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大排量电潜螺杆泵采油设备

阅读：330发布：2021-03-01

IPRDB可以提供大排量电潜螺杆泵采油设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种大排量电潜螺杆泵采油设备，与现有电潜螺杆泵采油设备相比，其技术要点是：属于大排量系列，也主要包括井下电机、井下转动式机械传动装置和井下螺杆泵等，但本发明的技术方案要点是：井下螺杆泵通过井下转动式机械传动装置与井下多极电机联结，采用了高转矩输出并抗振的井下多极电机，采用了高转矩输出并抗振的带有开式结构鼓型齿联轴器、串联组合的止退式轴承节、补偿式润滑油油箱的井下转动式机械传动装置，通过锚定装置将螺杆泵刚性固定在油井套管壁上，采用了液压式油管泄油器解决大斜度井或水平井的油管泄油问题，通过这些技术措施实现了电潜螺杆泵的大排量化，所以本发明可用于对电潜螺杆泵有大排量(200m3/d以上)要求的油井。，下面是大排量电潜螺杆泵采油设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种大排量电潜螺杆泵采油设备，它包括有井下电机，井下电机保护器，螺杆泵，弹性扶正器，井下转动式机械传动装置，井下电缆，其特征是：在井下电机的尾部设置有一弹性扶正器，在井下电机上部依次串联有井下电机保护器，井下转动式机械传动装置，锚定装置，螺杆泵，锚定装置；在螺杆泵外壳上至少套装有两个弹性扶正器；所述的锚定装置包括：液缸、带有锥体的中心管，锥体的上部与液缸之间连接有剪钉，锥体的下部与液缸之间连有支撑块；

所述的井下转动式机械传动装置包括：传动装置外壳，在传动装置外壳内的上端设有与井下螺杆泵负载的输出端接头，该输出端接头向下依次连接有开式结构鼓型齿联轴器，6-8列轴承串联组合的止退式轴承节，带有隔层的补偿式润滑油油箱，行星齿轮变速器及与井下电机连接的输入端接头；

所述的井下电机包括：电机定子、电机转子、电机转子扶正轴承、定子腔内壁，在电机转子扶正轴承外环上的槽内还设置有膨胀胶圈；

所述开式结构鼓型齿联轴器内部设置具有1.0-2.5毫米顶隙和侧隙的重载齿轮副，其中部还设置有一利用泵轴轴向力碾碎砂子的承重球；

所述的轴承串联组合的止退式轴承节为：采用6-8组内隔圈及所对应的外隔圈按等差数列比例依次向下传递轴向力的，等差数列比例的数值是1；

所述的带有隔层的补偿式润滑油油箱为：在油箱的胶囊内部固设有一用来平衡两侧压力的浮动隔层。

2.根据权利要求1所述的大排量电潜螺杆泵采油设备，其特征是：所述的行星齿轮变速器为行星齿轮减速变速器，其减速部份包括：机械传动装置外壳、输入轴、行星架、齿轮、齿轮联轴器，输入轴和行星架与机械传动装置外壳之间均设置有角接触球轴承。

3.根据权利要求1所述的大排量电潜螺杆泵采油设备，其特征是：内外隔圈选用不同弹性模量的材料，材料为合金钢、铜合金或/和钛合金。

4.根据权利要求1所述的大排量电潜螺杆泵采油设备，其特征是：该锚定装置为依靠螺杆泵自身泵压工作的液压式锚定装置，在两个液压式锚定装置之间还连通有导压管。

5.根据权利要求1所述的大排量电潜螺杆泵采油设备，其特征是：在支撑块的外表面设置有一层软金属。

6.根据权利要求5所述的大排量电潜螺杆泵采油设备，其特征是：所述的软金属为铜或铅。

7.根据权利要求1所述的大排量电潜螺杆泵采油设备，其特征是：在锚定装置的上部还连接有一借助于液压打开的油管泄油器。

8.根据权利要求7所述的大排量电潜螺杆泵采油设备，其特征是：该油管泄油器外壳的下部设置有一带斜面的球座滑套，球座滑套与油管泄油器外壳之间连接有带泄油孔的剪钉，球座滑套上部的斜面处设有一重球。

