CN107923386B - 油井钻井泵装置 - Google Patents

Abstract

此项发明用于石油开采业，尤其是利用潜水式线性电机驱动的计量泵装置，可以用于从涌出量少的深井中开采地层液体。所要求的技术成果，包括提高可靠性和优化能耗指标，通过油井钻井泵装置，从井中提升液体的方法以及利用钻井泵装置优化能耗的方法而取得。

Description

油井钻井泵装置

技术领域

此项发明用于石油开采，利用潜入式线性电机驱动计量泵装置，可以从涌出量较少的深井中开采地层液体。

背景技术

常见钻井泵装置是[US2015/0176574，A1，F04B47/00 25.06.2015]，该装置包括了由固定式气缸和移动式柱塞组成的潜水泵，以及安装在泵下方的潜水电机，其与潜水泵的柱塞相连，设置并推动柱塞的往复做工；安装在柱塞下面的阀门装置，当柱塞向上运动时，用于将井眼流体往气缸填充，当柱塞向下运动时，用于将井眼流体往柱塞下方的井泵腔室填充。相对较低的可靠性是此类技术方案的缺陷。

进一步地，常见的钻井泵装置还有[US 7316270，B2，F04B47/04，08.01.2008]，该装置由包含稀土永磁铁的线性同步三相电机驱动，其中包括电机，接通电源时其行程轮进行往复运动，带有井筒流体吸入通道的气缸的泵，安装在其上的阀门、移动式阀门，活塞及底部进气阀，在电机行程轮进行往复运动的时候，该底部进气阀的设置使井眼液体向同一个方向输送。相对较低的可靠性也是此类技术方案的缺陷。

进一步地，常见的钻井泵装置还有[RU 2522347，C2，F04B47/06，F04B17/04，10.07.2014]，该装置的潜入部分包含泵及潜入式线性整流管电动机，该电动机包括带线圈的固定部分(定子)以及定子内的移动部分(滚轮)，进行相对定子的滚轮往复运动，其中，电动机的外壳与钻井泵的外壳机械式相连，滚轮与泵的移动式部分机械相连；控制电子模块动力部分的出口与定子的线圈电性连接，其中，控制电子模块由地面模块与潜入模块组成。电动机装配有滚轮位置传感器，潜入部分以逆变器形式安装，位于正常大气压的密封壳内，逆变器外壳与电动机外壳机械式相连，逆变器的输出端电源电路电性连接，密封式电缆套管的线圈和位置传感器的传感元件的输出端通过增加的电缆密封套和逆变器的控制单元连接，而地面模块是串联连接的输入式整流器，单相高频逆变器/调节器以及输出式整流器。

此装置的特点可以归结为：高频逆变器/调节器可以从输入整流器完成输出整流器的电镀退藕，地面模块动力出口的第一极可以与潜入式逆变器电源电路的第一极以绝缘电缆连接，地上模块出口的第二级与逆变器电源可以在泵装置的结构元件之间以电性方式相连接，地上模块出口的同名电极与反相器的电源可以通过双线绝缘电缆相互连接，而逆变器的控制模块包含滚轮间距感应器，在达到设定的间距时实现回程。

相对较低的可靠性是此技术方案的缺陷。

除了上述类型的钻井泵装置之外，常见的还有潜入泵装置[RU 2535288，C2，F04B47/06，F04B17/04，10.12.2014]，包含线性电动机，在其外壳内同心分布固定式密封定子，滚轮和电动机腔室。油泵以定子、外壳、滚轮构成，充满液体。滚轮安装在定子的支撑元件上，沿着定子的纵轴完成往复移动。油泵的做工机构和滚轮机械式连在一起，而泵的固定部分通过结构元件和电动机外壳机械式连接在一起。通过油泵腔室结构元件与外部环境发生联系，在油泵腔室和电动机之间配备端面配电盘，为电动机腔室配备机械杂质防护罩，配备精洗过滤器。精洗过滤器位于定子和端面配电盘之间电机外壳的轴向上，端面配电盘的外表层和油泵外壳紧密相连，其内表层通过电机腔室机械杂质防护罩和滚轮表面机械相连。

这此装置的缺陷同样是可靠性相对较低。

就技术要点而言，最接近设计要求的是钻井泵装置(RU 2521530，C1)，包含计量泵和潜入式线性发电机，发电机包括带线圈的固定部分(定子)和定子内部的移动部分(滚轮)，相对定子完成往复运动。其中，电机腔室与外部环境相关联，电机外壳和泵的外壳机械式相连，滚轮通过连接杆和泵的移动部分相连，定子包含圆柱型和端面型定子容量密封构件，其中，电机的腔室通过过滤器和环境连接，并通过杆和外壳之间的密封环和油泵的腔室连接；在线圈的外表面和电机的外壳的内表面之间；电机的定子包括纵向通道，其连接定子两端的腔室。

