CN114837623B - 一种基于有杆轨道泵的采油装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于有杆轨道泵的采油装置，包括地面动力单元、井口装置单元和井内杆管泵单元；其工作原理为，具有止逆装置的360°圆环形轨道以油井井口装置为中心，由四柱支架支撑在地面上，变频低速电动机带动居中贯穿井口装置的光杆，以及与之连接的抽油杆和井下泵柱塞，随着固定在光杆上的滑杆及滑轮组合在轨道中逆时针旋转滑行，在每一运转周期的陡峭轨道段做近似自由落体的运动，产生的重力势能作为井下泵柱塞的驱动力，将井底自动流入井下泵泵筒内的石油液体，挤压至与泵底连通的间隔有球式单向阀的油管中，直至采出至地面。本发明将传统抽油机需努力克服的抽油杆重量的不利因素转化为重量越大，产生的重力势能与驱动力越大的有利因素，由此可不受采油井深的影响与制约，并能显著提高采油装置的机械效率。

Description

一种基于有杆轨道泵的采油装置与方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开采技术领域，特别涉及一种基于有杆轨道泵的采油装置与方法。

背景技术

石油是工业的血液，目前，我国国内石油的开采还不能完全满足国家经济建设高速增长的需求，每年都要大量进口石油，为保障国家能源安全将能源的饭碗端稳在自己手中，需要加大力度自主开采油气，国内开采石油最常见最广泛的设备是抽油机。

目前以游梁式抽油机为主的抽油设备主要有这些缺点：体积庞大制造成本高；能耗高机械效率低；受抽油杆自身重量制约采油深度有限；杆管同轴同空间工作容易出现磨损折断等风险，据有关文献报道，国内油田上约90％采用的是游梁式抽油机，其能耗成本约占油田生产成本的30％以上，目前的抽油机机械效率大约只有25％,分析传统抽油机的工作模式，其能耗高效率低的根本原因在于抽油机需要带动重约数吨或十几吨的抽油杆在井筒中上下往复运动，抽油杆自重所消耗的额外功巨大：任何机械设备所做的总功等于额外功加有用功之和，有用功除以总功则为机械效率，搬运相同质量的石油或气田水到相同高度所做的功为有用功，重约数吨或十几吨的抽油杆在不抽一滴油的情况下，其上下往复运动所消耗的能量都十分巨大，而这种做功就是额外功，每一天每时每刻，全国各地数以万计的抽油机在做同样的额外功消耗，这是巨大的浪费，如果不从工作模式上做彻底的根本性的改变，无论怎么节能改造都提高不了多少工作效率。

现有的皮带式抽油机与上述游梁式抽油机工作原理几乎一样，虽具有空间占地少这个优势，但仍存在工作效率低体积庞大等缺点。

现有的螺杆抽油泵，虽然将传统抽油机上下往复运动的工作模式改成了抽油杆带动井底泵的转子转动，通过转子与定子之间的旋转挤压工作方式吸入排出井底液体，其工作效率低推广应用得很少；现有的多级离心电潜泵能耗高需要下入井底电缆等存在诸多缺点普及率还不如游梁式抽油机。有没有能克服上述传统的抽油设备诸多缺点，更加绿色低碳节能、效率显著提高的采油与排水采气油设备，这是需要努力创新探索的。

发明内容

为了保障国家能源安全从根本上解决上述石油开采中制约我国油气工业发展，能耗高效率低影响采收率的这一难题，本发明的目的是希望从工作本质原理上查找出现有抽油机能耗高的根本原因进而针对性地彻底改变目前广泛使用的抽油机工作模式，用全新的思路与技术方法来替代现有的抽油与排水采气技术，实现高效率低成本绿色低碳节能的开采石油或排除气田水，促进油气开采的显著降本增效。

本发明一种基于有杆轨道泵的采油装置与方法，本装置包括地面动力单元、井口装置单元和井内杆管泵单元三部分，工作方法将在以下说明中结合本发明装置的具体组成构件予以阐述。