9.根据权利要求1所述的大排量电潜螺杆泵采油设备，其特征是：在锚定装置的下部还连接有一泵上反循环洗井阀。

10.根据权利要求9所述的大排量电潜螺杆泵采油设备，其特征是：该下部泵上反循环洗井单向阀包括有一阀体，在阀体内下部设有洗井液通道，该洗井液通道上部依次设置有球座，阀球及液压顶开压簧。

说明书全文

技术领域

本发明属于油田采油设备技术领域，具体地说是一种与海上稠油油田开采相配套的大排量电潜螺杆泵采油设备。

背景技术

众所周知，能源的消耗与利用，是实现科学技术持续发展与现代化实现的必要保障。石油被人们誉为“工业的血液”，是不可缺少的能源，在人类赖以生存的地球上润藏着大量的石油，无论是地下还是海洋里。目前，世界上很多国家为了发展本国的经济，也都在不断地对石油开采设备进行研发和改进，对于陆地上的石油开采设备，无沦是井上还是井下都已经达到了一定的先进水平。但对于稠油油田开采方面，尤其是对海上稠油的开采，就现有的采油设备，如有杆泵、电潜离心泵、水力泵等，还存在一些技术问题：如效率低，易砂卡，寿命短，地面配套设施复杂、庞大，井口动密封易泄露，无法在斜井、水平井等使用。
近几年出现的电潜螺杆泵虽然解决了上述问题，但也存在不足，主要是其主要指标是一排量问题，是中低排量的，无法达到200m3/d以上的大排量，导致采用成本高，不能满足当前及未来海上稠油油田开发对配套采油设备的排量要求。
原有电潜螺杆泵达不到大排量的主要原因是其电机和机械传动装置输出转矩能力低，另外其整体结构和局部结构也不适应大排量振动强度大以及大斜度甚至水平安装使用的情况，其配套技术也不具有不动管柱洗井以及大斜度井和水平井油管顺利泄油的功能。而且使用寿命较短，应用领域受到局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于大斜度或水平安装使用的大排量电潜螺杆泵采油设备。
本发明的目的是这样实现的：它包括有井下电机，井下电机保护器，螺杆泵，弹性扶正器，井下转动式机械传动装置，井下电缆，其特征是：在井下电机的尾部设置有一弹性扶正器，在井下电机上部依次串联有井下电机保护器，井下转动式机械传动装置，锚定装置，螺杆泵，锚定装置；在螺杆泵外壳上至少套装有两个弹性扶正器；所述的锚定装置包括：液缸、带有锥体的中心管，锥体的上部与液缸之间连接有剪钉，锥体的下部与液缸之间连有支撑块；
所述的井下转动式机械传动装置包括：传动装置外壳，在传动装置外壳内的上端设有与井下螺杆泵负载的输出端接头，该输出端接头向下依次连接有开式结构鼓型齿联轴器，6-8列轴承串联组合的止退式轴承节，带有隔层的补偿式润滑油油箱，行星齿轮变速器及与井下电机连接的输入端接头；
所述的井下电机包括：电机定子、电机转子、电机转子扶正轴承、定子腔内壁，在电机转子扶正轴承外环上的槽内还设置有膨胀胶圈；
所述开式结构鼓型齿联轴器内部设置具有1.0-2.5毫米顶隙和侧隙的重载齿轮副，其中部还设置有一利用泵轴轴向力碾碎砂子的承重球；
所述的轴承串联组合的止退式轴承节为采用6-8组内隔圈及所对应的外隔圈按等差数列比例依次向下传递轴向力的，等差数列比例的数值是1；
所述的带有隔层的补偿式润滑油油箱为：在油箱的胶囊内部固设有一用来平衡两侧压力的浮动隔层。
本发明所述的行星齿轮变速器为行星齿轮减速变速器，其减速部份包括：机械传动装置外壳、输入轴、行星架、齿轮、齿轮联轴器，输入轴和行星架与机械传动装置外壳之间均设置有角接触球轴承。
