括由加压泵2泵入动力液的油管5、油管5自上而下依次串接的弹性扶正爪7、井下液力往复泵8、油气分离罩9及封隔器10密封的油管5和套管6环形空间U形管产液通道，封隔器10之下尾管串接的旋流分砂管11，产出液经D口流经多功能中转罐4，并由此一路经A口流入过滤器3、加压泵2，另一路通过E口进入集输管道所组成的采油密闭循环流程；地面配套装置包括依次串连的电动机1、加压泵2、过滤器3和多功能中转罐4。
所述的采油密闭循环流程为由封隔器10密封油套管环形空间组成的U形管产液密闭循环回路，其流程如图1和图5所示为加压泵2将高压动力液从C口泵入油管5，经井下液力往复泵8换向阀芯8-5换向，推动液动缸柱塞8-19往复运动，并带动排液缸柱塞8-25双向将产出液经上排液凡尔8-21和下排液凡尔8-28排入油套管环形空间，进而以U形管方式将产出液举升至地面，经D口进入多功能中转罐4预处理分配，大部分产出液经E口进入集输管道，少部分产出液经A口进入过滤器3，过滤后经B口进入加压泵2加压，成为新动力液实现新一轮循环。
所述的加压泵2为柱塞泵或离心泵或兼有与电动机1传动轴非接触传动的无泄露和自加热功能的磁力密封泵，其与电动机1的配套方式为三相异步电动机或永磁同步电机或开关磁阻调速电机，传动轴耦合为通用联轴器或永磁联轴器。
所述的多功能中转罐4为图4所示的集聚光太阳能真空传热装置、强磁旋流自发电加热装置、产出液余温加热和油气旋流分离装置及产出液流向分配多种功能于一罐的多功能中转罐，该罐罐体为双层真空罐4-1，其真空夹层底部充装导热介质4-6，真空罐体外壁上设置抽气充液阀4-9，真空罐体上、下部设置液位计4-12，罐体内部通过上、下转轴固定过滤隔板4-7设置由轴承固定的两轴端带叶轮4-5、轴径外围包覆强磁体环4-3的转轴4-4及强磁体环4-3外置的套装式组合鼠笼4-2所组成的强磁旋流自发电加热装置；罐体上部设置法兰式罐盖4-8，罐盖4-8顶部设置超压报警安全阀4-11，罐盖4-8下部设置油气旋流分离伞4-10；罐体中部、底部、上部、顶部径向90°或120°切向分布产生高速旋流，为强磁体环4-3高速旋转切割套装式组合鼠笼4-2发电制热提供动力的低压动力液出口A、产出液进口D、产出液出口E、分离气出口F，其中低压动力液出口A连接过滤器3，过滤器3出口B连接加压泵2，加压泵2出口C高压动力液泵入油管5形成U形管采油密闭循环回路。
所述的聚光太阳能真空传热装置包括如图4所示的双层真空罐4-1，罐壁上部设置的抽气充液阀4-9，通过抽气充液阀4-9向双层真空罐4-1夹层充装的水、冠醚、硫酸钾或重铬酸钾、可解离顺磁化合物Fe2O3导热介质4-6以及导热介质4-6聚焦点设置的弧形线聚焦菲涅耳高倍聚光镜，有光照条件通过太阳能聚能光斑激发导热介质4-6急骤汽化、蒸发、与罐内旋转液流快速换热、凝结、回流高强度循环换热；无光照条件通过罐内产液余温激发导热介质4-6进行低强度上述循环换热过程。
所述的强磁旋流自发电加热装置包括如图4所示的多功能中转罐4罐体内部通过上、下转轴固定过滤隔板4-7设置的由轴承固定的两轴端带叶轮4-5、轴径外围包覆强磁体环4-3的转轴4-4及强磁体环4-3外置的套装式组合鼠笼4-2，转轴4-4为非导磁材料，套装式组合鼠笼4-2为高阻非导磁材料，其中强磁体环4-3永磁体为径向充磁轴向叠置；套装式组合鼠笼4-2在磁力线影响范围内轴向套置一组、二组或多组，构成同轴多机发电制热机组，套置间距0.2-3mm；套装式组合鼠笼4-2的结构为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相绝缘，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的直长缝或斜长缝或直长孔。
