煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置的制作方法

本发明涉及一种煤层气井排采泵作业柱塞和泵筒对中用的装置，特别是涉及一种采用螺旋齿搅拌和卡爪式对接技术的井下排采泵对中装置。

背景技术

煤层气开采进入稳产阶段，井筒中的沉没度通常较低，井液自排采泵抽吸排出后，其所携带的煤粉容易沉积在柱塞上方的杆柱和管柱所构成的环形空间中，导致煤粉卡泵问题的出现。此外，排采泵在排水采气作业期间会遇到类似于柱塞和泵筒偏磨的问题，尤其是解决煤层气水平井和斜井中的柱塞和泵筒偏磨问题将具有重要的现实意义。

目前解决煤层气井柱塞和泵筒偏磨的问题主要是采用增设抽油杆扶正器和油管扶正器的方式，而对煤层气井排采泵专用对中装置的研究则较少，常用的扶正器可以分为弹性扶正器、刚性扶正器和液压式扶正器。其中，弹性扶正器包含单弓形弹性扶正器和双弓形弹性扶正器，它是利用弹性元件的弹性变形产生较强的扶正力，从而使抽油杆和油管的居中度良好，然而单弓形弹性扶正器的弓高较小，且常用于直井或小斜度井中，双弓形弹性扶正器在入井过程中与管柱的摩阻较大，且弓形弹簧片容易刺刮管壁。刚性扶正器包括螺旋式刚性扶正器和滚柱式刚性扶正器，它具有低启动力、低下入力和高复位力的特点，然而刚性扶正器仅适用于狗腿度较小和井身结构较好的规则井中，且采用刚性扶正器过多时，会增加抽油杆和油管的刚性，而使抽油杆和油管下入困难，过少时则会影响到抽油杆和油管的居中度。液压式扶正器是运用机械和力学的相关理论知识，优化扶正片的数量和扶正片的间距，并在扶正器内部增加关闭套结构，该扶正器在现场施工中有一定的应用，然而与其他类型的扶正器相比，液压式扶正器的结构复杂，成本较高而且可控性较差，由此使得其应用受到了限制。

技术实现要素：

为了有效解决煤层气井排采泵中柱塞和泵筒的对中问题并克服现有扶正器存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种煤层气井柱塞和泵筒偏磨以及低沉没度工况用的卡爪式螺旋齿对中装置。该对中装置采用螺旋齿搅拌和卡爪式对接技术，实现煤层气井排采泵中柱塞和泵筒的井下实时对中，有效防止低沉没度工况煤粉在柱塞上方和对中罩体上方发生沉积，并避免煤粉卡泵。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置，该对中装置主要由对中罩体、螺旋齿搅拌器、对中基体、对接卡爪和对中接箍组成。该对中装置整体呈现轴对称盒体，它通过对中接箍而接于排采管的底端，同时排采杆依次贯穿对中罩体、螺旋齿搅拌器和对中接箍并与排采泵的柱塞相连，依据对中罩体和对中接箍与排采杆间的双柱面移动副而实现柱塞和排采杆与泵筒间的井下实时对中，对中罩体、对中基体、对接卡爪和对中接箍由上而下依次同轴心布置，螺旋齿搅拌器置入对中基体并经由对中罩体和对中接箍而实现双向限位。

对中罩体依据分层排列的射流喷嘴将排采泵抽吸的井液射入排采杆和排采管的环形空间，可有效防止低沉没度工况煤粉在对中罩壳上方发生沉积，它包括对中罩壳和射流喷嘴。

对中罩壳采用钵式壳体，其顶部中央部位钻有与对中罩体同轴心的柱形孔道，对中罩壳的柱形孔道与排采杆的外环面之间精密配合而构成柱面移动副。对中罩壳的壳体上钻有分层排列的射流孔，各层射流孔沿周向均匀分布，各层射流孔倾斜放置且其轴线与水平面间的夹角沿轴向自下而上依次增大，位于顶层射流孔的轴线与对中罩体的轴线之间保持平行，各射流孔采用阶梯回转面且内粗外细，各射流孔分别内衬有射流喷嘴。

射流喷嘴采用等厚薄壁筒，各射流喷嘴的规格和结构相同，射流喷嘴由对中罩壳内部往外依次设为锥状筒体和柱状筒体，射流喷嘴的锥状筒体和柱状筒体采用同轴心布置，射流喷嘴的锥状筒体采用内粗外细的构造，射流喷嘴锥状筒体内壁所在锥面的小端圆面直径等于其柱状筒体内壁所在柱面的直径，且射流喷嘴的锥状筒体内壁与其柱状筒体内壁结合处采用流线型曲面进行过渡，由此对中罩体内的井液经由各射流喷嘴增压后射入排采杆和排采管的环形空间。

