CN114645696B - 混合动力气举柱塞 - Google Patents

Abstract

提供一种混合动力气举柱塞，在柱塞本体上下两端均同轴设有在回转方向上呈角度设置的机架，柱塞本体上端的机架端部同轴设有固定座；机架靠近柱塞本体端设有爬行机构，柱塞本体内部设有与爬行机构连接的顶升驱动装置，机架远离柱塞本体端设有与爬行机构连接的动力驱动装置，与动力驱动装置和顶升驱动装置电性连接的发电储能装置的动作部分设于固定座内，发电储能装置的储控部分设于柱塞本体内。本发明实现了气举柱塞在狭小管道内运动的目的，解决了传统装置因缺少行走机构造成柱塞气举效率欠佳的问题，实现了所需电能的持续长期供给，用于低压低产致密气井，防止柱塞上升过程中因井底压力不足以推动积液到达井口，大幅度提高柱塞排水采气效率。

Description

混合动力气举柱塞

技术领域

本发明属于石油天然气开采设备技术领域，具体涉及一种混合动力气举柱塞。

背景技术

随着我国气田开采的逐渐深入，部分气井进入生产中、后期，压力和产能普遍偏低，不能满足气井生产的连续携液要求，导致部分气井井底或井筒内产生积液，水淹现象，严重时，甚至会出现低压低产致密气井，对气井产能的稳固释放产生了极其重大的影响。

气举柱塞排水采气技术是以柱塞作为气、液之间的机械界面,利用气井自身能量推动油管内的柱塞举水，推动柱塞在油管内进行周期地举液，能够有效地阻止气体上窜和液体回落,减少液体“滑脱”效应,提升间歇气举效率,气举柱塞不需其它动力设备，生产成本低，曾经一度被认为是最佳的排水采气工艺，引起了国内外日益广泛的重视和现场应用，取得了明显的生产效益。气举柱塞利用气井自身能量推动柱塞，不需其它动力设备，是一种利用储层本身能量来携液的间歇式举升方法；但是在气井实际开采过程中，气压和产能会随着气田开采进行而逐渐变低，气井自身能量有时并不足以推动柱塞至井口。

现有气举柱塞大都缺少辅助爬行机构，在运动过程中易卡顿，影响柱塞气举的工作效率，且密封性较差，经常出现液体漏出、井底积液的情况，此外缺少辅助打捞的部件，不易被打捞，常规柱塞在应用效果及经济效益上已不能满足气井开发实际需求，因此，针对上述问题，有必要进行改进。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种混合动力气举柱塞，通过在上下两端均设有机架的柱塞本体上设置与机架上的爬行机构连接并用于控制爬行机构与油管壁紧密贴合或分离的顶升驱动装置，并在设于机架上动力驱动装置驱动爬行机构旋转的情况下，实现气举柱塞在狭小管道内运动的目的，解决了传统装置因缺少行走机构造成柱塞气举效率欠佳的问题，具有发电功能的气举柱塞可应用于低压低产致密气井，能防止柱塞上升过程中，因井底压力不足以推动积液到达井口，能够大幅度提高柱塞排水采气效率。

本发明采用的技术方案：混合动力气举柱塞，包括柱塞本体,所述柱塞本体上下两端均同轴设有在回转方向上呈角度设置的机架，所述柱塞本体上端的机架端部同轴设有固定座，且固定座上端同轴固定有打捞头；所述机架靠近柱塞本体端设有爬行机构，且柱塞本体内部设有与爬行机构连接并控制爬行机构与油管壁紧密贴合或分离的顶升驱动装置，所述机架远离柱塞本体端设有与爬行机构连接并用于驱动爬行机构旋转的动力驱动装置，与所述动力驱动装置和顶升驱动装置电性连接并用于对动力驱动装置和顶升驱动装置供电的发电储能装置的动作部分设于固定座内，所述发电储能装置的储控部分设于柱塞本体内。

