抽油泵的制作方法

本发明涉及石油开采技术领域，特别涉及一种抽油泵。

背景技术：

近年来，随着油田开发进入中后期，蒸汽驱、SAGD、水平井等举升等稠油开发技术在辽河油田广泛应用，井底温度高、排液量需求大、腐蚀性增强等举升技术难题日益突出，以SAGD为例，日产液需求300m³/d，井底温度已高达240℃，部分井中H₂S含量达到1400ppm以上，目前采用的举升工艺设备勉强能够基本满足生产要求，但随着井底温度不断升高，腐蚀性介质大量析出，化学腐蚀现象加剧，这些不利因素的综合作用对举升设备的影响很大，特别是多介质组合SAGD开采技术的逐步实施，提高产量的同时也出现了更严重的高温、腐蚀现象，严重影响举升设备稳定性和使用寿命。同时，在蒸汽驱深井举升工艺中，由于下泵深度较深1500-2000米，泵筒和柱塞采用金属材质时，线膨胀系数相对较高，抽油泵在一定液柱压力下，产生径向位移，导致抽油泵正常工作时间隙不稳定，易造成卡泵现象，影响举升工艺检泵周期。

目前有杆泵举升技术中，抽油泵泵筒和柱塞在选材上基本采用金属材质，近年来，国内外开发研制出的陶瓷泵举升工艺技术中，其重要组成部件柱塞采用陶瓷复合结构，但由于金属件与陶瓷存在线膨胀系数的差异，而陶瓷柱塞与金属基体在结构设计上不合理，出现陶瓷柱塞与金属结构件错位、陶瓷柱塞断裂等现象，直接导致卡泵、漏失量增大等问题，严重影响现场生产。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种抽油泵，其能够解决陶瓷柱塞与金属基体在结构上不合理的问题。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种抽油泵，包括：

泵筒单元，泵筒单元包括由金属制成的外管和设置在所述外管内的多段由陶瓷制成的泵筒，相邻段的所述泵筒之间设置有第一垫圈，所述外管的长度小于所述泵筒的长度；

设置在所述泵筒内的柱塞单元，所述柱塞单元包括上游动阀单元、通过柱塞上接头与所述上游动阀单元相连接的由金属制成的内管，设置在所述内管外的由陶瓷制成的多段柱塞、通过柱塞下接头连接在所述内管和所述柱塞下方的下游动阀单元，相邻段的所述柱塞之间设置有第二垫圈，所述柱塞上接头与所述柱塞之间设置有第一蝶形弹簧，所述第一蝶形弹簧下端用于抵住所述柱塞的上端,所述第一蝶形弹簧的压平状态的最大预紧力满足第一预设关系；

与所述外管连接的套管，所述套管内连接有用于抵住所述柱塞单元的连接管，所述套管和所述连接管之间设置有用于抵住所述泵筒的第二蝶形弹簧；

与所述套管相连接、位于所述柱塞单元下方的固定球阀单元。

优选地，所有段的所述泵筒的总长度与所述外管的总长度的比值在1.00167-1.00134之间。

优选地，所述外管由钢材料制成，所述外管与所述泵筒采用热装技术安装配合。

优选地，所述外管的厚度为3mm。

优选地，所述第一垫圈和所述第二垫圈由不锈钢材料制成。

优选地，所述抽油泵的冲程大于等于8米，所述泵筒的长度至少为7800mm，所述泵筒的段数至少为26段。

优选地，多段所述柱塞的总长度至少为900mm，多段柱塞通过内管进行轴向定位装配而成。

优选地，所述柱塞的段数与每段所述柱塞的长度满足第二预设关系。

优选地，所述泵筒的段数与每段泵筒的长度满足第三预设关系。

优选地，所述第一预设关系具体为：

K₄＝1

C＝D/d

其中，D表示所述蝶形弹簧的外径，d表示所述蝶形弹簧的内径，E表示所述蝶形弹簧的材料弹性模量，μ表示泊松比，Pc表示压平状态的最大预紧力，所述第一蝶形弹簧的压平状态的最大预紧力尽量大于等于第一预设关系中计算得到的压平状态的最大预紧力。

