鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆的制作方法

鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，能防止杆管磨损、卡泵并延长油气井免修期。它首次采用三体一杆结构，整流体采用椭圆球面，实现对杆体上井液的整流；推力体和涡轮体下端阶梯面构成四油楔靠与井液摩擦产生动压推力，推动鱼鳍式叶轮齿自旋转；基杆轴身、整流体椭圆球面及推力体和涡轮体锥面和锥齿套与油管柱之间均构成收敛型油楔并产生动压液膜，保证杆管完全分离；涡轮体锥齿套内外层的动压液膜组成“双层液膜”，有助杆管进一步分离而避免磨损；杆瓦和卡瓦具备自润滑功能，同时卡瓦衬与基杆间油楔产生的液膜可分离涡轮体与基杆而防止磨损；旋转推力体搅拌井液结合增压涡轮体提升井液流速，可防止砂粒沉降而发生埋泵和卡泵。
【专利说明】鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种油气井抽吸作业中防止抽油杆柱与油管柱之间发生接触摩 擦的井下机械器具，特别是涉及一种防止杆管磨损、卡泵及延长油气井免修期的防偏磨抽 油杆。

【背景技术】
[0002] 当前，我国主要油田和气田的开采已经开始进入中后期阶段，井身结构较差、油中 高含水、稠油等现象非常普遍，使得有杆抽吸系统中抽油杆柱和油管柱间的偏磨问题日益 严重。另外，煤层气井等非常规气井的开采已经进入商业开采阶段，但是仍然采用的是采油 采气的技术和经验，还没有形成自己的体系，90%以上的井均采用常规油气井用的抽油泵、 抽油杆和油管等，现场调研发现煤层气井的井身状况要差于常规油气井，尤其是沁水盆地 等地的煤层气井"狗腿度"非常严重，杆管间的偏磨现象普遍。
[0003] 油气井抽吸作业中抽油杆柱往复运动中与油管柱之间发生接触进而产生摩擦是 抽油杆偏磨的最直接原因，国内外现有的杆管防偏磨技术主要可以归纳为：1)加扶正器转 移偏磨点技术：这主要是在每节或多节抽油杆上另外安装扶正器，由于扶正器外形尺寸要 大于抽油杆的杆体直径，从而把抽油杆柱与油管柱间的偏磨转移为扶正器与油管柱间的磨 损；2)均匀磨损技术：这主要是发现油气井发生杆管偏磨后，采用旋转抽油杆柱或者油管 装置的办法，即改变原来磨损的位置，来延长杆管的使用寿命；3)降低杆管磨损速度技术： 这类技术主要是将抽油杆、油管和接箍表面进行耐磨等热处理以及在井液中加入缓蚀剂。
[0004] 综上所述，现有的杆管防偏磨技术在一定程度上延长了油气井的免修期，但是这 些技术均没有从杆管接触摩擦导致偏磨的最直接原因出发来解决问题，由此其所研制出来 的防偏磨工具并不能避免杆管间的接触，也就不能从根本上解决油气井的偏磨问题，影响 了修井作业周期，提高了油气井和煤层气井等非常规气井的生产成本。


【发明内容】

[0005] 为了从根本上解决油气井和非常规气井抽吸作业中抽油杆柱和油管柱之间偏磨 问题并克服现有防偏磨技术存在的不足，本实用新型的目的是首次提供一种新型的防偏磨 抽油杆，即研制一种适合油气井和非常规气井防止杆管磨损使用的鱼鳍式自旋转防偏磨抽 油杆。该防偏磨抽油杆依据所设计的"三体一杆"特殊结构和工艺，能够实现井液整流、杆 管间形成动压液膜、涡轮增压、自旋转和自润滑功能，防止抽油杆柱和油管柱之间发生磨损 以及砂粒等固体颗粒沉降导致的埋泵和卡泵。
