CN103306640A - 无杆泵采油系统液力清蜡装置 - Google Patents

Abstract

一种无杆泵采油系统液力清蜡装置。主要目的在于提供一种可以利用管柱内液流举升的液动力来驱动的高效清蜡装置，以实现对无杆泵采油系统中油管壁上结蜡的清除。其特征在于：外层为外套管单元、刮刀单元以及胶筒，内层为中心杆单元；刮刀单元采用四连杆结构并具有限位块，中心杆单元上有对刮刀单元发生作用的换向与变径控制结构以及将胶筒锁紧的机构，胶筒用以改变清蜡装置在油管中形成的环空过流面积，控制清蜡装置承受的液动力大小，实现上升与下降；通过中心杆与限位块的相对位置，控制刮刀打开后的清蜡外径，实现逐级分次清蜡。本种清蜡装置无需外加动力，可实现逐级分次清蜡，清蜡直径灵活可控，降低了工人的劳动强度，提高了清蜡的工作效率。

Description

无杆泵采油系统液力清蜡装置

技术领域

 本发明涉及应用于石油天然气工程领域中的一种井下工具，可用于无杆泵采油系统油管内壁结蜡的清除作业。

背景技术

我国生产的原油80%以上是含蜡原油，蜡沉积是长期困扰含蜡原油开采的棘手问题，因蜡沉积问题带来的防蜡和清蜡成本也高。石油的主要组成成分是各种组份的碳氢化合物，其中溶有一定量的石蜡，在开采过程中，随着温度、压力的降低和气体的析出，原油对蜡的溶解能力开始降低，溶解的石蜡便以结晶体析出，经过聚集，最后沉积在管壁等固相表面上。机械清蜡是一种常用的清蜡方法，是指通过专门的刮蜡片或清蜡钻头来刮除油管壁上的蜡，并随原油流将蜡带至地面的清蜡方法。无杆泵井的机械清蜡是利用地面绞车，通过滑轮将清蜡工具经防喷管下到油管中，并通过绞车在油管结蜡部位上下活动，将结蜡刮除，由原油流携带出井筒。与其他的清蜡方式相比较，机械清蜡不污染油层，管理方便，操作简单。但由于清蜡工具外径固定，且受限于防喷管高度，加重杆重量有限，在结蜡严重的情况下，清蜡工具难以下入井中，将正常的清蜡过程演变为实际意义上的攻蜡过程，即需要人工反复提放钢丝，在刮蜡器产生的向下冲击力的作用下进行清蜡；此外，以大庆油田为例，随着注聚合物驱油方式的采用，聚驱电泵井结蜡速度明显加快，析出蜡具有较高的粘弹性，清蜡周期缩短，清蜡难度增加，这些就造成工人劳动强度明显增加。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种无杆泵采油系统液力清蜡装置，该种清蜡装置无需外加动力，可实现逐级分次清蜡，清蜡直径灵活可控，降低了工人的劳动强度，提高了清蜡的工作效率。

本发明的技术方案是：该种无杆泵采油系统液力清蜡装置，分为内、外两层结构，外层为外套管单元、刮刀单元以及扶正单元，内层为中心杆单元；

其中，所述外套管单元由1号外套管、2号外套管、3号外套管、内锥套管以及4号外套管连接后构成，在1号外套管和2号外套管之间固定有滑环，固定后，所述滑环可相对外套管单元转动，但其轴向与外套管单元无相对运动；所述滑环上开有销钉孔，内置有滑环销钉；

