一种液力活塞泵举升系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种液力活塞泵举升系统，该举升系统包括井下液力柱塞泵、为井下液力柱塞泵的往复运动提供液压动力源并排出井下产出液的地面液压动力转换控制部分、将液压动力传递到井下液力柱塞泵并将井下产出液向上输送到井口的挠性井下集成管路部分；井下液力柱塞泵包括工作筒、安装在工作筒底端的固定凡尔、横向隔板和能够在工作筒内往复运动的的双活塞结构。本发明的举升系统提高了井下泵抽系统的使用寿命，延长油气井的检泵周期；同时，解除了大斜度井、丛式井对井下泵下井深度的限制，可以最大限度地发挥油气井自身的生产潜力，提高油气田开发的最终采收率。
【专利说明】一种液力活塞泵举升系统
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及油气田生产过程中对液体进行举升的泵抽系统，尤其涉及一种适用于大斜度井、丛式井生产的液力活塞泵举升系统。
技术背景
[0002]在油气开采中，常规活塞泵是最为常用的泵抽系统，但这种系统突出的缺陷是:油杆和油管的相互摩擦，从而导致油管穿孔(磨穿)形成井下液体通道短路，严重时会出现油管、抽油杆磨断而造成生产管柱落井的井下事故。此外，有杆泵抽系统理想的工作状态是井下管柱全部处于垂直状态，因此井身越斜，工作过程中出现的管杆偏磨就越严重，因而在大斜度井、丛式井使有杆泵系统，均对其下井深度有明确的要求或限制。
【发明内容】
[0003]针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种适用于大斜度井、丛式井的液力活塞泵举升系统。
[0004]为了实现上述发明目的，本发明提供一种液力活塞泵举升系统，该举升系统包括井下液力柱塞泵、为井下液力柱塞泵的往复运动提供液压动力源并排出井下产出液的地面液压动力转换控制部分、将液压动力传递到井下液力柱塞泵并将井下产出液向上输送到井口的挠性井下集成管路部分；井下液力柱塞泵包括工作筒、安装在工作筒底端的固定凡尔、横向隔板和能够在工作筒内往复运动的双活塞结构；所述双活塞结构包括上游动凡尔、下游动凡尔和空心活塞杆；横向隔板设置在工作筒的中上部，上游动凡尔位于横向隔板的上方，下游动凡尔位于横向隔板的下方，空心活塞杆流体密封穿过横向隔板从而连通上、下游动凡尔。由于本发明的举升系统通过一套地面液压动力转换控制部分和一套挠性的井下集成管路部分，将目前油气田常用的使用抽油杆作为活塞泵动力传输“介质”的方式改为由液体作为井下传输介质、通过井下集成管路部分直接为井下活塞泵提供上下行程的动力的方式，从而避免所有因井下管柱中的抽油杆和油管摩擦造成的问题，从而提高了井下泵抽系统的使用寿命，延长油气井的检泵周期；同时，由于该系统完全由液体作为动力传输介质，整个井下管柱系统中除了最末端的活塞以外，没有任何其他的运动部件，因此尤其适用于大斜度井、丛式井和水平井的生产(由于井斜和/或狗腿度的原因，这类井不适合长期使用以抽油杆做动力传输的泵抽系统)，使用该系统可以将泵下至大斜度井和丛式井的末端或是水平井的水平段，解除了大斜度井、丛式井对井下泵下井深度的限制，可以最大限度地发挥油气井自身的生产潜力，提高油气田开发的最终采收率。
[0005]优选地是，在横向隔板的上方，工作筒的内壁上设置有流体通道；工作筒的顶部具有上行动力端口和下行动力端口 ；流体通道的上端连通上行动力端口，下端连通上游动凡尔下部腔室；下行动力端口下端连通上游动凡尔上部腔室。
