JPH09228954A - 地下ポンプ用の液圧力の伝達装置及び該地下ポンプの作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動力源と、上昇行程中、この動力源により一
部分駆動される液圧ポンプと、該地下ポンプの上昇行程
の一部を駆動すべく下降行程からエネルギを集める手段
を有する動力源の慣性力支援装置とを備える、地下ポン
プの液圧力の伝達装置を提供すること。 【解決手段】 動力源２０と、可変流量の液圧ポンプ５
５と、地下ポンプの行程の方向の変化に応答して、液圧
ポンプを流れる流れを逆流させる手段と、地下ポンプの
下降行程からエネルギを集め且つその集めたエネルギを
利用して、地下ポンプの上昇行程を作動させる、動力源
の慣性力支援装置２１とを備える、地下ポンプ用の再生
式の液圧力の伝達装置である。この伝達装置は、下降速
度と別に上昇速度を変化させ、また、ポンプの行程長
さ、行程方向の変化の持続時間を変化させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地下ポンプの作動
機構、より具体的には、エネルギを節約する液圧ポンプ
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】井戸及び油井を含む深井用ポンプ装置
は、殆どの場合、対重を加えたビーム、即ち、「ホース
ヘッド（ｈｏｒｓｅｈｅａｄ）」を有する、機械型及び
液圧型双方のポンプ装置である。吸上げロッド（ｓｕｃ
ｋｅｒ ｒｏｄ）と呼ばれるロッドは、地上からダウン
ホール（ｄｏｗｎｈｏｌｅ）ポンプまで伸長し、数千ポ
ンドの重量がある。このロッドからピボット点を横断し
て重力に応答する対重は、ロッドの重量を釣り合わせ、
ポンプ装置に対する原動機に加わる荷重を均一にしよう
とする。ある装置は、歯車の中心軸と関係付けられた対
重を有しており、このため、この対重は、地下ポンプの
上昇行程中に落下する。重い対重を使用する構造とされ
た液圧装置もあり、また、下降行程により加圧される空
圧アクチュエータを利用し、上昇行程中にエネルギが解
放されて且つ利用されるようにしたものもある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】それ自体が相当な質量
を有する機械的な装置の対重（ｃｏｕｎｔｅｒｗｅｉｇ
ｈｔ）は、同程度に質量の大きいフレームと、歯車と、
装置を作動させる高出力の原動機とを必要とする。かか
る質量の大きい装置においては、相当な効率のロスが生
じる。液圧装置において、圧送速度を制御する絞り弁を
通じて効率のロスが生じる。装置の速度及び研磨したロ
ッドの各種の動作段階にて加わる荷重は、効率の良い力
伝達状態を保ちつつ、制御することは難しい。空圧型の
アキュムレータ装置において、該アキュムレータからの
力は、ポンプサイクルの出力相の段階にて、零から最大
値まで変化する。かかるアキュムレータからの入力を均
一にすることは難しい。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、動力源と、上
昇行程中、この動力源により一部分、駆動される液圧ポ
ンプと、該地下ポンプの上昇行程の一部を駆動すべく下
降行程からエネルギを集める手段を有する、動力源の慣
性力支援装置とを備える、地下ポンプの液圧力の伝達装
置に関する。地上にある液圧ポンプは、下降行程中、液
圧流れを逆流させ、下降行程からの運動エネルギをフラ
イホイールに集め、地下ポンプの上昇行程中にその集め
たエネルギが利用されるようにする。該慣性力支援装置
は、地下ポンプの上昇−下降行程の全体に亙って、略一
定である貯蔵エネルギ源を提供する。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態は、添
付図面の図１に示してある。ウェルヘッド３２（その内
部で研磨したロッド３３が往復運動する）を有する油
井、又は井戸の地上装置が図示されている。研磨したロ
ッド３３が地下のウェルボアポンプ（図示せず）のピス
トンに取り付けられた吸上げロッド（図示せず）のスト
リングを支持している。かかるダウンホール吸上げロッ
ドポンプは周知であり、地下での圧送の目的に広く使用
されている。かかる地下ポンプのピストンは、ポンプジ
ャッキビーム３４のヘッドを上下動させることにより、
研磨したロッド３３から垂れ下げた吸上げロッドのスト
リングを垂直方向に往復運動させることにより作動され
る。ポンプジャッキビーム３４は、デリック軸受３６を
支点として往復運動するようにサムソンポスト３５に支
持されている。サムソンポスト３５は、プラットフォー
ム３７の上に着座する。また、プラットフォーム３７
は、シリンダパッド３８（その上にシリンダ軸受３９が
着座する）を支持している。シリンダ軸受３９は、液圧
リフトシリンダ１０（その内部に液圧ピストン（図示せ
ず）が収容されている）を支持する。この液圧ピストン
（図示せず）は、液圧ピストンロッド１２に接続され、
この液圧ピストンロッドの他端は、ピストンロッド軸受
１３によりポンプジャッキビーム３４に接続されてい
る。

