專利名稱：排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種煤層氣井或其它產(chǎn)水氣井進(jìn)行排水采氣的模擬裝置，適用于 有桿排采工藝系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，現(xiàn)有的模擬實(shí)驗(yàn)裝置是由動(dòng)力機(jī)、抽油機(jī)、油管、抽油桿和抽油泵組成的有 桿設(shè)備，用于油井的液體舉升，實(shí)驗(yàn)時(shí)，向抽油桿和油管組成的環(huán)空中注入一定量的液體， 啟動(dòng)動(dòng)力裝置，通過抽油機(jī)將動(dòng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成懸點(diǎn)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以此近似模 擬油井開采中的井下狀況，完成井液流速、固粒沉降和桿管受力情況的測試與分析工作。但 是，這些模擬裝置沒有提供油管與套管組成的另外一個(gè)環(huán)行空間，不能模擬桿管環(huán)空排水， 同時(shí)油套環(huán)空出氣的排采狀況，因此并不適合產(chǎn)水氣井的實(shí)驗(yàn)?zāi)M；而且，只能向桿管環(huán)空 中注入定量的液體，而實(shí)際井的桿管環(huán)空充滿井液，其外的油套環(huán)空中也存在一定沉沒度 的液體，且沉沒度的高度隨排采的進(jìn)行而不斷變化；同時(shí)，桿柱和管柱通常僅為1 :3m，無 法完成對動(dòng)液面和沉沒度高度變化的模擬；另外，抽油機(jī)的沖次一定，無法連續(xù)調(diào)整，而實(shí) 際開采中排液量不斷變化，需要實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，以滿足排液要求。
實(shí)用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的有桿舉升模擬實(shí)驗(yàn)裝置的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種排 水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置，該模擬裝置不僅能提供桿管環(huán)空排水，水套環(huán)空出氣，沉沒度在一定 高度內(nèi)和排液量在一定范圍內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)排液量、動(dòng)液面、井壓、 井液成份和桿件受力實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及沖次在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的實(shí)驗(yàn)要求。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是開發(fā)一種桿柱和管柱的高度為 30m，排液量在3 30m3/d，具有排量、壓力、含氣量和含煤粉計(jì)量系統(tǒng)的排水采氣模擬實(shí)驗(yàn) 裝置，包括螺旋錐齒輪減速機(jī)、抽水機(jī)、井口裝置、儲水裝置、檢測裝置、套管柱、水管柱、排 采桿柱和排采泵。用水管柱把排采泵的泵筒下到井內(nèi)動(dòng)液面以下，泵筒下部裝有只能向上 打開的固定閥，用排采桿柱把柱塞從水管柱內(nèi)下入泵筒，柱塞上裝有只能向上打開的游動(dòng) 閥。在減速機(jī)的一側(cè)安裝由單曲柄、單連桿、游梁和支架順序聯(lián)接組成的四桿機(jī)構(gòu)，游梁通 過游梁支撐作用在支架上，并通過驢頭連接驅(qū)動(dòng)井口光桿，實(shí)現(xiàn)懸點(diǎn)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，光桿 位于排采桿柱的最上端，通過井口裝置懸掛在驢頭上，用排采桿柱帶動(dòng)排采泵的柱塞運(yùn)動(dòng)， 井中的液體流經(jīng)排采桿柱和水管柱間的桿管環(huán)形空間舉升至井口，而氣體在壓差的作用下 從水管柱和套管柱間的水套環(huán)形空間中排出。抽水機(jī)是地面驅(qū)動(dòng)裝置的主體，用來把動(dòng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榕挪蓷U柱的往復(fù)運(yùn) 動(dòng)。根據(jù)煤層氣井不同運(yùn)行狀況和沖程的要求，對抽水機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以 滿足不同工況的需要。