所述刮刀单元由刮刀、刮刀连接块以及销轴构成；其中，刮刀连接块为两块，刮刀连接块的两端通过对应的销轴分别连接在刮刀上和3号外套管上形成四连杆结构；在3号外套管上位于刮刀的尾端部分，开有供具有弧形底面的限位块嵌入的且贯穿外套管的通道，限位块的外壁开有供回收弹簧嵌入的槽，所述限位块通过回收弹簧固定在3号外套管上，当限位块的弧形底面离开3号外套管的内腔后，限位块的上端与刮刀的尾端相触以实现对刮刀转动角度的限制；所述扶正单元由扶正弹簧滑动环、螺钉、扶正弹簧片以及扶正弹簧固定环构成，所述扶正单元固定在3号外套管上；所述中心杆单元由上中心杆和下中心杆构成；上中心杆的顶部为打捞头，在打捞头之下的部分为换向与变径控制结构，所述换向与变径控制结构内供滑环销钉移动后嵌入的滑槽分别为三个不同长度的槽，当上中心杆与外套管单元间发生轴向运动时，滑环销钉向上移动后沿槽间的斜线路径依序滑入相邻的槽中；上中心杆上开有圆弧过渡缩径台阶，以实现与限位块的配合，当限位块的弧形底面与所述圆弧过渡缩径台阶的表面相触时，限位块的上端脱离与刮刀尾端的相触，对刮刀转动角度的限制解除； 所述下中心杆的前端中央部位开有用于放置锁紧中心杆的内腔，在所述内腔的顶端开有供锁紧块嵌入的通孔，两个侧面均为圆锥面的锁紧块固定于此通孔中；所述锁紧中心杆的前端为一个连接细长顶杆的圆锥面，其中，锁紧块的外壁锥面与内锥套管的内锥面相配合，锁紧块的内壁锥面与锁紧中心杆上的外锥面相配合；在锁紧中心杆的底端与下中心杆的内腔底部之间固定有锁紧杆弹簧；所述下中心杆的中段有一个台阶，在此台阶与内锥套管的底端之间环绕所述下中心杆固定有下弹簧； 所述装置还包括胶筒，所述胶筒内开有供下中心杆的下端完成沿轴向运动的空腔，其中，所述空腔的中段为一个圆弧形腔体；所述中心杆单元位于外套管单元中，在1号外套管的顶端与打捞头之间安装有上弹簧；胶筒安装在4号外套管的下端，所述下中心杆的下端穿出4号外套管底部的开口位于胶筒内；在胶筒的下端连接下顶点。

本发明具有如下有益效果：该种装置由刮刀、换向与变径控制机构、锁紧机构、胶筒等几个主要部分组成，清蜡过程中，通过改变清蜡装置在油管中形成的环空过流面积，控制清蜡装置承受的液动力大小，实现上升与下降；通过中心杆与限位块的相对位置，控制刮刀的打开后的清蜡外径，实现逐级分次清蜡。本装置无需外加动力，清蜡装置投放下井后，通过控制潜油电泵启停，即可实现清蜡作业的全过程，简化了现场作业的工序，操作简单方便，劳动强度低。此外，本种清蜡装置的清蜡外径灵活可变，适应性更强。刮刀采用四连杆机构设计，下井时受力收回，下井更容易；通过中心杆与外套管相对位置的改变，可以控制刮刀打开后的清蜡外径，针对不同结蜡厚度进行调整，可以适应不同的清蜡工况。改变清蜡器的驱动方式，为无杆泵系统机械清蜡装置的设计提供一个新的思路，促进油气田开发技术的进步。

附图说明：

图1是本发明的机械结构剖视图。

图2是本发明的外观结构示意图。

图3是本发明所述上中心杆上的换向与变径控制结构的结构示意图。

图4是本发明所述上中心杆上的滑槽展开结构示意图。

图5是本发明所述下刮刀单元在限位块处于限位状态下的结构剖视图。

图6是图5的三维结构示意图。

图7是本发明所述下刮刀单元在限位块处于未限位状态下的结构剖视图。

图8是图7的三维结构示意图。

图9是展示本发明所述下中心杆、内锥套管、锁紧中心杆、锁紧块以及胶筒等部件连接后的内部结构的剖视图。

图10是本发明所述胶筒的结构示意图。

图中1-打捞头；2-上弹簧；3-上中心杆；4-1号外套管；5-滑环；6-滑环销钉；7-2号外套管；8-扶正弹簧滑动环；9-螺钉；10-扶正弹簧片；11-扶正弹簧固定环；12-3号外套管；13-刮刀；14-销轴；15-刮刀连接块；16-限位块；17-回收弹簧；18-内锥套管；19-下中心杆；20-锁紧块；21-锁紧中心杆；22-4号外套管；23-下弹簧；24-胶筒；25-下顶点；26-锁紧杆弹簧。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1所示，该种无杆泵采油系统液力清蜡装置，分为内、外两层结构，外层为外套管单元、刮刀单元以及扶正单元，内层为中心杆单元。

其中，所述外套管单元由1号外套管4、2号外套管7、3号外套管12、内锥套管18以及4号外套管22连接后构成，在1号外套管4和2号外套管7之间固定有滑环5。所述滑环的结构图如图3所示，固定后，所述滑环5可相对外套管单元转动，但其轴向与外套管单元无相对运动；所述滑环5上开有销钉孔，内置有滑环销钉6。