【０００６】液圧流体が液圧リフトシリンダ１０の流体
入口１４に導入されると、液圧ポンプ（図示せず）は、
上方に付勢され、また、該ピストンに取り付けられた液
圧ピストンロッド１２は、ポンプジャッキビーム３４を
デリック軸受３６を中心として上方に回動させ、研磨し
たロッド３３、該ロッドから垂れ下がった吸上げロッ
ド、及び地下ポンプのピストン（図示せず）に上昇行程
をさせる。

【０００７】また、液圧リフトシリンダ１０は、液圧流
体タンク４０により接続された液圧ドレーン口１５を有
している。この液圧リフトシリンダ１０は、単動シリン
ダであるため、液圧ドレーン口１５は、液圧流体（液圧
ピストン（図示せず）を通ってリフトシリンダ１０の非
加圧部分に漏れた流体）を流体リザーバ４０内に送る働
きをするだけである。また、液圧ピストンロッド１２に
は、適当な防塵遮蔽体３１を取り付けることもできる。

【０００８】液圧リフトシリンダ１０の流体入口１４
は、液圧又は水圧ポンプ２３に流体的に接続されてお
り、該ポンプは、地下ポンプの上昇行程中、流体リザー
バ４０から液圧流体を得て、その流体をリフトシリンダ
１０に供給する。地下ポンプの下降行程中、液圧流体
は、液圧管１９、水圧ポンプ２３を通じてリフトシリン
ダ１０から流体リザーバ４０内に流れる。地下ポンプの
下降行程のときは、この水圧ポンプ２３を通る流れを逆
にすれば、エネルギを取り込むことを可能にする。

【０００９】図２には、装置の力伝達列がより詳細に図
示されている。この力伝達列は、動力源２０と、水圧ポ
ンプ２３と、可変容積形、多軸ピストン、可逆式の斜板
式ポンプ（オイルギヤ・カンパニー（Ｏｉｌｇｅａｒ
Ｃｏｍｐａｎｙ）のハイドラ（Ｈｙｄｕｒａ）モデルＰ
ＶＷ、又はマンネスマン・レックスロス（Ｍａｎｎｅｍ
ａｎｎ Ｒｅｘｒｏｔｈ）のモデルＡ（Ａ）４ＶＳＧＨ
Ｗのようなポンプ）とを備えている。かかるポンプは、
ポンプの斜板の角度に対応して、かかるサイクル中、可
逆で且つ可変流量の流体容積サイクル、及び可変流量を
可能にする。かかるポンプは、第一の方向に流れると
き、加圧流体を提供し、また、逆の方向に流れるとき、
ピストン（出力シャフトにエネルギを伝達する）を作動
させることにより、逆流する加圧流体からエネルギを取
り出す。かかるポンプは周知であり、各種の容積形ポン
プ及び高圧の用途で使用可能である。

【００１０】原動機又は動力源２０は、従来の内燃機
関、又は電気モータ、或いは、風車のようなその他の動
力源でよい。風車を使用するならば、慣性力支援装置、
即ち、フライホイール２１を回転する風タービン内に組
み込み、又は別個の機械的要素を力伝達列内に介在させ
てもよい。フライホイール２１は、フライホイールクラ
ッチ２２により動力源２０に接続され、該フライホイー
ルクラッチは、圧送作業の開始時に、フライホイール２
０内に徐々に運動エネルギを付与することを可能にす
る。動力源２０及びフライホイール２１からの動力は、
出力シャフト２５により、出力コネクタ２６を通じて水
圧ポンプ２３に伝達される。出力シャフト２５は、流体
シリンダ及びピストン（図示せず）を回転させ、このピ
ストンは、地下ポンプの上昇行程中に装置内で加圧液圧
流体の流れを生じさせる。水圧ポンプ２３の斜板（図示
せず）を利用して、水圧ポンプ２３を通る流体の速度、
方向及び容量を制御する。

【００１１】リフトシリンダ１０、液圧出力管１９、又
は水圧ポンプ２３内には、絞り弁は全く存在していな
い。リフトシリンダ１０へ、又はリフトシリンダ１０か
らの流れは、制御装置５０により制御される。該制御装
置は、図１におけるポンプジャッキビーム３４の位置を
検出し、その位置を斜板ステムの機械的な駆動体（図示
せず）のような斜板駆動機構に伝達する。これにより、
斜板ステム２７を動かして、所望の方向及び流動速度に
合った適正な角度に斜板を設定する。