所述的油气旋流分离装置包括如图4所示的沿罐壁切向设置的产出液进口D，罐盖4-8之下设置的旋流分离伞4-10，正置或倒置的伞面上设径向旋流导流槽，经旋流分离的重质砂、水经上、下转轴固定过滤隔板4-7进入产出液出口E，经旋流分离的天然气经出口F并入产出液出口E混输入油气处理站。
所述的井下液力往复泵8为由内外筒组成的整筒式或分体式液力双向举升装置，包括如图5所示的自上而下用丝扣密封连接的上接箍8-1、换向阀总成H、外筒8-2和下接头兼固定凡尔座8-3以及外筒8-2内自上而下密封串连的换向阀总成H、液动缸总成Y、上吸入排出凡尔总成S、排液缸总成P、下吸入排出凡尔总成X，其中液动缸总成Y和排液缸总成P之间通过换向阀总成H的液动缸进口流道8-8、乏动力液返回流道8-9以及上吸入排出凡尔总成S和下吸入排出凡尔总成X的进出油流道构成密闭循环回路，根据不同井深和排液量需求，液动缸总成Y和排液缸总成P可串连组成单级或多级抽排装置，各总成的构造和连接关系为：
换向阀总成H为柱塞上下行程终端轴向拉杆牵引强磁弹射和强磁吸合双保险换向机构，包括中心孔径向开泵入、进液、返液、出液等间距凹槽的换向阀体8-4、与等间距凹槽对应开径向通孔的空心换向阀芯8-5、从换向阀体8-4下端中心孔密封通过连接空心换向阀芯8-5的控制拉杆8-10，其中：
换向阀体8-4为上部密封连接上接箍8-1，下部密封连接外筒8-2、内筒液动缸筒8-18的液流换向中枢，其阀体上部沿圆周呈60-120°轴向开与动力液入口流道8-6相通的连通孔，与上述连通孔交错位置向上斜向开与乏动力液出口流道8-7相通的连通孔；阀体下部沿圆周呈60-120°轴向开与液动缸进口流道8-8相通的连通孔，与上述连通孔交错位置径向开与乏动力液返回流道8-9相通的连通孔；
换向阀芯8-5为与换向阀体8-4密封配合的液流换向执行机构，包括上部带中心孔、外壁开长凹槽的芯管和外覆的与芯管长凹槽对应配合的短径向通孔耐磨耐热材料护套，其芯管上下长凹槽沿圆周每30-120°开径向通孔与乏动力液出口流道8-7连通；
控制拉杆8-10为柱塞上下行程终端轴向拉杆牵引强磁弹射和强磁吸合双保险换向控制机构，其上端连接换向阀芯8-5，并从换向阀体8-4下部中心孔密封通过，其下端密封通过液动缸柱塞8-19中心孔后进入与液动缸柱塞8-19下部连接的空心排液缸柱塞杆8-24；空心排液缸柱塞杆8-24顶部设置上强磁吸合环8-14；控制拉杆8-10上行程终端固定上挡环8-12，上挡环8-12上部同极性叠置2-3块强磁弹射环8-11，上挡环8-12下部设置上缓冲簧8-13；控制拉杆8-10下行程终端固定下挡环8-17，下挡环8-17上部异极性叠置2-3块下强磁吸合环8-16，下强磁吸合环8-16上部设置下缓冲簧8-15；
液动缸总成Y为提供液体动力的执行机构，包括液动缸筒8-18和与其密封配合的液动缸柱塞8-19，液动缸柱塞8-19下端中心孔用丝扣或活节连接空心排液缸柱塞杆8-24；
上吸入排出凡尔总成S为下吸上排的两用阀，包括空心上凡尔体8-20、上排液凡尔8-21和上吸入凡尔8-22，其中上凡尔体8-20上端径向呈90°或120°设置与油套管环形空间出油流道连通的上排液凡尔8-21；上凡尔体8-20下端径向呈90°或120°设置与内外筒进油流道连通的上吸入凡尔8-22；上排液凡尔8-21和上吸入凡尔8-22由凡尔罩限位的凡尔球为高耐磨耐热材料球体或带尾杆的半球体，凡尔腔与凡尔球间隙配合，并呈90°或120°设置轴向出进油流道；
排液缸总成P为双吸双排的抽排机构，包括排液缸筒8-23和与其密封配合的排液缸柱塞8-25以及拖动排液缸柱塞8-25的空心排液缸柱塞杆8-24，排液缸柱塞8-25上部中心孔与从上吸入排出凡尔总成S中心孔密封通过的空心排液缸柱塞杆8-24用丝扣或活节连接，排液缸柱塞8-25下部为以下两种类型之一：
第一种为不设中心孔的光柱塞；
第二种为柱塞下部设置中心孔，该中心孔用丝扣或活节与从下吸入排出凡尔总成X中心孔密封通过的平衡杆连接；