[0006]优选地是，地面液压动力转换控制部分包括动力系统、液压换向系统、液压缸管路系统和产出液排出系统。所述动力系统包括液压油油箱、溢流阀、液压油过滤器、电机和齿轮泵。所述液压换向系统包括换向阀、单向阀、节流阀。液压缸管路系统包括液压缸左侧外腔室、液压缸活塞、液压缸左侧内腔室、液压缸右侧内腔室和液压缸右侧外腔室。产出液排出系统包括液压缸动力输出管路、液控阀控制管路和排液管路；排液管路上设置有液控阀；液控阀控制管路包括液控阀开启控制管和液控阀关闭控制管；液控阀开启控制管一端与液压缸左侧内腔室连接，另一端与液控阀开启状态端口连接；液控阀关闭控制管一端与液压缸右侧内腔室连接，另一端与液控阀关闭状态端口连接。
[0007]更为优选地是，井下集成管路部分包括圆形本体，圆形本体内设有主管和副管；主管一端与液压缸左侧外腔室连通，另一端井下液力柱塞泵的上行动力的端口连接；副管一端与液压缸右侧外腔室和液控阀连通，另一端与井下液力柱塞泵的下行动力的端口连接。所述井下集成管路部分通过挤压成型的封装工艺制成，本体由具有一定延展性和塑形的适合挤压成型的材料制成。所述主管和副管由具有一定挠性的钢或塑料制成。
[0008]使用本发明的液力活塞泵举升系统可以将泵下至大斜度和丛式井的末端，解除了大斜度井、丛式井对井泵下井深度的限制，可以最大限度地发挥油气井自身的生产潜力，提高油气田开发的最终采收率。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明的液力活塞泵举升系统整体示意图；
[0010]图2和图3分别为本发明的集成管路系统整体和剖面示意图；
[0011]图4和图5分别为处于上行状态和下行状态的本发明的井下液力柱塞泵19的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0012]下面将结合附图对本发明进行详细描述。
[0013]如图1所示，本发明的液力柱塞泵系统主要包括地面液压动力转换控制部分、挠性的井下集成管路部分和井下液力柱塞泵。地面液压动力转换控制部分的主要作用就是将地面高压液压油动力转换成高压液体(可以是高压油，如果为油井，该液体为油水混合物，如果为气井，该液体则为水)介质动力输出，为井下液力柱塞泵的往复运动提供液压动力源并排出井下产出液。井下集成管路部分为将液压动力传递到井下液力柱塞泵的通道以及将井下产出液向上举升到井口的通道。虽然图1中示出的是直井使用的情况，但本领域技术人员可以理解，图1只是一种示意性地原理示意图，并不妨碍其在大斜度井、丛式井中的使用。
[0014]地面液压动力转换控制部分包括动力系统、液压换向系统、液压缸管路系统和产出液排出系统。动力系统包括液压油油箱28、溢流阀27、液压油过滤器26、电机25和齿轮泵24 ;液压换向系统包括换向阀23、单向阀22、节流阀21 ;液压缸管路系统包括左侧液压油管1、右侧液压油管2、液压缸左侧外腔室3、液压缸活塞4、液压缸左侧内腔室5、液压缸右侧内腔室6、液压缸右侧外腔室7 ;产出液排出系统包括液压缸动力输出管路(包括地面高压动力副管8、地面高压动力主管15、产出液过滤器14)、液控阀控制管路(包括液控阀开启控制管9、液控阀关闭控制管10)、排液管路(包括液控阀13、排液管12、产出液收集装置11)。[0015]地面高压动力副管8 —端与液压缸右侧外腔室7连接，另一端与产出液过滤器14连接，并最终在井口与井下集成管路部分的副管17连接。地面高压动力主管15 —端与液压缸左侧外腔室3连接，另一端在井口与井下集成管路部分的主管16连接。
[0016]液控阀开启控制管9 一端与液压缸左侧内腔室5连接，另一端与液控阀13开启状态端口连接。液控阀关闭控制管10 —端与液压缸右侧内腔室6连接，另一端与液控阀13关闭状态端口连接。排液管12—端与液控阀13通道连接，另一端与产出液收集装置11连通。