地面动力单元主要包括：变频低速电动机及附件、光杆、轨道及止逆系统、滑轮滑杆系统、减震与限位器、四柱支架与顶底盘等相关组件。

井口装置单元主要包括：双管柱井口装置、光杆密封总成及采油采气管道等相关组件。

井内杆管泵单元主要包括：套管、油管、油管球式单向止回装置、抽油杆、井下泵及附件、井下泵固定锚杆等相关组件。

本发明一种基于有杆轨道泵的采油装置与方法采用的技术方案是：

本发明的动力由变频低速电动机提供机械动力，电动机垂直向下安装其输出轴通过联轴器与光杆同轴心连接，电动机本体外壳由电动机固定架横向固定，电动机固定杆左侧连接电动机固定架，右侧止于滑槽内并可以在滑槽内做上下方向自由滑动，但不能做以电动机轴杆为圆心的旋转运动，电动机固定杆右侧终端上设有轴承，使电动机固定杆在滑槽内上下滑动时减小摩擦阻力，变频低速电动机通电工作时由于其本体外壳相对固定不能旋转运动，其内部磁场所产生的扭矩力必然通过联轴器带动连接的光杆做逆时针旋转运动，由此便可以带动光杆下部连接的抽油杆以及抽油杆底部的井下泵柱塞同步逆时针旋转运动，在旋转的同时，由于在油井地面井口装置的上部有360°的渐缓上升的圆环坡度轨道，轨道下部由柱墩支撑，360°的渐缓上升的圆环坡度轨道上有最低位置点和最高位置点，轨道最高位置点与最低位置点之间是近似90°的陡峭降落变轨连接段，其落差距离就是井筒内井下泵柱塞运动一个冲程的距离。

进一步地说明，相同垂直落差的圆环形轨道的直径与坡度成反比，具体应根据油气井生产需求的泵冲程冲次等参数决定。

在轨道中的次低点与最低点之间为适度的大半径圆弧段连接，最高点与次高点之间为小半径圆弧段连接，次高点与次低点连接线与光杆所处轴中心线的夹角约为10°左右，当电动机产生扭矩带动光杆逆时针旋转时，光杆上固定的滑杆以及滑杆底部的滑轮组合必然会随之而逆时针单方向转动，当滑轮在圆形坡度轨道段上逆时针做360°逆时针运动时，由滑轮、滑杆支撑的相关组件会随着滑轮、滑杆做同步的逆时针旋转运动。

在此圆形坡度轨道段上设有止逆系统，当电机在此任意时间点不产生动力时，轨道段上的止逆系统均能立即阻止滑轮组合部件的滑坡后退而实现刹车，在轨道的最高点与最低点之间为断崖式陡峭连接，上述电动机及固定架与固定杆、光杆、滑杆、滑轮组合、抽油杆以及井下泵柱塞等所有相关组件产生的总重量都通过滑轮支撑在轨道上，当经过此陡峭变轨段时必然会形成近似自由落体的运动，所产生的重力势能则为井下泵柱塞的驱动力。顶盘的中心孔、限位与减震器的中心、井口装置上的光杆密封装置的中心、井下泵的中心始终与光杆、抽油杆位于同一条直线。

当滑轮等从最高点类似自由落体滑落到次低点位置后，再滑过次低点与最低点的大圆弧轨道段，由于有重力加速度和惯性作用，必将沿着圆形轨道继续运动直至不能克服上坡摩擦阻力之时而停止，而光杆顶部的变频低速电动机在感知到滑轮速度开始减弱时就会开始提供动力，并逐渐加大做功扭矩力满足滑轮做低转速的匀速上坡滑行，当滑轮滑到最高位置点时继续前行，由于突然没有了轨道的支撑，滑轮组合会瞬间坠落式滑行产生巨大的动力势能，带动与之关联的井下泵柱塞向下挤压，将自动流入井下泵筒内的油或水液体至连接阀底的油管内，油管内适当的距离段有球式单向阀，井下泵柱塞的每一次向下冲程，均能实现将泵筒内的一个冲程距离段的液体挤压至油管内，井下泵柱塞挤压液体在油管内逐级向上运动，冲开途中的球式单向阀内的大密度球体阻力向上部油管段空间流动，当井下泵柱塞随着地面滑轮向上提升运动时(既井下泵柱塞不产生向下压力时),由于油管内的金属球体密度显著大于液体，将会率先沉降至球式单向阀内的漏斗状密封面形成密封作用，从而阻止已经进入油管内的液体向下回流，如此周而复始将井筒底部的液体排出井口。