[0006] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种鱼鳍式自旋转防偏磨 抽油杆，主要包括三体一杆，即整流体、推力体、涡轮体和基杆。从广义上讲，同常规抽油杆 一样，防偏磨抽油杆也是有杆抽吸设备的重要部件，上部联接井口处光杆而下部联接抽油 泵，满足传递动力的需要；同时又区别于常规抽油杆，该防偏磨抽油杆在抽吸作业的上下往 复运动中，与油管柱之间产生相对运动，一方面推力体和涡轮体下端阶梯面构成的油楔产 生井液动压推力并推动推力体和涡轮体的鱼鳍式叶轮齿进行自旋转，另一方面抽油杆柱与 油管柱之间均构成的收敛型油楔并产生动压液膜，保证作业中的抽油杆柱和油管柱完全处 于分离状态，以此避免二者间发生磨损；此外，旋转推力体对含砂井液的搅拌结合增压涡轮 体对井液流速的提升，可以及时排出井液中携带的砂粒等固体颗粒，避免其在杆管环空中 产生快速沉降，从而防止砂埋泵和砂卡泵现象。
[0007] 防偏磨抽油杆采用三体一杆的整体结构，基杆中部由下而上依次贯穿整流体、推 力体和涡轮体，防偏磨抽油杆的材质选用高碳结构钢，整体调质处理后进行磷化处理，使其 表面产生残余压应力，并满足抽吸作业中交变载荷下的机械性能和疲劳强度要求。
[0008] 整流体包括本体和紧定螺钉，用来实现对防偏磨抽油杆杆体上流动井液的整流， 其表面在热处理后再次进行喷焊处理，喷焊层与整流体金属牢固结合。整流体由椭圆球体 切削而成，其本体的外表面下部与基杆轴头锥面结合处相切，保证井液顺利切入整流体球 面以及整流体与基杆锥面上井液的连续性；整个本体的外表面采用近似于流线型的椭圆球 面，最终实现对不用截面上流动井液进行整流，避免由于抽油杆杆体截面变化引发的阻流 和紊流，而破坏井液后期在推力体和涡轮体上形成动压液膜；椭圆球面上端与推力体本体 的锥面相切，保证整流体与推力体上液膜的连续性和稳定性。整流体本体的内环面上部加 工有倒锥面，避免本体截面和刚度发生急剧变化，以减小应力集中现象；内环面下部加工有 内螺纹，实现整流体与基杆间的联接，同时本体外表面中部设计有沿圆周均匀布置的螺孔， 个数为4个，用于放置紧定螺钉，防止内环面螺纹产生松动。
[0009] 推力体本体和杆瓦以及涡轮体本体和卡瓦均采用剖分式构造，本体两半剖体通过 螺钉实现连接。推力体本体和涡轮体本体均采用上粗下细的倒锥形，其表面需进行镍磷镀 处理；推力体本体和涡轮体本体的外表面均采用相同锥度的圆锥面并且处于同一锥面，实 现整流体、推力体和涡轮体上形成连续稳定液膜；推力体本体和涡轮体本体锥面的锥度依 据井液黏度值在5°?20°之间选取，两本体独特的倒锥构造使推力体与油管柱以及涡轮 体与油管柱之间在轴向上构成统一的收敛型油楔而产生动压液膜。推力体本体和涡轮体本 体的外表面上均加工有分层排列的导油圆孔，层面间距相等，各层面间的圆孔平行排列，每 层面的导油圆孔均匀分布，孔数取4个；推力体本体和涡轮体本体内环面的上下两端各加 工有一环形凹槽，中部加工有与导油圆孔同层布置的全环导油槽，导油槽的剖面为矩形， 每层面的4个导油圆孔均与该层外表面上的导油槽贯通。
[0010] 推力体的前叶轮和涡轮体的后叶轮表面均需进行镍磷镀处理，前叶轮和后叶轮的 叶轮齿均沿本体锥面均匀排列且个数相同，其叶轮齿线为沿本体锥面展开的螺旋线，该螺 旋线的展开线与基杆轴线的夹角为螺旋角，螺旋角取值随井液黏度的增大而减小。前叶轮 和后叶轮的螺旋线沿同一锥面展开并且螺旋角采用相同的角度，由此可以保证前叶轮和后 叶轮上形成完整而稳定的液膜。
[0011] 推力体包括本体、前叶轮、杆瓦和内六角螺钉，可以实现杆管间形成动压液膜、自 旋转和自润滑功能。推力体本体下部采用阶梯面推力结构，依据各个阶梯平面构成油楔，油 楔沿圆周相同方向均匀布置，个数为4个，即四油楔靠与井液摩擦产生动压推力并推动推 力体的前叶轮进行自旋转。推力体本体两半剖体的剖面上加工有与导油圆孔和导油槽同层 布置的螺孔，每层面螺孔数为2个，两半剖体通过内六角螺钉连接后即可实现推力体和基 杆的联接。