上述内、外隔圈选用不同弹性模量的材料，材料为合金钢、铜合金或/和钛合金。
本发明所述的锚定装置为依靠螺杆泵自身泵压工作的液压式锚定装置，在两个液压式锚定装置之间还连通有导压管。
本发明所述的在支撑块的外表面设置有一层软金属；软金属为铜或铅。
在锚定装置的上部还连接有一借助于液压打开的油管泄油器。
本发明所述油管泄油器外壳的下部设置有一带斜面的球座滑套，球座滑套与油管泄油器外壳之间连接有带泄油孔的剪钉，球座滑套上部的斜面处设有一重球。
本发明所述的在锚定装置的下部还连接有一泵上反循环洗井阀。
本发明所述的下部泵上反循环洗井单向阀包括有一阀体，在阀体内下部设有洗井液通道，该洗井液通道上部依次设置有球座，阀球及液压顶开压簧。
本发明具有如下优点：
1.本发明中的井下电机，通过适度增加转子槽深宽比、增加极数，合理选择绕组的线径及布线方式，提高定子电磁密度，达到相同功率下提高启动转矩和最大转矩的目的；另外，原有的电机是靠轴承外圈上的金属卡片入卡槽定位的，由于大排量电潜螺杆泵的振动强度大，易使卡片脱槽而导致定子内腔滑膛，本发明在转子扶正轴承外圈上专门设计了膨胀胶圈定位方式，既杜绝了扶正轴承外圈与定子内腔摩擦而引起的滑膛破坏和温升，同时了利用胶圈的阻尼作用使电机具有抗振效果。
2.井下转动式机械传动装置(或称井下机械传动装置)
2.1减速器部分，主要是通过增加径向尺寸、增大齿宽以及优化齿轮变位和减速比等参数来增加其承载能力，使其转矩输出提高50％以上；另外还通过结构上的改进，阻尼材料的利用使其具有抗振性以及可在垂直和水平方向之间任意角度安装使用。
2.2补偿式润滑油油箱，采用可随环境温度和压力升高而自行膨胀的胶囊，使润滑油油箱并通过一些专门设计的油通道使整个传动装置的内部与外部环境达到压力平衡，并与密封件配合防止井内原油和天然气进入。但不是简单的胶囊补偿，由于轴承节与减速器使用不同的润滑油，油箱设置在整个装置的中部，装有不同的润滑油，上部与轴承节下部与减速器联通，油箱的胶囊内部特殊设计有浮动软隔层来平衡两侧压力并将润滑油分开不混，当传动装置内的有效润滑油因消耗而减少时，通过零件上专门设计的流道向各需要润滑的部位提供润滑油补给和替换。
2.3原有挠性联轴器采用封闭结构，装配时加入润滑脂，由于空间很小加入润滑脂数量有限，很快消耗掉，导致寿命很短，是整套装置寿命的瓶颈。本发明中的挠性联轴器采用开式结构鼓型齿联轴器，允许井液进入内部，由于井液中除了含有原油和水外往往还有砂等硬杂质，内部采取相应措施，如，通过采用高硬度、大间隙和重载的齿轮副，从结构上对齿轮副修型形成容砂间隙、采用大直径承重球利用泵轴轴向力碾碎砂子等井液中的硬杂质而不会被卡住或被过早磨损，真正实现利用井液润滑而不被卡住或损伤。
2.4止退轴承节，来自泵轴的轴向力一般在数吨到十多吨，此力要通过专门的止退轴承来承担，由于受油井套管径向尺寸和下井间隙要求限制，单个轴承满足不了载荷要求寿命很短，所以要在轴向上采用多列轴承串联组合并使各列轴承均匀分担载荷，这种轴承组合(本发明称之为轴承节)是采用多组内隔圈(轴圈)和外隔圈(座圈)按等差数列比例依次向下传递轴向力的，其要点是各隔圈的设计决定了均载效果，即各隔圈在其所受轴向力下的轴向弹性变形必须近似相等，隔圈的轴向弹性变形与其横截面积、高度和材料的弹性模量线性相关。