其中，所述动力驱动装置包括驱动电机，所述机架远离柱塞本体端为环形套状结构，而机架靠近柱塞本体端为板状结构，所述驱动电机安装于机架远离柱塞本体端的内部，所述驱动电机输出轴端部伸出机架环形套与爬行机构的输入端固定连接。

进一步地，所述爬行机构包括蜗杆、蜗轮、行进轮和齿轮箱，所述机架板状结构的两端板面上分别制有安装槽和导向槽，所述蜗杆一端转动安装于机架板状结构的安装槽内，且驱动电机的输出轴与蜗杆另一端固定连接，所述机架靠近柱塞本体端的板状结构两侧均设有齿轮箱，且位于机架安装槽内并与蜗杆适配啮合的蜗轮的转轴与对应侧的齿轮箱输入端连接，所述齿轮箱输出端固定有行进轮，且行进轮的转轴与顶升驱动装置一端转动连接，并通过顶升驱动装置控制行进轮向外或向内微移后，实现驱动电机驱动旋转的行进轮与油管壁紧密贴合或分离。

进一步地，所述顶升驱动装置包括推进电机、丝杠和滑块，所述推进电机安装于靠近机架端的柱塞本体内，所述推进电机的输出轴与丝杠一端固定连接，与所述机架板状结构端的导向槽适配插接的滑块螺纹连接于丝杠上，一端与行进轮的转轴转动连接的连杆的另一端铰接于滑块上，并通过推进电机驱动滑块上下移动后，由连杆带动行进轮向外或向内微移。

进一步地，所述滑块呈U型结构，所述滑块三边均制有与机架板面上的导向槽适配的定位导槽，所述滑块的U型槽内固定有螺母，且丝杠与螺母适配连接；所述滑块两侧壁上均固定有销柱，且连杆另一端通过销柱铰接于滑块上；所述连杆带动行进轮向外或向内微移的范围为1.5～3.5mm。

进一步地，所述齿轮箱包括固定于机架板状结构外壁上的齿轮箱体和安装于齿轮箱体内的齿轮、传动齿轮，所述齿轮固定于爬行机构中蜗轮的转轴上且蜗轮的转轴转动安装于齿轮箱体内，所述齿轮与传动齿轮啮合，所述爬行机构中的行进轮固定于传动齿轮的安装转轴上，所述连杆一端与传动齿轮的安装转轴转动连接，所述齿轮箱体外侧固定有齿轮箱盖。

进一步地，所述固定座为圆环形结构，所述固定座上端圆环形外圆周壁上制有多个与轴线平行设置的长条形流体通道槽，所述打捞头端面中部的轴线方向制有与固定座连通的流体通道孔。

进一步地，所述发电储能装置包括储控部分和动作部分，所述储控部分包括安装于柱塞本体内部中段的电池及控制板，所述电池及控制板与动力驱动装置中的驱动电机和顶升驱动装置中的推进电机连接，所述动作部分包括安装于固定座内部的发电机和安装于发电机转轴上的涡轮扇叶，所述涡轮扇叶外周为长条形流体通道槽。

进一步地，所述柱塞本体上下两端同轴设置有在回转方向上呈90°设置的机架，且打捞头、机架和固定座与柱塞本体为一体式结构。

进一步地，所述机架远离柱塞本体端的外圆周壁上制有多个均匀分布的安装槽且用于对气举柱塞进行扶正的扶正滚轮安装于安装槽内，所述柱塞本体下端的机架底部固定有端盖；所述柱塞本体为两段式的结构，且两段式的柱塞本体通过连接螺纹管固定连接为一体。

本发明与现有技术相比的优点：

1、本技术方案通过在上下两端均设有机架的柱塞本体上设置与机架上的爬行机构连接并用于控制爬行机构与油管壁紧密贴合或分离的顶升驱动装置，并在设于机架上动力驱动装置驱动爬行机构旋转的情况下，解决了传统装置因缺少行走机构造成柱塞气举效率欠佳的问题；

