專利名稱：油管管柱定壓抻直柔性固定器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于石油開采中油井配套裝置，是一種采用抽油機采油的油井中油管管柱的控制部件。
二背景技術：
在石油開采過程中，絕大多數是采用抽油機采油的油井。該類采油井大體由四部分組成，一是井筒部分，用套管固定于地下；二是油管管柱部分，用于將含有原油的液體舉升到地面，其下面連接有抽油泵的泵筒；三是抽油桿桿柱部分，用于帶動其下部的柱塞進行舉升含有原油的液體；四是抽油機及地面部分，用于帶動抽油桿桿柱進行往復運動，以保證將含有原油的液體連續不斷地舉升到地面。
由于抽油桿桿柱往復運動，舉升的液柱將沿縱向產生沖擊，使油管管柱產生振動和蠕動，致使油管管柱在周期的伸長和縮短。而抽油桿桿柱也是在作往復運動，與油管管柱的往復運動具有一個時間差，這樣就使連接在抽油桿桿柱下面的柱塞運動，與連接在油管管柱下面的泵筒伸長或縮短的周期也同樣產生一個時間差，導致柱塞在泵筒中的行程縮短，從而影響產液量。另外，由于油管管柱舉升液體的內壓和液柱沿縱向產生的沖擊，使油管管柱產生螺旋彎曲，致使抽油桿桿柱在作上下往復運動時與其生產摩擦，使抽油桿與油管的使用年限縮短，使正常的檢修抽油泵作業時間明顯縮短，嚴重的甚至使抽油桿磨斷，造成事故。
目前石油系統解決上述問題的辦法有以下三種1、在油管管柱下面加掛報廢的油管，以增加重量達到減少油管管柱產生的振動和蠕動，懸掛油管的數量根據現場要求確定。2、用卡瓦類或錨爪類裝置將油管管柱固定在套管上。3、用各種類型的油管錨定器將油管管柱固定在套管上。
但是上述辦法各自存在解決不了的問題，下面對其逐項進行說明。第1種雖然簡單、經濟，但是效果不理想，沒有從根本上消除振動和蠕動對油管管柱的影響，這只能算是一個比較原始的解決辦法。第2種，雖然固定的效果很好，可是卡瓦或錨爪對套管的損傷卻很大，還有更為嚴重的是卡瓦或錨爪的軌道在交變載荷作用下出現形變的情況，使卡瓦或錨爪恢復不到原位置，整個油管管柱取不出來，造成井上比較大的事故，所以目前在一些油田已經不準用此類產品。第3種，該產品是在低的液壓力狀態下剪斷剪切螺釘的，液壓力繼續增大到一定數值后使油管管柱固定到套管上，此時井口和剛剛固定的位置使整個油管管柱處于抻直狀態，可是繼續增大的液壓力，還會施加給整個油管管柱，使油管管柱在固定的兩點之間繼續伸長，結果就是增大了油管管柱的彎曲。
三
發明內容
本實用新型的目的是提供一種“油管管柱定壓抻直柔性固定器”，使用它可以將油管管柱按照設計要求柔性地固定在套管的內壁，提高油井產液量，延長抽油泵的檢修周期和油管與抽油桿的使用年限。
本發明的技術解決方案是這樣實現的，一種“油管管柱定壓抻直柔性固定器”，由上接頭通過中心管和下接頭相連接而構成，在上接頭上裝有矩形剪切螺紋套和鎖環，在中心管上裝有柔性固定油管管柱的橡膠筒、座封缸套以及用于洗井的泄流部件，座封缸套上端具有用于剪切的矩形螺紋以及用于固定的鋸齒形螺紋，座封缸套與中心管、密封頭與座封缸套和上接頭之間裝有密封圈。其特殊之處在于，1.“油管管柱定壓抻直柔性固定器”直接安裝在采用抽油機采油的油井井下油管管柱的底部、抽油泵的上部；2.在額定的設計壓力作用下，將油管管柱抻直的同時剪斷矩形剪切螺紋套上的螺紋，同步推動座封缸套壓縮橡膠筒；3.當將座封缸套下端具有鋸齒形螺紋部位移位到上接頭內安裝的鎖環外表面上具有同樣螺紋部位時，彈性使鎖環張開，它們便咬合在一起，使橡膠筒緊緊地固定在套管內壁。