[0012] 杆瓦采用粉末冶金材料，其上下两端分别设计有环形卡箍，与推力体本体内环面 的凹槽过盈配合而实现固定；杆瓦中部也加工有与推力体本体的导油圆孔和导油槽同层布 置的导油孔，每层面导油孔均匀布置位置与该层面的本体导油圆孔相对应；杆瓦内环面钻 有一定密度和孔径大小的盲孔，每层面的盲孔孔眼均匀分布，孔数取16?24个，层面间距 相等，层数取15?20为宜，各层面间的孔眼交错排列，作业中各盲孔眼充满油液，使杆瓦与 基杆轴颈的接触面间始终保持一定的油膜，以保证二者间的润滑效果；另外，杆瓦两半剖体 接缝处设计有油沟，进一步保证杆瓦供给油充分可靠。抽吸作业中，油气井的油液先后流经 本体的导油圆孔和导油槽进入杆瓦的导油孔和油沟，而保证杆瓦处于油液的浸没状态，杆 瓦的多孔质金属体由于充满油液而变成含油轴瓦，具有自润滑作用。
[0013] 推力体前叶轮的叶轮齿在垂直于叶轮齿线的法面端面为平行四边形，该端面平行 四边形长边与此处法面切线的夹角取为45°，以保证流动井液中叶轮齿良好的机械性能； 同时端面高度沿叶轮齿线逐渐增大，井液流经旋转中前叶轮齿面上的接触线由短变长，接 触面积由小变大，这种接触方式可保证前叶轮运转比较平稳并在叶轮齿面上形成稳定的液 膜，同时井液对叶轮齿的冲击较小。前叶轮的叶轮齿沿本体锥面均匀排列，个数取12?24， 所有均布叶轮齿的外形齿廓沿推力体轴线形成一个倒锥形的锥齿套，锥齿套与油管柱之间 在轴向上构成收敛型油楔而产生动压液膜，并且与推力体本体锥面上已经形成的动压液膜 叠加在一起，进一步增加推力体动压液膜的厚度，将防偏磨抽油杆推力体段与油管柱彻底 分离。另外，推力体旋转过程中，前叶轮对含砂井液进行搅拌，可阻止砂粒在井筒中产生沉 降。
[0014] 涡轮体由里而外依次为卡瓦衬、卡瓦、本体、后叶轮以及球形螺母、调节螺钉、球形 垫片和联接螺钉，可以实现杆管间形成动压液膜、涡轮增压和自旋转功能。涡轮体本体下 部采用阶梯斜平面推力结构，依据各个阶梯斜平面构成油楔，油楔沿圆周相同方向均匀布 置，油楔靠与井液摩擦产生动压推力并推动涡轮体的后叶轮进行自旋转。涡轮体本体内环 面的中部加工有分层排列的调节螺钉圆孔，用于放置调节螺钉及球形垫片，层面间距相等， 每层面的螺孔均匀分布，孔数取4个，各层面间的螺孔与导油圆孔和导油槽分层交错排列。 涡轮体本体两半剖体的剖面上加工有与调节螺钉圆孔同层布置的联接螺钉圆孔，每层面螺 孔数为2个，两半剖体通过联接螺钉连接后即可实现涡轮体和基杆的联接。
[0015] 卡瓦采用非金属材料，其上下两端采用Η形卡箍，卡箍外端与润轮体本体内环面 的凹槽过盈配合而实现固定；卡瓦中部加工有与本体调节螺钉圆孔同层布置的圆孔，每层 面卡瓦圆孔均匀布置位置与该层面的本体调节螺钉圆孔相对应；同时卡瓦中部还加工有与 涡轮体本体的导油圆孔和导油槽同层布置的导油孔，每层面导油孔均匀布置位置与该层面 的涡轮体本体导油圆孔相对应，保证涡轮体内外联通并始终充满油液。另外，卡瓦两半剖体 接缝处也有油沟，保证卡瓦供给油充分可靠和其自润滑性能。
[0016] 卡瓦衬的材料采用6Crl8Mo,热处理洛氏硬度不低于52。每片卡瓦衬采用环片构 造，其上下两端分别嵌入卡瓦的Η形卡箍里端，卡瓦衬的内外环面均采用圆弧面，其内圆弧 面直径大于基杆轴颈联接处的直径，同时外圆弧面直径小于卡瓦内环面直径。卡瓦衬中部 沿轴向加工有与本体调节螺钉圆孔和卡瓦圆孔同层布置的调节孔，每层面调节孔位置与该 层面的本体调节螺钉圆孔和卡瓦圆孔相对应；每个调节孔需经过精密研磨处理，其环面采 用变截面回转构造，变径截面结合处采用球面进行过渡，此球面与球形螺母相配合。卡瓦衬 沿基杆圆周方向均匀布置，个数为4片，每个卡瓦衬与基杆之间构成油楔并沿相同方向均 匀布置，四油楔产生动压液膜，将涡轮体与基杆彻底分离，进而防止二者间发生磨损。