此装置的特点可以归结为：可以配备附加的相同第一连杆，位于滚轮的另一面，通过外壳的附加密封件与外部环境相连，过滤器为精洗过滤器，在纵向透孔上分布高导热材料制成的管状元件，管状元件的末端与定子的密封端面元件密封连接。

相对较低的可靠性和相对较低的能量指标是该最接近的技术方案的缺陷。其原因在于：对于滚轮没有设定保障其平稳运行的装置，包括震动器或者在终点限制滚轮行程。这就一方面导致了装置元件机械损坏的可能性，另一方面导致了低能耗指标，因而其中包括了滚轮在终点的过高速运动而导致能量的不必要消耗。

发明内容

此项发明所要解决的问题在于克服最接近的技术方案的上述缺陷，提高装置的可靠性，优化能耗表现。

使用发明而实现的技术成果在于提高可靠性，优化能量指标。

所提出要解决的任务，以及所要达到的技术要求实现如下：提供一种包括哟潜水部分的油井钻井泵装置中，设置在同一外壳中，包括装配有气压阀的柱塞泵，和重力气体分离器，在其上设置有止回阀单元，所述止回阀单元包括连接套筒，用于将油井钻井泵装置与油管柱相连接；在柱塞泵下方安装有潜水式线性电机，包括以三相绕线定子形式的固定部分和安装在其中的温度感应器，以及以滑块形式的移动部分，其放置在定子容器中，该滑块往复相对于定子移动，而且定子腔室装入电解液，滑块腔室内充满润滑脂和固体润滑剂，该滑块和延伸杆固定连接，该装置包括一个设置在滑块上端运动点的减震器，所述减震器和压力阀安装柱塞泵下方，还包括一个设置在滑块下端运动点的减震器，所述减震器滑块行程下端的缓冲器安装在潜水入式线性电机基座础的下部，地面控制器，地面控制模块安装在潜水入式线性电机下方的遥测装置，测距仪模块，其包括井液压力地层流体液压和温度传感器、振动传感器、倾斜仪以及与测量装置，安装在潜入式线性电机下方。该测量装置模块和安装在线性电动机中上的温度传感器相连，并利用星型式连接，通过潜水入式线性电机的绕组中性点线圈和连接星的零位和地面控制器模块连接。在此情况下其中，地面控制器模块为三相高频逆变器/调节器以及通过绝缘三线电缆连接到潜水式线性电机的输出变压器。转---调节器和输出式变压器，使用绝缘三芯电缆和潜入式线性电机相连。进一步地，所要达到的技术要求为，潜水式线性电机的定子的容器是内径磨光的一体非磁性导管，该导管是柱塞泵的一部分，用于保障潜水式线性电机的滑块和柱塞泵柱塞的稳定性。进一步地，所要达到的技术要求为，重力气体分离器安装在柱塞泵的外壳内。

进一步地，所要达到的技术要求为，钻井泵要装备过滤器，用于清洁流入的液体。过滤器位于柱塞泵的外壳上，线性电机的底部。

进一步地，所要达到的技术要求为，与定子容器相互作用的滑块的部分包括滑块的非磁套管，或者滑块的磁场聚集器，由硬度较低的非磁材料制成。

进一步地，所要达到的技术要求为，滑块由磁铁和连接在非磁轴上的磁场聚集器组成，用于聚集和引导磁通量。

进一步地，所要达到的技术要求为：滑块上端和下端运动点的减震器是柱塞泵和潜入式线性电机结构的一部分，用于保护柱塞泵柱塞和潜水式线性电机的滑块。

进一步地，所要达到的技术要求为：地面控制器包括一个测量通道来测量潜水式线性电机的定子的线圈中产生的反电动势，当滑块移动时，并且所述地面控制器控制当滑块到达上端或下端运动点之后的滑块反向运动，用于限定滑块的位置。