2、本技术方案中安装在机架上并包括有蜗杆、蜗轮、行进轮和齿轮箱的爬行机构具有足够的刚度和稳定性，实现气举柱塞在狭小管道内运动的目的，为气举柱塞提供行走动力，从而提高柱塞气举效果；

3、本技术方案具有电源自给功能的气举柱塞，可应用于低压低产致密气井，能防止柱塞上升过程中，因井底压力不足以推动积液到达井口，能够大幅度提高柱塞排水采气效率；

4、本技术方案中设置的扶正滚轮，在气举柱塞运动过程中起到扶正的作用，减小柱塞的磨损，保证气举柱塞运行的可靠性，降低能量的损耗。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明滑块立体结构示意图；

图3为本发明滑块U型槽口端结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-3描述本发明的一种实施例，从而对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

混合动力气举柱塞，其特征在于：包括柱塞本体22,所述柱塞本体22上下两端均同轴设有在回转方向上呈角度设置的机架7具体的，所述柱塞本体22上下两端同轴设置有在回转方向上呈90°设置的机架7，所述柱塞本体22上端的机架7端部同轴设有固定座4，且固定座4上端同轴固定有打捞头1；所述机架7靠近柱塞本体22端设有爬行机构，且柱塞本体22内部设有与爬行机构连接并控制爬行机构与油管壁紧密贴合或分离的顶升驱动装置，所述机架7远离柱塞本体22端设有与爬行机构连接并用于驱动爬行机构旋转的动力驱动装置，与所述动力驱动装置和顶升驱动装置电性连接并用于对动力驱动装置和顶升驱动装置供电的发电储能装置的动作部分设于固定座4内，所述发电储能装置的储控部分设于柱塞本体22内，其中，打捞头1、机架7和固定座4与柱塞本体22为一体式结构；上述结构中，通过在上下两端均设有机架7的柱塞本体1上设置与机架7上的爬行机构连接并用于控制爬行机构与油管壁紧密贴合或分离的顶升驱动装置，并在设于机架上动力驱动装置驱动爬行机构旋转的情况下，实现气举柱塞在狭小管道内运动的目的，解决了传统装置因缺少行走机构造成柱塞气举效率欠佳的问题；

动力驱动装置的具体结构如下：所述动力驱动装置包括驱动电机5，所述机架7远离柱塞本体22端为环形套状结构，而机架7靠近柱塞本体22端为板状结构，所述驱动电机5安装于机架7远离柱塞本体22端的内部，所述驱动电机5输出轴端部伸出机架7环形套与爬行机构的输入端固定连接，由驱动电机5驱动爬行机构转动。

爬行机构的具体结构如下：所述爬行机构包括蜗杆8、蜗轮9、行进轮10和齿轮箱，所述机架7板状结构的两端板面上分别制有安装槽和导向槽，所述蜗杆8一端转动安装于机架7板状结构的安装槽内，且驱动电机5的输出轴与蜗杆8另一端固定连接，所述机架7靠近柱塞本体22端的板状结构两侧均设有齿轮箱，且位于机架7安装槽内并与蜗杆8适配啮合的蜗轮9的转轴与对应侧的齿轮箱输入端连接，所述齿轮箱输出端固定有行进轮10，且行进轮10的转轴与顶升驱动装置一端转动连接，并通过顶升驱动装置控制行进轮10向外或向内微移后，实现驱动电机5驱动旋转的行进轮10与油管壁紧密贴合或分离；上述结构中，安装在机架7上并包括有蜗杆8、蜗轮9、行进轮10和齿轮箱的爬行机构具有足够的刚度和稳定性，实现气举柱塞在狭小管道内运动的目的，为气举柱塞提供行走动力，从而提高柱塞气举效果；其中，驱动电机5驱动蜗杆8转动后，带动与蜗杆8适配啮合的蜗轮9转动，而蜗轮9则带动齿轮箱内的齿轮传动部分转动，最终由齿轮箱带动行进轮10旋转；在柱塞本体1上升阶段，顶升装置将行进轮10顶出2mm的微量位移后，使行进轮10与油管壁紧密贴合，实现行进轮10沿油管壁的爬行，类似机器人般伸展手臂，使得内置的上下两组共计四个行进轮10与油管壁紧密贴合；在柱塞下落阶段，电池及其控制板19控制顶升驱动装置将爬行机构收回，可以减少柱塞下落时所受的阻力，提高了柱塞的工作效率，机架7是柱塞本体1上下两端的主体支撑结构，其材质为合金，连接螺纹管20将柱塞本体1的上部与下部固定部件，采用固定螺钉，连接结构牢固；