抽水機(jī)采用復(fù)合平衡的方式，曲柄平衡采用單曲柄結(jié)構(gòu)，整個(gè)柄體由 生鐵鑄造而成，平衡重的位置可連續(xù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)抽水機(jī)的較好平衡；游梁平衡采用可調(diào)式的 結(jié)構(gòu)，平衡重采用分體式結(jié)構(gòu)，即整個(gè)平衡重是由數(shù)個(gè)鑄造而成的單體平衡塊組成，并依靠兩個(gè)貫穿所有平衡塊的長螺栓固定于游梁尾部，在進(jìn)行平衡調(diào)整時(shí)，只需要增加或減少平 衡塊的數(shù)量，即可使抽水機(jī)處在較好的平衡狀態(tài)，對實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減輕工人調(diào)平衡塊勞動(dòng)強(qiáng) 度有較大意義。抽水機(jī)的曲柄通過曲柄銷與連桿聯(lián)接，連桿采用槽鋼結(jié)構(gòu)，并通過橫梁支撐 與游梁聯(lián)接在一起；橫梁支撐采用對開式二螺旋正滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，由軸承蓋、軸承座、剖分 軸瓦和聯(lián)接螺栓所組成，具有較好的潤滑性能，替代了目前較復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)形式；游梁主 體采用工字鋼結(jié)構(gòu)，驢頭主體由槽鋼焊接而成，可進(jìn)一步簡化抽水機(jī)的結(jié)構(gòu)；游梁通過游梁 支撐作用在支架上，支架的前腿和后腿以及橫撐和斜撐均采用角鋼焊接而成，結(jié)構(gòu)簡單。抽 水機(jī)的底座設(shè)計(jì)有導(dǎo)軌裝置，該導(dǎo)軌由三塊鋼板焊接而成，三塊鋼板構(gòu)成一個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)，與 底座主體所用工字鋼的低端面配合在一起；同時(shí)，底座的一端設(shè)計(jì)有螺桿和手柄，螺桿采用 梯形螺紋結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)手柄而使底座產(chǎn)生沿導(dǎo)軌方向的軸向運(yùn)動(dòng)，便于修井作業(yè)時(shí)，抽水 機(jī)讓出井口位置。動(dòng)力機(jī)為抽水機(jī)提供動(dòng)力，采用螺旋錐齒輪減速機(jī)作為抽水機(jī)的動(dòng)力機(jī)及無極變 速傳動(dòng)系統(tǒng)，減速機(jī)的一側(cè)安裝有單曲柄和單連桿結(jié)構(gòu)，并通過由槽鋼焊接而成的框架結(jié) 構(gòu)固定在抽水機(jī)的底座上。該減速機(jī)將電動(dòng)機(jī)、調(diào)速器和減速器集成在一起，其調(diào)速器上設(shè) 計(jì)調(diào)速手柄，通過旋轉(zhuǎn)手柄，實(shí)現(xiàn)沖次在較大傳動(dòng)比范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)整。而且，減速機(jī)的輸 出力矩依據(jù)所調(diào)整沖次的大小而變化，可滿足小型抽水機(jī)輸出力矩的需要。井口裝置自上而下依次由密封盒、三通、水管頭、四通、套管頭和井口支撐連接而 成。井口支撐上下兩端均設(shè)計(jì)有圓盤狀法蘭，通過地腳螺栓固定在地面上。套管頭采用塑 料材質(zhì)的雙片法蘭，用來實(shí)現(xiàn)套管柱頂端的固定，套管頭通過雙頭螺栓與四通和井口支撐 聯(lián)接在一起。三通的端口與出水管連接，而四通的一個(gè)端口與進(jìn)水管連接，另一端口與出氣 管連接，也可與入氣管連接。水管頭用來實(shí)現(xiàn)水管柱頂端的固定，與三通和四通的兩端均采 用雙片法蘭結(jié)構(gòu)，并通過螺栓聯(lián)接在一起。密封盒包括壓蓋、密封腔和底板三個(gè)部分，其外 端均設(shè)計(jì)有法蘭盤結(jié)構(gòu)，壓蓋與密封腔間通過螺栓聯(lián)接，通過調(diào)節(jié)螺栓軸向移動(dòng)壓蓋，來壓 緊密封腔中盤根，實(shí)現(xiàn)井口裝置與光桿的密封；盤根采用新舊普通V帶均可，繞光桿螺旋纏 繞，置入密封腔。實(shí)驗(yàn)中，井中的液體通過桿管環(huán)空的輸送，從三通的端口排出，進(jìn)入儲水罐 儲存，然后通過四通的一個(gè)端口向水套環(huán)空中注入等體積相同成分的井液，及時(shí)補(bǔ)充排出 的井液，由此實(shí)現(xiàn)井液的循環(huán)利用，保持一定的沉沒度，且動(dòng)液面高度不變，四通的另一個(gè) 端口用于排出和補(bǔ)充水套環(huán)空中的氣體，并安裝有壓力計(jì)，實(shí)時(shí)測量井口壓力值。套管頭、 四通、水管頭和三通間均安裝3 5mm厚的墊片實(shí)現(xiàn)密封，并方便管柱長度冗余時(shí)進(jìn)行調(diào) 整。