所述刮刀单元如图1、图2、图5、图6、图7和图8所示，由刮刀13、刮刀连接块15以及销轴14构成。其中，刮刀连接块15为两块，刮刀连接块15的两端通过对应的销轴14分别连接在刮刀13上和3号外套管12上形成四连杆结构，这样的结构使得刮刀可在重力作用下张开，遇到阻力的情况下再收回扣紧在外套管上。在3号外套管12上位于刮刀13的尾端部分，开有供具有弧形底面的限位块16嵌入的且贯穿外套管的通道，限位块16的外壁开有供回收弹簧17嵌入的槽，所述限位块16通过回收弹簧17固定在3号外套管12上，当限位块16的弧形底面受到来自于中心杆的外力推动而沿径向运动离开3号外套管12的内腔后，则限位块16的上端就会与刮刀13的尾端相触，从而实现对刮刀13转动角度的限制。在这样的结构设计下，上中心杆与外套管间的相对位置变化，可就以控制限位块的径向位置，从而限制刮刀张开后的刮蜡外径，实现清蜡装置不同清蜡直径，限位块依靠回收弹簧17的弹力向内收回。

所述扶正单元由扶正弹簧滑动环8、螺钉9、扶正弹簧片10以及扶正弹簧固定环11构成，所述扶正单元固定在3号外套管12上。

所述中心杆单元由上中心杆3和下中心杆19构成，两者在外套管单元内是相对独立的部分，二者之间在该装置未处于工作状态时保持间隔，并不相触。其中，上中心杆3的顶部为打捞头1，在打捞头1之下的部分为换向与变径控制结构。如图2结合图3所示，所述换向与变径控制结构内供滑环销钉6移动后嵌入的滑槽分别为三个不同长度的槽，即图中的a、b、c槽，当上中心杆3与外套管单元间发生轴向运动时，滑环销钉6就会在外套管的推动下向上移动，之后将沿槽间的斜线路径依序滑入相邻的槽中，从而调整上中心杆与外套管间的相对位置变化，最终实现控制限位块16的径向位置，从而限制刮刀张开后的刮蜡外径，实现清蜡装置的不同清蜡直径。由于滑环安装在1号外套管及2号外套管之间，可相对外套管转动，轴向与外套管无相对运动，因此，当中心杆与外套管间发生轴向运动时，滑环销钉就会滑入不同的槽中，在上弹簧的作用下，滑入后，滑环销钉会靠紧滑槽底部。

上中心杆3上开有圆弧过渡缩径台阶，以实现与限位块16的配合，当限位块16的弧形底面与所述圆弧过渡缩径台阶的表面相触时，限位块16的上端脱离与刮刀13尾端的相触，对刮刀13转动角度的限制解除。在本方案中，导致限位块的弧形底面与圆弧过渡缩径台阶的表面相触或分离的因素就是上中心杆与外套管之间的轴向相对运动。 

如图9所示，所述下中心杆19的前端中央部位开有用于放置锁紧中心杆21的内腔，在所述内腔的顶端开有供锁紧块20嵌入的通孔，两个侧面均为圆锥面的锁紧块20固定于此通孔中；所述锁紧中心杆21的前端为一个连接细长顶杆的圆锥面，其中，锁紧块20的外壁锥面与内锥套管18的内锥面相配合，锁紧块20的内壁锥面与锁紧中心杆21上的外锥面相配合；在锁紧中心杆21的底端与下中心杆19的内腔底部之间固定有锁紧杆弹簧26；所述下中心杆19的中段有一个台阶，在此台阶与内锥套管18的底端之间环绕所述下中心杆19固定有下弹簧23。此外，所述装置还包括胶筒24，所述胶筒内开有供下中心杆19的下端完成沿轴向运动的空腔，其中，所述空腔的中段为一个圆弧形腔体。

事实上，上述结构构成了一个用于锁定胶筒变形的锁紧机构。胶筒变形时，下中心杆19相对外套管向上运动，在下中心杆的端部进入内锥套管中后，在锁紧弹簧26的推力作用下，锁紧中心杆21向外伸出，其上的外锥面挤压推动锁紧块20沿径向向外运动，锁紧块的外锥面与内锥套管的内锥面挤压接触，在摩擦力的作用下形成自锁，从而实现对胶筒变形的锁定。这种锁定在上中心杆上行到达上止点而返程时才会发生变化，即当上中心杆3的尾端向下运动触动锁紧中心杆后，锁紧中心杆回缩，不再压紧锁紧块，在下弹簧23与胶筒自身弹性的作用下，下中心管被拖拽而离开内锥套管，从而使胶筒恢复原形。