在上述技術解決方案中，其特殊之處還在于，用橡膠筒將油管管柱固定在套管的內壁。橡膠是一種彈性體，一般有三種情況可以采用，即密封、吸收震動和承受載荷。橡膠摩擦系數的取值范圍為0.001～10，這決定于界面條件(摘自《橡膠工程》P4～7)。我們主要將橡膠承受載荷和吸收震動的特性用在“油管管柱定壓抻直柔性固定器”上，這就是柔性固定的由來。
在上述技術解決方案中，其特殊之處還在于，在橡膠筒和下接頭之間安裝有定位銷、導流筒和泄流套等泄流部件組成的泄流通道，為常開型通道。
在上述技術解決方案中，其特殊之處還在于，鎖環外表面具有鋸齒形螺紋，側面具有凹槽，與上接頭內的凸臺始終相吻合，鎖環具有一開口，在彈性力作用下可以張開或收縮；當需要解除座封壓力時，正向旋轉油管管柱一定圈數，上接頭的凸臺帶動鎖環的凹槽一同轉動，使座封缸套后退，橡膠筒恢復原狀從而解除固定力，達到解封的目的。
本發明的優點是，1、用橡膠筒將油管管柱固定在套管內壁上，即可以承受載荷又可以吸收震動，還不會對套管內壁產生損傷。2、采用矩形剪切螺紋套代替剪切銷釘，不但可以解決需要剪切力大、實施力的大小可以方便控制，還可以解決在上述狀態下采用剪切銷釘對加工制造難以達到設計要求的現狀。3、采用側面帶凹槽、外表面具有鋸齒形螺紋的鎖環，其外表面的鋸齒形螺紋與座封缸套上端鋸齒形螺紋相嚙合，使橡膠筒變形后不能恢復原狀，將油管管柱固定在套管內壁上；其側面的凹槽在上接頭凸臺帶動下與其一同轉動，其外表面鋸齒形螺紋沿著螺旋線推動座封缸套后退，使橡膠筒收縮，達到解封的目的。4、定位銷、導流筒和泄流套等部件組成的泄流通道，可以滿足液面測試和洗井作業的要求。5、該裝置制造簡單，成本低廉，容易安裝使用，便于推廣。
附圖1是本發明的半剖結構圖，附圖2是安裝在油井中的示意圖。
下面我們對由于油管管柱擺動與震動而使柱塞行程縮短，導致產液量減少，進行理論與實踐的證明。
1、理論證明目前國際上普遍采用美國S.G吉布思為油井建立的抽油桿桿柱一唯帶阻尼波動方程，它是一個二階偏微分方程(雙曲線型)∂u2∂t=c2∂2u∂x2-v∂u∂t]]>(c2=Eρ,v=veρA)]]>上式后一項為井液對抽油桿桿柱的阻尼系數，它將直接影響到抽油桿桿柱所帶動的抽油泵柱塞的運動軌跡。在實際工作中運用上式比較復雜，普遍采用簡化的公式進行計算，如抽油泵柱塞與抽油泵泵筒間的最大相對位移即有效沖程的公式為Sp＝SG-et根據上述公式及已知條件，通過計算機進行計算，可以得到典型的抽油泵理論示功圖。
(1).油管管柱抻直并且固定，沒有氣體影響，抽油泵的雙凡爾不漏失且充滿的抽油泵理論示功圖如下
(2).油管管柱沒有抻直固定，沒有氣體影響并且抽油泵的雙凡爾不漏失的理論抽油泵示功圖如下 式中SG＝S+eP-er，et＝WoL/AtEt，eP＝7.67×104L2/ER(Sn2/1790)。
其中SG——抽油泵柱塞總沖程，m；SP——抽油泵柱塞有效沖程，m；S——地面沖程，m；et——油管管柱伸長或縮短，m；eP——抽油泵柱塞超行程，m；et——抽油桿桿柱的伸長(或縮短)，m；Wo——液柱載荷，N；L——抽油桿桿柱或油管管柱長度，m；At——油管管柱平均橫截面積，m2；Et——油管管柱彈性模量，N/m2。
ER——抽油桿桿柱彈性模量，N/m2。
如果油管管柱抻直并且在抽油泵上部被固定，則et＝0，SP＝SG；如果油管管柱只是固定沒有抻直，則et＞0，SP＞SG。
通過以上常用的公式，我們可以得到一個共同點是如果油管管柱沒有抻直并且固定，柱塞行程將減少一定量。