儲水裝置用來儲存井液并及時(shí)向井中補(bǔ)充井液，包括儲水罐、罐底座、進(jìn)水管、出 水管和水閥幾部分。儲水罐由鋼板焊接而成，中間部分用角鋼圓周焊的方式進(jìn)行加固，罐底 座的主體采用槽鋼，并用地腳螺栓固定在地面上。出水管和進(jìn)水管由水管、變徑接頭、90° 彎頭和三通連接而成，出水管的一端與儲水罐連接，另一端與井口三通連接，而進(jìn)水管的一 端與儲水罐連接，另一端則與井口四通連接。出水管和進(jìn)水管上均安裝有水閥，用于控制液 體流速，進(jìn)而模擬井中排液量的變化，另外，改變進(jìn)水管和出水管中的井液流速，可調(diào)整水 套環(huán)空中的動(dòng)液面高度。排采桿柱用于抽水機(jī)和井下排采泵之間的聯(lián)接，包括光桿、排采桿、接箍和變徑 短接桿四部分。排采桿采用實(shí)心圓形斷面的鋼桿，兩端加工有外螺紋接頭、卸載槽和扳手方頸，外螺紋接頭采用普通螺紋，用來與接箍相聯(lián)接；卸載槽形狀與退刀槽相同，用來減輕 由于螺紋和截面變化引起的應(yīng)力集中；扳手方頸由兩個(gè)平行扳手平面構(gòu)成，在裝卸排采桿 時(shí)，用來卡住排采桿。光桿是排采桿柱上部一根特殊的排采桿，其結(jié)構(gòu)與尺寸與排采桿相 同，但需要進(jìn)行精密加工，其表面拋光處理，桿體表面粗糙度不大于3. 2 μ m，沒有深度大于 0. 15mm的橫向缺陷和縱向缺陷，桿體上任意305mm長度內(nèi)的直線度偏差不得大于1. 5mm,以 實(shí)現(xiàn)與井口密封盒的配合，密封井口。接箍采用圓環(huán)形斷面的鋼管，管外壁帶扳手方頸，內(nèi) 壁加工有內(nèi)螺紋，與光桿和排采桿的外螺紋接頭相配合。變徑短接桿兩端加工有不同尺寸 的外螺紋接頭，其上端與排采桿柱下部的接箍聯(lián)接，下端與排采泵的柱塞聯(lián)接。水管柱與排采桿柱組成桿管環(huán)形空間，用來輸送液體，進(jìn)行排水，包括水管、上接 頭、下接頭、尾管、本體和底部端蓋幾部分。水管、上接頭和下接頭均采用透明塑料，上接頭 和下接頭通過螺紋聯(lián)接在一起后，兩端再與水管連接；尾管貫穿于本體的腔體中，其上端與 泵筒和水管柱的下部順次聯(lián)接，下端通過銷軸與底部端蓋和本體錨定在一起，管壁上加工 有不同直徑的篩孔，便于井液攜帶不同大小的固體顆粒穿過；本體位于水管柱的最下面，兩 端采用法蘭盤結(jié)構(gòu)，上端通過雙頭螺紋固定在底座上，并用墊片實(shí)現(xiàn)密封；底部端蓋上端采 用柱狀結(jié)構(gòu)，置入尾管內(nèi)壁中，端蓋上端加工有五個(gè)環(huán)形溝槽，用來放置〇形橡膠密封圈， 實(shí)現(xiàn)井底尾管的密封，端蓋下端為法蘭盤結(jié)構(gòu)，通過螺栓與本體底部聯(lián)接在一起，并用墊片 實(shí)現(xiàn)密封。套管柱與水管柱構(gòu)成水套環(huán)形空間，套管柱包括套管、由令、井底三通和密封盒四 部分。套管采用透明塑料管，通過由令連接在一起；井底三通位于套管柱的底部，其端口與 入氣管連接，上端通過螺栓與套管柱聯(lián)接，下端通過雙片法蘭與密封盒的密封底板和密封 本體聯(lián)接，并用墊片實(shí)現(xiàn)密封，在砂、煤粉和煤矸石等造成井底發(fā)生堵塞時(shí)，可從井底三通 的端口清理出淤積的固體顆粒；密封盒包括襯套、密封本體、密封盤根和密封底板，套管柱 底部密封盒的密封盤根從尾管的底端置入密封腔中，采用矩形密封圈，其獨(dú)特的截面形狀， 使其具有良好的工作性能和徑向補(bǔ)償能力；襯套采用柱狀結(jié)構(gòu)，從尾管的底端置入密封腔 中，擠壓襯套，壓緊密封盤根，實(shí)現(xiàn)井底套管與水管間的密封；密封底板上加工有一個(gè)環(huán)形 溝槽，放置〇形橡膠密封圈，進(jìn)一步加強(qiáng)三通端面與密封盒之間的密封；密封底板和密封本 體的兩端均采用圓盤狀法蘭，密封本體的下端通過雙頭螺栓與底板聯(lián)接；底板通過由槽鋼 焊接而成的框架結(jié)構(gòu)固定在井底的端面上。實(shí)驗(yàn)中，水套環(huán)形空間的物性分布從上至下依 次為氣柱段、氣水兩相液柱段和水柱段三段，桿管環(huán)形空間產(chǎn)出水的同時(shí)，水套環(huán)形空間中 生產(chǎn)氣體。排采泵由泵筒總成、柱塞總成和固定閥總成組成。泵筒總成包括水管接箍、加長短 節(jié)、泵筒和泵筒接箍，水管接箍和泵筒接箍采用圓環(huán)形斷面的鋼管，內(nèi)壁加工有內(nèi)螺紋，水 管接箍直接連接在井下水管柱的下端，把排采泵固定在水管柱上；而泵筒接箍上端與加長 短節(jié)聯(lián)接并密封，下端與泵筒聯(lián)接并密封；泵筒兩端帶有外螺紋，內(nèi)壁表面電鍍，然后精密 加工，耐磨、耐腐蝕性好，并與柱塞高精度配合；加長短節(jié)上下各一件，分別聯(lián)接在兩端的泵 筒接箍上。