[0017]本发明的液力柱塞泵系统工作时，启动电机25，由电机25带动齿轮泵24将液压油油箱28中吸入液压油，经过齿轮泵24的作用，液压油由低压变为高压并首先沿着图示左侧液压油管I输出，途经换向阀23、节流阀21后进入液压缸左侧内腔室5。在压力的作用下，液压油推动液压缸活塞4向左侧运动，挤压液压缸左侧外腔室3中的液体(可以是高压油，如果为油井，该液体可为油水混合物，如果为气井，该液体则为分离水)并形成高压输出，井下液力柱塞泵19开始上行程并进行流体举升，同时，高压液压油通过液控阀开启控制管9进入液控阀13，使液控阀13处于开启状态，井下集成管路部分的副管17与地面高压动力副管8、排液管12均处于连通状态。液压缸右侧内腔室6中的液压油经过右侧液压油管2中的节流阀21、换向阀23流回液压油油箱28，与此同时，液压缸右侧外腔室7通过地面高压动力副管8吸入低压产出液(如果是气井，该产出液经过过滤器14前需要进行气水分离，该低压产出液为气水分离后的水)，井筒产出液经液控阀13、排液管12流入产出液收集装置
11。当液压缸活塞4到达预定位置后，换向阀23启动换向，高压油沿着右侧液压油管2输出，途经换向阀23、右侧节流阀21后进入液压缸右侧内腔室6。在压力的作用下，液压油推动液压缸活塞4向右侧运动，挤压液压缸右侧外腔室7中的液体并形成高压输出，井下液力柱塞泵19开始进行下行程，同时，高压液压油通过液控阀关闭控制10进入液控阀13，使液控阀13处于关闭状态，地面高压动力副管8仅与井下集成管路部分的副管17处于连通状态，与排液管12处于非连通状态。液压缸左侧内腔室5中的液压油经过左侧液压油管I中的节流阀21、换向阀23流回液压油油箱28，与此同时，井下集成管路部分的主管16中的液体通过地面高压动力主管15回流至液压缸左侧外腔室3。至此，完成本发明液力柱塞泵系统的一个工作过程，该过程循环往复就能将井下液体不断地抽吸到产出液收集装置11中。
[0018]图2和3示出了本发明的井下集成管路部分具有一定的挠性，井下集成管路部分包括圆形本体18，圆形本体18内设有通道:主管16和副管(也是产出液管)17。主管16 —端在井口与地面闻压动力王管15连接，另一端在井筒内与给井下液力柱塞栗19内的活塞36提供上彳了动力的端口连接。副管17 一端在井口与地面闻压动力副管8连接,另一端在井筒内与给井下液力柱塞泵19内的活塞36提供下行动力的端口连接。可以理解，为了给井下其它仪器或装置提供动力或信号传输的需要，本体18内还可设置其它通道或管路，其它通道或管路并不限于空心，可以是实心的，如电缆等。主管16和副管17的材料优选采用具有一定挠性的钢或塑料等，以便保证成型后能够缠绕在棍子上。
[0019]本发明的井下集成管路部分通过挤压成型的封装工艺制成，本体18可以采用像聚氨酯、尼龙、氯丁橡胶等类似的具有一定延展性和塑形的适合挤压成型的材料，制造时，首先在多条通道起始部位进行简单的定位，然后就可以采用整体挤压的办法对集成系统进行批量化的生产，以便使本体18封装所述通道(主管16和副管17)。整个工艺过程较为简单，成本较低。挤压成型的固态塑性材料能够对封装系统内的通道提供良好的绝缘和隔离保护。主管16和副管17外形采用圆型设计能够更好地适用现场使用的要求，其地面运输及存放完全可以借助国内现有的、比较成熟的连续油管技术设备予以解决，即可以做到配套设备设施的通用，而无需进行单独的设计和制造，大大降低了用户的使用成本和研发投入。
