超长冲程抽油地面设备及运用该地面设备的平移式抽油机

摘要

公开的一种超长冲程抽油地面设备包括设在位于井口附近的塔架上的驱动机构，驱动机构包括电机、被电机驱动旋转的卷筒、位于卷筒一侧的天轮和卷绕在卷筒上并绕过天轮的柔性采油绳，卷筒沿轴向相对于塔架是可移动的。本发明可避免柔性采油绳与转向天轮发生偏磨的问题，进而提高柔性采油绳的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及机械抽油地面设备技术领域，尤其涉及一种超长冲程抽油地面设备，以及运用该抽油地面设备的平移式抽油机。

背景技术

传统的抽油机存在冲程短、漏失大、泵效低等缺点。在此基础上，研发人员开发出超长冲程的抽油机构。以公告号CN208236391U为代表的已知实施例，已经实现超长冲程的抽油。

如公开号为CN111622717A的已知实施例所述，基于柔性采油绳及其由滚筒卷绕的驱动原理，区别于传统的驴头式采油机配置的刚性光杆不发生或极少发生弯曲的现有方式而言，柔性采油绳与转向天轮中心轴线存在的偏角，是导致柔性采油绳发生偏磨以及断裂进而引发使用寿命不长的主要原因。

发明内容

基于前述的现有技术缺陷，本发明实施例提供一种超长冲程抽油地面设备，以及运用该抽油地面设备的平移式抽油机，可较佳的解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

超长冲程抽油地面设备包括设在井口附近的塔架上的驱动机构，驱动机构包括电机、被电机驱动围绕旋转轴线转动的卷筒、位于旋转轴线一侧的天轮、卷绕在卷筒上并绕过天轮的柔性采油绳。卷筒沿旋转轴线方向相对于塔架是可移动的。

优选地，所述塔架的顶端设有固定支架，所述卷筒通过卷筒支架设在固定支架上，所述卷筒转动设在卷筒支架上，所述卷筒支架沿旋转轴向方向相对于固定支架可移动。

优选地，卷筒的外壁形成有螺旋状的供柔性采油绳至少部分地嵌入的绳槽，卷筒被电机驱动每转动一圈，被移动执行机构驱动沿旋转轴向方向移动一个绳槽的宽度。

优选地，所述移动执行机构包括：

位于所述卷筒支架外侧的驱动轮，所述驱动轮与所述卷筒同轴设置；

设在所述卷筒支架上的减速机，所述减速机的输入轴上设有通过传动件与所述驱动轮连接的被动轮，输出轴上设有齿轮；

设在所述固定支架上的齿条，所述齿条与所述齿轮啮合。

优选地，所述绳槽的间距为D(mm)，所述驱动轮与被动轮的速比为i1，所述减速机的速比为i2，所述齿轮的齿数是Z，所述齿条的齿距是d(mm)；所述移动执行机构被配置为符合D＝Z*d/(i1*i2)的参数设定关系。

优选地，所述天轮的数量为一个，所述卷筒可操作地被第一限制组件限制沿第一方向的转动；其中，所述第一方向为所述卷筒释放所述柔性采油绳的方向。

优选地，所述第一限制组件包括设在所述卷筒的第一端的第一棘轮以及转动设在所述卷筒支架上的第一棘爪；所述第一棘爪被配置为可操作地在第一释放位置与第一止转位置之间切换；所述第一棘爪被进一步配置为在处于所述第一释放位置时与所述第一棘轮脱离而使所述卷筒具有朝向所述第一方向转动的自由度，在处于所述第一止转位置时与所述第一棘轮配合而限制所述卷筒朝向所述第一方向的转动。

优选地，所述天轮的数量为两个，分别为位于所述旋转轴线两侧的第一天轮和第二天轮；所述柔性采油绳也为两个，分别为绕过所述第一天轮和第二天轮的第一柔性采油绳和第二柔性采油绳；其中，所述第一限制组件可操作地限制所述卷筒沿所述第一方向的转动以限制所述卷筒释放所述第一柔性采油绳；进一步地，所述卷筒可操作地被第二限制组件限制沿与所述第一方向相反的第二方向的转动；其中，所述第二方向为所述卷筒释放所述第二柔性采油绳的方向。