柱塞總成包括柱塞和游動(dòng)閥總成；其中，游動(dòng)閥總成位于柱塞上端，包括游動(dòng)閥 罩、游動(dòng)閥球與閥座；游動(dòng)閥罩通過兩端的螺紋，上部與變徑短接桿聯(lián)接，下部與柱塞聯(lián)接， 閥罩內(nèi)部安裝游動(dòng)閥球與閥座，游動(dòng)閥球與閥座的密封性要求高；實(shí)驗(yàn)中，該游動(dòng)閥只能向 上打開，以便將泵筒中柱塞下部的井液及時(shí)排入桿管環(huán)空中。固定閥總成位于泵筒的下端，包括固定閥罩、固定閥球和閥座，固定閥罩由鎖緊裝置將其固定，固定閥球和閥座置入固定 閥罩內(nèi)，二者之間的密封性要求高，實(shí)驗(yàn)中，該固定閥只能向上打開，以保證水套環(huán)形空間 中的液體流經(jīng)尾管進(jìn)入泵筒中。檢測裝置用來完成實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析與處理。在抽水機(jī)的各桿件和排 采桿柱的上端貼上無線動(dòng)態(tài)應(yīng)力儀的應(yīng)變片，測試桿件受力，采用無線動(dòng)態(tài)應(yīng)力、加速度測 試儀，測量抽水機(jī)負(fù)荷與位移、桿件應(yīng)力與應(yīng)變和曲柄軸扭矩等，以便完善有桿泵設(shè)備的設(shè) 計(jì)與計(jì)算；將電流互感器卡住減速機(jī)的電源線，用游梁式抽水機(jī)分節(jié)點(diǎn)效率分析與平衡狀 態(tài)測試儀，測試各節(jié)點(diǎn)效率、平衡重調(diào)整和電機(jī)功率等；采用激光測距儀和轉(zhuǎn)速表，測量懸 點(diǎn)與柱塞的位移和速度，檢驗(yàn)設(shè)備動(dòng)力學(xué)性能；在井口裝置的四通端口和井底三通端口處， 安裝壓力變送器，測量井口和井底壓力值，檢測壓力與產(chǎn)能的變化關(guān)系；在儲水裝置的進(jìn)水 管上安裝電磁流量計(jì)，測量管中液體流速和排液量；液位變送器安裝在水套環(huán)空中動(dòng)液面 以下的井底處，測量液位，監(jiān)控動(dòng)液面和沉沒度的變化；數(shù)據(jù)采集器和單輸入通道儀表通過 串口，一端與檢測設(shè)備連接，另一端與計(jì)算機(jī)連接，通過檢測設(shè)備測試采集到的所有數(shù)據(jù)， 均由數(shù)據(jù)采集器和單輸入通道儀表及時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，在對數(shù)據(jù)作分析和反饋后，進(jìn)行相應(yīng) 的處理。本實(shí)用新型的有益效果是，采用排采桿柱、水管柱和套管柱，提供兩個(gè)環(huán)形空間， 實(shí)現(xiàn)桿管環(huán)空排水的同時(shí)，水套環(huán)空出氣的現(xiàn)場模擬；水套環(huán)空中自上而下的氣柱、氣水 兩相液柱和水柱的物性分布現(xiàn)場模擬，可完成兩相流中氣體充分分離時(shí)間與條件的試驗(yàn)研 究；采用螺旋錐齒輪減速機(jī)構(gòu)成的無極變速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)較大傳動(dòng)比和沖次連續(xù)可調(diào)，結(jié) 合電磁流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)排液量實(shí)時(shí)測量和在3 30m3/d任意調(diào)整的低排量現(xiàn)場模擬，完成砂、 煤粉和煤焦的運(yùn)動(dòng)特性和排出條件的試驗(yàn)研究；管柱總高度30m，通過液位變送器，實(shí)現(xiàn)水 套環(huán)空中動(dòng)液面的實(shí)時(shí)測量和沉沒度在0 20m范圍內(nèi)任意調(diào)整的現(xiàn)場模擬，完成低沉沒 度下泵閥開啟條件的試驗(yàn)研究；安裝壓力變送器，實(shí)時(shí)測量井口壓力和井底壓力，完成產(chǎn)能 隨壓力變化的氣井動(dòng)態(tài)分析試驗(yàn)研究；采用無線動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試儀和激光測距儀，完成懸點(diǎn) 負(fù)荷、桿件應(yīng)力與應(yīng)變和懸點(diǎn)與柱塞位移的實(shí)時(shí)測量；采用自行研制游梁式抽水機(jī)分節(jié)點(diǎn) 效率分析與平衡狀態(tài)測試儀，完成模擬裝置各節(jié)點(diǎn)效率、平衡重調(diào)整和電機(jī)功率的實(shí)時(shí)測 試；游梁平衡重采用分體式結(jié)構(gòu)，曲柄平衡重位置可連續(xù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)抽水機(jī)的較好平衡，并 且底座上設(shè)計(jì)有導(dǎo)軌和旋轉(zhuǎn)螺桿，方便整機(jī)移動(dòng)，以便修井時(shí)讓出井口位置；采用集成的傳 動(dòng)系統(tǒng)，以及單曲柄、單連桿和滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，使整機(jī)尺寸和占地面積減小，節(jié)約成本。以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明