滑轮降落在轨道底部的圆弧段后由于重力加速度和惯性原理必然会形成抛射现象，必将沿着圆形缓坡轨道继续逆时针旋转运动一段距离直至不能克服摩擦阻力而停止运动，而顶部的变频低速电动机感知后，会产生动力补充相应的扭矩动力促使光杆继续逆时针旋转运动，且电动机只需对滑轮组合在轨道上坡段动力量不足时至轨道最高点这段距离才消耗电能做功，这就克服了传统抽油机受抽油杆重量影响产生的额外功大耗能大的不利因素，将抽油杆质量大的变不利因素转化为有利因素，故此可以从根本上大幅降低采油成本，上述就是本发明的工作原理方法。

本发明的有益效果：

本发明地面与井下部分均结构简单，无需传统游梁式抽油机的驴头、游梁、平衡块等大型配件，建造耗材少成本低且占地空间少。

本发明的动力只消耗于驱动抽油杆及相关组件旋转运动扭矩力与摩擦阻力，充分利用抽油杆等组件自身重量垂直降落所产生的重力势能作为井下泵柱塞的工作动力，并结合重力加速与惯性原理充分节省能量，对比传统的抽油机将大幅降低能耗，将传统抽油机需要克服的抽油杆自重不利因素，转变成在工作额定范围内，抽油杆等越重所产生的驱动力越大的有利因素，改变传统抽油机的工作模式，由此可以打破传统抽油机使用的极限深度，可以运用到海洋油井以及超深井的石油开采。

本发明的杆管分离独立工作，可以克服传统抽油机工艺中的抽油杆与油管之间摩擦产生的各种危害，减少修井作业，受井筒斜度影响小，甚至可以运用到水平井或实现一个井筒一根抽油杆伞状开花辐射状拖多方向多井底泵工作的超级采油模式，这对促进海洋石油的开采和陆地石油以及页岩气深井排水采气节约成本将发挥重要作用，抽油杆与油管独立工作，可以使油管的空间利用率更高从而提高工作效率。

本发明中的井下泵采用柱塞挤压方式工作，受工作介质粘度以及砂粒杂质影响小，能减少井下泵的维修，球式单向阀止回设计与油管分段连接，可以克服传统油气开采中垂直管柱中出现的滑脱倒流现象的产生，从而提高采油效率，最终提高油气藏的采收率。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明的滑轮组合正视图。

图3是本发明的滑轮组合及轨道左视图。

图4是本发明的滑轮组合及轨道俯视图。

图5是本发明的滑轮运动轨迹示意图。

图6是本发明滑轮运动轨迹平面展开示意图。

图7是本发明井口装置的光杆密封系统示意图。

图8是本发明的井下泵组件结构示意图。

图9是本发明的电动机固定杆滑槽主视图。

图中标记：

地面动力单元：

①变频低速电动机10；电动机固定架11；电动机固定杆12；滑槽13；轴承121；光杆20；联轴器30；四柱支架40；顶盘41；底盘42；限位与减震器50；轨道60；伸缩套601；止逆杆602；副轨603；主轨604；挡板605；滑杆61；滑轮组合62；主滑轮621；滑轮轴622；翼杆623；万向球624；盒套625；

②轨道最高位置点a；轨道次高位置点b；轨道次低位置点c；轨道最低位置点d；轨道垂直落差h。

井口装置单元：防喷光杆密封总成70；第一防喷光杆密封盒701；第二防喷光杆密封盒702；变频防爆抗硫真空泵71；压力显示与变送器72；信号线73；双管柱井口装置80；油套管环空采气管81；采油管82。

井内杆管泵单元：套管90；油管91；抽油杆92；井下泵柱塞93；球式单向阀94；泵管连接头95；油管连接导向喇叭口951；除砂罩96；防砂罩固定环961；井下泵泵筒97；液体窗971；井下泵固定锚杆98；射孔段99。