下吸入排出凡尔总成X为上吸下排的两用阀，包括空心下凡尔体8-26、下吸入凡尔8-27和下排液凡尔8-28，其中下凡尔体8-26上端径向呈90°或120°设置与内外筒进油流道连通的下吸入凡尔8-27；下凡尔体8-26下端径向呈90°或120°设置与油套管环形空间出油流道连通的下排液凡尔8-28；下吸入凡尔8-27和下排液凡尔8-28由凡尔罩限位的凡尔球为高耐磨耐热材料球体或带尾杆的半球体，凡尔腔与凡尔球间隙配合，并呈90°或120°设置轴向进出油流道。
所述的液动缸柱塞8-19和排液缸柱塞8-25与缸筒的密封为高耐磨金属间隙密封或张力密封，其中张力密封至少为以下二种类型之一：
第一种为热张力密封，柱塞本体为高耐磨金属，与缸筒保持间隙密封，柱塞径向凹槽内热装热胀冷缩系数大于柱塞本体材质的有机或无机或有机无机合成材料密封环，靠磨损后密封环热张力大于柱塞本体热张力可靠密封，密封环材料为无油自润滑、耐高温、耐磨、耐油、耐腐蚀改性MC尼龙、丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、聚苯並咪咪、聚酰亞胺的其中之一，不排除耐温耐磨性能更优异的其它合成材料；
第二种为液压张力密封，柱塞本体为高耐磨金属，与缸筒保持间隙密封，柱塞本体外层设置与动力液连通的密封薄壁耐磨金属空腔，靠磨损后动力液高压对薄壁金属的张力变形可靠密封。
所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置设计参数为：
举升高度：3000m；
电动机功率：22kw；
加压泵额定压力：9Mpa；
整机重量：2000kg；
外型尺寸：2.5×1.2×1.6(m)。
实施例2：
如图2所示：本实施例的井下液力往复泵采用常规管式泵，泵筒底部开进油孔，地面配套装置同实施例1，只对如下装置进行了调整：
所述的采油密闭循环流程为由封隔器10密封油套管环形空间组成的U形管产液密闭循环回路，其流程为加压泵2将高压动力液从C口泵入油套管环形空间，经常规抽油泵泵筒下部入口进泵筒推动柱塞上行，以U形管方式将产出液由油管5举升至地面，经D口进入多功能中转罐4预处理分配，大部分产出液经E口进入集输管道，停加压泵2柱塞靠液柱压力完成下行程进油，再次启动加压泵2，少部分产出液经A口进入过滤器3，过滤后经B口吸入加压泵2，加压后成为新动力液间歇实现新一轮循环。
所述的强磁旋流自发电加热装置包括如图4所示的多功能中转罐4罐体内部通过上、下转轴固定过滤隔板4-7设置的由轴承固定的两轴端带叶轮4-5、轴径外围包覆强磁体环4-3的转轴4-4及强磁体环4-3外置的套装式组合鼠笼4-2，转轴4-4为非导磁材料，套装式组合鼠笼4-2为高阻非导磁材料，其中强磁体环4-3永磁体为径向充磁轴向叠置；套装式组合鼠笼4-2在磁力线影响范围内轴向套置一组、二组或多组，构成同轴多机发电制热机组，套置间距0.2-3mm；套装式组合鼠笼4-2的结构为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相绝缘，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的针状电晕放电锥尖。
所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置设计参数为：
举升高度：2500m；
电动机功率：15kw；
加压泵额定压力：8Mpa；
整机重量：1500kg；
外型尺寸：2.5×1.2×1.6(m)。
实施例3：
如图3所示：本实施例的井下液力往复泵采用常规管式泵，泵筒底部开进油孔，地面配套装置同实施例1，只对如下装置进行了调整：
所述的采油密闭循环流程为由封隔器10密封油套管环形空间组成的U形管产液密闭循环回路，其流程为动力液通过地面液力换向阀总成12换向，加压泵2交替将高压动力液从C口泵入油管5和油套管环形空间，以U形管方式将产出液交替由油套管环形空间、油管5举升至地面，进入多功能中转罐4预处理分配，大部分产出液经E口进入集输管道，少部分产出液经A口进入过滤器3，过滤后经B口吸入加压泵2，加压后成为新动力液交替实现新一轮循环。