优选地，所述第二限制组件包括设在所述卷筒的第二端的第二棘轮以及转动设在所述卷筒支架上的第二棘爪；所述第二棘爪被配置为可操作地在第二释放位置与第二止转位置之间切换；所述第二棘爪被进一步配置为在处于所述第二释放位置时与所述第二棘轮脱离而使所述卷筒具有朝向所述第二方向转动的自由度，在处于所述第二止转位置时与所述第二棘轮配合而限制所述卷筒朝向所述第二方向的转动。

平移式抽油机包括如上述任一所述的超长冲程抽油地面设备，塔架被配置在位于采油井的井口附近，采油井内设有抽油泵，所述抽油泵与所述柔性采油绳连接。

本发明实施例的方案可避免柔性采油绳与转向天轮发生偏磨的问题，进而提高柔性采油绳的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例一的双机平移式抽油机的示意图；

图2为图1中超长冲程抽油地面设备的立体图；

图3为图2的侧视图；

图4为图2的俯视图；

图5为图2中卷筒的立体图；

图6为本发明实施例二的单机平移式抽油机的示意图；

图7为图6中超长冲程抽油地面设备的立体图；

图8为图7的侧视图；

图9为图7的俯视图。

具体实施方式

实施例一

如图2至图5所示，本发明实施例的超长冲程抽油地面设备包括设在井口附近的塔架300以及设在塔架300上的驱动机构400。其中，驱动机构400包括电机403、被电机403驱动围绕旋转线转动的卷筒404，以及位于旋转轴线两侧的第一天轮401和第二天轮402。

卷筒404的外壁被配置为包含沿旋转轴线方向分布的第一区域和第二区域，驱动机构400还包括卷绕在第一区域上的第一柔性采油绳405、以及卷绕在第二区域上的第二柔性采油绳406。第一柔性采油绳405和第二柔性采油绳406分别绕过第一天轮401和第二天轮402，以被第一天轮401和第二天轮402进行导向。

如图1所示，双机抽油机包括上述实施例的超长冲程抽油地面设备，塔架300被配置在位于第一采油井100和第二采油井200的井口之间。第一采油井100和第二采油井 200内分别设有第一抽油泵101和第二抽油泵202，第一抽油泵101和第二抽油泵202 分别与第一柔性采油绳405和第二柔性采油绳406连接。

在本实施例中，塔架300的顶端设有支撑卷筒404的固定支架600，卷筒404通过卷筒支架500可移动地设在固定支架600上，卷筒404转动设在卷筒支架500上。

如图4所示，卷筒支架500的底部设有支撑滚轮501，固定支架600设有供支撑滚轮501行走的轨道。籍此，使卷筒404实现顺滑的移动。进一步地，卷筒支架500的至少一侧还可设有导向滚轮502，用于与固定支架600上的导向轨配合，以对卷筒404的移动进行导向。

卷筒404的外壁形成有螺旋状的绳槽，以供柔性采油绳至少部分地嵌入，以保证柔性采油绳的稳定排布。沿旋转轴线方向，两套柔性采油绳405、406是间隔的。相应的，两个天轮401、402为沿旋转轴线方向也是间隔的。

卷筒404被移动执行机构700驱动而沿旋转轴向方向相对于固定支架600是可移动的。其中，电机403设有卷筒支架500沿旋转轴向方向的第一端的外侧，移动执行机构 700位于卷筒支架500沿旋转轴向方向之另一第二端的外侧。

如图1、图4和图5所示，移动执行机构700包括位于卷筒支架500的第二端外侧的驱动轮701、设在卷筒支架500上的传动组件702以及设在固定支架600上的齿条703。具体的，卷筒支架500包括沿旋转轴线方向排布的两个肋板503以及锁紧两个肋板503 的锁紧件504，卷筒404通过一转轴设在两个肋板503之间。电机403固定在其中一个肋板503外侧，转轴407的另一端延伸至另一个肋板503的外侧。

驱动轮701与卷筒404同轴设置，具体可以为驱动轮701与转轴407的另一端连接。因此，驱动轮701与卷筒404同步转动。传动组件702具有输入端子7021和输出端子 7022，输入端子7021上设有通过传动件706与驱动轮701连接的被动轮704，输出端子 7022上设有齿轮705，齿条703与齿轮705啮合。

在本实施例中，传动组件702可以是轴结构，则轴的两端分别构成所述输入端子7021和输出端子7022。但传动组件702优选的为减速机，则减速机的输入值和输出轴分别构成所述输入端子7021和输出端子7022。