对于本发明中的轴承节，轴承列数超过5列(一般要达到6-8列)，径向尺寸有严格的设计限制，轴向尺寸受加工制造限制不能过长，具有明显弹性模量差别、足够强度和良好市场可求性同时还要适应油井工作环境和要求的材料有限；另外，外隔圈的直径要比内隔圈大3倍至5倍，所以只靠隔圈尺寸或结构或材料弹性模量均不能达到设计目的，本发明是通过隔圈尺寸和结构设计以及选用不同弹性模量的材料综合解决问题的，材料上使用合金钢、铜合金和钛合金。
3.本发明增加了锚定装置，作用是将螺杆泵刚性固定在套管壁上，支撑螺杆泵和控制螺杆泵的振动，由于锚爪外侧采用软金属材料对套管无损伤且有振动阻尼效果，由于锚定装置依靠井下螺杆泵自身泵压工作，产生的约束力随振动发生而发生，随振动强度增加而增加，同时动作不需要借助另外的设备工具。
4.为解决油井作业中的环保问题，采用了液压打开式油管泄油器，解决了以往油管泄油器在大斜度井或水平井的难以打开泄油的难题，采用泵上反循环洗井阀实现不动管柱洗井。
归纳起来，本发明除了原有电潜螺杆泵所具有的优点外，主要是提高了排量，拓宽了电潜螺杆泵这类采油设备的使用范围，满足当前海上稠油油田开发对配套采油设备的排量要求和环保要求。
根据本发明所制造的3套样机，排量240-300m3/d，扬程9Mpa，经试验取得成功，实现了本说明书所提到的功能，比原有电潜螺杆泵的排量提高了40％以上。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意简图；
图2是本发明的电机局部剖视结构示意简图；
图3是本发明的机械传动装置半剖结构示意简图；
图4是本发明的锚定装置结构半剖示意简图；
图5是本发明的油管泄油器结构半剖示意简图；
图6是本发明的泵上反循环洗井阀结构示意简图；
附图主要部分的符号说明
图1：1-油井油管，2-油管泄油器，3、8-锚定装置，4-泵上反循环洗井阀，5、7和14-弹性扶正器，6-螺杆泵，9-导压管，10-井下转动式机械传动装置，11-井下电机保护器，12-井下电缆，13-井下电机，15-油层，16-油井套管，17-油井油套管环形空间。
图2：1301-电机定子，1302-电机转子扶正轴承外环，1303-膨胀胶圈，1304-定子腔内壁。
图3：1001、1008、1017、1022、1027、1032-外壳，1002-鼓型齿联轴器内齿、1003-承重球、1004-鼓型齿联轴器外齿、1005、1019-轴密封、1006、1015、1021、1025-接头、1007、1014、1024、1039-轴、1009-止退轴承轴圈、1010-止退轴承座圈、1011止退轴承滚动体、1012-内隔圈、1013-外隔圈、1016、1026、1031、1035、1038-角接触球轴承，1018、1028-花键套、1020-浮动隔层、1023-补偿胶囊、1029、1036-齿轮联轴器、1030、1034、1037-阻尼材料、1033-行星齿轮、1040-中心齿轮、1041-行星架、1042、1043、1044、1045-通孔。
图4：3001-软金属，3002-支撑块，3003-锥体，3004-销钉，3005-液缸，3006-连通孔。
图5：2001-重球，2002-球座滑套，2003-内孔剪钉，2004-泄油孔。
图6：4001-弹簧，4002-阀球，4003-球座。
下面将结合附图并通过实例对本发明作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本发明其中之一的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