所述的强磁旋流自发电加热装置包括如图4所示的多功能中转罐4罐体内部通过上、下转轴固定过滤隔板4-7设置的由轴承固定的两轴端带叶轮4-5、轴径外围包覆强磁体环4-3的转轴4-4及强磁体环4-3外置的套装式组合鼠笼4-2，转轴4-4为非导磁材料，套装式组合鼠笼4-2为高阻非导磁材料，其中强磁体环4-3永磁体为径向充磁轴向叠置；套装式组合鼠笼4-2在磁力线影响范围内轴向套置一组、二组或多组，构成同轴多机发电制热机组，套置间距0.2-3mm；套装式组合鼠笼4-2的结构为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相绝缘，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的锯齿状电弧放电锥尖。
所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置设计参数为：
举升高度：1600m；
电动机功率：10kw；
加压泵额定压力：5Mpa；
整机重量：1000kg；
外型尺寸：2.5×1.2×1.6(m)。
采用以上技术方案，本发明是各种采油方式的最佳选择，可一揽子解决井下砂、蜡、稠、气、斜、深，地面节能、安全、环保、基本免维护的诸多难题，实现机械采油的方向性创新。
上述3例实施方案仅用于说明本发明三种U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，并非对本发明涉及技术方案的限制，所属技术领域的普通技术人员在本发明涉及的技术范围内提出的各种雷同或相似变化方案，仍属于本发明的权利保护范围。
Claims (9)
1.一种U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，其特征在于：该方法及配套装置包括由加压泵(2)泵入动力液的油管(5)、油管(5)自上而下依次串接的弹性扶正爪(7)、井下液力往复泵(8)、油气分离罩(9)及封隔器(10)密封的油管(5)和套管(6)环形空间U形管产液通道，封隔器(10)之下尾管串接的旋流分砂管(11)，产出液经D口流经多功能中转罐(4)，并由此一路经A口流入过滤器(3)、加压泵(2)，另一路通过E口进入集输管道所组成的采油密闭循环流程；地面配套装置包括依次串连的电动机(1)、加压泵(2)、过滤器(3)和多功能中转罐(4)。
2.根据权利要求1所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，其特征在于：所述的采油密闭循环流程为由封隔器(10)密封油套管环形空间组成的U形管产液密闭循环回路，其流程至少为以下七种类型之一：
第一种为加压泵(2)将高压动力液从C口泵入油管(5)，经井下液力往复泵(8)换向阀芯(8-5)换向，推动液动缸柱塞(8-19)往复运动，并带动排液缸柱塞(8-25)双向将产出液经上排液凡尔(8-21)和下排液凡尔(8-28)排入油套管环形空间，进而以U形管方式将产出液举升至地面，经D口进入多功能中转罐(4)预处理分配，大部分产出液经E口进入集输管道，少部分产出液经A口进入过滤器(3)，过滤后经B口进入加压泵(2)加压，成为新动力液实现新一轮循环；
第二种为加压泵(2)将高压动力液从C口泵入油套管环形空间，经常规抽油泵泵筒下部入口进泵筒推动柱塞上行，以U形管方式将产出液由油管(5)举升至地面，经D口进入多功能中转罐(4)预处理分配，大部分产出液经E口进入集输管道，停加压泵(2)柱塞靠液柱压力完成下行程进油，再次启动加压泵(2)，少部分产出液经A口进入过滤器(3)，过滤后经B口吸入加压泵(2)，加压后成为新动力液间歇实现新一轮循环；