顶升驱动装置的具体结构如下：所述顶升驱动装置包括推进电机18、丝杠17和滑块16，所述推进电机18安装于靠近机架7端的柱塞本体22内，所述推进电机18的输出轴与丝杠17一端固定连接，与所述机架7板状结构端的导向槽适配插接的滑块16螺纹连接于丝杠17上，一端与行进轮10的转轴转动连接的连杆15的另一端铰接于滑块16上，并通过推进电机18驱动滑块16上下移动后，由连杆15带动行进轮10向外或向内微移；具体的，滑块16的具体结构如下：所述滑块16呈U型结构，所述滑块16三边均制有与机架7板面上的导向槽适配的定位导槽16-1，所述滑块16的U型槽内固定有螺母16-2，且丝杠17与螺母16-2适配连接；所述滑块16两侧壁上均固定有销柱16-3，且连杆15另一端通过销柱16-3铰接于滑块16上；所述连杆15带动行进轮10向外或向内微移的范围为1.5～3.5mm，具体可选2mm最佳；其中，采用U型结构的滑块16，一方面，便于固定螺母16-2，从而使滑块16通过螺母16-2与丝杠17螺纹连接，为滑块16在丝杠17的转动作用下沿丝杠17上下移动，为行进轮10的伸缩提供驱动结构；另一方面，有利于时滑块16三边的定位导槽16-1与机架7面板上的导向槽适配，从而为滑块16的上下移动提供导向条件，保证滑块16的上下移动精度；

齿轮箱的具体结构如下：所述齿轮箱包括固定于机架7板状结构外壁上的齿轮箱体11和安装于齿轮箱体11内的齿轮12、传动齿轮13，所述齿轮12固定于爬行机构中蜗轮9的转轴上且蜗轮9的转轴转动安装于齿轮箱体11内，所述齿轮12与传动齿轮13啮合，所述爬行机构中的行进轮10固定于传动齿轮13的安装转轴上，所述连杆15一端与传动齿轮13的安装转轴转动连接，所述齿轮箱体11外侧固定有齿轮箱盖14，齿轮箱的设置，有利于柱塞低速稳定的进行上举，提高气举柱塞上升过程中的稳定可靠性。

固定座4的具体结构如下：所述固定座4为圆环形结构，所述固定座4上端圆环形外圆周壁上制有多个与轴线平行设置的长条形流体通道槽4-1，所述打捞头1端面中部的轴线方向制有与固定座4连通的流体通道孔1-1，采用设有长条形流体通道槽4-1，有利于在流体的作用下带动发电储能装置的动作部分(涡轮扇叶2旋转)。

