一种耐磨高效短柱塞有杆泵
技术领域
本发明涉及有杆泵领域，尤其涉及一种耐磨高效短柱塞有杆泵。
背景技术
有杆泵抽油是国内外石油工业传统的、并仍然占绝对主导地位的机械采油设备。一直以来，有杆抽油泵的柱塞与泵筒间的漏失与磨损矛盾问题长期困扰着采油工作者：抽油泵的柱塞与泵筒间的漏失越小，摩擦阻力越大，柱塞的运行阻力较大，易砂卡，同时抽油泵的能耗较高，造成抽油泵磨损加剧、加快；抽油泵的柱塞与泵筒间的间隙大，摩擦阻力变小、偏磨减轻、砂卡概率低，但泵漏失大，抽油泵泵效低。另外，抽油泵检泵作业费用高，常规抽油泵修复利用率低，造成大量抽油泵不能重复利用，抽油泵使用成本较高、效率较低。
相关人员对有杆抽油泵的在结构、维护等方面有很多的改进，创新了许多新型抽油泵原理，设计出一系列新型专用抽油泵。低磨阻抽油泵、弹性密封短活塞抽油泵、组合柱塞防卡抽油泵、机械自封式柱塞泵、空心杆抽油泵、软密封柱塞抽油泵、间隙自补偿柱塞泵等。改进方案在间隙补偿（降低漏失率）和降低柱塞与泵筒摩阻（减少单冲次能耗）方面有所改进，但是都未能改变柱塞与泵筒之间的滑动摩擦的根本问题。改进方案依然采用滑动摩擦方式，尤其是在井下受力大、有砂子、干扰因素多等复杂的环境中，砂磨、偏磨等问题使任何材料的耐磨和耐撕扯强度都有限，长时间、高强度的滑动摩擦容易磨损，造成间隙逐渐变大、泵效下降较快、阻力变大等问题。
发明内容
为了克服现有技术不足，提出一种耐磨高效短柱塞有杆泵，以解决上述背景技术中提出的问题。本发明在游动阀总成下端连接空心柱塞，空心柱塞的上部和下部为滚动阻流抗磨段，利用滚动摩擦方式减小柱塞与泵筒间的摩擦；空心柱塞中部环套主要密封体，主要密封体是主要的密封部件，确保泵筒的密封性。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种耐磨高效短柱塞有杆泵,包括泵筒,所述泵筒下部安装有固定阀总成，所述泵筒内腔设置有游动阀总成，所述游动阀总成上端连接上接头，所述游动阀总成下端连接空心柱塞，所述空心柱塞上部和下部为一个或多个滚动阻流抗磨段，所述空心柱塞中部的外侧开设一个或多个槽体，所述槽体内装载与其相配合的主要密封体。泵筒是有杆泵的主要载体和工作空间；固定阀总成随其下液柱压力、空心柱塞与泵筒间的压力和阀球的自重，实现开关，打开允许液体进入泵筒内腔，关闭阻止泵筒内腔的液体流出泵筒；游动阀随其上液柱压力、空心柱塞与泵筒间的压力和阀球的自重，实现开关，打开后允许液体由泵筒进入泵筒上部空间，关闭即阻止上部液体流回泵筒中；空心柱塞与泵筒配合改变泵筒内的压力，压力的改变带动游动阀总成和固定阀总成的开关，实现泵筒下的液体的进入泵筒上部空间。
作为本发明的更进一步技术方案：所述滚动阻流抗磨段的空心柱塞外壁开设三个以上凹槽，所述凹槽内装载与其相配合的纺锤型体，所述纺锤型体可在凹槽内滚动。纺锤型体滚动，使空心柱塞与泵筒间实现滚动摩擦，减小了空心柱塞与泵筒之间的摩擦力。
作为本发明的更进一步技术方案：所述凹槽内部设置支撑凸起。设置支撑凸起缩小纺锤型体与凹槽的接触面积，减少凹槽与纺锤型体的内部摩擦，从而使纺锤型体可较易形成刚性耐磨滚动阻流抗磨段。在空心柱塞上行和下行时，纺锤型体受力能够与其形成密封。空心柱塞具有一定厚度，满足空心柱塞内部承压、耐磨的需要。