第三种为动力液通过地面液力换向阀总成(12)换向，加压泵(2)交替将高压动力液从C口泵入油管(5)和油套管环形空间，以U形管方式将产出液交替由油套管环形空间、油管(5)举升至地面，进入多功能中转罐(4)预处理分配，大部分产出液经E口进入集输管道，少部分产出液经A口进入过滤器(3)，过滤后经B口吸入加压泵(2)，加压后成为新动力液交替实现新一轮循环；
第四种-第六种为油管(5)内下入空心抽油杆取代油管(5)，油管(5)功能代替套管(6)，组成空心抽油杆和油管(5)环形空间，实现与第一、第二、第三种密闭循环流程相同的U形管密闭采油流程；
第七种为加压泵(2)将高压动力液从C口泵入油套管环形空间，经井下液力往复泵(8)乏动力液出口流道(8-7)进入换向阀芯(8-5)中空内腔，顶开上部单流凡尔从油管(5)返回多功能中转罐(4)的反冲洗流程。
3.根据权利要求1所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，其特征在于：所述的加压泵(2)为柱塞泵或离心泵或兼有与电动机(1)传动轴非接触传动的无泄露和自加热功能的磁力密封泵，其与电动机(1)的配套方式为三相异步电动机或永磁同步电机或开关磁阻调速电机，传动轴耦合为通用联轴器或永磁联轴器。
4.根据权利要求1所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，其特征在于：所述的多功能中转罐(4)为集聚光太阳能真空传热装置、强磁旋流自发电加热装置、产出液余温加热和油气旋流分离装置及产出液流向分配多种功能于一罐的多功能中转罐，该罐罐体为双层真空罐(4-1)，其真空夹层底部充装导热介质(4-6)，真空罐体外壁上设置抽气充液阀(4-9)，真空罐体上、下部设置液位计(4-12)；罐体内部通过上、下转轴固定过滤隔板(4-7)设置由轴承固定的两轴端带叶轮(4-5)、轴径外围包覆强磁体环(4-3)的转轴(4-4)及强磁体环(4-3)外置的套装式组合鼠笼(4-2)所组成的强磁旋流自发电加热装置；罐体上部设置法兰式罐盖(4-8)，罐盖(4-8)顶部设置超压报警安全阀(4-11)，罐盖(4-8)下部设置油气旋流分离伞(4-10)；罐体中部、底部、上部、顶部径向90°或120°切向分布产生高速旋流，为强磁体环(4-3)高速旋转切割套装式组合鼠笼(4-2)发电制热提供动力的低压动力液出口A、产出液进口D、产出液出口E、分离气出口F，其中低压动力液出口A连接过滤器(3)，过滤器(3)出口B连接加压泵(2)，加压泵(2)出口C高压动力液泵入油管(5)形成U形管采油密闭循环回路。
5.根据权利要求1或权利要求4所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，其特征在于：所述的聚光太阳能真空传热装置包括双层真空罐(4-1)，罐壁上部设置的抽气充液阀(4-9)，通过抽气充液阀(4-9)向双层真空罐(4-1)夹层充装的水、冠醚、硫酸钾或重铬酸钾、可解离顺磁化合物Fe2O3导热介质(4-6)以及导热介质(4-6)聚焦点设置的弧形线聚焦菲涅耳高倍聚光镜，有光照条件通过太阳能聚能光斑激发导热介质(4-6)急骤汽化、蒸发、与罐内旋转液流快速换热、凝结、回流高强度循环换热；无光照条件通过罐内产液余温激发导热介质(4-6)进行低强度上述循环换热过程。
6.根据权利要求1或权利要求4所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，其特征在于：所述的强磁旋流自发电加热装置包括多功能中转罐(4)罐体内部通过上、下转轴固定过滤隔板(4-7)设置的由轴承固定的两轴端带叶轮(4-5)、轴径外围包覆强磁体环(4-3)的转轴(4-4)及强磁体环(4-3)外置的套装式组合鼠笼(4-2)，转轴(4-4)为非导磁材料，套装式组合鼠笼(4-2)为高阻非导磁材料，其中强磁体环(4-3)永磁体为径向充磁轴向叠置；套装式组合鼠笼(4-2)在磁力线影响范围内轴向套置一组、二组或多组，构成同轴多机发电制热机组，套置间距0.2-3mm；套装式组合鼠笼(4-2)的结构至少为以下五种类型之一：