进一步地，所要达到的技术要求为：地面控制器通过潜水式线性电机的绕组中性点、绝缘三线电缆以及输出变压器的第二绕组中性点电性连接到油井钻井泵装置的遥测装置。

进一步地，所要达到的技术要求为：遥测装置通过电缆密封套与安装在潜水式线性发动机定子线圈中的温度感应器电性连接。

进一步地，所要达到的技术要求为：一体滑块套管包括密封盖，设置于该滑块离开定子上端和下端的地方。

进一步地，所要达到的技术要求为：定子包括密封腔室，其通过隔板和外界环境连接。

进一步地，所要达到的技术要求为：所述定子腔室密封，其中充满高电解质液体，定子内腔室通过小截面通道连接遥测装置内腔室及密封腔室，其隔板和外界环境连接。

进一步地，所要达到的技术要求为：在潜水式线性发动机的上部分装备保险阀，该保险阀保障压力升高时从定子的腔室向外排放电解液。

进一步地，所要达到的技术要求为：在遥测装置的上端安装加油阀门。

进一步地，所要达到的技术要求为：定子的三相线圈为分段双线线圈，磁芯由层合铁薄片制成。

进一步地，所要达到的技术要求为：定子绕组的导磁体能使磁场形成辐射矢量。

同样所提出要解决的任务，以及所要达到的技术要求：提供一种通过油井钻井泵装置从井内提升液体的方法，包括：将泵装置的潜水部分装入井筒，通过气压阀以及经由柱塞泵的重力气体分离器从井筒吸取井筒流体，其中，潜水式线性电机的滑块通过延伸杆使柱塞往复运动，并迫使井筒流体通过止回阀进入到油管柱；其中，利用地面控制器向潜水式线性电机提供三相交流电源，在定子中形成运动磁场，使滑块均匀往复运动；在柱塞向上运动时，将井筒流体从气缸的柱塞泵中推出，通过止回阀到达油管柱；在柱塞向下运动时，通过位于泵上端的气压阀将井筒流体从井筒中抽出。

进一步地，所要达到的技术要求为通过绝缘三线电缆为潜水式线性电动机的提供三相交流电源。

进一步地，所提出要解决的任务，以及所要达到的技术要求：提供一种油井钻井泵装置优化能量消耗的方法，包括同时执行以下步骤：传递井筒流体的温度和压力数据给地面控制器，基于所得数据，地面控制器控制油井液体的流入，并改变潜水式线性电机的工作模式，同时保持设定的产量；传递潜水式线性电机的温度参数以及井筒流体温度参数给地面控制器，基于所得数据，地面控制模块控制潜水部分的热模式，并改变潜水式线性电机的工作模式，同时保持安全的热模式；通过地面控制器限定滑块的位置，并根据循环图表控制潜水式线性电机的工作：向上运行的电力额定消耗和向下运行的最小电力消耗。进一步地，所要达到的技术要求为：反电动势产生于潜水式线性电机的定子的线圈中，且滑块的位移由地面控制器限定。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是油井钻井泵装置的示意图；

图2是柱塞泵(向上运动和向下运动的过程示意图)；

图3是潜水式线性电机；

图4是磁铁，集聚器和磁场线；

图5是润滑脂和固体润滑剂使用的地方；

图6是止回阀，电缆密封套和传感器；

图7是油井钻井泵装置的电路图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，钻井泵装置包括安装在同一外壳上1上的柱塞泵2和重力气体分离器，该气体分离器形成于在外壳1和柱塞泵2气缸之间的涌入的井液中行程气体吸收区。

柱塞泵2装配有气压阀3，在其上设置有止回阀单元4，该单元和泵的出口连接，其为连接套筒5，用于将油井钻井泵装置与油管柱相连接。柱塞泵2也配置有用于过滤涌入的流体的过滤器7，气缸8和柱塞9。

进一步地，油井钻井泵装置包括潜水式线性电机10，安装在柱塞泵2下方，该电机包含固定部分，其可以是具有三相线圈的定子11，由分段双线线圈12和叠片铁芯13，以及移动部件，可以是设置在定子容器中的滑块15(定子的容器14是内径磨光的一体非磁性管)；该滑块由非磁轴16组成，在其上设置有磁铁17和聚集器18，聚集器指向磁铁辐射的磁线(如图4所示)。滑块的非磁性套筒19的硬度小于非磁管的硬度。通过密封腔体20和隔板21，定子14和环境连接。线圈12上装有温度感应器22，定子14包括排放泵23，用于向环境中排放电解液。电动机的腔室通过过滤器24和密封盖25与环境相连，过滤器和密封器安装在一体滑动套管26上。滑块-定子腔室内内充满润滑脂27，滑块的表面涂覆有固体润滑剂28。滑块15通过延伸杆29和柱塞泵的移动部分固定相连，延伸杆是带有泵抽液体流动槽的金属连接杆。