【００１２】図１には、ポンプジャッキビーム３４の位
置を検出する機械的機構が図示されている。ポンプジャ
ッキビーム３４の動作及び位置に従うのは、タイミング
ロッド軸受２８にてポンプジャッキビーム３４に接続さ
れたタイミングロッド１１である。タイミングロッド１
１の下端は、自在回り止めナット１１ａによりタイミン
グレバー２９に接続されている。タイミング回り止めナ
ット１１ａは、タイミングロッド１１をタイミングレバ
ーピボット２９ｂから所定の距離の位置にてタイミング
スロット２９ａ内に位置決めする。このタイミングレバ
ーピボット２９ｂは、該ピボットを中心として、タイミ
ングレバー２９をサムソンポスト３５の一部分まで回動
し得るように固定されている。このように、研磨したロ
ッド３３、ポンプジャッキビーム３４及びタイミングロ
ッド１１の位置及び動作は、制御装置のロッド５１を通
じて制御装置５０に伝達される。機械的に検出する実施
の形態において、タイミング回り止めナット１１ａは、
タイミングスロット２９ａ内の異なる位置に固定され
て、機械的な検出装置の実施例としてのロッド５１をよ
り大きく、又はより小さく動かすことができる。

【００１３】制御装置５０は、機械、液圧、又は電子作
動型式のものとし、その機能は、上昇行程及び下降行程
を通じて地下ポンプを動かすときのポンプジャッキビー
ム３４の位置を検出することである。図１に示した機械
的な実施の形態において、地下ポンプの行程段は、制御
装置のロッド５１の物理的な位置によって最終的に制御
装置５０に伝達される。この検出及び伝達機能におい
て、液圧式、電子式、又はその他の検出手段、或いは公
知の型式の機械式、液圧式及び電子式センサの組み合わ
せで十分である。

【００１４】制御装置５０は、ポンプジャッキビーム３
４の行程段を検出した後、適当な手段により、水圧ポン
プ２３内の斜板の角度の設定値を伝達する。この実施例
に使用されるオイルギヤハイドラＰＶＷにおいて、斜板
の位置、又は角度が出力シャフト２５に対して垂直であ
るならば、水圧ポンプ２３とリフトシリンダ１０との間
における液圧流体の流量は零である。次に、図３を参照
すると、水圧ポンプ２３へ且つ該水圧ポンプから液圧流
体を流動させるためのリフトシリンダの移動を縦軸線に
して、斜板の位置がグラフ図で示してある。リフトシリ
ンダ１０の上昇行程の上端（地下ポンプの上昇行程の最
上点に対応する）及び下降行程の下端にて、水圧ポンプ
２３の斜板は、出力シャフト２５に対して垂直であり、
液圧流体の流量は零である。上昇行程及び下降行程の所
望の速度に対応して、水圧ポンプ２３内の斜板の角度
は、出力シャフト２５に関する垂直位置から付勢され、
このため、リフトシリンダ１０及びポンプジャッキビー
ム３４の上昇行程の中間、又は下降行程の中間にて、斜
板は、出力シャフト２５に対して垂直な位置から最も離
れて拡がった位置にある（それぞれ、マイナス角度、又
はプラス角度で示す位置）。かかる位置にあるとき、水
圧ポンプ２３とリフトシリンダ１０との間の流量は最大
となる。リフトシリンダ１０内のピストンが上昇行程、
又は下降行程の最大位置に接近すると、斜板２７の角度
は回転されて、出力シャフト２５に対して略垂直位置に
斜板を動かして、これにより、ポンプジャッキビーム３
４の速度を遅くする。

【００１５】地下ポンプ及びポンプジャッキビーム３４
の上昇行程及び下降行程の最大位置にて水圧ポンプ２３
内の流れは逆になる。図３には、斜板ステム２７（従っ
て、斜板）の角度が一方向に（グラフにマイナス角度で
図示）偏位すると、水圧ポンプからリフトシリンダ１０
への流水が生じ、その反対方向に角度を偏位させるため
には、リフトシリンダ１０から水圧ポンプ２３への流れ
を利用する。オイルギヤハイドラモデルＰＶＷにおい
て、斜板は、出力シャフト２５に対する垂直位置からプ
ラス２２°、又はマイナス２２°だけ偏位可能である。
図３には、上昇行程に対するマイナス１１°の斜板角
度、及び下降行程に対するプラス２２°の角度のサイク
ルが示されている。これは、「速く上昇し、遅く下降す
る」サイクルである。