作为本发明的更进一步技术方案：所述纺锤型体两端点的连线为轴，同一个滚动阻流抗磨段上的纺锤型体的轴位于同一横截面。纺锤型体的形状为：将滚动阻流抗磨段横横截面最大外径圆形分成N段弧形（N大于3），以每一段弧形两端点连线为轴、该弧形为边、旋转360°形成的纺锤型体，同一个滚动阻流抗磨段上的纺锤型体的轴位于同一横截面。然后根据纺锤型体的数量和规格在空心柱塞上开设相配合的凹槽。
作为本发明的更进一步技术方案：所述主要密封体为弹性密封圈。主要密封体弥补滚动阻流抗磨段密封宽度的不足，是主要密封部件，弹性密封圈在径向上具有压缩量，可根据磨损程度，在径向上可以有磨损补偿，从而提高密封段的使用寿命。当主要密封体磨损到其与泵筒的间隙等于滚动阻流抗磨段与泵筒的间隙一样时，主要密封体与泵筒间隙不再增大，而此间隙相比目前已有的泵间隙已经可以足够小。
作为本发明的更进一步技术方案：所述纺锤型体为耐磨刚性材料。耐磨刚性材料可以选择低摩擦系数的，使得纺锤型体滚摩擦时摩擦力更小。
本发明的有益效果：
1.本发明空心柱塞的上部和下部为滚动阻流抗磨段，该结构和布局方式可以在空心柱塞与泵筒间发生相对移动，间接遇到固体障碍物或者直接发生偏磨时，可形成滚动摩擦方式，利用滚动摩擦方式减小柱塞与泵筒间的摩擦，减缓磨损，增强抗偏磨和抗砂磨能力。
2.由于有杆泵工作时，其空心柱塞不断往复运动，当空心柱塞朝一方向运移时，滚动阻流抗磨段上纺锤型体与泵筒的弧形接触面，可堵住部分大砂粒继续向中间密封段运移；或者被砂卡后，纺锤型体受力转动与泵筒配合碾碎砂粒；或者被沙粒卡住不转动。当空心柱塞朝另一方向运移后，砂粒受流体反方向作用力或者纺锤型体受反向摩擦力开始的反向转动，都可将砂子推离滚动阻流抗磨段，从而减少参与挤压和摩擦的砂粒，减少磨损、降低能耗。
3.滚动阻流抗磨段与泵筒之间的密封宽度为线状，空隙可以足够小，可形成密封；空心柱塞中部的主要密封体有足够密封宽度，其间隙无法扩大超过滚动抗磨段的最大密封间隙，因此本发明装置确保泵筒的密封性。空心柱塞与泵筒间设置有多段密封段，并且各密封段不同功能，形成优化组合式多层密封，从而可以允许更短柱塞，有利于提高抽油冲程、提高该泵适用范围、提高泵效和举升系统效率。
附图说明
图1为上冲程时本发明主要结构示意图；
图2为下冲程时本发明主要结构示意图；
图3为滚动阻流抗磨段横横截面的剖面示意图。
图中：1-泵筒、2-固定阀总成、3-游动阀总成、4-上接头、5-滚动阻流抗磨段、6-槽体、7-主要密封体、8-凹槽、9-纺锤型体、10-支撑凸起、11-空心柱塞。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-3，一种耐磨高效短柱塞有杆泵,包括泵筒1，泵筒1是有杆泵的主要载体和工作空间。泵筒1下部安装有固定阀总成2，固定阀总成2随其下液柱压力、空心柱塞11与泵筒1间的压力和阀球的自重，实现开关。泵筒1内腔设置有游动阀总成3，游动阀总成3随其上液柱压力、空心柱塞11与泵筒1间的压力和阀球的自重，实现开关。游动阀总成3上端连接上接头4，上接头4起到连接杆的作用，利用杆传输过来的动力带动有杆泵工作。