2、實踐證明根據美國1968年發表在《API鉆井與開采實踐》(從232頁起)上的資料可知，美國“中西部研究所”在大量試驗數據的基礎上經過整理、歸納后，得出一系列的表格、曲線和關系式，并編寫了《有桿抽油系統(常規型)設計計算推薦作法》推薦給美國石油學會公布。采用這種方法比其他方法能夠得出較好的結果。
《有桿抽油系統(常規型)設計計算推薦作法》得出的抽油泵柱塞沖程關系式為SP＝[(SP/S)×S]-[Fo×1/Kt]如果油管管柱是抻直并且固定的，1/Ke＝0，故代表油管管柱抻直并且固定的公式SP＝[(SP/S)×S]。
其中SP-抽油泵柱塞沖程(抽油泵沖程)SP/S-無量綱抽油泵沖程，表示抽油系統特性的非獨立變量，可以從API RP 11L提供的曲線圖查得具體數值S-地面沖程(光桿沖程)Fo-整個抽油泵柱塞截面液體負荷之差，也稱總活塞載荷1/Kt-油管管柱未固定部分的彈性常數1/Kt＝Et×LL-從抽油泵到油管管柱固定到套管位置之間的距離Et-油管彈性常數，即單位長的油管在單位負荷作用下的伸長量。
當油管管柱的橫截面積一定時，Et值是固定的。但是，因為L是從抽油泵到油管管柱固定到套管位置之間的距離，這樣的話，油管管柱被固定到套管的位置越靠近抽油泵，則L值越小，1/Kt值也就越小。如果油管管柱懸浮在井筒內，就是說油管管柱固定在井口處，這時的L值實際上是從井口到抽油泵的距離，即油田普遍采用的說法——泵掛深度。
如果在抽油泵的上部就直接將油管管柱固定在套管內壁上，則L＝0，1/Kt值也就為0，所以，才出現上面所說的1/Kt＝0。但是，根據式1/Kt＝Et×L，這里含有一個先決條件就是Kt和Et必須為常數，也就是說這兩個數不能夠隨著時間而改變，如果改變了，則不能稱其為常數。如果油管管柱沒有抻直就固定了，則增加的各種載荷將繼續引起固定處以上部位的伸長(或縮短)，這時L就不可能為0。那么只有油管管柱在定壓、抻直并且固定的狀態條件下才能夠滿足這一要求，因此Kt和Et才能夠等于常數，也只有在這樣的條件下才有L＝0，1/Kt＝0這一結果。在這種狀態下，抽油泵的示功圖為最理想狀態，此時油井的產液量將為最大。
下面，計算在此狀態下影響產液量的數值大小。
現在將美國API設計計算的例子復述如下[摘自1977年2月第三版“API RP 11L有桿抽油系統(常規型)設計計算推薦作法”設計計算表舉例]已知或假定數據
液面深度，H＝4500ft泵掛深度，L＝5000ft油管規格2in，油管管柱沒有抻直固定沖數n＝16min-1沖程長度，S＝54in柱塞直徑，D＝1.50in液體相對密度，G＝0.9抽油桿柱33.8％-7/8″+66.2％-3/4″錄自表A-1和A-2的數據1.Wr＝1.833(表A-1‘抽油桿與抽油泵參數’中第3欄)2.Er＝0.804×10-6(表A-1‘抽油桿與抽油泵參數’中第4欄)3.Fc＝1.082(表A-1‘抽油桿與抽油泵參數’中第5欄)4.Et＝0.307×10-6(表A-2‘油管參數’中第5欄)計算無因次變量5.Fo＝0.340×G×D2×H＝0.340×0.9×2.25×4500＝3098Ib6.1/Kr＝Er×L＝0.804×10-6×5000＝4.020×10-3in/Ib7.SKr＝S÷1/Kr＝54÷4.020×10-3＝13433Ib8.Fo/SKr＝3098÷13433＝0.2319.N/No＝NL÷245000＝16×5000÷245000＝0.32610.N/No’＝N/No÷Fc＝0.326÷1.082＝0.30111.1/Kt＝Et×L＝0.307×10-6×5000＝1535×10-6in/Ib求SP12.SP/S＝0.86(根據N/No和Fo/SKr值在圖A-2‘活塞沖程因子’中查得SP/S值)13.SP＝[(SP/S)×S]-[Fo×1/Kt]＝[0.86×54]-[3098×1535×10-6]＝46.44-4.76＝41.7in其中“46.44-4.76”項中的“46.44”為油管抻直并固定時的柱塞總沖程，占柱塞總沖程的88.6％；“4.76”項為油管因沒有抻直并固定而帶來的柱塞沖程損失，占柱塞總沖程的11.4％。