[0017] 球形螺母的材料采用9Crl8Mo,不能存在技术缺陷，热处理洛氏硬度不低于58。球 形螺母的外表面为标准的球面，需经过精密研磨和退磁处理，与卡瓦调节孔配研后的结合 带宽度不得小于5. 0毫米；中间的内环面上加工有内螺纹，与调节螺钉配合后即可实现卡 瓦衬与涡轮体本体的联接。球形螺母的特殊构造结合调节螺钉及其球形垫片可以保证卡瓦 衬在卡瓦和基杆的环形空间中任意角度进行调节。
[0018] 涡轮体后叶轮的叶轮齿采用组曲叶片，在垂直于叶轮齿线的法面端面为平行四边 形与圆形的组合体，后叶轮与前叶轮的叶轮齿面处于相同角度的平面，形成一个流线型鱼 鳍式的整体，以保证后叶轮和前叶轮的叶轮齿具有相同的机械性能；后叶轮的叶轮齿面与 涡轮体本体锥面采用凹球面过渡，前凹球面半径较大，保证涡轮体本体锥面上的井液顺利 切入后叶轮的叶轮齿面，而背凹球面半径较小，避免井液流动通道方向急剧变化引起湍流； 后叶轮的叶轮齿面顶部采用凸球面，并且球面端部与该处圆周面相切，以保证进入叶轮齿 面的井液顺利流出。后叶轮所有均布叶轮齿的外形齿廓沿涡轮体轴线形成一个倒锥形的锥 齿套，锥齿套与油管柱之间在轴向上构成收敛型油楔而产生动压液膜，并且与涡轮体本体 锥面上已经形成的动压液膜叠加在一起，将防偏磨抽油杆涡轮体段与油管柱彻底分离；而 且，后叶轮的各叶轮齿面流出的井液在锥齿套外表面汇集成另外一层动态的液膜，与其内 层的动压液膜组成"双层液膜"，有助于杆管间进一步分离，避免二者间发生磨损。此外，后 叶轮是涡轮体的做功部件，后叶轮依靠油楔产生的动压推力进行旋转，并对含砂井液做功 而实现井液流速的提升，可以及时排出井液中携带的砂粒等固体颗粒，避免其在杆管环空 中产生快速沉降，从而防止砂埋泵和砂卡泵现象。
[0019] 基杆是整个防偏磨抽油杆的主体，用来传递动力，它包括上下螺纹接头、上下扳手 方径、轴身、杆体、凸台、上下轴颈、上下台肩和轴头。基杆整体采用阶梯轴结构，材质选用 40Cr，调质处理后表面渗氮处理，表面粗糙度需达到0. 6 μ m?3. 2 μ m。上下螺纹接头均加 工有密封性圆锥管螺纹，上螺纹接头位于基杆的最上部，与其上抽油杆接箍的母螺纹接头 联接；下螺纹接头位于基杆的最下部，与其下抽油杆接箍的母螺纹接头联接。上下扳手方 径用来装卸防偏磨抽油杆上下的接箍，其外环面上切有相互平行的两个面，用来放置卡钳； 上下扳手方径的圆端面与其联接接箍的端面结合处需有足够大的应力，防止井液对圆锥管 螺纹产生腐蚀和工作中抽油杆的脱扣；上扳手方径通过轴身与杆体联接，而下扳手方径与 杆体连接处采用45°圆锥面过渡。轴身采用上粗下细的倒锥形，其锥面大端直径等于上扳 手方径直径，而锥面小端直径等于杆体直径，轴身与油管柱之间构成收敛型油楔而产生动 压液膜，将防偏磨抽油杆接箍段与油管柱分离。凸台用来连接杆体和上轴颈，同时作为涡轮 体的上限位器，凸台上部与杆体连接处采用45°圆锥面过渡，用来减轻由于截面变化引起 的应力集中，提高基杆的疲劳强度。上下轴颈表面均需进行精加工，分别与涡轮体卡瓦衬和 推力体杆瓦的内环面间隙配合。上台肩用来连接上下轴颈，同时作为推力体的上限位器，而 下台肩用来连接下轴颈和轴头。轴头外环面加工有外螺纹，实现与整流体本体的内环面联 接；轴头中部加工有与整流体本体相对应的4个均匀布置的螺孔，而下部与杆体连接处采 用45°倒圆锥面过渡。