优选地，所述第二预设关系为：所述柱塞的段数与每段所述柱塞的长度的乘积大于等于900mm。

优选地，所述第三预设关系为：所述泵筒的段数与每段泵筒的长度的乘积大于等于7800mm。

优选地，每段泵筒的长度小于等于300mm。

优选地，所述柱塞的侧壁的端面具有斜角，所述斜角呈向内倾斜趋势，相邻段的柱塞之间存在空隙，所述第二垫圈设置在所述空隙中。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

1、本申请中的抽油泵与金属抽油泵相比，由陶瓷制成的泵筒和柱塞在高温下的膨胀量几乎为零，由于在抽油泵运行的过程中，泵筒和柱塞两者之间会产生反复位移，如此，即使在高温状态下仍然可以确保陶瓷的泵筒和陶瓷的柱塞配合间隙稳定和精确，不会出现泄漏量增大的问题。

2、本申请中的抽油泵下运行时，分段由陶瓷制成的柱塞与第一垫圈之间不会出现错位现象，陶瓷泵筒串联精度达到0.05mm以内，满足精度要求，陶瓷柱塞在泵筒内运行平稳，无卡泵问题。

3、本申请中的抽油泵在柱塞的上方设置有第一蝶形弹簧，在泵筒的下方设置有第二蝶形弹簧，这样使得抽油泵在正常工作时大大降低了由陶瓷制成的柱塞和泵筒出现断裂现象的可能性。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明抽油泵实施例中上部的结构示意图。

图2为本发明抽油泵实施例中中部的结构示意图。

图3为本发明抽油泵实施例中下部的结构示意图。

图4为本发明抽油泵实施例中柱塞局部结构示意图。

以上附图的附图标记：

1、上接头；2、拖接机构；3、泵筒单元；31、外管；32、泵筒；33、第一垫圈；41、上游动阀单元；411、上游动阀阀套；412、上游动阀阀球；413、上游动阀阀座；42、柱塞上接头；43、内管；44、柱塞；45、柱塞下接头；46、下游动阀单元；461、下游动阀阀罩；462、下游动阀阀球；463、下游动阀阀座；47、第二垫圈；48、柱塞套；5、第一蝶形弹簧；6、套管；7、连接管；8、第二蝶形弹簧；9、固定球阀单元；91、固定球阀阀套；92、固定球阀阀球；93、固定球阀阀座；94、第一接箍；95、第二接箍；96、推杆；97、弹簧；98、弹簧座；99、阀体；10、脱接爪机构。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

为了解决陶瓷柱塞44与金属基体在结构上不合理的问题，最终形成全陶瓷抽油泵举升技术，以用于满足蒸汽驱、SAGD等稠油热采油井举升技术需求，并为SAGD等稠油开发提供可靠的技术支持，进而助于形成一套高效、高产的采油工艺，在本申请中提出了一种抽油泵，图1为本发明抽油泵实施例中上部的结构示意图，图2为本发明抽油泵实施例中中部的结构示意图，图3为本发明抽油泵实施例中下部的结构示意图，图1、图2、图3中抽油泵结构连接在一起以形成一完整的抽油泵，如图1、图2、图3所示，该抽油泵包括：泵筒单元3，泵筒单元3包括由金属制成的外管31和设置在外管31内的多段由陶瓷制成的泵筒32，相邻段的泵筒32之间设置有第一垫圈33，外管31的直径小于泵筒32的直径；设置在泵筒32内的柱塞单元4，柱塞单元4包括上游动阀单元41、通过柱塞44上接头421与上游动阀单元41相连接的由金属制成的内管43，设置在内管43外的由陶瓷制成的多段柱塞44、通过柱塞下接头45连接在内管43和柱塞44下方的下游动阀单元46，相邻段的柱塞44之间设置有第二垫圈47，柱塞44上接头421与柱塞44之间设置有第一蝶形弹簧5，第一蝶形弹簧5下端用于抵住柱塞44的上端,第一蝶形弹簧5的压平状态的最大预紧力满足第一预设关系；与外管31连接的套管6，套管6内连接有用于抵住柱塞单元4的连接管7，套管6和连接管7之间设置有用于抵住泵筒32的第二蝶形弹簧8；与套管6相连接、位于柱塞单元4下方的固定球阀单元9。