驱动轮701和被动轮704可以为链轮，传动件706相应的为链条。当然，驱动轮701和被动轮704有可以为同步轮或带轮，则传动件706相应的为同步带和皮带。

这样，在电机403驱动卷筒404转动的过程中，驱动轮701被同步带动旋转，通过传动件706和传动组件702，驱动齿轮705旋转，进而借助齿轮705与齿条703的啮合左右，卷筒支架500被驱动沿直线运动，从而承载着卷筒404一起移动。

如此，通过一套动力总成，在驱动两套抽油机构抽油的同时，也可同时驱动卷筒404 发生平移运动，以使柔性采油绳405、406能够始终保持与天轮401、402的对齐而不避免发生偏磨。从而，在获得较高的采油效率的同时，最大限度的提高柔性采油绳405、 406的使用寿命。

应当理解，移动执行机构700不应以上述实施例为限。在其他的可选实施例中，移动执行机构700可为其他替代构造，例如滚珠丝杆、液压杆、电动伸缩杆等。

值得注意的是，为避免柔性采油绳405、406的偏磨，卷筒404被电机403驱动每转动一圈，移动执行机构700驱动其沿旋转轴向方向移动一个绳槽的宽度。这样，使得柔性采油绳405、406和卷筒404轴线的夹角始终维持在一个很小的角度，例如小于0.3°，甚至更小，亦或是0°。这样，最大限度的保证两套柔性采油绳405、406均始终能够与对应的天轮401、402保持对齐而不会由于出现偏角过大而导致偏磨。

当卷筒404被驱动沿第一方向L1(如图3所示意的逆时针)旋转时，移动执行机构700可通过驱动卷筒支架500而带动卷筒404沿水平的第一平移方向F1(如图5所示)移动。如下文描述，第一柔性采油绳405和第二柔性采油绳406被卷筒404驱动而具有相反的操作。假设在该情况下，第一柔性采油绳405被卷绕，第二柔性采油绳406 被释放，则第一柔性采油绳405的卷绕和第二柔性采油绳406的释放沿相同的第一平移方向F1进行。

同样的，当卷筒404被驱动沿与第一方向L1相反的第二方向L2(如图3所示意的顺时针)旋转时，移动执行机构700可通过驱动卷筒支架500而带动卷筒404沿水平的第二平移方向F2(如图5所示)移动。假设在该情况下，第一柔性采油绳405被释放，第二柔性采油绳406被卷绕。则第一柔性采油绳405的释放和第二柔性采油绳406的卷绕沿相同的第二平移方向F2进行。

如图3所示，位于塔架300顶端中部的驱动机构400在对左侧示意的柔性采油绳进行收卷而对右侧示意的柔性采油绳进行放卷时，整个驱动机构400沿着图中竖直示意方向同步移动，以保证左右两侧的柔性采油绳在与卷筒404的收卷或放卷接入点位置始终对准天轮的中心。

在本实施例中，卷筒404的绳槽间距为D(mm)，驱动轮701与被动轮704的速比为i1，减速机的速比为i2，齿轮705的齿数是Z，齿条703的齿距是d(mm)。如上述，移动执行机构700符合D＝Z*d/(i1*i2)的参数设定关系，可满足卷筒404的上述同步关系：卷筒404每转动一圈，柔性采油绳相对于卷筒404移动一个绳槽的距离D。

由上述，卷筒404的双向旋转，均可以实现采油作业。因此，出于设备维护等原因而需要采油作业中止时，需使卷筒404的双向旋转均为限制。有鉴于此，设有止转机构，用于可操作的限制卷筒404的转动。

如图1、图2、图4和图5所示，在一个可选的实施例中，止转机构包括限制卷筒 404沿第一方向L1转动的第一限制组件800，第一限制组件800包括设在卷筒404的第一端的第一棘轮801以及转动设在卷筒支架500上的第一棘爪802。

其中，第一棘爪802可操作地在第一释放位置与第一止转位置之间切换。当处于第一释放位置时，第一棘爪802与第一棘轮801脱离，卷筒404具有朝向第一方向L1转动的自由度。而处于第一止转位置时，第一棘爪802与第一棘轮801配合，卷筒404朝向第一方向L1的转动被限制。

同样的，止转机构还包括可操作地限制卷筒404沿第二方向L2转动的第二限制组件900，第二限制组件900包括设在卷筒404的第二端的第二棘轮901以及转动设在卷筒支架500上的第二棘爪902。