【００１６】液圧又は機械式の実施の形態において、出
力列には、補助的な液圧ポンプ５５を追加して、制御装
置５０に対して、圧送サイクルの速度、及びリフトシリ
ンダ１０内のピストンの行程長さを設定するといった機
能の作動力を精密に制御可能にする。液圧流体が水圧ポ
ンプ２３からリフトシリンダ１０に流れると、ポンプジ
ャッキビームは、駆動行程にて上方に付勢される。フラ
イホイール２１及び動力源２０は、駆動行程にて、水圧
ポンプ２３を駆動するためのエネルギを供給する。フラ
イホイール２１のエネルギの一部は、駆動行程中に消費
され、フライホイール２１及び動力源２０の速度は僅か
に遅くなる。地下ポンプ及びポンプジャッキビーム３４
がその行程の最上点に達すると、制御装置５０は、垂直
から最も離れたマイナス角度位置から垂直に近づく位置
まで水圧ポンプ２３内の斜板の位置を動かす。

【００１７】かかるフライホイール及びその動力源の寸
法の一例は、回転速度２４００ｒｐｍで２５００ポンド
（約１１３５Ｋｇ）のディスクフライホイールであり、
動力源は、６５馬力の従来の内燃機関である。約３．６
６ｍ（１２フィート）の行程に亙って吸上げロッドの約
２，４３８ｍ（８，０００フィート）のストリング及び
流体を上昇させるとき、１７６，０００フィート・ポン
ドしか消費されない。そのエネルギの相当部分は、水圧
ポンプ２３を通じて落下するロッドによって流れが押し
出されたとき、下降行程中に、再度、取り込まれる。上
昇行程中、フライホイールの速度は、約２３００ｒｐｍ
まで低下する。約１５６，０００フィート・ポンドのエ
ネルギがホイールから得られ、約２０，０００フィート
・ポンドが原動機から得られる。下降行程中、約１３
８，０００フィート・ポンドの力が落下する吸上げロッ
ドの質量から得られ、原動機から得られる約２０，００
０フィート・ポンドのエネルギと共に、フライホイール
は、再度、２４００ｒｐｍを達成するのに十分な運動エ
ネルギを集める。原型装置にて作動するときのエネルギ
の節約量は、フライホイールを使用しないかかる装置と
比べて計算値約２９％であった。

【００１８】斜板及び出力シャフト２５の垂直板位置に
て（斜板ステムの揺動角度が０°に相当する位置）、水
圧ポンプ２３内の流体の流れは、制御装置５０により反
転される。吸上げロッド及びポンプジャッキビーム３４
の重量によって、リフトシリンダ１０内のピストンは下
降して、リフトシリンダ１０から液圧流体を液圧出力管
１９及び水圧ポンプ２３を通じて押し出す。水圧ポンプ
２３を通じる液圧流体の力により、動力源及び慣性力支
援装置は、僅かに加速する（落下する吸上げロッドから
の運動エネルギがフライホイール２１の速度、及び出力
列中のその他の質量の速度を加速させる結果として）。
このため、地下ポンプの下降行程からの運動エネルギが
集められ、水圧ポンプ２３内の流体の流れを再度、逆に
した後に、利用すべくフライホイール２１内に貯蔵され
て、地下ポンプの上昇行程の駆動を促進する。

【００１９】このように、地下ポンプに対する新規且つ
効率の良い出力伝達装置について説明したことが理解さ
れる。エネルギは、ポンプの下降行程中に得られ、上昇
行程の駆動力として利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】好適な実施の形態に対する、ポンプジャッキ、
リフトシリンダ、水圧ポンプ、制御装置及び動力源の関
係を示す概略図である。