本发明中的抽油泵通过对由陶瓷制成的柱塞44的结构、由陶瓷制成的泵筒32的结构以及设置在抽油泵中第一蝶形弹簧5和第二蝶形弹簧8进行了合理设计或改进，进而使得整个抽油泵在正常工作时，大大避免了由陶瓷制成的柱塞44和泵筒32出现断裂现象的可能性，同时，由陶瓷制成的柱塞44与第二垫圈47不会发生错位现象，同时，由陶瓷制成的泵筒32串联连接后的精度达到0.05mm内，可以满足精度要求，陶瓷的柱塞44在泵筒32内运行平稳，无卡泵问题。其次，通过多段设计，陶瓷的柱塞44与泵筒32有效密封段可以大大增加，进而充分满足间隙密封需求。最后，与金属抽油泵相比，陶瓷的泵筒32和柱塞44在高温下膨胀量几乎为0，在高温状态下仍然可以确保陶瓷的泵筒32和陶瓷的柱塞44配合间隙稳定和精确。

为了进一步了解本发明中的抽油泵，下面将对其做进一步的解释和说明。如图2、图3所示，泵筒单元3包括由金属制成的外管31和设置在外管31内的多段由陶瓷制成的泵筒32,泵筒32由多段陶瓷制成是采用了分段加工的工艺，为保证柱塞44在泵筒32内有效行程，设计陶瓷泵筒32长度为7800mm，进而可以满足8米冲程抽油机生产需求，陶瓷泵筒一般选用氧化铝陶瓷材料制成。在一种可行的实施方式中，分段的陶瓷制成的泵筒32的每段长度一般等于小于300mm，优选的为300mm，由26段陶瓷制成的泵筒32靠金属外管31进行轴向定位，在一定压力下统一装配，确保装配精度。通过上述方式使得最终形成的整体的泵筒32长度达到7800mm。当然的，泵筒32的每段长度可以小于300mm，进而采用更多段的陶瓷制成的泵筒32进行装配进而使得整体的长度大于等于7800mm。泵筒32的每段长度小于等于300mm的原因为在目前的工艺水平下，为确保加工精度的前提下，国内外由氧化铝陶瓷材料制成的泵筒32最大可控加工长度仅为300mm，其无法满足举升技术需求，若加工长度增大，则精度无法保证，在抽油泵中，柱塞44需要在泵筒32内进行大量的反复运动，若泵筒32精度无法达标，则在生产过程抽油泵的使用寿命将大幅下降，极易出现各种问题。

每一段由陶瓷制成的泵筒32之间设置有第一垫圈33，第一垫圈33采用不锈钢端面垫圈，其可以由1Cr18Ni9Ti材料制成，该第一垫圈33可以避免陶瓷制成的泵筒32端面的接触，进而可有效防止泵筒32之间的相互挤压，最终避免泵筒32端面发生断裂问题。

由陶瓷制成的泵筒32外为由金属制成的外管31，该外管31能够对泵筒32启到轴向定位的作用，外管31的材质可以选择45号钢，其厚度为3mm左右，金属外管31与泵筒32之间采用热装技术安装配合，该结构设计不仅可以在成型、运输、装配的过程中保护泵筒32，同时可保证泵筒32与外管31装配时，如出现尺寸问题，可直接调整由金属制成的外管31的尺寸。在外管31端面上，如果金属制成的外管31与陶瓷制成的泵筒32尺寸一致，则在井下高温(200℃以上)工作条件下，外管31轴向膨胀尺寸将大于陶瓷制成的泵筒32轴向膨胀尺寸，如此将使得外管31与泵筒32之间轴向错位，导致泵筒32密封不严，通过理论分析、计算，当泵筒32的长度为7800mm时，外管31的长度小于泵筒32的总长度的尺寸在10.4mm-13mm之间，优选地，外管31的长度小于泵筒32的长度的尺寸为13mm，如此，在井下高温工作条件下，金属制成的外管31与陶瓷制成的泵筒32在轴向长度上基本一致。也就是说，所有段泵筒的总长度与外管的总长度的比值在1.00167-1.00134之间。同时，每段泵筒32的侧壁的端面具有斜角，斜角呈向内侧倾斜趋势。

