基本信息
- 项目名称：
- 抽油杆柱旋转式柱塞泵抽油系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 我们设计了一种抽油杆柱旋转式柱塞泵抽油系统，采用地面驱动设备带动抽油杆柱旋转，通过井下中间的动力转换机构将旋转运动转换成直线往复运动，从而带动柱塞泵的柱塞上、下往复运动实现抽油。 该系统有效地解决了常规的抽油机——柱塞泵采油系统和螺杆泵采油系统各自存在的严重缺点，且兼有两个抽油系统的优点——结构简单、运行可靠、传递效率高、能量损耗小、井深适应性强，是对我国采油传统装置的一大创新与突破
- 详细介绍：
- 目前机械采油法是已成为主要的采油方法，而常规的抽油机——柱塞泵采油系统和螺杆泵采油系统均各自存在严重的缺点。 我们设计了一种抽油杆柱旋转式柱塞泵抽油系统，采用地面旋转驱动装置带动驱动头绕垂直轴旋转，并带动井下抽油杆柱绕垂直轴旋转，通过井下的中间动力转换机构将单向旋转运动转换成往复直线运动，从而带动柱塞泵的柱塞上、下往复运动实现抽油。该系统由配电箱控制电动机工作，电动机通过皮带传动带动锥齿轮传动机构转动，垂直锥齿轮带动方卡、光杆及抽油杆柱旋转，抽油杆柱通过接箍与动力转换机构的上法兰连接，上法兰、轴套及套筒用螺钉固定在外筒上，上面套有滚子的导向块螺钉固定在轴套上，同时嵌入凸轮轴上的循环轨迹内，当抽油杆通过上法兰及外筒带动轴套旋转时，导向块螺钉上的滚子随轴套旋转的同时也在凸轮轴上的循环轨迹内运动，由于凸轮轴下部装有导向滑键，固定的滑键套限制了导向滑键转动，保证滚子在凸轮轴上的循环轨迹内运动的同时带动凸轮轴上下往复运动，从而带动抽油泵柱塞上下往复运动，使柱塞泵举升原油。 首次将运动转换机构设置在直径小于80mm的井筒内，并且实现电机单向旋转就可以使核心部件凸轮轴上下往复运动。其应用价值远远高于电机换向才能使螺杆上下往复运动的动力转换方式。该系统有效地解决了抽油机——柱塞泵举升系统存在杆管偏磨、抽油机地面设备总重量大、举升抽油杆做无用功的问题，避免了螺杆泵抽油系统定子与转子橡胶——钢体过盈摩擦导致寿命相对较短、井下温度过高还会导致密封失效，而且兼有柱塞泵举升系统和螺杆泵采油装置的优点——结构简单、运行可靠、传递效率高、能量损耗小、井深适应性强，是对我国采油传统装置的一大创新与突破。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：利用动力转换器提供一种能同时克服螺杆泵定子与转子橡胶钢体过盈摩擦导致寿命相对较短、井下温度过高时导致密封失效和抽油机举升系统地面设备总重量大、存在做举升抽油杆的无用功等问题，且保留以上两种抽油装置优点的抽油系统。 基本思路：地面部分采用螺杆泵地面驱动装置作为动力，在地面与动力转换器之间采用螺杆泵井的抽油杆设计技术，其关键部件动力转换机构的上端与旋转的抽油杆柱连接，下端通过接头与抽油泵的柱塞连接。在转换机构核心部件凸轮轴的表面互成180度设置两条封闭摆线（或多项式曲线）循环轨迹，轴套内壁固定导向块螺钉，导向块螺钉上套有滚子，滚子嵌入凸轮轴上的循环轨迹内，轴套通过外筒和上法兰与上部的抽油杆连接进行旋转，带动导向块螺钉及滚子沿凸轮轴上的循环轨迹旋转，由于固定于凸轮轴上的导向滑键被固定的滑键套限制了旋转，使凸轮轴只能上下往复运动，从而带动下部柱塞进行上下往复运动来举升液体，实现抽油。下部采用常规柱塞泵抽油。 创新点：首次将运动转换机构设置在直径小于80mm的井筒内，并且实现电机单向旋转就可以使核心部件凸轮轴上下往复运动。从而达到既克服了螺杆泵、柱塞泵的缺点又保留了它们的优点的目的，其应用价值远远高于电机换向才能使螺杆上下往复运动的动力转换方式。 技术关键和指标：1、在直径不大于80毫米的油管内设置动力转换器，并保证强度和寿命达到工程实际要求；2、圆柱凸轮轴上的曲线槽设计、滚子设计等在结构设计方面具有相当高的难度