第一种为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相绝缘，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的直长缝或斜长缝或直长孔；
第二种为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相绝缘，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的针状电晕放电锥尖；
第三种为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相绝缘，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的锯齿状电弧放电锥尖；
第四种为同轴多组轴向套装同心管，管与管之间互相并联，管壁上对称开形成闭合导体的两端封闭的直长缝或斜长缝或直长孔或针状电晕放电锥尖或锯齿状电弧放电锥尖；
第五种为对称真空管闭合鼠笼，管内充装低温快速启动，并以汽化、蒸发、冷凝、回流方式与管外旋转流体快速循环换热的蒸馏水、乙醇导热介质。
7.根据权利要求1或权利要求4所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，其特征在于：所述的油气旋流分离装置包括沿罐壁切向设置的产出液进口D，罐盖(4-8)之下设置的旋流分离伞(4-10)，正置或倒置的伞面上设径向旋流导流槽，经旋流分离的重质砂、水经上、下转轴固定过滤隔板(4-7)进入产出液出口E，经旋流分离的天然气经出口F并入产出液出口E混输入油气处理站。
8.根据权利要求1所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，其特征在于：所述的井下液力往复泵(8)为由内外筒组成的整筒式或分体式液力双向举升装置，包括自上而下用丝扣密封连接的上接箍(8-1)、换向阀总成H、外筒(8-2)和下接头兼固定凡尔座(8-3)以及外筒(8-2)内自上而下密封串连的换向阀总成H、液动缸总成Y、上吸入排出凡尔总成S、排液缸总成P、下吸入排出凡尔总成X，其中液动缸总成Y和排液缸总成P之间通过换向阀总成H的液动缸进口流道(8-8)、乏动力液返回流道(8-9)以及上吸入排出凡尔总成S和下吸入排出凡尔总成X的进出油流道构成密闭循环回路，根据不同井深和排液量需求，液动缸总成Y和排液缸总成P可串连组成单级或多级抽排装置，各总成的构造和连接关系为：
换向阀总成H为柱塞上下行程终端轴向拉杆牵引强磁弹射和强磁吸合双保险换向机构，包括中心孔径向开泵入、进液、返液、出液等间距凹槽的换向阀体(8-4)、与等间距凹槽对应开径向通孔的空心换向阀芯(8-5)、从换向阀体(8-4)下端中心孔密封通过连接空心换向阀芯(8-5)的控制拉杆(8-10)，其中：
换向阀体(8-4)为上部密封连接上接箍(8-1)，下部密封连接外筒(8-2)、内筒液动缸筒(8-18)的液流换向中枢，其阀体上部沿圆周呈60-120°轴向开与动力液入口流道(8-6)相通的连通孔，与上述连通孔交错位置向上斜向开与乏动力液出口流道(8-7)相通的连通孔；阀体下部沿圆周呈60-120°轴向开与液动缸进口流道(8-8)相通的连通孔，与上述连通孔交错位置径向开与乏动力液返回流道(8-9)相通的连通孔；
换向阀芯(8-5)为与换向阀体(8-4)密封配合的液流换向执行机构，包括上部带中心孔、外壁开长凹槽的芯管和外覆的与芯管长凹槽对应配合的短径向通孔耐磨耐热材料护套，其芯管上下长凹槽沿圆周每30-120°开径向通孔与乏动力液出口流道(8-7)连通；