螺旋齿搅拌器采用螺旋齿搅拌技术，有效防止低沉没度工况煤粉在柱塞上方发生沉积，且螺旋齿搅拌器的顶端经对中罩体实现上限位而其底端则由对中接箍实现下限位，它包括螺旋齿和搅拌基管。

搅拌基管采用长管体，其环腔内壁与排采杆的外环面之间采用间隙配合，搅拌基管的外环面由上而下依次设有锥状防涡面、柱状环面和倒锥状导流面，搅拌基管的柱状环面上沿周向均布有螺旋齿，搅拌基管的倒锥状导流面用来将井液顺利导入螺旋齿间的齿槽内，且搅拌基管的锥状防涡面用来将搅拌后的井液由螺旋齿的齿槽顺利导入对中罩体内，并避免井液产生涡流，搅拌基管的锥状防涡面所在锥面的锥度大于其倒锥状导流面所在锥面的锥度，同时搅拌基管的锥状防涡面所在锥面的小端圆面直径等于其倒锥状导流面所在锥面的小端圆面直径。

螺旋齿的表面需进行镀镍磷处理，螺旋齿的齿线为沿搅拌基管的柱状环面展开的螺旋线，螺旋齿齿线的展开线与搅拌基管的轴线间的夹角为齿线角，螺旋齿的齿线角随排采泵抽吸井液黏度的减小而增大。螺旋齿在垂直于齿线的法面端面呈等腰梯形，且螺旋齿法面端面的宽面朝外而其窄面朝里，以保证螺旋齿良好的搅拌性能；螺旋齿法面端面的高度沿齿线先是逐渐增大而后保持不变，并在齿线的末端逐渐减小，同时螺旋齿的齿顶面整体呈现环面，且螺旋齿齿顶面所在的环面由上而下依次为锥状环面、柱状环面和倒锥状环面，螺旋齿的锥状环面和倒锥状环面分别与搅拌基管的锥状防涡面和倒锥状导流面相对应，由此井液与螺旋齿的接触面积先是由小变大以便形成稳定的液膜，充分搅拌后井液与螺旋齿的接触面积逐渐变小并被顺利导出螺旋齿的齿槽。

对中基体采用柱形盒体，它与对中罩体和对接卡爪三位一体连接并保持同轴心布置，它包括对中基管、对中压盖、对中短节和上○形环。

对中基管采用长管体，其环腔内壁的直径大于螺旋齿柱状环面所在柱面的直径，对中基管的外环面采用阶梯轴，对中基管的两端通过密封性管螺纹分别与对中罩壳和对中衬套相连接。对中基管外环面的中部由上而下依次设置柱状卡环、柱状滑移面和齿形压环，对中基管的柱状卡环通过轴肩实现对中压盖的轴向定位，对中基管的柱状滑移面上铣有环形沟槽，对中基管的环形沟槽分层排列且其内配置上○形环，由此实现对中基管与对中短节间的密封，对中基管齿形压环的压合面采用锯齿状环齿，且齿形压环的内外环面均采用柱面。

对中压盖采用厚壁筒体，其中央部位钻有柱形孔眼，对中压盖的柱形孔眼与对中基管的柱状卡环之间采用间隙配合，对中压盖的外环面直径大于对中罩壳的外环面直径且小于排采管的内径。对中短节采用长管体，其两端通过密封性管螺纹分别与对中压盖和卡爪体相连接，对中短节的环腔内壁与对中基管的柱状滑移面之间精密配合而构成柱面移动副。

对接卡爪采用卡爪式对接技术，实现对中罩体和对中基体与对中接箍的井下快速对接，它包括卡爪体、对中衬套、l形密封环和下○形环。

卡爪体的外环面沿轴向由上而下依次设有柱状滑移面、环形凹沟和锥状卡爪，卡爪体的柱状滑移面上铣有环形沟槽，卡爪体的环形沟槽分层排列且其内配置下○形环，由此实现对接卡爪与对中接箍间的密封，卡爪体的柱状滑移面与对中接箍的环腔内壁之间精密配合而构成柱面移动副；卡爪体的环形凹沟内配置对中接箍的锥状卡环，实现对接卡爪的轴向定位；卡爪体的锥状卡爪采用沿周向均布的单体，各锥状卡爪两侧的端面为平面，且各锥状卡爪两侧的端面均相交于对接卡爪的轴线，各锥状卡爪的上下两端设置锥状卡箍，锥状卡爪下端的锥状卡箍实现井下对接作业过程中对接卡爪快速捕捉对中接箍，而锥状卡爪上端的锥状卡箍则实现井下对接作业后对接卡爪的轴向固定。卡爪体的环腔内壁设有定位板，卡爪体的定位板实现对中短节和对中衬套的轴向定位并连接各锥状卡爪，同时卡爪体的定位板中央部位钻有柱形流道。