[0020] 本实用新型所能达到的技术效果是，整流体采用近似于流线型的椭圆球面，实现 对防偏磨抽油杆杆体上流动井液的整流，避免由于杆体截面变化引发的阻流和紊流；推力 体下端阶梯面构成四油楔和涡轮体下端阶梯斜平面构成的油楔靠与井液摩擦产生井液动 压推力并推动鱼鳍式叶轮齿进行自旋转；基杆轴身、整流体本体的椭圆球面以及推力体本 体和涡轮体本体的锥面和锥齿套与油管柱之间均构成收敛型油楔并产生动压液膜，保证杆 管完全处于分离状态；涡轮体后叶轮锥齿套外层动态的液膜与其内层的动压液膜组成"双 层液膜"，有助于杆管间进一步分离，彻底消除二者间的磨损；推力体和涡轮体本体的导 油圆孔和导油槽结合杆瓦和卡瓦的导油孔和油沟，保证杆瓦和卡瓦充满油液而变成含油轴 瓦，具有自润滑作用；卡瓦衬与基杆之间构成四油楔并产生动态液膜，将涡轮体与基杆分离 进而防止磨损；旋转推力体对含砂井液的搅拌结合增压涡轮体对井液流速的提升，可及时 排出井液中携带的砂粒，避免其在杆管环空中产生快速沉降，从而防止砂埋泵和砂卡泵现 象。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：
[0022] 图1是根据本实用新型所提出的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆的典型结构简图。
[0023] 图2是图1的A- A剖视图。
[0024] 图3是图1的B- B剖视图。
[0025] 图4是鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆中整流体的结构简图。
[0026] 图5是鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆中推力体的结构简图。
[0027] 图6是图5的C一C剖视图。
[0028] 图7是鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆中涡轮体的结构简图。
[0029] 图8是图7的D- D剖视图。
[0030] 图9是鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆中涡轮体卡瓦衬的结构简图。
[0031] 图10是鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆中基杆的结构简图。
[0032] 图11是鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆的防偏磨机理简图。
[0033] 图中1 一基杆，2 -润轮体，3 -推力体，4 一整流体，5 -整流体本体，6 -紧定螺 钉，7 -推力体本体，8 -前叶轮，9 一杆瓦，10 -内六角螺钉，11 一润轮体本体，12 -后叶 轮，13 -卡瓦，14 一卡瓦衬，15 -球形螺母，16 -调节螺钉，17 -球形垫片，18 -联接螺钉， 19 一上螺纹接头，20 -上扳手方径，21 -轴身，22 -杆体，23 -凸台，24 -上轴颈，25 -上 台肩，26 -下轴颈，27 -下台肩，28 -轴头，29 -下扳手方径，30 -下螺纹接头。

【具体实施方式】