具体实施方式

以下结合附图和实施方式对本发明装置与方法做进一步的说明。

本发明以油井采油为例，但同样的方法可以运用到有水气藏的排水采气。

如图1图9所示，本发明中的地面动力单元的变频低速电动机10产生动力，变频低速电动机10的外壳本体由电动机固定架11固定，电动机固定杆12左侧焊接在电动机固定架11上，右侧末端上固定的轴承121置于滑槽13内，垂直向下安装的变频低速电动机10的输出轴向下与光杆20之间通过联轴器30连接并传递扭矩动力，变频低速电动机10、电动机固定架11与电动机固定杆12横向位于同一水平线，能够随着电动机固定杆12末端的轴承121在滑槽13内的上下自由位移滑动，且通过滑槽13对电动机固定杆12以及轴承121的横向限制，使变频低速电动机10外壳体不能做旋转运动，变频低速电动机10通电工作时，由于其外部本体横向制动不能旋转，其内部磁场产生的扭矩力必然会通过纵向连接的联轴器30,将扭矩动力传递给下部的光杆20和抽油杆92,带动井底的井下泵柱塞93做逆时针同步旋转运动。

进一步地说明，由于本发明中的变频低速电动机10、电动机固定杆12会随同光杆20、抽油杆92、井下泵柱塞93等相关组件同步上下运动，故此，滑槽13的总高度必须大于井下泵柱塞93运动一个冲程的距离，也就是要大于轨道垂直落差h,不然就无法完成一个冲程距离的位移运动。

如图1-图4所示，本发明中的滑杆61的横向方向用销或键组件包围牢靠固定在光杆20的适当位置，纵向方向滑杆底部与滑轮组合62上部盒套625内的万向球624固定连接，滑轮组合62底部的居中位置是主滑轮621,主滑轮621中心通过轴承及滑轮轴622穿越固定在滑轮组合62的下部空间居中位置，主滑轮621卡在轨道60的主轨604上可以沿着轨道滑行，滑轮组合62就如同一辆在轨道60上运动的列车，这辆“列车”的动力由变频低速电动机10提供，“列车”沿着360°的圆形轨道60逆时针方向运行，"列车”上承载着光杆20以及其顶部的变频低速电动机10、电动机固定架11、电动机固定杆12及轴承121、主滑杆61、滑轮组合62相关组件、抽油杆92、井下泵柱塞93,这些组件的总重量通过轨道60的主轨604支撑滑轮621承接。

如图1图5图6所示，本发明中的轨道60为360°圆环形轨道，分为4段，轨道a点为最高点，b点为次高点，a点与b点之间为小圆弧连接段，轨道c点为次低点，d点为最低点，b点与c点之间为陡峭段，其连接线与光杆垂直线之间夹角不大于10°,c点与d点之间为大圆弧连接段，这样设计的目的是使整个轨道任意连接点无死角连接，但又能使滑轮组合62及承载体在运行a、b、c这一段落时，形成类似自由落体的运动而此产生巨大的重力势能来作为井下泵柱塞93的驱动力，轨道a点与d点之间为缓坡段，其垂直距离为轨道垂直落差h,这一距离就是井下泵一个冲程的距离。

如图1图3图4所示，本发明中的轨道60由墩柱式支撑置于底盘42上，底盘42由四柱支架40支撑置于井口牢固的地面上，四柱支架40的顶部为顶盘41,光杆20穿越顶盘41居中孔洞且能上下自由运动，在底盘42的居中位置设有限位与减震器50,其内部有环状减震弹簧，光杆20无接触穿越其中间，其能够对滑杆61随光杆20的上下运动，起到限位保护与减震作用，避免因抽油杆92等相关组件带动的滑轮组合62在经过陡峭轨道段时，产生的重力势能超过额定载荷时对井下泵筒体产生的破坏作用。

如图2-图4所示，本发明中的轨道60,由左中右三条轨道+左右两外侧边轨组成，居中位置的为主轨604,主轨604两侧为副轨603,两副轨603的外侧为边轨，主轨604是主滑轮621的运行轨道，并由此承接光杆20、抽油杆92这一条直线上的相关组件的总重量，在两条副轨603上，每间隔一个小于滑轮组合62外壳长度的距离内，对称设有一套止逆装置，止逆装置由伸缩套601和止逆杆602组成，伸缩套601固定在轨道60的两侧边轨上，伸缩套601的内部有弹性适度的弹簧，弹簧的弹性伸缩运动方向上固定有止逆杆602,止逆杆602的一头位于伸缩套601内，另一头自由穿越在副轨603的对应孔洞内，当止逆杆602的杆头部受到挤压外力作用时，止逆杆602能够退缩到伸缩套601内，直到没有挤压外力时由于弹簧作用而位置复原。