对中衬套采用厚壁筒体，对中衬套的外环面与对中短节的环腔内壁之间精密配合而构成柱面移动副，对中衬套的中央部位钻有柱形流道，对中衬套的柱形流道直径与卡爪体的柱形流道直径相等且小于对中基管环腔内壁的直径。对中衬套的上端面采用锯齿状环齿，对中衬套的锯齿状环齿与对中基管的锯齿状环齿沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置l形密封环，且对中衬套的锯齿状环齿与对中基管的锯齿状环齿夹紧l形密封环产生径向变形而形成金属密封，由此实现对接卡爪与对中基体间的密封。

l形密封环的截面呈l形，其内部设置均匀分布的金属丝，上○形环和下○形环的截面均呈圆形且其材质选用耐油耐酸碱胶料。l形密封环采用单层金属密封环，上○形环采用双层非金属密封环，下○形环采用三层非金属密封环。l形密封环的环腔内壁分别与对中基管齿形压环的内外环面相配合而形成密封面，且l形密封环的外环面与对中短节的环腔内壁配合而形成密封面。

对中接箍采用厚壁筒体，依据对中接箍和对中罩体与排采杆间的双柱面移动副而实现柱塞和排采杆与泵筒间的井下实时对中，并完成排采泵柱塞上方井液的提速。

对中接箍的外环面通过圆锥形密封性管螺纹与排采管相连接，且对中接箍环腔内壁的下部通过圆锥形密封性管螺纹与排采泵的泵筒相连接。对中接箍环腔内壁的顶端设有楔形坡口，对中接箍的楔形坡口所在的环面呈倒锥面，且对中接箍的楔形坡口与卡爪体下端的锥状卡箍相配合。对中接箍环腔内壁的中部沿轴向由上而下依次设有锥状卡环、环形凹沟和截流板，对中接箍锥状卡环的剖面呈梯形，且对中接箍的环形凹沟内配置卡爪体的锥状卡爪。对中接箍截流板的中央部位钻有柱形孔道，对中接箍的柱形孔道和对中罩壳的柱形孔道自下而上同轴心布置，且对中接箍的柱形孔道与排采杆的外环面之间精密配合而构成柱面移动副，由此对中接箍和对中罩体与排采杆间形成滑移方向相同的双柱面移动副。对中接箍截流板的外缘设有沿周向均布的提速流道，各提速流道采用上窄下宽的构造，由此排采泵柱塞上方井液经由各提速流道增速后流入对中基体内。

本发明所能达到的技术效果是，该对中装置采用螺旋齿搅拌和卡爪式对接技术，有效防止低沉没度工况煤粉在柱塞和对中罩体上方发生沉积，并避免煤粉卡泵；对中罩体依据分层排列的射流喷嘴将排采泵抽吸的井液射入排采杆和排采管的环形空间，螺旋齿搅拌器的顶端经对中罩体实现上限位而螺旋齿搅拌器的底端则由对中接箍实现下限位；对中基体采用柱形盒体，它与对中罩体和对接卡爪三位一体连接并保持同轴心布置，对接卡爪实现对中罩体和对中基体与对中接箍的井下快速对接，对中接箍采用厚壁筒体，依据对中接箍和对中罩体与排采杆间的双柱面移动副而实现柱塞和排采杆与泵筒间的井下实时对中，并完成排采泵柱塞上方井液的提速。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1是根据本发明所提出的煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置的典型结构简图。

图2是煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置中对中罩体的结构简图。

图3是煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置中螺旋齿搅拌器的结构简图。

图4是煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置中对中基体的结构简图。

图5是煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置中对接卡爪的结构简图。

图6是图5的仰视图。

图7是煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置中对中接箍的结构简图。

图8是图7的仰视图。

图9是煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置的井下对接作业流程简图。

图10是煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置的井下实时对中作业流程简图。

图中1－排采杆，2－排采管，3－对中罩体，4－螺旋齿搅拌器，5－对中基体，6－对中接箍，7－对接卡爪，8－射流喷嘴，9－对中罩壳，10－螺旋齿，11－搅拌基管，12－对中基管，13－对中压盖，14－上○形环，15－对中短节，16－l形密封环，17－对中衬套，18－下○形环，19－卡爪体。