圖1是根據(jù)本實(shí)用新型所提出的排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置的典型結(jié)構(gòu)主視圖。圖2是根據(jù)本實(shí)用新型所提出的排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置的典型結(jié)構(gòu)俯視圖。圖3是排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置中抽水機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置中井口裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置中井底總成的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-排采泵，2-套管柱，3-水管柱，4-排采桿柱，5-井口裝置，6-檢測裝置， 7-儲水裝置，8-抽水機(jī)，9-減速機(jī)，10-支架，11-懸繩器，12-驢頭，13-游梁，14-游梁平衡重，15-橫梁支撐，16-連桿，17-曲柄，18-減速機(jī)底座，19-底座，20-導(dǎo)軌，21-壓蓋，22-密 封腔，23-底板，24-三通，25-雙片法蘭，26-水管頭，27-四通，28-壓力變送器，29-套管頭， 30-井口支撐，31-泵筒，32-泵筒接箍，33-加長短節(jié)，34-水管接箍，35-水管，36-下接頭， 37-上接頭，38-套管，39-排采桿，40-接箍，41-由令，42-變徑短接桿，43-游動(dòng)閥總成， 44-柱塞，45-固定閥總成，46-井底三通，47-尾管，48-密封盤根，49-密封本體，50-襯套， 51-底板，52-本體，53-底部端蓋。
具體實(shí)施方式
在
圖1中，排采桿柱4、水管柱3和套管柱2由里而外依次排列，用水管柱3把排采 泵1的泵筒下到井內(nèi)動(dòng)液面以下，用排采桿柱4把柱塞從水管柱內(nèi)下入泵筒，水管柱從套管 柱2內(nèi)下入，形成水套環(huán)形空間，用于模擬氣水兩相流，進(jìn)行采氣，排采桿柱從水管柱內(nèi)下 入，形成桿管環(huán)形空間，用來輸送井液，排采桿柱上端的光桿通過井口裝置5懸掛在抽水機(jī) 8的驢頭上，借助于抽水機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)，把減速機(jī)9的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)閼尹c(diǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。動(dòng) 力從地面經(jīng)排采桿柱4傳到井下，排采泵1的柱塞在桿柱的帶動(dòng)下作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而將井中 的液體經(jīng)由桿管環(huán)空輸送至井口的三通，然后通過儲水裝置7的出水管輸送至儲水罐中儲 存，并通過儲水罐及時(shí)向井中補(bǔ)充井液，液體經(jīng)由進(jìn)水管輸送至井口的四通，進(jìn)入水套環(huán)空 中，再經(jīng)由尾管和泵柱塞進(jìn)入桿管環(huán)空，由此實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)中井液的循環(huán)利用和井下動(dòng)液 面的相對穩(wěn)定。另外，減速機(jī)將電動(dòng)機(jī)、調(diào)速器和減速器集成在一起，保證實(shí)驗(yàn)中沖次在較 大傳動(dòng)比范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)整；無線動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試儀、激光測距儀、壓力變送器、電磁流量計(jì)、 液位變送器、數(shù)據(jù)采集器等檢測裝置6保證實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析與處理。在