发电储能装置的具体结构如下：所述发电储能装置包括储控部分和动作部分，所述储控部分包括安装于柱塞本体22内部中段的电池及控制板19，所述电池及控制板19与动力驱动装置中的驱动电机5和顶升驱动装置中的推进电机18连接，所述动作部分包括安装于固定座4内部的发电机3和安装于发电机3转轴上的涡轮扇叶2，所述涡轮扇叶2外周为长条形流体通道槽4-1，为驱动电机5和推进电机18提供所需电能，其中，推进电机18采用的是永磁同步电机，是一种由定子、永久磁钢转子、位置传感器、电子换向开关等组成的电动机，降低使用过程中所产生的相关费用，同时去掉了集电环和电刷等较为不稳定的零件，电动机运转的可靠性增加；因为不需要励磁电流，所以没有相关的励磁损耗，电动机的使用效率和功率密度得到了提升，其具备着构造不复杂，体积较小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点；两组推进电机18分别推动的上下两组爬行机构呈90度错位分布，每一组内的两个行进轮10又是呈180°夹角分布，需要进一步说明的是，这种位置分布合理，其作用是稳定柱塞，使柱塞始终处于油管中部，减小柱塞磨损。

为了减小柱塞磨损，在柱塞本体22上升下降过程中起到扶正的作用，在所述机架7远离柱塞本体22端的外圆周壁上制有多个均匀分布的安装槽且用于对气举柱塞进行扶正的扶正滚轮6安装于安装槽内，所述柱塞本体22下端的机架7底部固定有端盖21，端盖21为柱塞底部的盖子，在柱塞使用时起到底部封闭作用；上述结构中，设置的扶正滚轮6，在气举柱塞运动过程中起到扶正的作用，减小柱塞的磨损，保证气举柱塞运行的可靠性，降低能量的损耗。

所述柱塞本体22为两段式的结构，且两段式的柱塞本体22通过连接螺纹管20固定连接为一体。

本技术方案设于柱塞本体22上端的固定座端部的打捞头1，有利于放置和捞起柱塞，而柱塞本体1外圆周壁上的螺旋槽可以使气举柱塞在运动过程中不易卡住；具有电源自给功能的气举柱塞，可应用于低压低产致密气井，能防止柱塞上升过程中，因井底压力不足以推动积液到达井口，能够大幅度提高柱塞排水采气效率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.混合动力气举柱塞，其特征在于：包括柱塞本体（22）,所述柱塞本体（22）上下两端均同轴设有在回转方向上呈角度设置的机架（7），所述柱塞本体（22）上端的机架（7）端部同轴设有固定座（4），且固定座（4）上端同轴固定有打捞头（1）；所述机架（7）靠近柱塞本体（22）端设有爬行机构，且柱塞本体（22）内部设有与爬行机构连接并控制爬行机构与油管壁紧密贴合或分离的顶升驱动装置，所述机架（7）远离柱塞本体（22）端设有与爬行机构连接并用于驱动爬行机构旋转的动力驱动装置，与所述动力驱动装置和顶升驱动装置电性连接并用于对动力驱动装置和顶升驱动装置供电的发电储能装置的动作部分设于固定座（4）内，所述发电储能装置的储控部分设于柱塞本体（22）内；

所述动力驱动装置包括驱动电机（5），所述机架（7）远离柱塞本体（22）端为环形套状结构，而机架（7）靠近柱塞本体（22）端为板状结构，所述驱动电机（5）安装于机架（7）远离柱塞本体（22）端的内部，所述驱动电机（5）输出轴端部伸出机架（7）环形套与爬行机构的输入端固定连接；

所述爬行机构包括蜗杆（8）、蜗轮（9）、行进轮（10）和齿轮箱，所述机架（7）板状结构的两端板面上分别制有安装槽和导向槽，所述蜗杆（8）一端转动安装于机架（7）板状结构的安装槽内，且驱动电机（5）的输出轴与蜗杆（8）另一端固定连接，所述机架（7）靠近柱塞本体（22）端的板状结构两侧均设有齿轮箱，且位于机架（7）安装槽内并与蜗杆（8）适配啮合的蜗轮（9）的转轴与对应侧的齿轮箱输入端连接，所述齿轮箱输出端固定有行进轮（10），且行进轮（10）的转轴与顶升驱动装置一端转动连接，并通过顶升驱动装置控制行进轮（10）向外或向内微移后，实现驱动电机（5）驱动旋转的行进轮（10）与油管壁紧密贴合或分离。