[0034] 在图1?图3中，鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆的三体一杆结构中，三体是指涡轮体 2、推力体3和整流体4,而一杆为基杆1，基杆1中部由下而上依次贯穿整流体4、推力体3 和涡轮体2。装配前，各构件应去毛刺并清洗干净，依次检查各镀层和喷焊层与基体金属是 否牢固结合，各导油孔、导油槽和油沟是否存在堵塞等现象，前后叶轮的叶轮齿是否存在碰 损、变形等，各构件表面是否有气泡、麻点、起皮和碰伤等缺陷，等。装配中，基杆1上下螺纹 接头的圆锥管螺纹以及其他普通螺纹在最终旋紧时涂厌氧胶，整流体4通过螺纹与基杆1 联接，而推力体3和涡轮体2的两半剖体通过螺钉与基杆1联接，最终组合成三体一杆的一 个整体。装配后，应保持各构件的清洁，同时依次检查各螺纹连接处是否牢固，有无松动、 损伤和锈蚀。安装前，转动涡轮体2和推力体3,应轻快灵活且无阻滞，并保持杆瓦、卡瓦和 卡瓦衬的润滑与清洁；同时检查卡瓦衬的可倾性，应摆动灵活。安装时，鱼鳍式自旋转防偏 磨抽油杆通过接箍连接成抽油杆柱，其下部悬挂抽油泵而其上部联接于井口光杆处。作业 时，将卡钳依次放置在基杆1上下扳手方径和接箍的扳手方径上，反方向扳动卡钳，即可旋 紧或者松开防偏磨抽油杆与接箍间的联接螺纹，实现防偏磨抽油杆的安装或拆卸。
[0035] 在图4中，整流体本体5内环面的内螺纹与基杆1轴头外螺纹配合实现整流体4 与基杆1间的联接，整流体本体5外表面的4个螺孔中分别安装紧定螺钉6后，可防止整流 体4与基杆1间螺纹产生松动。井液在整流体处的流动机理是，基杆1轴头上的井液首先 沿着整流体本体5和基杆1轴头锥面的相切面顺利切入整流体4球面，然后，在整流体本体 5的外表面上经流线型椭圆球面的引流而实现整流，最后，沿着流体本体5和推力体3本体 锥面的相切面顺利排出。
[0036] 在图5和图6中，杆瓦9两半剖体的环形卡箍分别与推力体本体7两半剖体内环 面的凹槽通过过盈配合而实现固定，固定后的两半剖体分别卡于基杆1下轴颈的外环面， 通过安装2个内六角螺钉10实现推力体3与基杆1间的联接。井液在推力体处的流动机 理是，从整流体4排出的井液进入推力体3下部的环形空间，推力体本体7下端的各个阶梯 面构成四油楔，并靠与井液摩擦产生动压推力，推动前叶轮8进行自旋转；然后，井液流入 推力体本体7的外表面上，推力体本体7独特的倒锥构造使推力体3与油管柱之间构成收 敛型油楔而产生动压液膜；接着，井液先后流经推力体本体7的导油圆孔和全环导油槽，进 入杆瓦9的导油孔、盲孔和油沟，使杆瓦9始终处于油液的浸没状态而变成含油轴瓦；同时， 井液进入前叶轮8各叶轮齿上，叶轮齿外形齿廓形成的锥齿套与油管柱之间在轴向上构成 的收敛型油楔而产生动压液膜，并且与推力体本体7锥面上已经形成的动压液膜叠加在一 起。
[0037] 在图7?图9中，卡瓦13两半剖体的Η形卡箍分别与涡轮体本体11两半剖体内 环面的凹槽通过过盈配合而实现固定，每2个卡瓦衬14嵌入1个半剖体的卡瓦13Η形卡箍 里端，依次装入调节螺钉16和球形垫片17并拧紧球形螺母15后实现卡瓦衬14与涡轮体 本体11的联接，装配好的两半剖体分别卡于基杆1上轴颈的外环面，通过安装2个联接螺 钉18即可实现涡轮体2与基杆1间的联接。井液在涡轮体处的流动机理是，从推力体3流 出的井液进入涡轮体2下部的环形空间，涡轮体本体11下端的各个阶梯斜平面构成四油楔 并产生动压推力，推动后叶轮12进行自旋转；然后，井液流入涡轮体本体11的外表面上，涡 轮体本体11独特的倒锥构造使涡轮体2与油管柱之间构成收敛型油楔而产生动压液膜；接 着，井液先后流经涡轮体本体11的导油圆孔和全环导油槽以及卡瓦13的导油孔和油沟，使 卡瓦13始终处于油液的浸没状态而变成含油轴瓦，并进入卡瓦13与基杆1之间的环形空 间，各个卡瓦衬14与基杆1之间构成四油楔而产生动压液膜；同时，井液流进后叶轮12各 叶轮齿上，叶轮齿外形齿廓形成的锥齿套与油管柱之间在轴向上构成的收敛型油楔而产生 动压液膜，并且与涡轮体本体11锥面上已经形成的动压液膜叠加在一起；最后，井液从后 叶轮12的各叶轮齿面流出，在锥齿套外表面汇集成另外一层动态的液膜，与其内层的动压 液膜组成"双层液膜"。