如图4所示，滑轮组合62前端外形如同子弹形列车头，其沿着主轨604向前滑行时，滑轮组合62前端左右两侧为前窄后宽的倾斜面，滑轮组合62前进时由于挤压作用会推开止逆杆602的阻挡使之退缩位移，而滑轮组合62的尾部为与主轨604方向为90°垂直的平面，当滑轮组合62的整个外壳体完全通过相邻位置的止逆杆602后，止逆杆602由于有弹簧弹性作用力而复原位置。

如图5图6所示，由于在轨道60轨迹的d点到a点位置为缓坡段，当整个滑轮组合62在变频低速电动机10产生的扭矩牵引外力作用时，滑轮组合62尾部因有已经弹出复原位置的止逆杆602阻挡，因而就不会出现滑坡倒退，这就起到了刹车作用，而在滑轮组合62主体两侧的外壳体上，对称焊接有翼杆623,翼杆623在轨道60全程始终位于挡板605的完全无接触覆盖之下，而挡板605实际就是轨道60两侧边轨90°向内折叠的连续板，翼杆623与挡板605保持有充分的空间距离，其目的是使滑轮组合62在360°环状运行中，既不会出现脱轨或滑坡倒退现象，在a点到d点的断崖式降落过程中，也不会受到挡板605的限制摩擦阻挡，在滑轮组合62沿360°轨道周而复始运行中，与轨道60的接触点只有两部分，一是主滑轮621卡在主轨604上的滚动接触，另一部分接触为滑轮组合62外壳在逆时针旋转运行时与止逆杆602的类似于劈开波浪式接触。

为了充分实现本发明所要达到的技术目的，本发明中的井口装置单元的为双管柱井口装置80,这是现有技术方案，可以向井口装置生产厂家定制，石油伴生天然气由油套管环形空间通过油套管环空采气管81采出，而石油则通过井口装置的采油管82采出。

进一步地说明，假如井筒中的油管91采用连续油管，抽油杆92采用连续抽油杆，则井口装置应选用相应类型的双管柱井口装置80,这是钻井工程师在井筒开钻之前就会设计好的，无需本发明做过多陈述说明。

由于光杆20需要贯穿井口装置并做上下运动才能带动抽油杆等组件采出石油，而油套管环形空间通常存在高压天然气，特别是用于高压气田的排水采气之时，这是涉及动态密封的技术难题，如果光杆与井口装置动态接触面产生天然气泄漏，将造成严重的安全隐患。

故此，如图1图7所示，本发明采用双防喷盒总成技术对光杆20进行动态密封，具体方案为，在双管柱井口装置80的顶部居中位置，紧密安装有防喷光杆密封总成70,在防喷光杆密封总成70空间的顶部为第一防喷光杆密封盒701,底部为第二防喷光杆密封盒702,顶底部形成密闭空间，光杆20贯穿通过第一防喷光杆密封盒701和第二防喷光杆密封盒702,在防喷光杆密封总成70的上部盒体上，还连接安装有压力显示与变送器72,变频防爆抗硫真空泵71的一侧通过管道连接到防喷光杆密封总成70内部，变频防爆抗硫真空泵71的输出端连接至场站的低压流程区域，光杆20在运动过程中，假如高压气体突破第一道防线第一防喷光杆密封盒701,所泄露的气体必然被压力显示与变送器72检测与感应到，其产生的压力信号将通过信号线73传递给变频防爆抗硫真空泵71,使其开始抽吸工作，由于防爆抗硫真空泵为变频工作，其工作功率随压力显示与变送器72输出的信号强度而调整，故此，将确保防喷光杆密封总成70的内部空间始终处于零压或低压状态，那么，第二道防线第二防喷光杆密封盒702一定就可以始终处于低压甚至零压工作环境状态下，这种方法便可以保证本发明中的井口不会轻易产生天然气泄漏的情况。假如，在防爆抗硫真空泵71的最大功率工作状态下，压力显示与变送器72仍有压力显示，此时则需要紧固或更换防喷光杆密封总成70内的盘根。

