一种位置交换式减载抽油泵

本发明涉及采油工程领域，具体涉及一种位置交换式减载抽油泵。

背景技术：

在抽油机生产系统中，为了降低悬点载荷，使抽油机负荷与抽油杆强度满足抽油需要，小泵深抽是普遍共识。但目前，深层、超深层油藏越来越多，以塔里木盆地某油田为例，其埋藏深度超过8000m，实际生产过程中存在泵挂深度超过3000m、排量100m³/d的现实需求，即小泵深抽无法满足实际生产需求。抽油泵要实现100m³/d左右的排量，其泵径需≥70mm，在此条件下，若泵挂深度≥3000m，则其悬点载荷极大，现有的抽油机、抽油杆无法满足前述需求。

悬点载荷主要由杆柱载荷(重量)、液柱载荷、惯性载荷组成，其中杆柱载荷可通过采用玻璃钢抽油杆等适当降低，惯性载荷可通过优选抽汲参数与抽油机型号(如皮带式抽油机、直线电动机抽油机)来适当减小。对于常规抽油泵而言，上冲程过程中液柱载荷会作用在悬点上增加悬点载荷，泵径越大、下泵深度越大，则液柱载荷越大。如φ70常规抽油泵、泵挂深度3000m，则其上冲程最大液柱载荷可达13t左右，若直接加载在悬点上，现有的抽油机负荷、抽油杆强度显然无法满足。

通过对抽油泵的结构改进，将上冲程作用在悬点上的液柱载荷部分转移到油管上或转移到下冲程是实现大泵深抽的技术思路之一，以cn201232625y公开的减载抽油泵为典型：以cn201232625y为原型的ф32/38抽油泵在塔河油田的试验中下泵深度达到了5300m，是目前国内外下泵深度最大的油井。但该泵存在如下局限：其下柱塞下部为密封腔，一旦有气体进入其中则无法排出：以前述塔河油田的试验井为例，经现场反馈得知，即使是气液比很低的油井，在长期生产使用的过程中，气体也容易在泵内集聚，影响泵效，严重时甚至会导致气锁。

此外，现有技术中还出现了液力反馈抽稠泵，针对稠油开采过程中下冲程杆柱下行困难的问题，将上冲程作用在悬点上的液柱载荷部分转移到下冲程，以产生液压反馈力帮助杆柱下行，该泵事实上也减小了上冲程的液柱载荷。但这种泵转移的液柱载荷有限，不能较大幅度降低悬点载荷，因此下泵深度依然有限，难以充分解决大泵深抽时悬点载荷过大的问题。

综上，对于大泵深抽的采油需求而言，以上两种现有技术在实际应用中都具有明显缺陷。

技术实现要素：

本发明提供一种位置交换式减载抽油泵，以解决现有技术中大泵深抽时悬点载荷过大、无法防气的问题，实现在有效降低悬点载荷的同时避免气体在泵内聚集、防止气锁的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种位置交换式减载抽油泵，包括泵筒、位于泵筒内的上柱塞、下柱塞，所述上柱塞与下柱塞通过柱塞连接头连接；还包括连接在下柱塞内的进油阀总成、设置在泵筒底部的排出阀总成，所述进油阀总成位于排出阀总成的上方；所述泵筒底部封闭，泵筒侧壁开设第一进油口，所述柱塞连接头上开设第二进油口，所述第一进油口与第二进油口连通，所述第二进油口与进油阀总成上方的泵腔连通；所述排出阀总成的一端与进油阀总成下方泵腔相连、另一端用于与油管连通。