[0038] 在图10中，基杆1由上而下依次为上螺纹接头19、上扳手方径20、轴身21、杆体 22、凸台23、上轴颈24、上台肩25、下轴颈26、下台肩27、轴头28、下扳手方径29和下螺纹 接头30。上螺纹接头19与其上抽油杆接箍的母螺纹接头联接，而下螺纹接头30则与其下 抽油杆接箍的母螺纹接头联接，最终组合成一个完整的抽油杆柱；上扳手方径20和下扳手 方径29的两个平行面上用来放置卡钳，以便装卸防偏磨抽油杆上下的接箍；轴身21用来 连接上扳手方径20和杆体22,同时其锥面与油管柱之间构成收敛型油楔而产生动压液膜； 涡轮体2上部通过凸台23进行限位，同时其卡瓦衬14与上轴颈24间采用间隙配合；上台 肩25用来连接上轴颈24和下轴颈26,而下台肩27用来连接下轴颈26和轴头28 ;推力体 3上部通过上台肩25进行限位，同时其杆瓦9与下轴颈26间采用间隙配合。
[0039] 在图11中，油气井抽吸作业中，抽油杆柱随光杆上下往复运动，理想工况下抽油 杆柱和油管柱轴线重合，但是在井身结构较差、油中高含水、稠油等井况，下冲程的抽油杆 柱容易发生屈曲现象，此时杆管之间发生偏心，严重时产生接触，造成杆管之间发生偏磨而 产生磨损（见图11(1)和图11(2))，为避免磨损需要采用防偏磨抽油杆。本实用新型所提 出的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆的防偏磨机理是，首先，通过整流体4椭圆球面对防偏磨 抽油杆杆体上流动井液进行整流；然后，推力体3和涡轮体2下端阶梯面构成的油楔靠与井 液摩擦产生井液动压推力（见图11(6)和图11(7))，推动鱼鳍式叶轮齿进行自旋转，而且 杆瓦9和卡瓦13由于始终充满油液而具备自润滑作用结合卡瓦衬14与基杆1间四油楔产 生的动态液膜（见图11 (5))，可避免推力体3和涡轮体2与基杆1之间产生磨损；接着，基 杆1的轴身21、整流体4椭圆球面、推力体3和涡轮体2本体的锥面和锥齿套与油管柱之间 均构成收敛型油楔并产生动压液膜，各处的液膜压力不均等，而且液膜总力和液膜厚度随 抽油杆柱下行速度的提升而不断增大，使抽油杆柱轴线向油管柱轴线重合的方向逐步移动 并保证杆管间完全处于分离状态（见图11(3)和图11(4));最后，涡轮体后叶轮12锥齿套 外层动态的液膜与其内层的动压液膜组成"双层液膜"，有助于抽油杆柱轴线进一步移向油 管柱轴线（见图11(6))，即杆管间继续分离，从而避免杆管间发生磨损。与此同时，推力体 3旋转过程中，前叶轮8对含砂井液进行搅拌，可阻止砂粒在井筒中产生沉降；而且，涡轮体 2的后叶轮12依靠油楔产生的动压推力进行旋转，并对含砂井液做功而实现井液流速的提 升，可以及时排出井液中携带的砂粒等固体颗粒，以此防止砂粒沉降引发的埋泵和卡泵现 象。
【权利要求】
1. 一种鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，采用三体一杆的整体结构，基杆中部由下而上依 次贯穿整流体、推力体和涡轮体，通过整流体椭圆球面对防偏磨抽油杆杆体上流动井液进 行整流，推力体和涡轮体下端阶梯面构成的油楔产生井液动压推力并推动推力体和涡轮体 的鱼鳍式叶轮齿进行自旋转，抽油杆柱与油管柱之间均构成的收敛型油楔并产生动压液 膜，保证杆管完全处于分离状态而避免发生磨损，旋转推力体对含砂井液的搅拌结合增压 