实例1：
由图1-6所示，图中的13为井下电机，6为螺杆泵，10为井下转动式机械传动装置，12为井下电缆，16为油井套管；在井下电机13的尾部设置有一弹性扶正器14，在井下电机13上部依次串联有井下电机保护器11，井下转动式机械传动装置10，锚定装置8，螺杆泵6，锚定装置3；在螺杆泵6外壳上套装有两个弹性扶正器5和7；所述的锚定装置包括：液缸3005、带有锥体3003的中心管，锥体的上部与液缸3005之间连接有销钉3004，锥体3003的下部与液缸3005之间连有支撑块3002；在支撑块3002的外表面设置有一层铜或铅的软金属3001；另外，图中的3006为设置在液缸3005内腔的并且与油井油管内相通的通孔3006；
所述的井下转动式机械传动装置10包括：传动装置外壳1001、1008、1017、1022、1027和1032，在传动装置外壳内的上端设有与井下螺杆泵负载的输出端接头，该输出端接头向下依次连接有开式结构鼓型齿联轴器，6-8列轴承串联组合的止退式轴承节，带有隔层的润滑油油箱补偿胶囊1023，行星齿轮变速器及与井下电机连接的输入端接头；
所述的井下电机包括：电机定子1301、电机转子、电机转子扶正轴承、定子腔内壁1304，在电机转子扶正轴承外环1302上的槽内还设置有膨胀胶圈1303；
所述开式结构鼓型齿联轴器主要包括：鼓型齿联轴器内齿1002和鼓型齿联轴器外齿1004，其具有1.0-2.5毫米顶隙和侧隙的重载齿轮副，其中部还设置有一利用泵轴轴向力碾碎砂子的承重球1003；
所述的轴承串联组合的止退式轴承节为：采用6列内隔圈1012及所对应的外隔圈1013按等差数列比例依次向下传递轴向力的，等差数列比例的数值是1；
所述的带有隔层的补偿式润滑油油箱为：在油箱的补偿胶囊1023内部固设有一用来平衡两侧压力的浮动隔层1020。
所述的行星齿轮变速器为行星齿轮减速变速器，其减速部份包括：机械传动装置外壳1001、1008、1017、1022、1027、1032，轴1007、1014、1024、1039，行星架1041，行星齿轮1033，中心齿轮1040，齿轮联轴器1029，轴和行星架与机械传动装置外壳之间均设置有角接触球轴承1016、角接触球轴承1026、角接触球轴承1031、角接触球轴承1035和角接触球轴承1038。
见图1，对弹性扶正器14、井下电机13、电机保护器11、井下机械传动装置10、锚定器8、井下螺杆泵6、锚定器3、泵上反循环洗井阀4和泄油器2顺次串联接，连接方式是外壳采用法兰或丝扣连接，轴之间采用花键套连接，井下螺杆泵6外壳上安装井下弹性扶正器5和井下弹性扶正器7，锚定装置3与锚定器装置8之间用导压管9连接，然后通过丝扣整体连接在油管1下端，同时井下电缆12与井下电机13连接好，并固定于设备和油管1外侧，然后下入油井套管16内。设备的工作原理是：电源通过井下电缆12将电能馈送给井下电机13并通过井下机械传动装置10将动力传递给井下螺杆泵6，井下螺杆泵6通过油管1将原油举升到地面，在螺杆泵6工作起压并达到预定值时锚定器3和锚定器8动作，将泵6支撑在套管16内壁上并约束其振动，同时设备在锚定器3和锚定器8和弹性扶正器5、弹性扶正器7和弹性扶正器14的共同作用下被支撑于油井套管16中间，而不会在斜井中贴于一侧。
见图2，井下电机13在本实施例中极数为六极，定子1301槽数36，转子槽深宽比为8，相同功率下启动转矩和最大转矩分别提高1.67和1.73倍。嵌入井下电机13转子扶正轴承外环1302上槽内的膨胀胶圈1303，在电机油和温度的作用下发生一定量的膨胀并紧贴于井下电机13定子腔内壁1304上而使外环1302定位。
见图3，井下转动式机械传动装置10在本实施例中，径向尺寸增加到188mm，减速比增加25％，齿宽系数增加25％，齿轮高度变位，转矩输出提高60％。井下转动式机械传动装置10通过采用可承受轴向和径向载荷的角接触球轴承1016、角接触球轴承1026、角接触球轴承1031、角接触球轴承1035和角接触球轴承1038解决垂直或水平安置问题，轴承外环安装振动阻尼材料1030、振动阻尼材料1034、振动阻尼材料1037消振、采用齿轮联轴器1029和齿轮联轴器1036化解振动带来的应力。