具体实施方式

在图1中，煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置主要由对中罩体3、螺旋齿搅拌器4、对中基体5、对中接箍6和对接卡爪7组成，该对中装置通过对中接箍6而接于排采管2的底端，同时排采杆1依次贯穿对中罩体3、螺旋齿搅拌器4和对中接箍6并与排采泵的柱塞相连，依据对中罩体3和对中接箍6与排采杆1间的双柱面移动副而实现柱塞和排采杆1与泵筒间的井下实时对中。

在图1中，煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置的规格与排采杆1的杆径和排采管2的管径保持一致，对中罩体3、对中基体5、对接卡爪7和对中接箍6由上而下依次同轴心布置，螺旋齿搅拌器4置入对中基体5并经由对中罩体3和对中接箍6而实现双向限位。

在图1中，煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置组装前，对中罩体3、对中基体5和对中接箍6主体部件的外表面分别进行喷漆防腐处理，排采杆1依次置入对中罩体3、螺旋齿搅拌器4和对中接箍6中应灵活转动且无阻滞，并保持对中基体5和对中接箍6内壁的清洁，最后检查对接卡爪7的卡爪体和l形密封环有无损伤，检查各螺纹联接处是否牢固且有无锈蚀。

在图1中，煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置组装时，对接卡爪7的l形密封环套于对中基体5的对中基管，且对接卡爪7的对中衬套通过螺纹连接于对中基体5的对中基管，而后对中基体5的对中压盖和对中短节套于其对中基管，并通过螺纹连接于对接卡爪7的卡爪体，对中罩体3通过螺纹连接于对中基体5的对中基管，最后将螺旋齿搅拌器4置于对中基体5内。

在图2中，对中罩体3的规格与排采杆1和排采管2的环形空间大小保持一致，对中罩壳9的柱形孔道孔径与排采杆1的杆径保持一致，射流喷嘴8的数量和规格大小随排采泵抽吸井液的流速和煤粉浓度进行调整。

在图2中，对中罩体3依据对中罩壳9上分层排列的射流喷嘴8将排采泵抽吸的井液射入排采杆1和排采管2的环形空间，对中罩壳9的柱形孔道与排采杆1间构成柱面移动副，射流喷嘴8由对中罩壳9内部往外依次设为锥状筒体和柱状筒体，且射流喷嘴8的锥状筒体采用内粗外细的构造，由此经由各射流喷嘴8后井液的流压得以提升。

在图3中，螺旋齿搅拌器4的规格与排采杆1和对中基体5所形成的环形空腔大小保持一致，螺旋齿10沿轴向的长度小于搅拌基管11柱状环面的轴向长度，且螺旋齿10的齿高随对中基体5的对中基管和搅拌基管11的环形空间进行调整，搅拌基管11的轴向长度小于对中基体5对中基管的轴向长度。

在图3中，螺旋齿搅拌器4经对中罩壳9实现上限位并由对中接箍6实现下限位，搅拌基管11与排采杆1间采用间隙配合，流经对中基体5对中基管内的井液与螺旋齿10的接触面积先是由小变大以便形成稳定的液膜，充分搅拌后井液与螺旋齿10的接触面积逐渐变小并将井液顺利导出螺旋齿10的齿槽，由此可以有效防止低沉没度工况煤粉在排采泵的柱塞上方发生沉积。

在图4中，对中基体5的规格与排采管2的管径保持一致，对中基管12环腔内壁的直径大于螺旋齿10柱状环面所在柱面的直径，对中压盖13的外环面直径大于对中罩壳9的外环面直径且小于排采管2的内径，上○形环14的规格依据对中基管12进行选取，且上○形环14依据排采杆1和排采管2的环形空间内的流压进行选型。

在图4中，对中基体5与对中罩体3和对接卡爪7三位一体连接并保持同轴心布置，对中基管12的环形沟槽分层排列且其内配置上○形环14，由此实现对中基管12与对中短节15间的密封，对中压盖13的柱形孔眼与对中基管12之间采用间隙配合，对中短节15的环腔内壁与对中基管12的柱状滑移面之间构成柱面移动副。