柱塞单元4设置在泵筒32内，柱塞单元4包括上游动阀单元41、通过柱塞44上接头421与上游动阀单元41相连接的由金属制成的内管43，设置在内管43外的由陶瓷制成的多段柱塞44、通过柱塞下接头45连接在内管43和柱塞44下方的下游动阀单元46。上游动阀单元41包括上游动阀阀套411、能够在上游动阀阀套411内移动的上游动阀阀球412和能够抵住上游动阀阀球412并设置上游动阀阀套411内的上游动阀阀座413。上游动阀阀套411下端连接有柱塞44上接头421，上游动阀阀座413卡设在柱塞44上接头421于上游动阀阀套411之间。柱塞44上接头421与柱塞44之间设置有第一蝶形弹簧5，具体为，柱塞44上接头421的外侧壁具有凸起部，第一蝶形弹簧5套设在柱塞44上接头421上，第一蝶形弹簧5的上端能与凸起部相抵，第一蝶形弹簧5的下端能与内管43的上端相抵。第一蝶形弹簧5可以采用多组叠加的方式，其用于释放柱塞44之间的应力，工作时可起到弹性辅助作用，可以有效避免由陶瓷制成的柱塞44出现断裂等现象。第一蝶形弹簧5的压平状态的最大预紧力满足第一预设关系。第一预设关系具体可以为：

K₄＝1

C＝D/d

其中，D表示蝶形弹簧的外径，d表示蝶形弹簧的内径，E表示蝶形弹簧的材料弹性模量，μ表示泊松比，Pc表示压平状态的最大预紧力。第一蝶形弹簧5的压平状态的最大预紧力尽量大于等于第一预设关系中计算得到的压平状态的最大预紧力。

在一具体实施例中，以φ95全陶瓷泵为例，对碟形弹簧进行结构设计，选取外径D＝90mm，内径d＝73mm。根据弹簧类型，可以选择无支承面厚度为1.25-6.0mm，考虑到D/t比值，可以取t＝5mm，即D/t比值为18，根据设计手册，为A尺寸系列，于是得到：h₀/t≈0.40，材料弹性模量E＝206000MPa，泊松比μ＝0.3，h₀＝2mm。

进行碟形弹簧载荷计算，计算公式如下：

C＝D/d＝1.233

对于无支承面弹簧取：K₄＝1；

则该第一碟形弹簧载荷为：

当f＝h₀时，即碟形弹簧压平时，上式简化为

通过计算可以得到：φ95全陶瓷泵柱塞44碟形弹簧压平状态的最大预紧力至少需要达到85800N。

内管43外套设有由陶瓷制成的多段柱塞44，多段柱塞44的总长度至少为900mm，多段柱塞44通过内管43进行轴向定位装配而成，如此，采用分段加工工艺可以保证泵筒32与柱塞44之间的有效密封，当多段柱塞44的总长度至少为900mm，可满足泵筒32与柱塞44之间的间隙密封需求。柱塞44的段数与每段柱塞44的长度需满足第二预设关系，即柱塞44的段数与每段柱塞44的长度的乘积大于等于900mm。在一可行的实施例中，柱塞一般由氮化硅陶瓷制成，在目前工艺水平下，在保证加工精度的前提下，单段柱塞的最大加工长度为180mm，所以在本实施方式中，每一段柱塞44的长度为180mm，柱塞44的段数为5，多段柱塞44靠金属内管43轴向定位，在一定压力下统一装配，确保装配精度。最上端一段的柱塞44的上端设置有柱塞套48，柱塞套48用于固定住下方所有的柱塞44，柱塞套48和柱塞44之间可以设置有第二垫圈47。根据对氮化硅陶瓷材料性能分析，当柱塞44的材料选用氮化硅陶瓷时，其设计厚度可以为8mm，如此，在确保陶瓷柱塞44强度的同时，与金属柱塞44相比，其可以进一步增大柱塞44内液体过流面积。在相邻段的柱塞44之间也设置有第二垫圈47，第二垫圈47采用不锈钢端面垫圈进行辅助定位，可以由1Cr18Ni9Ti材料制成，其可以避免由陶瓷制成的每一段柱塞44的端面接触，进而有效防止相邻段柱塞44之间相互挤压以使柱塞44端面出现断裂。图4为本发明抽油泵实施例中柱塞44局部结构示意图，如图4所示，每一段柱塞44的侧壁的端面均具有一定的斜角，该斜角呈向内倾斜趋势，相邻段的柱塞44之间存在有空隙，第二垫圈47设置在该空隙中。如此，通过其与第二垫圈47的配合，确保多段柱塞44装配时端面的密封效果。通过理论计算，该倾斜角可以为40°左右，不但可以使得柱塞44端面与第二垫圈47高精度配合，还可以防止柱塞44与第二垫圈47错位，进而提高密封效果。