补偿式润滑油油箱，采用可随环境温度和压力升高而自行膨胀的补偿胶囊1023，使润滑油油箱并通过一些专门设计的油通道使整个传动装置的内部与外部环境达到压力平衡，并与轴密封1005和轴密封1019配合防止井内原油和天然气进入。但不是简单的胶囊补偿，由于轴承节与减速器使用不同的润滑油，油箱设置在整个装置的中部，装有不同的润滑油，上部与轴承节下部与减速器联通，油箱内部设计有通孔1043和浮动软隔层1020来平衡两侧压力并将润滑油分开不混，当传动装置内的有效润滑油因消耗而减少时，通过零件上所设计的流道向各需要润滑的部位提供润滑油补给和替换。
本发明中的挠性联轴器采用开式结构鼓型齿联轴器1002、开式结构鼓型齿联轴器1003和开式结构鼓型齿联轴器1004，允许井液通过通孔1044和通孔1045进入内部，由于井液中除了含有原油和水外往往还有砂等硬杂质，内部采取相应措施，如，通过采用高硬度、1.0-2.5毫米大间隙和重载的齿轮副1002和齿轮副1004，从结构上对齿轮副修型形成容砂间隙、采用大直径承重球1003利用泵轴轴向力碾碎砂子等井液中的硬杂质而不会被卡住或被过早磨损，真正实现利用井液润滑而不被卡住或损伤。
以6列止退轴承节为例，内隔圈1012和外隔圈1013为5套，从顶部至下部编号依次为数字1、2、3、4、5，假设总轴向力为G，在保证各级轴承载荷相同的要求下，则内隔圈从1至5，受力依次应为5G/6、4G/6、3G/6、2G/6、G/6，外隔圈从1至5，受力依次为G/6、2G/6、3G/6、4G/6、5G/6。
在保证各列轴承承受载荷相等下，对于内隔圈，从数字1到5，应：
(5Hi1/Ai1Ei1)＝(4Hi2/Ai2Ei2)＝(3Hi3/Ai3Ei3)＝(2Hi4/Ai4Ei4)＝(Hi5/Ai5Ei5)...①
对于外隔圈，从数字1到5，应：
(H01/A01E01)＝(2H02/A02E02)＝(3H03/A03E03)＝(4H04/A04E04)＝(5H05/A05E05)...②
式①和②中：
Hi1-Hi5：内隔圈1到5的高度
Ai1-Ai5：内隔圈1到5的横截面积
Ei1-Ei5：内隔圈1到5的材料弹性模量
H01-H05：外隔圈1到5的高度
A01-A05：外隔圈1到5的横截面积
E01-E05：外隔圈1到5的材料弹性模量
为保证式①和②成立，各隔圈的高度、横截面积和材料均不同，受力大的隔圈高度小、截面积大、材料弹性模量大。另外，应控制隔圈的高度公差，达到与隔圈变形量相比可忽略不计的程度，本实例所选用的材料为42CrMo、Tc4和QA19-4，零件压力试验数据：各弹性模量分别为：145GPa、100GPa、65GPa。另外还包括：止退轴承轴圈1009、止退轴承座圈1010、止退轴承滚动体1011。
见图4，锚定装置3中，液缸3005内腔通过连通孔3006与油井油管内相通，当螺杆泵6工作起压并达到预定值时，液缸3005剪断销钉3004并带动支撑块3002沿锥体3003斜面运动，使其支撑在套管16内壁上，支撑力的大小与压力成正比，通过导压管9锚定器3与锚定器8同时作用，控制螺杆泵6振动，支撑块3002外侧嵌有铜或铅软金属3001，既保护套管又有振动阻尼作用。
见图5，在锚定装置的上部还连接有一借助于液压打开的油管泄油器2；该油管泄油器2外壳的下部设置有一带斜面的球座滑套2002，球座滑套2002与油管泄油器外壳之间连接有带泄油孔的剪钉2003，球座滑套2002上部的斜面处设有一重球2001。油管泄油器2中，重球2001靠自重可落入球座滑套2002上，油管内打压，压力施与重球2001上，当压力达到预定值时，带孔剪钉2003被剪断，球座滑套2002下行露出内孔剪钉2003上的泄油孔2004，油管内液体从此孔泄出。
见图6，在锚定装置的下部还连接有一泵上反循环洗井阀4，该下部泵上反循环洗井单向阀包括有一阀体，在阀体内下部设有洗井液通道，该洗井液通道上部依次设置有球座4003，阀球4002及液压顶开压簧4001。当来自油井油套管环形空间17的液压顶开弹簧4001下压的阀球4002使其离开球座4003时，液流便进入油管1内，并通过油管1返回地面，实现了不动井下油管柱的情况下反循环洗井。

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