【図２】好適な実施の形態に対する、動力源、慣性力支
援装置及び可逆液圧ポンプを示す概略図である。

【図３】液圧ポンプの斜板の動きを関数として行程のプ
ロファイルを示すグラフ図である。

【符号の説明】

１０ 液圧リフトシリンダ １１ タイミングロ
ッド １１ａ タイミング回り止めナット １２ 液圧ピストンロッド １３ ピストンロッ
ド軸受 １４ 流体入口 １５ 液圧ドレーン
口 １９ 液圧出力管 ２０ 動力源 ２１ フライホイール ２２ フライホイー
ルクラッチ ２３ 水圧ポンプ ２５ 出力シャフト ２６ 出力コネクタ ２８ タイミングロ
ッド軸受 ２９ タイミングレバー ２９ａ タイミング
スロット ２９ｂ タイミングレバーピボット ３１ 防塵遮蔽体 ３２ ウェルヘッド ３３ ロッド ３４ ポンプジャッ
キビーム ３５ サムソンポスト ３６ デリック軸受 ３７ プラットフォーム ３８ シリンダパッ
ド ３９ シリンダ軸受 ４０ 液圧流体タン
ク／液体リザーバ ５０ 制御装置 ５１ 制御装置ロッ
ド ５５ 補助的な液圧ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596179106 108 Ｆｅｂｒｕａｒｙ Ｓｔｒｅｅｔ, Ｌｕｆｋｉｎ，Ｔｅｘａｓ 75901，Ｕｎ ｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒ ｉｃａ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地下ポンプ用の液圧力の伝達装置にし
   て、 動力源と、 少なくとも一部分が該動力源により駆動されて、前記地
   下ポンプを上昇行程させる液圧ポンプと、 前記動力源に対する慣性力支援装置であって、前記地下
   ポンプの下降行程からエネルギを集める手段と、下降行
   程中に集められたエネルギを利用して前記地下ポンプの
   上昇行程の少なくとも一部を駆動する手段とを有する前
   記慣性力支援装置とを備えることを特徴とする伝達装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の力伝達装置にして、 前記慣性力支援装置がフライホイールを備えることを特
   徴とする力伝達装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の力伝達装置にして、 前記地下ポンプの下降行程及び上昇行程の長さを変化さ
   せる手段を備えることを特徴とする力伝達装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の力伝達装置にして、 前記エネルギの集め手段、及び前記エネルギの利用手段
   が、前記地下ポンプの行程の方向の変化に応答して、貫
   流する流体の流れを逆流させ得るようにした可逆液圧ポ
   ンプを備えることを特徴とする力伝達装置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の力伝達装置にして、 前記地下ポンプの上昇行程及び前記下降行程の一方、又
   はその双方の速度を変化させる手段を備えることを特徴
   とする力伝達装置。
6. 【請求項６】 地下ポンプ用の液圧力の伝達装置にし
   て、 動力源と、 前記地下ポンプの行程を作動させる少なくとも１つのリ
   フトシリンダと、 前記リフトシリンダに流体的に接続された液圧ポンプ
   と、 前記動力源に対する慣性力支援装置と、 前記地下ポンプの下降行程から運動エネルギを集め且つ
   その集められたエネルギを前記慣性力支援装置に伝達す
   る手段と、 前記動力源と共に、下降行程中に前記慣性力支援装置内
   に集められたエネルギを利用して、前記地下ポンプに上
   昇行程を為させる手段とを備えることを特徴とする伝達
   装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の力伝達装置にして、 前記慣性力支援装置がフライホイールであることを特徴
   とする力伝達装置。
8. 【請求項８】 請求項６に記載の力伝達装置にして、 前記液圧ポンプが、前記リフトシリンダの上昇行程中の
   流れ方向から液圧流体の流れを逆流させ、前記地下ポン
   プの下降行程から集められた運動エネルギを前記慣性力
   支援装置に伝達する手段を備えることを特徴とする力伝
   達装置。
9. 【請求項９】 吸上げロッドにより地上の動力源に接続
   された地下ポンプの作動方法にして、 前記地下ポンプの下降行程中、前記ポンプの動力源と係
   合可能な慣性力支援装置内にて落下する吸上げロッドの
   対重から運動エネルギを集めるステップと、 前記エネルギの集めステップにて集められた運動エネル
   ギを利用して、前記動力源と組み合わせて、前記地下ポ
   ンプの上昇行程の一部を作動させるステップとを備える
   ことを特徴とする地下ポンプの作動方法。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の作動方法にして、 前記エネルギを集めるステップが、液圧ポンプを通じて
    前記地下ポンプに対するリフトシリンダからの液圧流体
    の流れを逆流させて、前記慣性力支援装置の速度を加速
    する更なるステップを含むことを特徴とする作動方法。
11. 【請求項１１】 請求項９に記載の作動方法にして、 前記エネルギを集めるステップ及び前記エネルギを利用
    するステップの前に、前記動力源により前記慣性力支援
    装置に運動エネルギを追加する更なるステップを含むこ
    とを特徴とする作動方法。
12. 【請求項１２】 請求項１０に記載の作動方法にして、
    前記流れを逆流させるステップが、 前記地下ポンプの上昇行程の最上点を検出するステップ
    と、 前記液圧ポンプからの液圧流体を前記リフトシリンダに
    流動させて、上昇行程の最上点にてゼロに低下するよう
    にするステップと、 前記地下ポンプの下降行程中、液圧流体を前記リフトシ
    リンダから液圧ポンプまで流動させるステップとを更に
    含むことを特徴とする作動方法。