[发明专利]球与阀座组件及利用此种阀组件的井下泵

说明书

本发明涉及阀与泵。另一方面，本发明涉及球与阀座以及利用所述阀的泵。在又另一方面，本发明涉及到这样的球与阀座，它利用活塞机构从此座上使球移位，还涉及到利用此种阀的井下泵。

在由地下构造生产烃时，最好是此地下构造的压力能将烃产生于或迫使其到地面。不幸的是，某些构造的压力，最初可能低到不能对其开采，或可能在烃从地下构造产生出时下降到上述水平。结果必须求助用泵来开采这一构造。

在石油开采工艺中最普遍的情形是，产油井利用所谓的“抽油杆”将油从地下构造提升到地面。抽油缸泵一般为杆式泵或管式泵。管式泵构造成使得筒组件是油管组的一部分，同时使得柱塞组件成为钻杆组的一部分。但是杆式泵则具有固定的筒游动的活塞型，其中的筒组件则是楔入管底的支座突起内，由此而提供一密封点。

一般地说，杆式泵是往复式泵，它通常固定于钻杆组的最下端，此钻杆组沿纵向从地面上一往复运动装置处通过井孔。地面上的这种往复运动装置通常是马头型的设备，交替地升降着井孔中的钻杆组。

杆式泵本身通常包括一机壳，而活塞即为抽油杆连接件带动通过机壳往复运动。这种杆在它的最简形式中一般包括多个球与阀座，以一个这样的阀设于活塞中而以另一个设于机壳的入口中。在此活塞的上行程中，入口阀(“固定阀”)中的球从它的座上拉开，而出口阀(“游动阀”)则强制在其座上从上述支座突起之下和机壳之内抽出流体。在活塞的下行程中，固定阀中的球强制在其座上，而游动阀中的球则从其座上移离开，允许活塞向下通过机壳所含的流体中。在继后的上行程中，游动阀关闭，迫使活塞上方的流体通过出口流出机壳而进入泵上方的管内，同时以流体充填活塞下方的机壳。重复这样的循环，最后充满油管组而使流体流到地面。

杆式泵遇到的一个问题是球与阀座的磨损。许多地质结构中产生的流体含有细小的磨料粒例如砂，它们堆积于球与座之间，磨损着阀部件。经一定时间之后，阀的密封效率便会降低到必须将泵卸下修复或更换。在某些井中，当产品流体特别具有砂性或侵蚀性时，这些泵就必须按频繁的间隔更换。显然，将泵卸除、修复或更换以及在此修复或更换过程中因损失生产时间而带来的经济损失，会成为显著增加费用的因素。

与这种常规的球与阀式水下油田泵有关的另一个问题，一般称之为“气塞”。在这类泵中，油管组中的流体排出压力在活塞的上行程时由游动阀保持，在活塞的下行程中由下部的固定阀保持。游动阀的下行程在游动阀与固定阀之间的流体上蓄积压力，促使游动阀打开使流通过游动阀之上。但在生产油与气两者的井中，游动阀与固定阀之间的室中常常为天然气充满，而由于这种气体的可压缩性，游动阀的下行程就未必在游动阀下的室中蓄积充分的压力，足以向上作用到游动阀的球上来克服向下作用到游动阀的球上的在游动阀上方的流体柱的巨大压力，使得游动阀的球在下行程中保持于关闭的坐定位置。这样，固定阀与游动阀之间的气体便只是随着泵的各个行程压缩与膨胀，使泵产生所谓“气塞”式的操作失效。这种状态短时间后可以纠正或可以无限制地继续下去。

与这种球与阀塞水下油由泵有关的又一个问题是一般称之为“流体拥塞”的问题。流体拥塞发生在泵于上冲程中未完全为液体充满时，导致在游动阀与固定阀之间泵室的上部中形成低压气顶。在相续的下行程中，游动阀保持关闭，直至它与流体碰触上时。长期以来，都感到有需要来解决上述与这种传统的球与阀水下油田泵有关的问题，为企图解决一或多个上述问题已提供了充分的技术。

1926年5月18日分颁发给Hubbard的美国专利1585544号讨论了“气锤”问题，提出了应用安装于固定阀上的杆，在游动阀移向固定阀时来碰撞游动阀的球。但是，当这一抽油杆膨胀或收缩时，游动阀有可能接触不到此杆，或有可能延伸到超过此杆而使阀受损。

1987年9月8日颁发给Horton的美国专利4691735号公开了一种用于油井泵的游动阀，它包括在其下的一个活塞，可将游动阀球提升到游动阀座之上。在下行程时，压力蓄积于固定阀和活塞之间，迫使上活塞向上升举该球。但是由于受固定阀与活塞间压力影响的活塞横剖面积等于游动阀座的横剖面积，Horton的这套装置没有提供机械效益。于是，Horton受到与传统游动阀同等程度的“气塞”的影响。此外，Horton的游动阀与杆组件不是安装在活塞的底部之下，因而必须用强度足以经受泵的作业严酷条件影响的材料制作。