抽油泵的排量＝(0.1166×n×D2)×SP式中(0.1166×n×D2)項中的n和D因為是固定數值項，所以排量只因SP的改變而變化，即當油管管柱抻直并固定時，影響沖程與影響產液量的比例是一樣的，都是11.4％。
綜合以上理論與實踐的論證，可以得出如下結論油管管柱在額定的壓力作用下抻直的同時固定，液柱慣性將不會對其產生影響，其直接結果是影響柱塞的行程，增加產液量11.4％；間接結果是消除了油管管柱的彎曲，減少了抽油桿桿柱與油管管柱的磨損，延長油管與抽油桿使用年限和檢修抽油泵的周期。
四

圖1是“油管管柱定壓抻直柔性固定器”半剖結構圖。1是上接頭，上面的螺紋用于連接油管管柱，下面的螺紋用于連接中心管；中間有一個臺肩，臺肩的上部用于剪切矩形剪切螺紋套上的螺紋，臺肩的下部有凸臺，與安裝其上的鎖環側面的凹槽始終相嚙合；下接頭的最下部安裝有密封頭。2是護帽，用于固定矩形剪切螺紋套。3是矩形剪切螺紋套，與液壓缸上部的矩形螺紋相嚙合。4是座封缸套，安裝在中心管的上部和上接頭部位，在中心管的上部開一對稱通孔，使管柱內的液體與液壓腔相通。5是鎖環，在裝配后處于收縮狀態。6是密封頭，用于密封座封缸套和固定鎖環。7是定位銷，連接座封缸套、導流筒和橡膠筒，其上部的孔為液體的通道。8是導流筒，用于連接定位銷、泄流套和橡膠筒，與中心管之間的環行空間形成液體流動通道。9是中心管，用于連接上接頭和下接頭。10是橡膠筒，通過座封缸套的推動使其產生形變。11是隔環，用于連接橡膠筒。12是泄流套，為液體提供流動通道。13是下接頭，上面的螺紋用于連接中心管，下面的螺紋用于連接抽油泵。
圖2是”油管管柱定壓抻直柔性固定器”安裝在采油井中的示意圖。14是地面抽油裝置，15是油管管柱，16是井筒，17是套管，18是抽油泵，1-13是“油管管柱定壓抻直柔性固定器”。
五具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明上接頭1的上端具有油管螺紋，其下端通過螺紋與中心管9相連接；中心管9的上部接近螺紋處具有通孔，與座封缸套4的液壓腔相連通，其下端通過螺紋與下接頭13相連接；下接頭13的下端具有油管螺紋。護帽2通過螺紋與上接頭1相連接，再經過其上部的開槽錐端緊定螺釘使其固定在上接頭1上。矩形剪切螺紋套3安裝在座封缸套4上部的矩形螺紋槽內，其下端定位在上接頭1的臺肩上部，其上端由護帽2固定在上接頭1的螺紋部位。上接頭1的臺肩下部具有凸臺，鎖環5的側面具有相應的凹槽，鎖環具有一定的彈性，將鎖環5強制閉合后安裝在此凸臺內，其下部由密封頭6通過螺紋固定在上接頭1的下端；鎖環5的外表面具有鋸齒形螺紋，其齒形與座封缸套4上部鋸齒形螺紋的齒形相同。座封缸套4的液壓腔部位下部通過橡膠密封環與中心管9相連接，其上部通過密封頭6上的密封環與上接頭1相連接，形成密封的液壓腔。定位銷7的上部通過螺紋與座封缸套4的下部相連接，定位銷7具有一定數量比較大的通孔，其下部與導流筒8焊接成一體。導流筒8的外表面套裝有一定數量的橡膠筒10，一般根據需要可以安裝3或5個橡膠筒(如果橡膠筒安裝5個，須增加座封缸套以及相應部件)，在兩個橡膠筒之間安裝有隔環11。導流筒8的下端具有一定數量比較大的通孔，端部活動地套裝在泄流套12的上部內孔上。泄流套12的上端面與橡膠筒10的下端面相接觸，下部具有一定數量比較大的通孔，下端部與下接頭13相套接，下接頭13的下端具有油管螺紋。