具体实施时，所述中心杆单元位于外套管单元中，在1号外套管4的顶端与打捞头1之间安装有上弹簧2；胶筒24安装在4号外套管22的下端，所述下中心杆19的下端穿出4号外套管22底部的开口位于胶筒24内；在胶筒24的下端连接下顶点25。

本装置的具体工作过程如下：清蜡作业中，本装置由安装在采油井口上的投放装置投入无杆泵采油井中，本装置依靠自重在油管中以一定的速度下落，刮刀为四连杆机构，在下落过程中，遇阻会收回，完全收回后，本装置针对2又7/8英寸油管的最大外径为45mm，这保证了在较大结蜡厚度时，本装置仍能顺利下落。本装置运行通过结蜡段后，在惯性的作用下，冲击下止点，换向胶筒受力压缩变形，减小环空过流面积或使其封死，下中心杆同时相对外套管向上运动，锁紧块沿径向被挤出，实现锁紧功能，使胶筒不能回缩。此时，开启潜油电泵，在液动力的作用下，本装置沿油管向上运动，刮刀在自重下打开，在中心杆与限位块的联合限制下，刮刀清蜡外径被限制在52mm，清蜡器上行进行第一次清蜡。当清蜡器运行至上止点，打捞头连同上中心杆撞击上止点，胶筒在液动力驱动下继续向上运行，直至下中心杆以及其中的锁紧中心杆撞击上中心杆的底端后，锁紧块被压回，下中心杆亦脱离内锥套管，胶筒在下弹簧及自身弹性的作用下回缩复原。在此过程中，外套管上的滑环销钉沿着中心杆上的滑槽运动，使中心杆与外套管间的相对位置发生变化，进而控制限位块运动，调整刮刀打开后的清蜡外径。关闭电泵后，本装置下落，再重复上述过程，即可分别进行其他刮蜡半径的清蜡过程，清蜡过程结束后，由投放筒顶部的打捞装置将本装置回收。

在前述方案基础上，给出进一步优化方案，即如图1、图2所示，所述清蜡装置共有上、下两组刮刀单元，共8个，分布形式见图1，所述上中心杆3上开有与所述上、下两组刮刀单元相对应的两处圆弧过渡缩径台阶，所述两处圆弧过渡缩径台阶的设定需满足以下条件，即：对于上刮刀单元而言，在限位块限位情况下，刮刀清蜡直径为52毫米，限位块未限位情况下，刮刀清蜡直径为56毫米；对于下刮刀单元而言，限位情况下，刮刀清蜡直径为52毫米，未限位情况下，刮刀清蜡直径为60毫米。

在这里，所述限位块限位情况是指限位块16的弧形底面与上中心杆3上的其他位置相触而未与所述圆弧过渡缩径台阶的表面相触，限位块16的上端与刮刀13的尾端相触以实现对刮刀13转动角度的限制；本条所述限位块未限位情况是指当限位块16的弧形底面与所述圆弧过渡缩径台阶的表面相触时，限位块16的上端脱离与刮刀13尾端的相触，对刮刀13转动角度的限制解除。

此外，对于胶筒给出的优化设计方案如图10所示，所述胶筒24内弧形腔体的内圆半径为R1，外圆半径为R2，内圆倒角半径为R3，则上述参数按照如下范围值选取时，实施结果较好。即R1取值102.5毫米， R2的范围在20毫米～25毫米之间， R3的范围在10毫米～20毫米之间。

Claims (3)

1.一种无杆泵采油系统液力清蜡装置，分为内、外两层结构，外层为外套管单元、刮刀单元以及扶正单元，内层为中心杆单元；

其中，所述外套管单元由1号外套管（4）、2号外套管（7）、3号外套管（12）、内锥套管（18）以及4号外套管（22）连接后构成，在1号外套管（4）和2号外套管（7）之间固定有滑环（5），固定后，所述滑环（5）可相对外套管单元转动，但其轴向与外套管单元无相对运动；所述滑环（5）上开有销钉孔，内置有滑环销钉（6）；