针对现有技术中大泵深抽时悬点载荷过大影响下泵深度，且现有深抽抽油泵无法防气的问题，本发明提出一种位置交换式减载抽油泵，其中泵筒以及上柱塞、下柱塞均为现有技术，上柱塞与下柱塞通过柱塞连接头连接。本申请中，进油阀总成连接在下柱塞内，随下柱塞共同运动，而排出阀总成设置在泵筒底部，这是本申请“位置交换”的核心所在，完全摒弃了现有技术中抽油泵的进油阀在底部、排出阀在进油阀上方且随柱塞上下运动的技术路线，本申请中进油阀总成位于排出阀总成的上方，泵筒底部封闭，因此与现有技术中井内流体自泵筒底部进入抽油泵完全不同，本申请中井内流体无法自泵筒底部进入，而是从泵筒侧壁的第一进油口进入，再经柱塞连接头上的第二进油口进入泵腔内，之后流体需要下行抵达排出阀总成，才能够通过排出阀总成进入油管。其中，泵腔由进油阀总成分为上下两部分，进油阀总成上方的泵腔与第二进油口连通，便于流体顺利进入泵腔，进油阀总成下方的泵腔与排出阀总成相连，使得流体需要下行通过进油阀总成，才能够实现泵送上返，在此过程中，地层流体中的气体能够自动的从进油阀总成上方的泵腔内脱离，依次经第二进油口、第一进油口排出，不会聚集在抽油泵内，因此解决了现有技术中油田长期生产过程中，气体容易在泵内集聚影响泵效的问题，杜绝了抽油泵气锁现象发生。同时，本抽油泵使得上冲程过程中，作用在悬点载荷上、增加悬点载荷的液柱载荷，全部转移至下冲程，能够有效减小悬点载荷，在悬点载荷差与常规泵保持不变的前提下，由于液柱载荷转移、降低了悬点最大载荷，从而为大泵深抽创造了条件。综上，本发明实现了有效降低悬点载荷，充分满足油井大泵深抽作业需求的目的，并且同时克服了因气体集聚导致的泵效降低甚至气锁现象，无论气液比高或低的油井均可使用本抽油泵进行长期生产，还能够降低换泵检泵等井下作业频率、有利于油田开发的降本增效。

进一步的，所述泵筒包括上泵筒、下泵筒，上柱塞位于上泵筒内，下柱塞位于下泵筒内；所述上泵筒与下泵筒通过泵筒连接头连接，所述第一进油口开设在泵筒连接头上。其中上柱塞在上泵筒内进行位移，下柱塞在下泵筒内进行位移。上柱塞与下柱塞之间通过泵筒连接头实现同步移动，且下柱塞移动时带动进油阀总成同步移动。泵筒连接头还用于开设第一进油口，使得井内流体稳定的自进油阀总成上方进入泵腔，以稳定实现本申请所特有的“位置交换”的泵送方式。

进一步的，所述进油阀总成包括依次上下分布的进油阀阀座、进油阀阀罩、弹簧支承，所述进油阀阀罩内设置与进油阀阀座相匹配的进油阀阀球，所述进油阀阀球与弹簧支承之间安装弹簧。本方案与现有技术相比，进油阀阀座与进油阀阀球上下倒置，共同随下柱塞上下运动。进油阀阀罩与弹簧支承也都位于进油阀阀座下方，弹簧支承用于限制进油阀阀球的位移量以避免上冲程时弹簧被过度压缩；在下冲程时依靠弹簧的上顶力使进油阀阀球进入进油阀阀座产生密封。综上，本申请中进油阀总成整体倒置，对位置交换后的进油阀、排出阀进行适配，在上冲程过程中，进油阀阀球下行开启：进油阀阀球在沉没压力作用下压缩弹簧，使进油阀打开，泵内吸入液体，此时液柱载荷作用在下部的排出阀总成上、由油管承担；当两个柱塞行程到达上死点时，柱塞与对应泵筒没有相对运动，进油阀阀球在弹簧复位力作用下上移、与进油阀阀座配合形成初始密封。

进一步的，所述排出阀总成包括排出阀阀座、位于排出阀阀座上方的排出阀阀罩、位于排出阀阀罩内的排出阀阀球，所述排出阀阀球与排出阀阀座相匹配。在下冲程过程中，进油阀阀球保持与进油阀阀座的密封配合，使得进油阀关闭，而由于下冲程过程中泵内(上部进油阀与下部排出阀内)压力增加，当压力超过排出阀阀球上的液柱压力时，排出阀阀球脱离与排出阀阀座之间的密封接触，排出阀打开，泵内液体转移到排出阀以上的油管中直至排出地面，此时液柱载荷作用到大柱塞截面上，使悬点载荷减小。

进一步的，所述排出阀总成还包括设置在排出阀阀座下方的排出阀座支承。排出阀座支承用于为排出阀阀座提供安装工位并起到相应的支承作用。

进一步的，所述下泵筒通过下部导引接头与排出阀总成连接。下部导引接头起到连接与安装作用，确保下泵筒与排出阀总成之间的相对固定。

进一步的，所述排出阀总成通过过桥管与油管固定连接，确保排出阀总成与油管之间的固定连接，保证泵送原油稳定进入上方油管进行开采。

进一步的，所述下泵筒与上柱塞、柱塞连接头之间形成第一环空，第一进油口、第二进油口均与所述第一环空连通，流体经第一环空泵入抽油泵。流体进入泵内的路径为经过第一进油口进入第一环空，再从第一环空中进入第二进油口，由第二进油口进入进油阀总成上方的泵腔；泵腔内气体排出路径为：气体从进油阀总成上方的泵腔脱离、自第二进油口排出至第一环空内，再通过第一进油口排出至泵外。