2.根据权利要求1所述的混合动力气举柱塞，其特征在于：所述顶升驱动装置包括推进电机（18）、丝杠（17）和滑块（16），所述推进电机（18）安装于靠近机架（7）端的柱塞本体（22）内，所述推进电机（18）的输出轴与丝杠（17）一端固定连接，与所述机架（7）板状结构端的导向槽适配插接的滑块（16）螺纹连接于丝杠（17）上，一端与行进轮（10）的转轴转动连接的连杆（15）的另一端铰接于滑块（16）上，并通过推进电机（18）驱动滑块（16）上下移动后，由连杆（15）带动行进轮（10）向外或向内微移。

3.根据权利要求2所述的混合动力气举柱塞，其特征在于：所述滑块（16）呈U型结构，所述滑块（16）三边均制有与机架（7）板面上的导向槽适配的定位导槽（16-1），所述滑块（16）的U型槽内固定有螺母（16-2），且丝杠（17）与螺母（16-2）适配连接；所述滑块（16）两侧壁上均固定有销柱（16-3），且连杆（15）另一端通过销柱（16-3）铰接于滑块（16）上；所述连杆（15）带动行进轮（10）向外或向内微移的范围为1.5～3.5mm。

4.根据权利要求3所述的混合动力气举柱塞，其特征在于：所述齿轮箱包括固定于机架（7）板状结构外壁上的齿轮箱体（11）和安装于齿轮箱体（11）内的齿轮（12）、传动齿轮（13），所述齿轮（12）固定于爬行机构中蜗轮（9）的转轴上且蜗轮（9）的转轴转动安装于齿轮箱体（11）内，所述齿轮（12）与传动齿轮（13）啮合，所述爬行机构中的行进轮（10）固定于传动齿轮（13）的安装转轴上，所述连杆（15）一端与传动齿轮（13）的安装转轴转动连接，所述齿轮箱体（11）外侧固定有齿轮箱盖（14）。

5.根据权利要求1所述的混合动力气举柱塞，其特征在于：所述固定座（4）为圆环形结构，所述固定座（4）上端圆环形外圆周壁上制有多个与轴线平行设置的长条形流体通道槽（4-1），所述打捞头（1）端面中部的轴线方向制有与固定座（4）连通的流体通道孔（1-1）。

6.根据权利要求5所述的混合动力气举柱塞，其特征在于：所述发电储能装置包括储控部分和动作部分，所述储控部分包括安装于柱塞本体（22）内部中段的电池及控制板（19），所述电池及控制板（19）与动力驱动装置中的驱动电机（5）和顶升驱动装置中的推进电机（18）连接，所述动作部分包括安装于固定座（4）内部的发电机（3）和安装于发电机（3）转轴上的涡轮扇叶（2），所述涡轮扇叶（2）外周为长条形流体通道槽（4-1）。

7.根据权利要求1所述的混合动力气举柱塞，其特征在于：所述柱塞本体（22）上下两端同轴设置有在回转方向上呈90°设置的机架（7），且打捞头（1）、机架（7）和固定座（4）与柱塞本体（22）为一体式结构。

8.根据权利要求1-7任一项所述的混合动力气举柱塞，其特征在于：所述机架（7）远离柱塞本体（22）端的外圆周壁上制有多个均匀分布的安装槽且用于对气举柱塞进行扶正的扶正滚轮（6）安装于安装槽内，所述柱塞本体（22）下端的机架（7）底部固定有端盖（21）；

所述柱塞本体（22）为两段式的结构，且两段式的柱塞本体（22）通过连接螺纹管（20）固定连接为一体。