第二棘爪902可操作地在第二释放位置与第二止转位置之间切换。当处于第二释放位置时，第二棘爪902与第二棘轮901脱离，卷筒404具有朝向第二方向L2转动的自由度；而处于第二止转位置时，第二棘爪902第二棘轮901配合，卷筒404朝向第二方向L2的转动被限制。

以公告号为CN207999232U和CN304717482S为代表的第一已知实施例公开了双井采油方案。不过，这两个第一已知实施例中的卷筒为固定设置(即不能沿其旋转轴线方向移动)，且卷筒设在地面上。这样的设计，存在一系列不可调和的结构矛盾。

具体的，卷筒设在地面上，而两侧的天轮设在塔架的顶端，则卷筒的高度低于两侧的天轮。那么，两套柔性采油绳对卷筒施加向上的拉力，形成类似“拔萝卜”式的现象。这样，对卷筒与地面的固定强度提出很大的挑战，极容易出现长时间运行后由于卷筒与地面固定强度下降而导致卷筒被“拔起”而从地面脱离的问题。因此，该已知实施例的安全和可靠是一个很大的问题。

不过，即便如此，上述两个第一已知实施例也不会考虑将卷筒设在塔架顶端的设计。原因是：如公开号为CN111622717A的第二已知实施例在背景技术中的阐述，为保证柔性光杆在卷筒上正常地工作，必须保证柔性绳和转向天轮的中心轴线的偏角α很小，这就要求转向天轮到卷筒之间有一个比较长的距离。

由此可以得知，如果将上述两个第一已知实施例中的卷筒设置在塔架顶端，尽管可以解决卷筒出现“拔萝卜”现象。但是，会导致卷筒与两个转向天轮之间的距离较近，进而引发上述第二已知实施例所阐述的柔性绳偏角大、磨损严重的问题。

而与之相对的，本发明实施例可较佳的解决上述两个已知实施例的问题。

具体的，参阅图1和图3，在本实施例中，卷筒404设在塔架300的顶端，卷筒404 的最高点高于第一天轮401和第二天轮402的最高点，第一柔性采油绳405和第二柔性采油绳406经卷筒404的最高点被卷入或释放。

由于在发明实施例中的卷筒404可以通过轴向移动来消除柔性采油绳405的中心偏角，因此不必采用增大卷筒404与天轮401、402之间的距离这种传统的方案，这就为卷筒404设在塔架300顶端提供的条件，该设计可极大的减小整个采油机构的基础面积。

由于卷筒404设在塔架300顶端，再通过卷筒404为最高设置，使得两侧的柔性采油绳405、406以卷筒404的最高点为切点而卷入卷筒404或从卷筒404释放。这样，两侧的柔性采油绳405、406对卷筒404施加竖直向下的力，该竖直向下的力通过塔架 300最终作用在地面上。从而将整个地面设备牢牢的固定在地面上，系统结构的稳定性极佳。

值得注意的是，在本发明上述实施例的介绍中，两侧的柔性采油绳405、406均从卷筒404的最高点被卷入或释放。加之由于两套柔性采油绳405、406被同一个卷筒404 驱动，因此卷筒404在转动时对两套柔性采油绳405、406执行相反的操作。

具体而言，当卷筒404转动而卷绕第一柔性采油绳405时，则释放第二柔性采油绳406。与之对应的，第一抽油泵101处于上升冲程，而第二抽油泵202处于下降冲程。

同理，当卷筒404转动而释放第一柔性采油绳405时，则卷绕第二柔性采油绳406。与之对应的，第一抽油泵101处于下降冲程，而第二抽油泵202处于上升冲程。

相比于单井而言，本发明实施例的双井还具有更加的平衡负载的作用。如上述，两个抽油泵101、202均对卷筒404施加侧向力作用。虽然两个抽油泵101、202的冲程相反，其中处于上升冲程的抽油泵对卷筒404施加的侧向力大，而处于下降冲程的抽油泵对卷筒404施加的侧向力小，但处于下降冲程的抽油泵依然能够对卷筒404提供至少部分的侧向负载作用力的抵偿，这对卷筒404的负载平衡起到一定的增益作用，有利于卷筒404的结构稳定。