进一步的，所述过桥管与泵筒之间形成第二环空；流体经第二环空进入油管，即第二环空为原油进入油管之前的上返通道。

进一步的，所述上柱塞用于与抽油杆连接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种位置交换式减载抽油泵，使得上冲程过程中，作用在悬点上、增加悬点载荷的液柱载荷，全部转移至下冲程，能够有效减小悬点载荷，在悬点载荷差与常规泵保持不变的前提下，由于液柱载荷转移、降低了悬点最大载荷，从而为大泵深抽创造了条件。

2、本发明一种位置交换式减载抽油泵，抽油泵排量由下泵筒和下柱塞的直径决定，由于实现了有效减载，因此可以充分增大泵径，从而有利于大泵深抽的实现。

3、本发明一种位置交换式减载抽油泵，对液柱载荷的减载(转移量)可由上柱塞直径和与之连接的抽油杆直径决定：若上柱塞直径和与之相连的抽油杆直径相同，则可将常规泵上冲程过程中作用在悬点上的液柱载荷全部转移到下冲程。

4、本发明一种位置交换式减载抽油泵，气体能够自动从泵内排出，不会聚集在抽油泵内，因此解决了现有技术中气体容易在泵内集聚影响泵效的问题，杜绝了抽油泵气锁现象发生。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的上冲程示意图；

图2为本发明具体实施例的下冲程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-上泵筒，2-上柱塞，3-泵筒连接头，4-下泵筒，5-柱塞连接头，6-过桥管，7-下柱塞，8-进油阀阀座，9-进油阀阀罩，10-进油阀阀球，11-弹簧，12-弹簧支承，13-排出阀阀罩，14-排出阀阀球，15-排出阀阀座，16-排出阀座支承，17-第一进油口，18-第二进油口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1与图2所示的一种位置交换式减载抽油泵，包括泵筒、位于泵筒内的上柱塞2、下柱塞7，上柱塞2与下柱塞7通过柱塞连接头5连接；还包括连接在下柱塞7内的进油阀总成、设置在泵筒底部的排出阀总成，进油阀总成位于排出阀总成的上方且随下柱塞7共上下移动；泵筒底部封闭，泵筒侧壁开设第一进油口17，柱塞连接头5上开设第二进油口18，第一进油口17与第二进油口18连通，第二进油口18与进油阀总成上方的泵腔连通；排出阀总成的一端与进油阀总成下方泵腔相连、另一端用于与油管连通。

本实施例中记载的上、下，是以抽油泵在井内工作时，朝向井底方向为下、朝向井口方向为上。本实施例中上部的进油阀总成连接在下柱塞7上、随下柱塞7上下运动，下部的排出阀总成用于与油管连接、与油管位置保持相对固定，从而改变了常规管式抽油泵排出阀在上部且连接在柱塞上上下运动、进油阀在下部且与油管保持固定的方式。本实施例中井内流体无法自泵筒底部进入，而是从泵筒侧壁的第一进油口17进入，再经柱塞连接头上的第二进油口18进入泵腔内，之后流体需要下行抵达排出阀总成，才能够通过排出阀总成进入油管。因此地层流体中的气体能够自动的从进油阀总成上方的泵腔内脱离，依次经第二进油口、第一进油口排出，不会聚集在抽油泵内。

实施例2：

如图1与图2所示的一种位置交换式减载抽油泵，在实施例1的基础上，泵筒包括上泵筒1、下泵筒4，上柱塞2位于上泵筒1内，下柱塞7位于下泵筒4内；上泵筒1与下泵筒4通过泵筒连接头3连接，第一进油口17开设在泵筒连接头3上。

进油阀总成包括依次上下分布的进油阀阀座8、进油阀阀罩9、弹簧支承12，进油阀阀罩9内设置与进油阀阀座8相匹配的进油阀阀球10，进油阀阀球10与弹簧支承12之间安装弹簧11；与现有技术相比，本实施例中进油阀阀球10与进油阀阀座8上下倒置，进油阀阀座8在进油阀阀球10的上方，下冲程时依靠弹簧11的上顶力使进油阀阀球10进入进油阀阀座8产生初始密封。弹簧支承12用于限制进油阀阀球10的位移量，以避免上冲程时弹簧11被过度压缩。