本“油管管柱定壓抻直柔性固定器”通過上接頭1連接在油管管柱15的下端部，通過下接頭13連接在抽油泵18的上端部，下入到油井井筒16內。通過地面高壓水泵14向油管管柱15內施加液壓力，流經“油管管柱定壓抻直柔性固定”1-13達到抽油泵18，由于抽油泵凡爾自然關閉，整個施壓處于封閉加壓狀態。此時液體進入“油管管柱定壓抻直柔性固定器”，通過中心管9上部的通孔，向下推動座封缸套4，當推動座封缸套4達到剪斷剪切矩形螺紋套3上部的矩形螺紋時，座封缸套4向下移動、同時壓縮橡膠筒10，橡膠筒10在軸向上被壓縮使其徑向膨脹，當膨脹到一定程度就會使橡膠筒10的外表面緊緊地貼在井筒中套管17的內壁上，由于套管內壁長期暴露在井液中，井液內的腐蝕氣體使套管內壁產生很多不規則的凸凹腐蝕物，橡膠筒10通過這些凸凹不平的腐蝕物就會將油管管柱15緊緊地固定在套管17的內壁上；當座封缸套4上端的鋸齒形螺紋向下移動到鎖環5處時，彈性力使閉合的鎖環5張開，鎖環5外表面鋸齒形螺紋便與座封缸套4上端的鋸齒形螺紋咬合在一起，這樣，通過“油管管柱定壓抻直柔性固定器”1-13使油管管柱15緊緊地固定在套管17的內壁上。當需要進行洗井作業和測試時，液體通過定位銷7上的通孔、導流筒8和中心管9之間的環形空間以及泄流套12的通孔，就可以進行洗井和測試作業。當需要解除油管管柱固定時，只需在井口正方向旋轉油管管柱一定圈數，上接頭1下部的凸臺帶動鎖環5內部的凹槽，使鎖環5在座封缸套4上部的鋸齒部位向上旋進，至使座封缸套4上移，使橡膠筒恢復原狀，從而解除油管管柱15的固定。
權利要求一種油管管柱定壓抻直柔性固定器，上接頭(1)通過螺紋與中心管(9)相連接，中心管(9)下端通過螺紋與下接頭(13)相連接構成，其特征是(1)護帽(2)通過螺紋與上接頭(1)相連接，矩形螺紋(3)安裝在座封缸套(4)上部；(2)鎖環(5)安裝在上接頭(1)下部的凹槽內；(3)密封頭(6)通過螺紋固定在上接頭(1)的下端；(4)定位銷(7)的上部通過螺紋與座封缸套(4)的下部相連接，其下部通過螺紋與導流筒(8)相連接；(5)導流筒(8)裝有橡膠筒(10)，橡膠筒之間安裝有隔環(11)；(6)泄流套(12)下端部與下接頭(13)相連接，中心管(9)下端通過螺紋與下接頭(13)相連接。
專利摘要本實用新型屬于石油開采中油井配套裝置，是抽油機采油井油管柱控制部件。主要由上接頭1、中心管9和下接頭13相連接構成，其特征是固定部件為橡膠筒10，在定壓下抻直油管柱，剪斷螺紋套3，推動座封缸套4壓縮橡膠筒10；鎖環5張開與座封缸套4咬合，使座封缸套4不能后退。優點是１.在定壓下剪斷螺紋套3、推動座封缸套4座封，此時油管柱抻直并柔性固定在套管內壁；可增加產液量，消除油管柱蠕動，延長油管和抽油桿使用年限。2.用螺紋套3代替剪切螺釘，能在大力下被剪斷。3.鎖環5外表面為螺旋結構、側面帶凹槽，上接頭凸臺帶動其沿螺旋線旋轉，使座封缸套4退回解除座封。4.由定位銷7、導流筒8和泄流套12組成常開型泄流通道。
文檔編號E21B23/00GK2674068SQ0320650
公開日2005年1月26日 申請日期2003年7月28日 優先權日2003年7月28日
發明者關輔民 申請人:關輔民