圖1中，修井作業(yè)或者更換水管和排采泵型號時(shí)，應(yīng)首先關(guān)閉減速機(jī)9的電源， 將井下水套環(huán)形空間中的氣體抽出，井中的液體從井底三通46的端口排出，卸掉井中原有 的壓力；然后從懸繩器11上卸下排采桿柱4 ；接著，松開抽水機(jī)底座19上的地腳螺栓，通過 手柄旋轉(zhuǎn)螺桿，使抽水機(jī)沿著導(dǎo)軌20運(yùn)動(dòng)一段距離，讓出井口位置；最后，松開井口裝置5 中密封盒與三通M聯(lián)接的螺栓，并取下密封盒。在圖3中，減速機(jī)9驅(qū)動(dòng)抽水機(jī)8，在減速機(jī)的一側(cè)安裝單曲柄17、單連桿16和含 滑動(dòng)軸承的橫梁支撐15，曲柄17通過曲柄銷與連桿16下端聯(lián)接，連桿上端與橫梁支撐15 聯(lián)接在一起，單曲柄17、單連桿16、游梁13和支架10順序聯(lián)接組成抽水機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)，游 梁通過驢頭12和懸繩器11連接并驅(qū)動(dòng)井口排采桿柱，實(shí)現(xiàn)懸點(diǎn)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。各構(gòu)件 的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用游梁平衡與曲柄平衡的復(fù)合平衡形式，游梁平衡重14采用 分體式結(jié)構(gòu)，且曲柄平衡重位置可連續(xù)調(diào)整，由此使抽水機(jī)達(dá)到較好的平衡狀態(tài)。該抽水 機(jī)通過曲柄孔的選擇，進(jìn)行沖程調(diào)整，通過減速機(jī)調(diào)整沖次，可實(shí)現(xiàn)沖程的有級、沖次的較 大范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。減速機(jī)通過減速機(jī)底座18固定在抽水機(jī)底座19上，橫梁支撐15用 來聯(lián)接連桿和游梁，采用對開式二螺旋正滑動(dòng)軸承，通過軸承蓋上的油杯潤滑軸承，底座19 上設(shè)計(jì)有導(dǎo)軌20，通過手柄旋轉(zhuǎn)螺桿，即可方便地移動(dòng)整個(gè)抽水機(jī)。支架10可采用前部兩 腿和后部兩腿的四腿形式固定在底座19上，也可以采用前部單腿和后部兩腿的三腿形式 固定在底座上，整體布局較為方便，穩(wěn)定性好。在圖4中，密封盒位于井口裝置5的最上端，由壓蓋21、密封腔22和底板23組成， 材料選用45鋼，壓蓋與密封腔間通過螺栓聯(lián)接，盤根繞光桿螺旋纏繞置入密封腔22中，調(diào)節(jié)螺栓通過壓蓋21壓緊盤根，產(chǎn)生徑向力，實(shí)現(xiàn)井口的密封；三通M和四通27的兩端均采 用雙片法蘭25的結(jié)構(gòu)，通過螺栓聯(lián)接密封盒和三通M上端，三通與桿管環(huán)形空間聯(lián)通，實(shí) 驗(yàn)中，井液從三通的端口排出；三通下端、水管頭沈和四通27上端通過螺栓聯(lián)接在一起，四 通與水套環(huán)形空間聯(lián)通，實(shí)驗(yàn)中，氣體從四通的一個(gè)端口排出，井中形成流動(dòng)的氣柱，通過 控制氣體排出的速度，來調(diào)整井中氣柱的壓力，同時(shí)在此端口安裝壓力變送器觀，測量井口 套壓，而儲水罐中的液體從四通的另一個(gè)端口注入，及時(shí)補(bǔ)充排出的井液；井口裝置的最下 端用雙頭螺栓聯(lián)接四通下端、套管頭四和井口支撐30，地腳螺栓通過井口支撐下端的法蘭 盤將整個(gè)井口裝置5固定在地面上。在圖5中，排采桿39通過螺紋與接箍40聯(lián)接成排采桿柱4，材料選用45鋼，排采 桿柱上端采用光桿，依靠懸繩器11懸掛在抽水機(jī)的驢頭12上，并同井口裝置5的密封盒配 合密封井口，光桿通過接箍40聯(lián)接井下的排采桿柱，排采桿柱下端通過螺紋將接箍、變徑 短接桿42和柱塞44聯(lián)接在一起，柱塞隨排采桿柱作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行排水。水管35通過 上接頭37和下接頭36聯(lián)接成水管柱3，與排采桿柱形成桿管環(huán)形空間，水管柱上端依靠雙 片法蘭25結(jié)構(gòu)的水管頭沈固定在井口上，并實(shí)現(xiàn)密封，水管柱下端通過水管接箍34與泵 筒31和尾管47順次聯(lián)接在一起，尾管47通過銷軸與本體52和底部端蓋53錨定在一起， 由此井液經(jīng)過尾管的篩孔進(jìn)入泵筒并通過柱塞的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入桿管環(huán)空中。