此外，采用上述卷筒404对一个柔性采油绳收卷而对另一个柔性采油绳释放的方案，由于一个抽油泵上升抽油时，另一个抽油泵下降，则该下降的抽油泵可间接作为电机403 的配重，进而在一定程度上辅助减小电机403的负载，因此卷筒404每次旋转，驱动卷筒404的马达403的综合做功小于单独的一个抽油泵做功的70％。从而，马达403输出功率较小，极大的降低了能耗。

此外，由于卷筒404驱动双机抽油，那么卷筒404不管朝哪个方向(L1、L2)旋转，均在抽油。也就是，马达403的正反转均在抽油做功，而不存在空转不抽油的情况。如此，抽油效率较高，在相同的能耗下，抽油量在增大，从而能耗利用率提高，相当于间接降低了能耗。

值得注意的是，当两个柔性采油绳均从卷筒404的最高点卷入或释放时，卷筒404并不限于上述的对两个柔性采油绳执行相反操作的实施例。实际中，当两个柔性采油绳都从卷筒404最高点卷入和释放时，两个柔性采油绳也可以是同时卷入和同时释放的，这取决于两个柔性采油绳于卷筒404的固定位置。

不过，需要强调的是，相比于该实施例，上文所述的卷筒404驱动一个柔性采油绳卷入而另一个柔性采油绳释放的实施例可明显降低旋转动力和能耗。

经现场实验验证，利用本发明实施例的双机超长冲程式抽油机，与传统的游梁式抽油机的数据对比如下：

双机游梁式抽油机

电机403功率：22Kw

冲程：3m

冲次：4n/min

日产液量：30t/d

日耗电量：309Kw·h

系统效率：11.3％

双机超长冲程抽油机

电机403功率：22Kw

冲程：46m

冲次：6n/h

日产液量：33t/d

日耗电量：42Kw·h

系统效率：44.6％

由上述对比可显而易见的看出，采用本发明实施例的方案，在获得极高的抽油效率提升的情况下，能耗得到极大程度的降低。

此外，本发明实施例的抽油地面设备具有占地面积小的优势，尤其适合平台井(即，一个平台可同时实现对多口井的开采)。具体而言，一般的游梁式抽油机包含基础块，占地面积较大。而本实施例的抽油地面设备的主要部件被塔架300架离地面，这样可以将面积或规格较大的固定支架500抬离地面。从而，占地的主要构造只有塔架300的支腿，大大降低了占地面积。

进一步地，本发明实施例的双机抽油机对双井的要求较低。具体而言，传统的一机双井的抽油机要求双井在同一个平面上，而本实施例的双机抽油机采用的柔性采油绳405、406具有一定的柔性，可适应双井的在水平面上的错位。因此，本实施例的双机抽油机度双井位置的要求相对宽松，从而具有更广的适用范围。

实施例二

如图6至图9所示，实施例二提供了一种单机模式的抽油机及其适配的地面设备。与实施例一的区别在于，在该实施例中，塔架300上配置了仅供一口井100的抽油而适用的一个天轮401和一套柔性采油绳405。

此外，在本实施例中，由于卷绕404仅用于卷绕一套柔性采油绳405，也就是卷绕404仅用于驱动一个抽油泵101。因此，本实施例中的止回机构仅需包含第一限制组件 800即可。

也就是，区别于实施例一需要对卷筒404进行双向旋转限制的方案而言，实施例二仅需对卷筒404进行单向旋转限制即可。

此外，针对如图1至图5所示意的双机式抽油机和如图6至图9所示意的单机式抽油机，还存在如下区别：

1、塔架300的支腿组数不同。尤其以图2和图3为例，双机式抽油机塔架300的支腿组数大于等于4组(可以是4组，也是4组以上例如5组)。由于双机存在的负载平衡的优势，每组支腿以垂直地面的方式竖直。而以图7和图8为例，单机式抽油机塔架300的支腿组数为3组，且靠近天轮401一侧的支腿以垂直地面的方式设置，而远离天轮401一侧的支腿以外扩的方式设置。

2、卷筒支架500的导向滚轮502的数量不同。双机式抽油机的卷筒支架500包含8个滚轮，即2组支撑滚轮501和2组导向滚轮502，分别设在卷筒支架500的左右两侧。这是由于双机式抽油机需要两侧抽油，负载较为均衡。而单机式抽油机的卷筒支架500 包含6个滚轮，即2组支撑滚轮501和1组导向滚轮502。如图7所示，该1组导向滚轮502设在靠近天轮401的一侧，这是由于单机式抽油机只能一侧抽油，负载偏置。