排出阀总成包括排出阀阀座15、位于排出阀阀座15上方的排出阀阀罩13、位于排出阀阀罩13内的排出阀阀球14，排出阀阀球14与排出阀阀座15相匹配。

优选的，排出阀总成还包括设置在排出阀阀座15下方的排出阀座支承16。下泵筒4通过下部导引接头与排出阀总成连接。排出阀总成通过过桥管6与油管固定连接。

本实施例中，下泵筒4与上柱塞2、柱塞连接头5之间形成第一环空，第一进油口17、第二进油口18均与第一环空连通，流体经第一环空泵入抽油泵。过桥管6与泵筒之间形成第二环空；流体经第二环空进入油管。上柱塞2用于与抽油杆连接。

本实施例中上柱塞2直径较小取φ32或φ38，下柱塞7直径较大取φ70，进油阀总成与下柱塞7连接，上柱塞2与下柱塞7通过柱塞连接头5连接，抽油杆与上柱塞2连接，带动上下柱塞及进油阀总成运动。上泵筒1与下泵筒4通过泵筒连接头3连接，下泵筒4通过下部导引接头与排出阀总成连接，并通过过桥管6与油管连接。进油阀阀座8在进油阀阀球10的上方，下冲程时依靠弹簧11的上顶力使进油阀阀球10进入进油阀阀座8产生密封。弹簧支承12限制进油阀阀球10的位移量以避免上冲程时弹簧11被过度压缩。

本实施例的主要工作过程为：

上冲程时，初始密封关闭状态下位于下部的排出阀阀球14进入排出阀阀座15，如图1所示，上冲程过程中抽油杆带动上柱塞2和下柱塞7共同上行，上部进油阀阀球10与下部排出阀阀球14之间的泵内压力降低，在沉没压力作用下进油阀阀球10压缩弹簧11，进油阀阀球10下行、与进油阀阀座8分离，进油阀打开，泵内吸入液体，泵内气体在密度差作用下从上部排出，此时液柱载荷作用在下部的排出阀总成上、由油管承担；当柱塞行程到达上死点时，柱塞与对应泵筒没有相对运动，上部的进油阀阀球10在弹簧11弹力作用下上移、与进油阀阀座8再次配合、回到初始密封状态。

下冲程时，如图2所示，泵内(进油阀总成与排出阀总成之间)压力增加，当压力超过排出阀阀球14上的液柱压力时，排出阀阀球14打开，泵内液体转移到排出阀阀球14以上的油管中直至排出地面，此时液柱载荷作用到下部大柱塞7截面上，使悬点载荷减小。

本实施例的优点在于：使得上冲程过程中，作用在悬点载荷上、增加悬点载荷的液柱载荷，全部转移至下冲程，能够有效减小悬点载荷，在悬点载荷差与常规泵保持不变的前提下，由于液柱载荷转移、降低了悬点最大载荷，从而为大泵深抽提供了可行方案。本实施例的抽油泵排量由下泵筒/下柱塞直径决定，由于实现了减载，可以增大泵径，从而实现大泵深抽。并且，本实施例对液柱载荷的减载(转移量)可由上柱塞直径和与之连接的抽油杆直径决定：若上柱塞直径和与之相连的抽油杆直径相同，则可将常规泵上冲程作用在悬点上的液柱载荷wl＇全部转移到下冲程。本实施例与常规抽油泵悬点载荷的对比可参见表1：

表1悬点载荷对比

从表1中可以看出，本实施例可将常规泵上冲程作用在悬点上的液柱载荷wl＇全部转移至下冲程过程中，减载效果显著。

此外，进入泵内的气体能够自动的从进油阀总成上方的泵腔内脱离，依次经第二进油口、第一进油口排出，不会聚集在抽油泵内，因此解决了现有技术中油田长期生产过程中，气体容易在泵内集聚影响泵效的问题，杜绝了抽油泵气锁现象发生。

实施例3：

在实施例1的基础上，如图1与图2所示，下泵筒4的底部具有一底部封闭的腔体，进油阀下方的泵腔与该腔体连通，排出阀座支承16设置在该腔体的顶部位置，因此进入本抽油泵的流体需要先进入该腔体中，才能够通过排出阀总成排至油管内；由于流体需要在前述腔体内掉头反向才能够进入进入排出阀总成，因此混入泵内的气体在密度差的作用下自然上升、不会进入排出阀总成，能够自动排出。本实施例通过泵筒底部封闭腔体的设置，确保气体不会进入排出阀总成，充分保证泵效稳定。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。