套管38通過由令 41聯(lián)接成套管柱2，與水管柱形成水套環(huán)形空間，氣體依靠環(huán)空中的壓力差排出；套管柱上 端采用雙片法蘭25結(jié)構(gòu)的套管頭四固定在井口上，套管柱下端通過井底三通46與密封盒 聯(lián)接，密封盒由襯套50、密封本體49和密封底板組成，材料選用45鋼，密封盤根48沿著尾 管47置入密封本體49的密封腔中，旋緊密封本體49和本體52的聯(lián)接螺栓，通過襯套50 壓緊密封盤根48，產(chǎn)生徑向力，實(shí)現(xiàn)水管柱與套管柱下端的密封；通過雙頭螺栓將密封盒 和本體52 —起固定在底板51上。實(shí)驗(yàn)中，氣體從井底三通46的端口充入，與水套環(huán)空中 的液體形成氣水兩相流，并及時(shí)補(bǔ)充氣柱段中的氣體，維持一定的井口壓力；在尾管47外 發(fā)生堵塞的情況下，需要打開井底三通46端口的端蓋，取出淤積的固體顆粒，將井底清理 干凈，然后蓋上端蓋即可；在尾管47的管筒里淤積固體顆粒并造成卡泵時(shí)，需要松開本體 52和底部端蓋53的聯(lián)接螺栓，拔出錨定用的銷軸，打開底部端蓋53，將尾管47清理干凈， 然后蓋上底部端蓋，插入銷軸，擰緊螺栓即可。在圖5中，排采泵1的泵筒31是按照設(shè)計(jì)的泵掛深度由水管接箍34直接聯(lián)接在 水管柱3的下端，然后通過加長短節(jié)33和泵筒接箍32與尾管47聯(lián)接，而柱塞44則隨排采 桿柱4下入泵筒31內(nèi)，柱塞上端有一套游動(dòng)閥總成43，另外，固定閥總成45由鎖緊裝置與 泵筒固定在一起。上沖程中，柱塞44隨排采桿柱4上行，柱塞以下的泵筒容積增大，壓力降 低，游動(dòng)閥在上下壓差的作用下關(guān)閉，而固定閥在水套環(huán)形空間中的沉沒度作用下打開，井 液經(jīng)尾管47的篩孔和固定閥孔流入泵筒中，同時(shí)，柱塞及游動(dòng)閥以上的井液隨排采桿柱向 上運(yùn)動(dòng)，被舉升到井口，通過出水管排出。下沖程中，柱塞下行，泵筒內(nèi)壓力增大，游動(dòng)閥打 開，固定閥關(guān)閉，井液經(jīng)過游動(dòng)閥進(jìn)入柱塞以上的桿管環(huán)空中，這樣，柱塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)一 次，排采泵完成了一個(gè)抽吸周期。隨周期重復(fù)不斷進(jìn)行，井液就不斷被舉升至井口。在圖5中，作業(yè)時(shí)，應(yīng)首先拆卸排采桿柱4，用起吊裝置將排采桿柱從水管柱3中 取出，扳手卡住排采桿39和接箍40的扳手方頸，松開二者間的聯(lián)接螺紋，順次卸下每節(jié)排 采桿，最后卸下排采桿柱下端的柱塞44 ；然后，拆卸水管柱3，松開井口裝置5中三通M和四通27的聯(lián)接螺栓，并卸下三通，接著松開本體52與底板51聯(lián)接的螺栓并拔出銷軸，卸下 本體和底部端蓋53，再用起吊裝置將水管柱從套管柱2中取出，扳手卡住上接頭37和下接 頭36的卡箍，松開二者間的聯(lián)接螺紋，順次卸下每節(jié)水管，最后卸下水管柱下端的泵筒31 和尾管47 ；接著，拆卸套管柱2，松開密封本體49和井底三通46的聯(lián)接螺栓，取出密封盤根 48和襯套50，卸下密封盒，移開底板51，整個(gè)套管柱依據(jù)套管頭四和井口支撐30的固定作 用，處于自然伸長的懸掛狀態(tài)即可；最后，從井口處向套管柱2中注入清水，將套管柱的管 壁清洗干凈。9
權(quán)利要求1.一種排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括減速機(jī)、抽水機(jī)、井口裝置、儲水裝置、檢測裝置、 套管柱、水管柱、排采桿柱和排采泵，采用減速機(jī)作為動(dòng)力機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，由曲柄、連桿、游 梁和支架順次聯(lián)接組成的四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)懸點(diǎn)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其特征是排采桿柱、水管柱 和套管柱由里而外依次排列，提供桿管和水套兩個(gè)環(huán)形空間，水套環(huán)形空間的物性分布自 上而下依次為氣柱、氣水兩相液柱和水柱；在減速機(jī)的一側(cè)安裝單曲柄、單連桿和含滑動(dòng)軸 承的橫梁支撐，游梁通過驢頭聯(lián)接并驅(qū)動(dòng)井口光桿；采用電動(dòng)機(jī)、調(diào)速器和減速器集成于一 體的減速機(jī)作為實(shí)驗(yàn)裝置的動(dòng)力機(jī)和無極變速傳動(dòng)系統(tǒng)，減速機(jī)通過槽鋼焊接結(jié)構(gòu)的框架 固定在抽水機(jī)底座上；抽水機(jī)的游梁尾部裝有平衡重，該平衡重采用分體式結(jié)構(gòu)，由數(shù)個(gè)單 