[0020]图4和图5示出了本发明的井下液力柱塞泵19。井下液力柱塞泵泵19处于套管29内的空间中。井下液力柱塞泵19包括工作筒30，横向隔板45设置在工作筒30的中上部从而将工作筒分为上下两个空腔，上游动凡尔33位于上部空腔内，下游动凡尔39位于下部空腔内，固定凡尔43固定在工作筒30的底端。上游动凡尔33和下游动凡尔39通过空心活塞杆36连接，从而将上游动凡尔33的凡尔腔和下游动凡尔39的凡尔腔连通，这样就构成了能够在工作筒30内上下移动的双活塞结构。上游动凡尔33的上游动凡尔座34相当于上活塞，并且上游动凡尔座34与隔板45之间则形成了上游动凡尔33下部腔室35 ;而下游动凡尔39的下游动凡尔座40则相当于下活塞，并且下游动凡尔座40与隔板45之间则形成了下游动凡尔39上部腔室37。空心活塞杆36与隔板之间流体密封。本发明中的凡尔与普通抽油泵所用的游动凡尔基本相同，这里对其结构不再赘述。
[0021]在横向隔板45的上方，工作筒30的内壁上设置有流体通道46。工作筒30的顶部具有上行动力端口和下行动力端口，上行动力端口与井下集成管路部分的主管16连通，流体可通过上行动力端口、流体通道46进出上游动凡尔33下部腔室35。下行动力端口与井下集成管路部分的副管17连通，流体可通过下行动力端口进出上游动凡尔33上部腔室31。
[0022]图4中，井下液力柱塞泵19的活塞36处于上行程工作状态，图5中活塞36处于下行程工作状态。下面结合附图4和5详细描述井下液力柱塞泵19的上行程和下行程工作过程。
[0023]上行程:
[0024]如图4所示，当图1中的液压缸活塞4向左侧运功时，液压缸左侧外腔室3中的高压液体(可以是高压油，也可以是井下产出液(油水混合物)，如果是气井，也可为气水分离后的分离水)经过地面高压动力主管15、井下集成管路部分的主管16和工作筒30的内壁上的流体通道46进入井下液力柱塞泵19中上游动凡尔座34的下部腔室35，当压力达到一定程度时，由于上游动凡尔座34的上部腔室31的压力小于上游动凡尔座的下部腔室35的压力，上游动凡尔33在压差作用下会向上运动，并通过空心活塞杆36带动下游动凡尔36上行，此时，下游动凡尔39处于关闭状态(凡尔球座于下游动凡尔座40上)，下游动凡尔39上部腔室37中的液体受到挤压，通过下游动凡尔的排液孔38进入下游动凡尔39内并沿着空心活塞杆36内的中心通道流至上游动凡尔33内，并顶开上游动凡尔33的凡尔球从而使上游动凡尔33处于开启状态，下游动凡尔39上部腔室37就与上游动凡尔33上部腔室31连通，两个腔室中的液体就随着空心活塞杆36的上行而进入井下集成管路部分的副管17中，并最终被举升至地面，完成井下液力柱塞泵19的排液过程。在此过程中，由于下游动凡尔39始终处于关闭状态，固定凡尔43上部腔室41的压力会随着活塞36的向上运动逐渐降低形成负压，工作筒30与套管29之间环空内液体就会向上顶开固定凡尔43的凡尔球，环空中的液体进入固定凡尔43内并通过排液孔42进入上部腔室41中，完成固定凡尔43上部腔室41的吸液过程。[0025]下行程:
[0026]如图5所示，当图1中的液压缸活塞4向右侧运动时，液压缸右侧外腔室7中的高压液体(一般为井下产出液，如果是气井，则可为气水分离后的分离水)经地面高压动力副管8、井下集成管路部分的副管17进入井下液力柱塞泵19中上游动凡尔33上部腔室31内，上游动凡尔33及固定凡尔43处于关闭状态，因此上游动凡尔33上部腔室31内压力上升，而上游动凡尔33下部腔室35内的液体由于失去地面压力源的动力提供，压力逐渐降低，上游动凡尔33上部腔室31的压力大于上游动凡尔33下部腔室35的压力，上游动凡尔33以及下游动凡尔39在压差作用下向下运动，此时，固定凡尔43又处于关闭状态，固定凡尔43上部腔室41中的液体受到挤压，在压力的作用下，下游动凡尔39的凡尔球会被顶开而使下游动凡尔39处于打开状态，固定凡尔43上部腔室41中的液体就会进入到下游动凡尔39内并通过排液孔38进入上部腔室37中，完成液体从吸液腔室向排空腔室的转移。