进一步地，油井钻井泵装置包括一个设置在滑块上端运动点的减震器，该减震器安装在柱塞泵下方，还包括一个设置在滑块下端运动点的减震器，该减震器安装在潜水式线性电机和10和基座32之间。

该油井钻井泵装置还包括遥测装置33，其安装在基座32的下方，以小截面通道通过电缆密封套34和定子腔室相连，电缆密封套34中设置有温度传感器22的导线、电机油压感应器35以及潜水式线性电机10绕组中性点36的导线。遥测装置33装配有加油阀37、分层液体温度和压力传感器38，39，和振动传感器40，倾斜仪41和测量模块42，该测量模块42和以上所有传感器及潜水式线性电机10的绕组中性点相连。潜水式线性电机10的电源通过地面控制器44的电缆线(绝缘三线电缆43)得到保障，该地面控制器44包括遥测装置控制模块，同时是逆变器和整流器，包括通过输出式变压器45的测量通道，变压器45保障升高电压。遥测装置33和地面控制器之间的连接通过潜水式线性电机10的绕组中性点36和输出式变压器的第二绕组中性点46得以实现。为地面控制器44提供三相交流电源。

该油井钻井泵装置通过以下方式工作。

为地面控制器44提供三相交流电源。地面控制器44转换功率信号，并通过变压器45和电缆43将信号送向潜水式线性电机10。

该功率信号在分段线圈中9通过电流产生运动磁场。在运动磁场的作用下滑块15进行固定距离的上下均匀的往复运动。滑块15通过延伸杆29和泵的柱塞固定连接，而定子11和柱塞泵的外壳1固定连接在一起。

在向下行程时，气压泵3打开，止回阀4关闭，气缸8的腔室充满因为真空而填入的液体。在向上行程时气压泵3关闭，气压作用于气缸8的中的液体，该气压产生于潜水式线性电机10的作用力，止回阀4打开，随着套管被液体充满，一部分的液体在向下运动的过程中被挤压溢出油管柱47，然后被运送到表面。

柱塞泵的过滤器7对泵抽液体可能会有不同的过滤效率，在机械杂质内容高时，可延长泵的使用寿命。

潜水式线性电机的过滤器24也可能对进入潜水式电机10腔室的液体有不同的过滤效率，该液体用于补充泵抽液体产生的真空/气压，在滑块15运动的时候。

泵抽液体的压出由柱塞泵2通过重力气体分离器的区域来实现，由外壳1和气缸8组成。

地面控制器44从遥测装置33接收数据，包括井液的压力和温度参数，并且改变潜水式线性电机10控制泵抽液体流入井筒以及保持设定值的工作模式。地面控制器44从遥测装置33接收数据，包括潜水式线性电机10的温度参数和井液温度，并且改变潜水式线性电机控制潜水部分热模式以及保持电机安全热运行的工作模式。

地面控制器44限定滑块15的位置，根据周期图表控制潜水式线性电机10的工作运行：向上运行的电力额定消耗和向下运行的最小电力消耗。

地面控制器44从遥测装置33获取数据，包括井液的压力和温度参数，保障监控液体向井内的流入，并且改变潜水式线性电机10的工作模式，其控制液体向井筒的流入并保持预先设定的产油量。

地面控制器44改变在滑块15运动时潜入式线性电机10的定子线圈中产生的电动势，且限定滑块15的位置。

在使用了润滑脂27和15及密封盖15后，潜水式线性电机10可提高使用寿命。

因此，在所设计的钻井泵装置中，达到所要求的技术成果，在于提高可靠性，优化能耗指标。根据开采条件控制工作模式，因此滑块通过有效和均匀的运动(特别地，向上运行的电力额定消耗和向下运行的最小电力消耗)，以此降低装置元件的磨损，提高装置的可靠性，其中，还利用滑块行程顶端减震器和滑块行程下端减震器提高了可靠性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (16)

1.一种包括潜水部分的油井钻井泵装置，设置在同一个外壳中，包括装配有气压阀的柱塞泵，和重力气体分离器，在所述柱塞泵上方设置有止回阀单元，所述止回阀单元包括连接套筒，用于将油井钻井泵装置与油管柱相连接；在柱塞泵下方安装有潜水式线性电机，所述潜水式线性电机包括以三相绕线定子形式的固定部分和安装在其中的温度感应器，以及以滑块形式放置在定子容器中的移动部分，该滑块往复相对于定子移动，而且定子腔室内充满电解液，滑块腔室内充满润滑脂和固体润滑剂，该滑块和延伸杆固定连接；所述油井钻井泵装置包括一个设置在滑块上端运动点的减震器，该减震器安装在带有气压阀的柱塞泵的下方，还包括一个设置在滑块下端运动点的减震器，该减震器安装在潜水式线性电机基座的下部；所述油井钻井泵装置还包括地面控制器和安装在潜水式线性电机下方的遥测装置，所述遥测装置包括地层流体液压和温度传感器、振动传感器、倾斜仪以及测量装置，该测量装置和安装在线性电动机中的温度传感器相连，并利用星型式连接，所述遥测装置通过潜水式线性电机的绕组中性点和地面控制器连接；其中，地面控制器为三相高频逆变器以及通过绝缘三线电缆连接到潜水式线性电机的输出变压器。