优选地，油气井中的天然气通常含有硫化氢等腐蚀气体成分，故此，真空泵71应该选择防爆抗硫型，这有助于安全生产。

如图1图8所示，光杆20向下居中穿越双管柱井口装置80后，连接井筒内的抽油杆92,抽油杆92底部连接井下泵柱塞93,在井下泵柱塞93的底部段为锥度约45°圆锥体，在圆锥体的上段为较短长度的圆柱体，这样设计的主要目的是使整个井下泵柱塞93随抽油杆92上下往复运动中，圆柱体段与泵筒内壁之间因渗入泵筒内的砂粒影响造成的摩擦少，减少井下泵的维修，而圆锥体的锥形面，才是井下泵柱塞93的作用力面，在井下泵泵筒97内部的适当位置，有与圆锥体整个锥形面可以完全吻合的漏斗状阀座体，在井下泵柱塞93随抽油杆92的向下逐渐推进过程中，能够把从液体窗971自动流入井下泵泵筒97内的石油或气田水通过锥形面挤压入与泵筒97底部连接的泵管连接头95直至油管91内，在井筒套管90的底部的是射孔段99,是地层中油气水流入井筒的通道。

如图8所示，进一步地说明，液体窗971实际就是井下泵泵筒97本体的一部分，其位于泵筒97的上部段，其实就是在泵筒97壁四周上开的敞口，抽油机要采出石油或气田水，其井下泵必须要淹没在井底地层的液位面之下才能采出，当地面变频低速电动机10通电产生扭矩旋转动力之时，随着光杆20的旋转，必然会带动固定在光杆20上的滑杆61以及底部的滑轮组合62做同步的逆时针旋转，由于有主轨604的支撑和止逆系统的共同作用，滑轮组合62在d点到a点的上坡滑行，必然会带动光杆20抽油杆92带动连接的井下泵柱塞93做向上的提升运动，直至提升到井下泵泵筒97的液体窗971的上部的空间之时，由于液体窗971始终处于石油或气田水的淹没状态，井下泵柱塞93提升到液体窗971的上部之时，石油或气田水会立即自动从液体窗971流入到井下泵泵筒97内填充其空间直到装满为止，当重约数吨或十多吨地抽油杆92等组件从轨道中的a点近似自由落体的坠落至轨道最低点d点时，井下泵柱塞93则为下冲程运动过程，瞬间产生的巨大的重力势能必定将井下泵泵筒97内盛满的石油或气田水挤压至连通的油管内，如此周而复始把石油或气田水采出。

进一步地说明，在井下泵泵筒97上部的抽油杆92上，设置有除砂罩96,其通过防砂罩固定环961固定在抽油杆92上，除砂罩96为底部缺失圆平面的圆柱形空桶状过滤筛网，其既能随着抽油杆92的旋转的同时做升降运动，且任意时刻均能对液体窗971部位的完全覆盖，故此可以充分过滤地层砂粒和具备自洁的功能。

进一步地说明，井筒完钻后，通过双管柱井口装置80下入到地层后，通过油管连接导向喇叭口951的导向作用，油管91通过泵管连接头95能轻松与井下泵泵筒97的底部丝扣连接，形成U形的连通结构。

进一步地说明，井下泵泵筒97体通过井下泵固定锚杆98支撑，井下泵固定锚杆98锚定在套管90的内壁之上，形成对井下泵筒体97的牢固支撑作用。

进一步的说明，在整个油管91的适当间隔距离段，重复设有连接的球式单向阀94,球式单向阀94的内部有抗酸碱腐蚀的金属球体，其受到来自底部的石油或气田水挤压作用力后将被挤开让液体通过，而当没有底部液体的挤压作用力时，由于金属球体的密度必然会大于石油或气田水，金属球体由于重力作用会沉降至漏斗状的环空段形成密封作用，防止球式单向阀94上部油管91内的石油或气田水倒流，由此可以提高井下泵的工作效率。

由于地球地表空间环境下的任何物体，均存在有重力，且其质量越大重量就越大，相同高度时瞬间自由落体坠落时重量越大的物体所产生的重力势能就越大，因此，本发明从根本上改变了传统抽油机的工作模式，且井口上部的电动机只需要对抽油杆等相关组件沿轨道上行段运行时才需要做功，并且整个上行段的初始段充分利用了重力加速度与惯性原理节省能量，且电动机只需对抽油杆等相关组件逆时针旋转提供满足扭矩动力(这一动力有由小到大的增量过程，也有由大到小的减量过程，故此采用变频低速电动机),不直接对井筒中的石油或气田水做功受其总重量制约影响很小，故此能充分节能降耗，这也是本发明的独创之处。