【权利要求】
1.一种液力活塞泵举升系统，其包括井下液力柱塞泵(19)、为井下液力柱塞泵(19)的往复运动提供液压动力源并排出井下产出液的地面液压动力转换控制部分、将液压动力传递到井下液力柱塞泵(19 )并将井下产出液向上输送到井口的挠性井下集成管路部分，其特征在于:井下液力柱塞泵(19)包括工作筒(30)、安装在工作筒底端的固定凡尔(43)、横向隔板(45)和能够在工作筒(30)内往复运动的双活塞结构；所述双活塞结构包括上游动凡尔(33)、下游动凡尔(39)和空心活塞杆(36);横向隔板(45)设置在工作筒(30)的中上部，上游动凡尔(33)位于横向隔板(45)的上方，下游动凡尔(39)位于横向隔板(45)的下方，空心活塞杆(36)流体密封穿过横向隔板(45)从而连通上、下游动凡尔(33、39)。
2.如权利要求1所述的液力活塞泵举升系统，其特征在于:在横向隔板(45)的上方，工作筒(30)的内壁上设置有流体通道(46);工作筒(30)的顶部具有上行动力端口和下行动力端口 ；流体通道(46)的上端连通上行动力端口，下端连通上游动凡尔(33)下部腔室(35 );下行动力端口下端连通上游动凡尔(33 )上部腔室(31)。
3.如权利要求1或2所述的液力活塞泵举升系统，其特征在于:地面液压动力转换控制部分包括动力系统、液压换向系统、液压缸管路系统和广出液排出系统。
4.如权利要求3所述的液力活塞泵举升系统，其特征在于:所述动力系统包括液压油油箱(28)、溢流阀(27)、液压油过滤器(26)、电机(25)和齿轮泵(24)。
5.如权利要求3所述的液力活塞泵举升系统，其特征在于:所述液压换向系统包括换向阀(23)、单向阀(22)、节流阀(21)。
6.如权利要求3所述的液力活塞泵举升系统，其特征在于:液压缸管路系统包括液压缸左侧外腔室(3)、液压缸活塞(4)、液压缸左侧内腔室(5)、液压缸右侧内腔室(6)和液压缸右侧外腔室(7)。
7.如权利要求6所述的液力活塞泵举升系统，其特征在于:产出液排出系统包括液压缸动力输出管路、液控阀控制管路和排液管路；排液管路上设置有液控阀(13);液控阀控制管路包括液控阀开启控制管(9)和液控阀关闭控制管(10);液控阀开启控制管(9) 一端与液压缸左侧内腔室(5)连接，另一端与液控阀(13)开启状态端口连接；液控阀关闭控制管(10 ) —端与液压缸右侧内腔室(6 )连接，另一端与液控阀(13 )关闭状态端口连接。
8.如权利要求7所述的液力活塞泵举升系统，其特征在于:井下集成管路部分包括圆形本体(18)，圆形本体(18)内设有主管(16)和副管(17);主管(16)—端与液压缸左侧外腔室(3)连通，另一端与井下液力柱塞泵(19)的上行动力端口连接；副管(17)—端与液压缸右侧外腔室(7)和液控阀(13)连通，另一端与井下液力柱塞泵的下行动力端口连接。
9.如权利要求8所述的液力活塞泵举升系统，其特征在于:所述井下集成管路部分通过挤压成型的封装工艺制成，本体(18)由具有一定延展性和塑形的适合挤压成型的材料制成。
10.如权利要求9所述的液力活塞泵举升系统，其特征在于:所述主管(16)和副管(17)由具有一定挠性的钢或塑料制成。
【文档编号】E21B43/00GK103758739SQ201410005375
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】潘军, 里群, 范龙江 申请人:北京万普瑞能源技术有限公司