科学性、先进性
- 现有技术：有杆抽油机械是我国主要的抽油设备：抽油机—抽油泵举升系统存在杆管偏磨、地面设备总重量大、举升抽油杆做无用功的问题；螺杆泵抽油系统存在定子与转子橡胶—钢体过盈摩擦导致寿命相对较短、井下温度过高导致密封失效等问题，特别是深井抽油工况下问题较多。 创新与突破：本抽油系统，采用地面驱动设备带动抽油杆柱旋转，通过井下的中间动力转换机构将旋转运动转换成直线往复运动，从而带动柱塞泵的柱塞上、下往复运动实现抽油。 该系统兼有柱塞泵举升系统和螺杆泵采油装置的优点——结构简单、运行可靠、传递效率高、能量损耗小、井深适应性强，而且有效地避免了以上现有采油装置的缺点，是对我国采油传统装置的一大创新与突破。 可行性分析：本抽油装置中，动力提供部分采用螺杆泵采油装置的地面驱动设备及抽油杆设计技术，该技术目前已相当成熟。井下抽油部分所采用的柱塞泵举升技术在国内外已相当成熟。本课题重点在于运动及动力转换机构部分，这部分只要保证结构设计合理，关键部件采用高强度且耐磨性好的材料，应该能达到工程实际的要求
获奖情况及鉴定结果
- 燕山大学第十五届“世纪杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无，可商谈
作品可展示的形式
- 模型、图纸、图片、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：本发明一般适合需机械采油且含砂量少的油井中，油管管径一般较大,井深适应性比较强。 技术特点和优势：将运动转换机构设置在直径小于80mm的井筒内，并且实现电机单向旋转就可以使核心部件凸轮轴上下往复运动，从而带动柱塞泵的柱塞上、下往复运动实现抽油。该系统兼有柱塞泵举升系统和螺杆泵采油装置的优点——结构简单、运行可靠、传递效率高、能量损耗小、井深适应性强，而且有效地避免了现有采油装置的缺点，是对我国采油传统装置的一大创新与突破。 应用及前景：本发明应用在需进行机械采油的油井中，用以取代螺杆泵和游梁式抽油机—柱塞泵，提高了传递效率，有效减少了能量消耗，增加了经济效益。结构简单，可以大幅度的降低地面设备的产能建设投资，具有广阔的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 常规的抽油机——柱塞泵举升技术在国内外已相当成熟，其中的往复式柱塞泵具有工作可靠，皮实耐用的特点，已被广泛采用。其缺点是：该系统中由于抽油杆柱下行时受到轴向压力，常常发生屈曲变形，造成杆管偏磨严重，而且抽油机地面设备总重量大，耗能多。 目前螺杆泵采油技术也相当成熟，它具有结构简单紧凑、安装方便、节能、管理费用低的特点。而且占地面积小，初期投资少。其缺点是：螺杆泵抽油系统的井下抽油部分存在定子与转子橡胶——钢体过盈摩擦导致寿命相对较短、井下温度过高还会导致密封失效等问题，这方面的问题随着井深的增加越发严重而且难以解决，因而限制了螺杆泵抽油的应用范围。 我们设计了一种新的抽油装置，用往复式柱塞泵取代螺杆泵抽油系统的井下抽油部分，集合上述两种抽油方式的优点，克服其缺点。目前已有令电机换向使螺杆上下往复运动的动力转换方式，但是电机易损，实际应用效果很差，效率很低。我们设计了动力转换器，实现了机械换向。文献[1]、[2]中介绍了旋转与直线运动转换机构，但是在直径不大于80毫米的上千米井下的狭小空间中使用国内尚属空白。 参考文献： 1.旋转／直线运动转换器．专利号 95193297．7 2.无曲轴式往复与旋转动力转换机构及其发动机与压缩机．专利公开号CN 200410049186.6