如图1图5图6所示，由于自由落体这一概念是指静止状态下的物体从高处的垂直降落，而本发明中，滑轮组合62所承载的相关组件在d点到a点的逆时针缓坡上行中，既有变频低速电动机10的扭矩牵引力存在，同时还有轨道60主轨604的支撑作用力，故此不纯属于完全的自由落体运动(只能视作近似自由落体运动),当在a点向b点的运动中，变频低速电动机10的扭矩牵引作用力仍旧存在，只是不再需要爬坡动力，在b点到c点之间的运动中，滑轮组合62仍旧在轨道60的挡板605的相对控制之下滑行，(且应保持其整个运动过程空间足够不受阻挡),只是随着主轨604的突然断崖式变道而下行，这一过程必然会产生巨大的重力势能，b点到c点之间约有10°夹角而不是90°的垂直线的根本原因是，假如b点与c点为90°垂直，则滑轮组合62滑过a点后，必然会形成垂直的刚性降落，滑轮组合62触底后则只会做上下方向的重力势能的弹力消耗运动，而没有向d点方向的位移的作用力，b点到c点之间约为10°的倾斜并与d点圆弧连接，必然会使滑轮组合62以及所承载的相关组件在断崖式沉降后，由于重力加速度以及惯性作用，向a点方向位移，这一过程能充分节省一部分能量，而每一冲程中，均会出现这种能量节约的过程，因而就可以达到本发明希望通过技术创新而节省能耗提高效率的目的。

优选地，如上所述，由于滑轮组合62以及所承载的相关组件在360°的圆形轨道60的运行中，不需要全过程的满负荷输出动力，且通常整个过程的运转速度不高，故此，变频低速电动机优选三相变频低速异步类型电动机，可以实现充分的节能。

优选地，联轴器30处可以增加齿轮变速器，与电动机配合产生足够的扭矩力和适度的转速，这是现有的通用技术，本发明不做重复说明。

优选地，按照本发明的创新工作原理与方法，抽油杆92的直径与重量不仅可以在井筒中加粗加重的方式提高重力势能的目的，也可以采用在油井井口地面部分，在电动机顶部适当增加砝码的类似变更方式来替代，但这样的方式需要从能效整体上综合考虑以实现总功能耗消耗最小为目的适度调整。

进一步地说明，传统的电动机通常是采用地脚螺栓将电动机本体(定子部分)完全固定，而本发明为了从本质原理上彻底改变传统抽油机能耗高效率低久攻不下这一难题，本发明设计中，创新性地允许电动机本体(定子部分)能随着抽油杆等组件做同步的上下位移。

本发明从本质原理上改变传统抽油机的工作模式，充分减少抽油设备额外功的消耗，将传统抽油机需要克服的抽油杆自重不利因素，转变成在额定范围内抽油杆等越重所产生的驱动力越大的有利因素，由此可以打破传统抽油机使用的极限深度，可以运用到海洋油井以及超深井的石油开采与排水采气，本发明采用杆管分离独立工作，可以克服传统抽油机工艺中的抽油杆与油管之间摩擦造成的各种危害，减少修井作业，受井筒斜度影响小，甚至可以运用到水平井或实现一个井筒一根抽油杆伞状开花辐射状拖多方向多井底泵工作的超级采油模式。

上述具体实施所描述的本发明之装置内容与技术方法不局限于本实施例，熟悉本专业领域的技术人员均可基于本发明公开的内容进行不背离本发明之创作精神的替换与变化，但这种替换与变化均在本发明专利申请之权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于有杆轨道泵的采油装置，其特征是，包括地面动力单元、井口装置单元和井内杆管泵单元三部分组成；