内管43的下端通过螺纹连接有柱塞下接头45，柱塞下接头45的上端抵住多段柱塞44的下端。柱塞下接头45的下方连接有下游动阀单元46，下游动阀单元46包括下游动阀阀罩461、能够在下游动阀阀套内移动的下游动阀阀球462、与下游动阀阀罩461连接并能抵住下游动阀阀球462的下游动阀阀座463。下游动阀阀罩461的下端连接有柱塞下接头45，柱塞下接头45可以用于抵住下游动阀阀座463。

外管31的下端连接有套管6，套管6内连接有用于抵住柱塞单元4的连接管7，连接管7与套管6可以通过螺纹等方式固定连接，连接管7的外壁具有台肩以使连接管7和套管6之间具有一定的空间，该空间内可以设置有第二蝶形弹簧8，第二蝶形弹簧8的下端安设在连接管7外壁的台肩上，第二蝶形弹簧8的上端用于抵住由陶瓷制成的多段柱塞44，第二蝶形弹簧8可以采用多组弹簧叠加的方式，进而可以有效释放应力，在工作时可起到弹性辅助作用，避免由陶瓷制作的柱塞44在抽油泵运行中因上下受力出现碰撞而损坏。第二蝶形弹簧8可以采用60Si2Mn材料制成，其弹簧载荷的计算可以参照第一蝶形弹簧5的计算方式，在此不再赘述。

固定球阀单元9连接在套管6的下端，其位于柱塞单元4下方。固定球阀单元9包括与套管6或连接管7依次相连接的第一接箍94、圆管状的阀体99、第二接箍95，阀体99内设有固定球阀阀套91、设于固定球阀阀套91内的固定球阀阀球92、夹设于固定球阀阀套91与第二接箍95之间相固定的固定球阀阀座93，第一接箍94内设有与第一接箍94相固定的弹簧座98、圆柱形的推杆96、弹簧97，推杆96外壁上具有凸起，推杆96一端抵住固定球阀阀球92，弹簧97套设于推杆96外，弹簧97一端与推杆96的凸起相抵住，另一端与弹簧座98相抵住。

在柱塞单元4上方连接有上接头1，在上接头1的内部设置有脱接爪机构10。在上游动阀单元41的上端连接有与脱接爪相适配的脱接器机构2。脱接爪机构10与脱接器机构2均为现有技术，在本申请中未对其做任何改进，在此不再赘述。

本抽油泵的工作过程如下，整体随油管柱下入井内指定位置，脱接爪机构10与抽油杆柱相连，随抽油杆柱下入井内，当脱接爪机构10进入泵筒单元3时，作业机减慢速度(靠抽油杆自重)脱接爪机构10张开，进入脱接器机构2，完成对接，上提防冲距，进行油管试压，3MPa不降，起抽。正常生产时，柱塞单元在泵筒单元3内随上部脱接爪机构10、抽油杆的运动做上、下往复运动。上冲程时，柱塞单元中的上游动阀单元41和下游动阀单元46关闭，固定球阀单元9开启，柱塞单元将抽油泵内液体排至泵内，与此同时，井内液体在泵入口压差作用下，经固定球阀单元9进入并充满泵的下腔室；下冲程时，固定球阀单元9关闭，上游动阀单元41和下游动阀单元46开启，下部腔室的液体经上游动阀单元41和下游动阀单元46转移到上部腔室。柱塞单元上、下连续往复运动，将井液不断地抽汲到井口，进入集输系统。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。