在图5和图6中，对接卡爪7的规格与对中接箍6保持一致，卡爪体19的环形凹沟与对中接箍6的锥状卡环相配合，对中衬套17的规格与对中短节15相一致，对中衬套17的柱形流道直径与卡爪体19的柱形流道直径相等且小于对中基管12环腔内壁的直径，l形密封环16的规格与对中基管12相一致，且l形密封环16依据排采泵抽吸井液的流压进行选型，下○形环18的规格依据卡爪体19进行选取，同时下○形环18依据排采泵抽吸井液的流压进行选型。

在图5和图6中，对接卡爪7实现对中罩体3和对中基体5与对中接箍6的井下快速对接，卡爪体19的环形沟槽分层排列且其内配置下○形环18，由此实现对接卡爪7与对中接箍6间的密封，对中衬套17的锯齿状环齿与对中基管12的锯齿状环齿夹紧l形密封环16产生径向变形而形成金属密封，由此实现对接卡爪7与对中基体5间的密封。

在图7和图8中，对中接箍6上部管螺纹的规格与排采管2的管径保持一致，而对中接箍6下部管螺纹的规格则与排采泵泵筒直径保持一致，对中接箍6的柱形孔道与排采杆1的杆径相一致，对中接箍6的环形凹沟与卡爪体19的锥状卡爪相配合，对中接箍6截流板的提速流道的数量和规格大小随柱塞上方井液的流速和煤粉浓度进行调整

在图7和图8中，对中接箍6和对中罩体3与排采杆1间构成双柱面移动副，从而实现排采杆1和排采泵的柱塞与排采泵泵筒间的井下实时对中，对中接箍6截流板的提速流道采用上窄下宽的构造，由此排采泵柱塞上方的井液经由各提速流道增速后流入对中基体5内。

在图9中，煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置的井下对接作业流程中，对中接箍6通过其下部的圆锥形密封性管螺纹与排采泵的泵筒相连，同时对中接箍6经由其上部的圆锥形密封性管螺纹接于排采管2的底端，对中接箍6和排采泵的泵筒随排采管2一起沿着套管柱下井并座于井底；接着，对中罩体3、对中基体5和对接卡爪7沿轴向通过螺纹依次连接在一起，而后排采杆1依次贯穿对中罩体3和螺旋齿搅拌器4，并与排采泵的柱塞相连接；然后，对中罩体3、对中基体5、对接卡爪7和螺旋齿搅拌器4随排采杆1一起沿着排采管2下井，且通过卡爪体19下端的锥状卡箍与对中接箍6的楔形坡口间的配合，实现对中罩体3、对中基体5和对接卡爪7井下快速捕捉对中接箍6；最后，继续下放排采杆1，螺旋齿搅拌器4座于对中接箍6的截流板上，排采杆1依据接箍而将整个排采杆1的杆柱重量施加于对中罩体3顶部，由此在排采杆1重力作用下，对中罩体3、对中基体5和对接卡爪7继续沿轴向朝下移动，直至卡爪体19的环形凹沟与对中接箍6的锥状卡环相配合，同时卡爪体19的锥状卡爪与对中接箍6的环形凹沟相配合。

在图10中，煤层气井排采泵卡爪式螺旋齿对中装置的井下实时对中作业流程中，排采泵柱塞上方的井液经由对中接箍6截流板的各提速流道增速后流入卡爪体19与排采杆1的环形空腔内，而后井液依次经对中衬套17的柱形流道与卡爪体19的柱形流道而进入对中基管12的环腔内壁内；接着，井液经搅拌基管11的倒锥状导流面顺利导入螺旋齿10间的齿槽内，而后井液与螺旋齿10的接触面积先是由小变大并形成稳定的液膜，充分搅拌后井液与螺旋齿10的接触面积逐渐变小并顺利导出螺旋齿10的齿槽，同时井液经由螺旋齿10的齿槽顺利导入对中罩壳9内，由此防止低沉没度工况煤粉在排采泵的柱塞上方发生沉积；然后，对中罩壳9内的井液流经各射流喷嘴8且其流压得以提升，同时井液由射流喷嘴8射入排采杆1和排采管2的环形空间，由此防止低沉没度工况煤粉在对中罩体3上方发生沉积；在此作业过程中，螺旋齿搅拌器4的顶端经对中罩壳9实现上限位且其底端由对中接箍6实现下限位，同时依据对中接箍6和对中罩体3与排采杆1间的双柱面移动副而实现排采杆1和柱塞与排采泵泵筒间的井下实时对中。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。