[发明专利]人工提升机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种形式的意欲驱动往复泵来从深的钻井或矿井中提升液体的机构。

背景技术

在“油矿泵”机构中，位于钻井或矿井(可能数千米深)底部的活塞和非回流阀单元通过长钢杆与在地表的驱动机构总体连接，其中长钢杆按节段装配并螺接在一起，称为杆柱(rod string)。杆柱顶端的节段——通过压力密封从钻井浮现的节段——必要地具有较高的表面光洁性，称为抛光杆。该抛光杆与构成此文所描述的本发明的往复机构直接连接。

构建具有锤形端部的振荡水平梁形式的这种机构长久以来是公知的，其中在锤形端部缠绕有链或缆索，抽运管柱自所述缆索悬挂下来。存在其它更复杂的机构，其中，例如，抛光杆自滑轮或传送带悬挂下来，并且其中滑轮或传送带通过绞盘(winch)机构的旋转和反向旋转被提高或放低。然而，往复梁或“点头驴(nodding donkey)”一直是最流行的用于移动杆柱的装置。自从十八世纪以来，一直使用往复梁来从矿井中抽水。

往复梁单元的电力端一直以来或者被线性致动器驱动，类似于早期的蒸汽发动机设计(Atmospheric或Newcomen发动机)，或者被曲柄机构驱动，线性致动器或曲柄机构驱动又被转式发动机驱动，例如电机、汽油机、煤气机或柴油机。这些发动机输出扭矩低，必需提供重型变速箱来降低转度、增加用来移动横梁的曲柄的扭矩。

应理解将位于钻井顶部的驱动机构与位于钻井底部的泵连接的长刚杆具有数吨的重量，其也必须由横梁支持。为了增强机构的效率，该重量必须被平衡。尽管近来的一些机构使用了气体弹簧(是以气压缸作为横梁负载端之下的“支撑体”的形式)，然而配重力(counterbalancingforece)为偏心重量的形式更通用，连接到驱动振荡横梁的曲柄机构的杆轴上。

从最早时期，抽运行程(pumping stroke)传统上约为十英尺(两三米)，抽运频率一分钟约5(1到10之间)行程。应理解，传统选择一直是由相关的大质量和将在部件上放置高压并对“点头驴”机构的轴承造成严重磨损的设备的非对称作用确定的。

传统机器具有许多可动部件，需要一年运转365天、一天运转24小时持续数年，因此，将会理解，需要定期检查、上润滑油、保养与修理。

进一步会理解，抽运机构在过去一直是仅针对它们的机械功能而设计。它们的设计方法一直是整体关注于提供一种在杆轴内提升和放下长杆柱的可靠方法，其中液体通过杆轴在泵的上行程自身提升。在这种机构的设计中，对感测抽运运行的效率的构件或对可以强烈影响抽运装置的载荷的特定情况的反应的构件没有给予重要关注。例如，现有技术的该机构在其自身之内通常不包括感测和对诸如干井、断杆柱或卡阀(stuckvalve)等情况适当反应的能力。这种情况仅仅在例行检查和维护时才能被发现或诊断出，并且在发现前该未处理情况不仅会失去输出，而且一直是对抽运机构造成严重损坏的原因。

近年来，已经设计了各种可替代系统，其中一些使用直接应用的液力来提升和降低抛光杆。其它可替代方案建议使用直接作用的线性电机，尽管它们中没有已经在商业上取得成功的。

例证是被1999年10月5日授权的第5,960,875号美国专利(Elf探测产品)中公开的这些建议。该文献描述了一种机构，通过该机构油泵的活塞(深置于钻孔中并接近钻井底部)被构造成与线性感应电机的鼓形电枢相结合。应该理解，为了被降低到钻井的钻孔中，电枢的外直径必需被限制到仅几英寸。第5,960,875号美国专利建议，结合的活塞和电枢应该通过周围的圆柱形线圈组被所述电枢中感应的力垂直上下驱动，并且由于它们还必需被降低进入钻孔中，所述圆柱形动力线圈也必须具有略大于活塞的外直径的外直径。

遗憾的是，所建议的线性电机的设计超出了任何公知的技术。必需由泵的每一上行程提高的油的重量是数吨，从而必需由小直径电磁活塞产生的力必需是数万牛顿。但这时没有这种具有合理长度、效率和成本的小直径电机能够被构造来满足人工提升机构的要求，并且满足油料业务的安全要求。因而该发明在商业实现上不切实际的。