所述刮刀单元由刮刀（13）、刮刀连接块（15）以及销轴（14）构成；其中，刮刀连接块（15）为两块，刮刀连接块（15）的两端通过对应的销轴（14）分别连接在刮刀（13）上和3号外套管（12）上形成四连杆结构；在3号外套管（12）上位于刮刀（13）的尾端部分，开有供具有弧形底面的限位块（16）嵌入的且贯穿外套管的通道，限位块（16）的外壁开有供回收弹簧（17）嵌入的槽，所述限位块（16）通过回收弹簧（17）固定在3号外套管（12）上，当限位块（16）的弧形底面离开3号外套管（12）的内腔后，限位块（16）的上端与刮刀（13）的尾端相触以实现对刮刀（13）转动角度的限制；

所述扶正单元由扶正弹簧滑动环（8）、螺钉（9）、扶正弹簧片（10）以及扶正弹簧固定环（11）构成，所述扶正单元固定在3号外套管（12）上；

所述中心杆单元由上中心杆（3）和下中心杆（19）构成；

上中心杆（3）的顶部为打捞头（1），在打捞头（1）之下的部分为换向与变径控制结构，所述换向与变径控制结构内供滑环销钉（6）移动后嵌入的滑槽分别为三个不同长度的槽，当上中心杆（3）与外套管单元间发生轴向运动时，滑环销钉（6）向上移动后沿槽间的斜线路径依序滑入相邻的槽中；上中心杆（3）上开有圆弧过渡缩径台阶，以实现与限位块（16）的配合，当限位块（16）的弧形底面与所述圆弧过渡缩径台阶的表面相触时，限位块（16）的上端脱离与刮刀（13）尾端的相触，对刮刀（13）转动角度的限制解除； 

所述下中心杆（19）的前端中央部位开有用于放置锁紧中心杆（21）的内腔，在所述内腔的顶端开有供锁紧块（20）嵌入的通孔，两个侧面均为圆锥面的锁紧块（20）固定于此通孔中；所述锁紧中心杆（21）的前端为一个连接细长顶杆的圆锥面，其中，锁紧块（20）的外壁锥面与内锥套管（18）的内锥面相配合，锁紧块（20）的内壁锥面与锁紧中心杆（21）上的外锥面相配合；在锁紧中心杆（21）的底端与下中心杆（19）的内腔底部之间固定有锁紧杆弹簧（26）；所述下中心杆（19）的中段有一个台阶，在此台阶与内锥套管（18）的底端之间环绕所述下中心杆（19）固定有下弹簧（23）； 

所述装置还包括胶筒（24），所述胶筒内开有供下中心杆（19）的下端完成沿轴向运动的空腔，其中，所述空腔的中段为一个圆弧形腔体；

所述中心杆单元位于外套管单元中，在1号外套管（4）的顶端与打捞头（1）之间安装有上弹簧（2）；胶筒（24）安装在4号外套管（22）的下端，所述下中心杆（19）的下端穿出4号外套管（22）底部的开口位于胶筒（24）内；

在胶筒（24）的下端连接下顶点（25）。

2.根据权利要求1所述的无杆泵采油系统液力清蜡装置，其特征在于：所述清蜡装置共有上、下两组刮刀单元，所述上中心杆（3）上开有与所述上、下两组刮刀单元相对应的两处圆弧过渡缩径台阶，所述两处圆弧过渡缩径台阶的设定需满足以下条件，即：对于上刮刀单元而言，在限位块限位情况下，刮刀清蜡直径为52毫米，限位块未限位情况下，刮刀清蜡直径为56毫米；对于下刮刀单元而言，限位情况下，刮刀清蜡直径为52毫米，未限位情况下，刮刀清蜡直径为60毫米；

本条所述限位块限位情况是指限位块（16）的弧形底面与上中心杆（3）上的其他位置相触而未与所述圆弧过渡缩径台阶的表面相触，限位块（16）的上端与刮刀（13）的尾端相触以实现对刮刀（13）转动角度的限制；本条所述限位块未限位情况是指当限位块（16）的弧形底面与所述圆弧过渡缩径台阶的表面相触时，限位块（16）的上端脱离与刮刀（13）尾端的相触，对刮刀（13）转动角度的限制解除。

3.根据权利要求2所述的无杆泵采油系统液力清蜡装置，其特征在于：所述胶筒（24）内弧形腔体的内圆半径为R1，外圆半径为R2，内圆倒角半径为R3，则上述参数按照如下范围值选取，R1取值102.5毫米， R2的范围在20毫米～25毫米之间， R3的范围在10毫米～20毫米之间。

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