控制拉杆(8-10)为柱塞上下行程终端轴向拉杆牵引强磁弹射和强磁吸合双保险换向控制机构，其上端连接换向阀芯(8-5)，并从换向阀体(8-4)下部中心孔密封通过，其下端密封通过液动缸柱塞(8-19)中心孔后进入与液动缸柱塞(8-19)下部连接的空心排液缸柱塞杆(8-24)；空心排液缸柱塞杆(8-24)顶部设置上强磁吸合环(8-14)；控制拉杆(8-10)上行程终端固定上挡环(8-12)，上挡环(8-12)上部同极性叠置2-3块强磁弹射环(8-11)，上挡环(8-12)下部设置上缓冲簧(8-13)；控制拉杆(8-10)下行程终端固定下挡环(8-17)，下挡环(8-17)上部异极性叠置2-3块下强磁吸合环(8-16)，下强磁吸合环(8-16)上部设置下缓冲簧(8-15)；
液动缸总成Y为提供液体动力的执行机构，包括液动缸筒(8-18)和与其密封配合的液动缸柱塞(8-19)，液动缸柱塞(8-19)下端中心孔用丝扣或活节连接空心排液缸柱塞杆(8-24)；
上吸入排出凡尔总成S为下吸上排的两用阀，包括空心上凡尔体(8-20)、上排液凡尔(8-21)和上吸入凡尔(8-22)，其中上凡尔体(8-20)上端径向呈90°或120°设置与油套管环形空间出油流道连通的上排液凡尔(8-21)；上凡尔体(8-20)下端径向呈90°或120°设置与内外筒进油流道连通的上吸入凡尔(8-22)；上排液凡尔(8-21)和上吸入凡尔(8-22)由凡尔罩限位的凡尔球为高耐磨耐热材料球体或带尾杆的半球体，凡尔腔与凡尔球间隙配合，并呈90°或120°设置轴向出进油流道；
排液缸总成P为双吸双排的抽排机构，包括排液缸筒(8-23)和与其密封配合的排液缸柱塞(8-25)以及拖动排液缸柱塞(8-25)的空心排液缸柱塞杆(8-24)，排液缸柱塞(8-25)上部中心孔与从上吸入排出凡尔总成S中心孔密封通过的空心排液缸柱塞杆(8-24)用丝扣或活节连接，排液缸柱塞(8-25)下部为以下两种类型之一：
第一种为不设中心孔的光柱塞；
第二种为柱塞下部设置中心孔，该中心孔用丝扣或活节与从下吸入排出凡尔总成X中心孔密封通过的平衡杆连接；
下吸入排出凡尔总成X为上吸下排的两用阀，包括空心下凡尔体(8-26)、下吸入凡尔(8-27)和下排液凡尔(8-28)，其中下凡尔体(8-26)上端径向呈90°或120°设置与内外筒进油流道连通的下吸入凡尔(8-27)；下凡尔体(8-26)下端径向呈90°或120°设置与油套管环形空间出油流道连通的下排液凡尔(8-28)；下吸入凡尔(8-27)和下排液凡尔(8-28)由凡尔罩限位的凡尔球为高耐磨耐热材料球体或带尾杆的半球体，凡尔腔与凡尔球间隙配合，并呈90°或120°设置轴向进出油流道。
9.根据权利要求1或权利要求8所述的U形管单井液力自循环采油方法及配套装置，其特征在于：所述的液动缸柱塞(8-19)和排液缸柱塞(8-25)与缸筒的密封为高耐磨金属间隙密封或张力密封，其中张力密封至少为以下二种类型之一：
第一种为热张力密封，柱塞本体为高耐磨金属，与缸筒保持间隙密封，柱塞径向凹槽内热装热胀冷缩系数大于柱塞本体材质的有机或无机或有机无机合成材料密封环，靠磨损后密封环热张力大于柱塞本体热张力可靠密封，密封环材料为无油自润滑、耐高温、耐磨、耐油、耐腐蚀改性MC尼龙、丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、聚苯並咪咪、聚酰亞胺的其中之一，不排除耐温耐磨性能更优异的其它合成材料；
第二种为液压张力密封，柱塞本体为高耐磨金属，与缸筒保持间隙密封，柱塞本体外层设置与动力液连通的密封薄壁耐磨金属空腔，靠磨损后动力液高压对薄壁金属的张力变形可靠密封。
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