所述的一种基于有杆轨道泵的采油装置的地面动力单元包括：变频低速电动机(10)；电动机固定架(11)；电动机固定杆(12)；轴承(121)；滑槽(13)；光杆(20)；联轴器(30)；四柱支架(40)；顶盘(41)；底盘(42)；限位与减震器(50)；轨道(60)；滑杆(61)；滑轮组合(62)；轨道最高位置点a；轨道次高位置点b；轨道次低位置点c；轨道最低位置点d；轨道垂直落差h；变频低速电动机(10)的外壳本体由电动机固定架(11)固定，电动机固定杆(12)左侧焊接在电动机固定架(11)上，右侧末端上固定的轴承(121)置于滑槽(13)内，垂直向下安装的变频低速电动机(10)的输出轴向下与光杆(20)之间通过联轴器(30)连接并传递扭矩动力，扭矩力必然会通过纵向连接的联轴器(30)，传递给下部的光杆(20)和抽油杆(92)，滑杆(61)的横向方向用销或键组件包围牢靠固定在光杆(20)的适当位置，滑轮组合(62)底部的居中位置是主滑轮(621)，主滑轮(621)卡在圆环形轨道(60)的主轨(604)上沿着轨道滑行，轨道(60)由墩柱式支撑置于底盘(42)上，底盘(42)由四柱支架(40)支撑置于井口牢固的地面上，四柱支架(40)的顶部为顶盘(41)，光杆(20)穿越顶盘(41)的居中孔洞且能上下自由运动，光杆(20)向下居中穿越双管柱井口装置(80)后，连接井筒内的抽油杆(92)，抽油杆(92)底部连接井下泵柱塞(93)；

所述的一种基于有杆轨道泵的采油装置的井口装置单元包括：防喷光杆密封总成(70)；双管柱井口装置(80)；油套管环空采气管(81)；采油管(82)；

所述的一种基于有杆轨道泵的采油装置的井内杆管泵单元包括：套管(90)；油管(91)；抽油杆(92)；井下泵柱塞(93)；球式单向阀(94)；泵管连接头(95)；油管连接导向喇叭口(951)；防砂罩(96)；防砂罩固定环(961)；井下泵泵筒(97)；液体窗(971)；井下泵固定锚杆(98)；射孔段(99)；

所述的基于有杆轨道泵的采油装置由地面双管柱井口装置(80)顶部的变频低速电动机(10)提供扭矩动力，在双管柱井口装置(80)上部的360°圆环形轨道(60)的主滑轮(621)与主轨(604)的接触与支撑下，联动滑杆(61)、滑轮组合(62)做逆时针旋转滑行，当滑轮组合(62)沿逐渐上升的圆环形轨道逆时针旋转上行时，最终带动井下泵柱塞(93)做提升上行运动，井下泵柱塞(93)提升至井下泵泵筒(97)的液体窗(971)上部之时，淹没井下泵的石油液体瞬间填满井下泵泵筒(97)，当滑轮组合行至轨道最高点之后随着轨道的断崖式的变化而在瞬间做陡降运动，由此产生的重力势能作为井下泵柱塞(93)的驱动力，将自动流入井下泵泵筒(97)内的液体挤压至与泵底连通且连接有球式单向阀(94)的油管(91)之中，周而复始直至将井底的石油液体采出至地面。

2.根据权利要求1所述的一种基于有杆轨道泵的采油装置，其特征在于，所述的轨道(60)为360°圆形轨道，轨道最高位置点a与轨道次高位置点b之间为小圆弧连接段，轨道次高位置点b与轨道次低位置点c之间为陡峭段，轨道次低位置点c与轨道最低位置点d之间为大圆弧连接段，轨道最低位置点d与轨道最高位置点a之间为缓坡段，轨道最高位置点a与轨道最低位置点d的垂直距离为轨道垂直落差h,也是井下泵一个冲程的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于有杆轨道泵的采油装置，其特征在于，所述的轨道(60)上有伸缩套(601)；止逆杆(602)；副轨(603)；主轨(604)；挡板(605)。

4.根据权利要求1所述的一种基于有杆轨道泵的采油装置，其特征在于，所述的滑轮组合(62)由主滑轮(621)；滑轮轴(622)；翼杆(623)；万向球(624)；盒套(625)构成。

5.据权利要求1所述的一种基于有杆轨道泵的采油装置，其特征在于，所述的防喷光杆密封总成(70)包括：第一防喷光杆密封盒(701)；第二防喷光杆密封盒(702)；变频防爆抗硫真空泵(71)；压力显示与变送器(72)；信号线(73)。