游动阀总成3下端连接空心柱塞11，空心柱塞11分为三部分，上部和下部为一个或多个滚动阻流抗磨段5，每个滚动阻流抗磨段5为在空心柱塞11外壁开设三个以上凹槽8，凹槽8内滚动连接与其相配合的纺锤型体9，纺锤型体9可沿泵筒1内壁上下滚动。纺锤型体9在凹槽8内滚动时，凹槽8内部设置支撑凸起10。设置支撑凸起10缩小纺锤型体9与凹槽8的接触面积，减少凹槽8与纺锤型体9的内部摩擦；而且纺锤型体9为耐磨刚性材料，使得纺锤型9滚摩擦时摩擦力更小，从而使纺锤型体9可较易形成刚性耐磨滚动阻流抗磨段。
纺锤型体9的形状为：将滚动阻流抗磨段5最大外径圆形分成N段弧形（N大于3），以每一段弧形两端点连线为轴、该弧形为边、旋转360°形成的纺锤型体可形成一个纺锤型体9的形状。所以，同一个滚动阻流抗磨段5上的纺锤型体9的轴位于同一横截面。然后根据纺锤型体9的数量和规格在空心柱塞上开设相配合的凹槽8。
空心柱塞11中部的外侧开设槽体6，槽体6内安装与其相配合的主要密封体7，主要密封体7外侧与泵筒1内壁接触，主要密封体7为弹性材料。主要密封体7弥补滚动阻流抗磨段5密封宽度的不足，是主要密封部件，弹性材料的主要密封体7在径向上具有压缩量，可根据磨损程度，在径向上可以有磨损补偿，从而提高主要密封体7的使用寿命。当主要密封体7磨损到其与泵筒1的间隙等于滚动阻流抗磨段5与泵筒1的间隙一样时，主要密封体7与泵筒1间隙不再增大，而此间隙相比目前已有的泵间隙已经足够小。
本发明具体实施方式：
实施例一
当上冲程时（图1），游动阀总成3和空心柱塞11向上运动，上部的滚动阻流抗磨段5与泵筒1间的若因砂阻产生的摩擦大于纺锤型体9滚动摩擦启动压力，纺锤型体9开始滚动，碾压碎砂粒，或者推动砂粒移动；下部的滚动阻流抗磨段5与泵筒1间的砂粒由于沙粒堆积点上部压力大于下部压力，开始下落，部分堵塞积压砂粒由于摩擦造成的纺锤型体9开始反向滚动，堆积砂粒被推出。此时，游动阀总成3受泵筒1内空心柱塞11以上的液柱压力而关闭，空心柱塞11以下的泵筒1内腔容积增大，压力降低，固定阀总成2在其上下压差作用下打开，流体吸入泵筒1。与此同时，如果泵筒1内已逐渐被液体所充满，空心柱塞11的液体上升。上冲程是泵筒1内吸入液体，而空心柱塞11上面的液体上升的过程。
实施例二
当下冲程时（图2），游动阀总成3和空心柱塞11向下运动，上部的滚动主要密封体7与泵筒1间的砂粒由于沙粒堆积点下部压力大于上部压力，若压差大于砂粒自重，砂粒开始脱离堆积点，若因上冲程积压的砂粒作用积压摩擦，纺锤型体9开始反向滚动，也可推出砂粒；下部的滚动主要密封体7与泵筒1间由于部分堵塞积压砂粒由于摩擦造成的纺锤型体9开始滚动，挤压碎砂粒，减小其对中间密封段7的破坏。空心柱塞11压缩固定阀总成2和游动阀总成3之间的液体：当泵筒1内压力增加到大于泵筒1沉没压力时，固定阀总成2先关闭，当泵筒1内压力增加到大于空心柱塞11以上液体压力时，游动阀总成3被顶开，空心柱塞11下面的液体通过游动阀总成3进入空心柱塞11上部，使泵筒1排出液体。下冲程是泵筒1向空心柱塞11上部排液的过程。在空心柱塞11移动过程中，滚动阻流抗磨段5与泵筒1间由于偏磨可形成滚动摩擦，可减弱偏磨作用对空心柱塞11主体和泵筒1的磨损速度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