體平衡塊組成，橫梁支撐采用滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，由軸承蓋、軸承座、剖分軸瓦和聯(lián)接螺栓所組 成，軸承蓋上有潤滑軸承的油杯，抽水機(jī)的底座上有導(dǎo)軌和螺桿，導(dǎo)軌采用由三塊鋼板焊接 構(gòu)成的凹槽結(jié)構(gòu)，與底座主體的工字鋼端面配合，螺桿采用梯形螺紋，通過旋轉(zhuǎn)螺桿使底座 沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，讓出井口 ；井口裝置包括密封盒、三通、水管頭、四通、套管頭和井口支撐，密封 盒的壓蓋通過螺栓與密封腔聯(lián)接，三通的端口與出水管連接，四通的一個(gè)端口與進(jìn)水管連 接，另一端口與出氣管連接，也可與入氣管連接，并安裝壓力計(jì)，水管頭通過螺栓與三通和 四通的端面聯(lián)接，套管頭通過雙頭螺栓與四通和井口支撐聯(lián)接；儲水罐由鋼板焊接而成，中 間用圓周焊的角鋼加固；排采桿柱包括光桿、排采桿、接箍和變徑短接桿，排采桿和光桿采 用兩端加工有外螺紋接頭的實(shí)心鋼桿，其上有卸載槽和扳手方頸，接箍采用鋼管，管外壁帶 扳手方頸，內(nèi)壁加工有內(nèi)螺紋，與光桿和排采桿的外螺紋接頭相配合，變徑短接桿兩端有不 同尺寸的外螺紋接頭，上端與接箍聯(lián)接，下端與柱塞聯(lián)接；水管通過上接頭和下接頭進(jìn)行連 接，尾管的管壁上有不同直徑的篩孔，其上端與泵筒和水管柱聯(lián)接，下端通過銷軸與底部端 蓋和本體錨定在一起；套管通過由令進(jìn)行連接，井底三通的端口與入氣管連接，其上端通過 螺栓與套管柱聯(lián)接，下端與密封盒的密封底板和密封本體聯(lián)接，密封本體的下端通過雙頭 螺栓與底板聯(lián)接，底板通過槽鋼焊接結(jié)構(gòu)的框架固定在井底的端面上；游動(dòng)閥總成位于柱 塞上端，其上部與變徑短接桿聯(lián)接，下部與柱塞聯(lián)接，固定閥總成通過鎖緊裝置固定在泵筒 的下端；電磁流量計(jì)安裝在儲水裝置的進(jìn)水管上，壓力變送器安裝在井口裝置的四通端口 和井底三通端口處，液位變送器安裝在水套環(huán)空中動(dòng)液面以下的井底處，在抽水機(jī)的各桿 件和排采桿柱的上端貼上無線動(dòng)態(tài)應(yīng)力儀的應(yīng)變片，測試桿件受力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是井口裝置密封盒的盤根 采用新舊普通V帶均可，套管柱底部密封盒的密封盤根采用矩形密封圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是數(shù)據(jù)采集器和單輸入通 道儀表通過串口，一端與檢測設(shè)備連接，另一端與計(jì)算機(jī)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是抽水機(jī)的支架為前部兩 腿和后部兩腿的四腿形式固定在底座上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是抽水機(jī)的支架為前部單 腿和后部兩腿的三腿形式固定在底座上。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置，用于模擬煤層氣井或其它產(chǎn)水氣井的排水采氣。它是由減速機(jī)、抽水機(jī)、井口裝置、儲水裝置、檢測裝置、套管柱、水管柱、排采桿柱和排采泵組成。排采桿柱、水管柱和套管柱提供兩個(gè)環(huán)形空間，桿管環(huán)空排水的同時(shí)，水套環(huán)空出氣；水套環(huán)空的物性分布實(shí)現(xiàn)兩相流氣體分離條件的研究；減速機(jī)集成動(dòng)力機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)較大傳動(dòng)比和沖次連續(xù)可調(diào)，以及排液量在3～30m3/d和沉沒度在0～20m的任意調(diào)整；檢測裝置實(shí)現(xiàn)排液量、動(dòng)液面、壓力、井液成分和桿件受力的實(shí)時(shí)監(jiān)測；游梁平衡重采用分體式結(jié)構(gòu)，曲柄平衡重位置可連續(xù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)抽水機(jī)較好平衡；采用單曲柄、單連桿和滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，減小整機(jī)尺寸。
文檔編號F16H3/06GK201835794SQ20102015018
公開日2011年5月18日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者劉新福, 劉春花, 李延祥, 楊磊, 綦耀光 申請人:中國石油大學(xué)(華東)