2.根据权利要求1所述的油井钻井泵装置，其特征在于，潜水式线性电机的定子的容器是内径磨光的一体非磁性导管，该导管是柱塞泵的一部分，用于保障潜水式线性电机的滑块和柱塞泵柱塞的稳定性。

3.根据权利要求1所述的油井钻井泵装置，其特征在于，重力气体分离器安装在柱塞泵的外壳内。

4.根据权利要求1所述的油井钻井泵装置，其特征在于，地面控制器通过潜水式线性电机的绕组中性点、绝缘三线电缆以及输出变压器的第二绕组中性点电性连接到油井钻井泵装置的遥测装置。

5.根据权利要求1所述的油井钻井泵装置，其特征在于，滑块上端和下端运动点的减震器是柱塞泵和潜水式线性电机结构的一部分，用于保护柱塞泵柱塞和潜水式线性电机的滑块。

6.根据权利要求1所述的油井钻井泵装置，其特征在于，地面控制器包括一个测量通道来测量潜水式线性电机的定子的线圈中产生的反电动势，当滑块移动时，并且所述地面控制器控制当滑块到达上端或下端运动点之后的滑块反向运动，用于限定滑块的位置。

7.根据权利要求1所述的油井钻井泵装置，其特征在于，与定子容器相互作用的滑块的部分包括滑块的非磁套管或者滑块的磁场聚集器，与定子容器相互作用的滑块的部分由硬度较低的非磁材料制成。

8.根据权利要求1所述的油井钻井泵装置，其特征在于，滑块由磁铁和连接在非磁轴上的磁场聚集器组成，用于聚集和引导磁通量。

9.根据权利要求1所述的油井钻井泵装置，其特征在于，定子的三相线圈为分段双线线圈，磁芯由层合铁薄片制成。

10.根据权利要求1所述的油井钻井泵装置，其特征在于，一体滑块套管包括密封盖，设置于该滑块离开定子上端和下端的地方。

11.根据权利要求1所述的油井钻井泵装置，其特征在于，定子包括密封腔室，定子通过隔板和外界环境连接。

12.根据权利要求11所述的油井钻井泵装置，其特征在于，所述密封腔室密封，其中充满高电解质液体，定子内腔室通过小截面通道连接遥测装置内腔室及密封腔室，定子通过隔板和外界环境连接。

13.一种通过权利要求1所述的油井钻井泵装置从井内提升液体的方法，包括：

将泵装置的潜水部分装入井筒，通过气压阀以及经由柱塞泵的重力气体分离器从井筒吸取井筒流体，其中，潜水式线性电机的滑块通过延伸杆使柱塞往复运动，并迫使井筒流体通过止回阀单元进入到油管柱；

其中，利用地面控制器向潜水式线性电机提供三相交流电源，在定子中形成运动磁场，使滑块均匀往复运动；

在柱塞向上运动时，将井筒流体从气缸的柱塞泵中推出，通过止回阀单元到达油管柱；

在柱塞向下运动时，通过位于泵上端的气压阀将井筒流体从井筒中抽出。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过绝缘三线电缆为潜水式线性电机提供三相交流电源。

15.一种通过权利要求1所述的油井钻井泵装置优化能量消耗的方法包括同时执行以下步骤：

传递井筒流体的温度和压力数据给地面控制器，基于所得数据，地面控制器控制油井液体的流入，并改变潜水式线性电机的工作模式，同时保持设定的产量；

传递潜水式线性电机的温度参数以及井筒流体温度参数给地面控制器，基于所得数据，地面控制器控制潜水部分的热模式，并改变潜水式线性电机的工作模式，同时保持安全的热模式；

通过地面控制器限定滑块的位置，并根据循环图表控制潜水式线性电机的工作：向上运行的电力额定消耗和向下运行的最小电力消耗。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：反电动势产生于潜水式线性电机的定子的线圈中，且滑块的位移由地面控制器限定。

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