涡轮体对井液流速的提升，防止砂埋泵和砂卡泵现象，其特征在于： 一整流体；所述整流体由椭圆球体切削而成，其本体的外表面下部与基杆轴头锥面结 合处相切，整个整流体本体的外表面采用近似于流线型的椭圆球面，椭圆球面上端与推力 体本体的锥面相切； 一推力体；所述推力体本体下部采用阶梯面推力结构，依据各个阶梯平面构成油楔； 杆瓦采用粉末冶金材料，其上下两端分别设计有环形卡箍，与推力体本体内环面的凹槽过 盈配合而实现固定；前叶轮的叶轮齿沿本体锥面均匀排列，个数取12?24,所有均布叶轮 齿的外形齿廓沿推力体轴线形成一个倒锥形的锥齿套，锥齿套与油管柱之间构成收敛型油 楔而产生动压液膜，并且与推力体本体锥面上已经形成的动压液膜叠加在一起； 一涡轮体；所述涡轮体下部采用阶梯斜平面推力结构，依据各个阶梯斜平面构成油楔； 卡瓦采用非金属材料，其上下两端采用Η形卡箍，卡箍外端与涡轮体本体内环面的凹槽过 盈配合而实现固定；卡瓦衬沿基杆圆周方向均匀布置，个数为4片，每个卡瓦衬与基杆之间 构成油楔并沿相同方向均匀布置，四油楔产生动压液膜，将涡轮体与基杆彻底分离；后叶轮 所有均布叶轮齿的外形齿廓沿涡轮体轴线形成一个倒锥形的锥齿套，锥齿套与油管柱之间 在轴向上构成收敛型油楔而产生动压液膜，并且与涡轮体本体锥面上已经形成的动压液膜 叠加在一起；后叶轮的各叶轮齿面流出的井液在锥齿套外表面汇集成另外一层动态的液 膜，与其内层的动压液膜组成"双层液膜"； 所述推力体本体和杆瓦以及涡轮体本体和卡瓦均采用剖分式构造，推力体本体和涡轮 体本体均采用上粗下细的倒锥形，其外表面均采用相同锥度的圆锥面并且处于同一锥面， 两本体独特的倒锥构造使推力体与油管柱以及涡轮体与油管柱之间构成统一的收敛型油 楔而产生动压液膜；推力体和涡轮体本体的导油圆孔和导油槽结合杆瓦和卡瓦的导油孔和 油沟，保证杆瓦和卡瓦充满油液而变成含油轴瓦；推力体的前叶轮和涡轮体的后叶轮的叶 轮齿均沿本体锥面均匀排列且个数相同，其叶轮齿线为沿本体锥面展开的螺旋线，螺旋线 沿同一锥面展开并且螺旋角采用相同的角度，螺旋角取值随井液黏度的增大而减小； 一基杆；所述基杆整体采用阶梯轴结构，上下扳手方径外环面上切有相互平行的两个 面，下扳手方径与杆体连接处采用45°圆锥面过渡；轴身采用上粗下细的倒锥形，其锥面 大端直径等于上扳手方径直径，而锥面小端直径等于杆体直径，轴身与油管柱之间构成收 敛型油楔而产生动压液膜；上下轴颈表面均需进行精加工，分别与涡轮体卡瓦衬和推力体 杆瓦的内环面间隙配合；轴头外环面加工有外螺纹，而下部与杆体连接处采用45°倒圆锥 面过渡。
2. 根据权利要求1所述的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，其特征在于：所述整流体表面 在热处理后再次进行喷焊处理，喷焊层与整流体金属牢固结合； 所述推力体本体和前叶轮以及涡轮体本体和后叶轮表面均需进行镍磷镀处理； 所述基杆调质处理后表面渗氮处理，表面粗糙度需达到〇. 6 μ m?3. 2 μ m。
3. 根据权利要求1所述的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，其特征在于：所述整流体本体 的内环面上部加工有倒锥面，内环面下部加工有内螺纹，同时本体外表面中部设计有沿圆 周均匀布置的螺孔，个数为4个，用于放置紧定螺钉。
4. 根据权利要求1所述的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，其特征在于：所述推力体本体 和涡轮体本体的外表面上均加工有分层排列的导油圆孔，层面间距相等，各层面间的圆孔 平行排列，每层面的导油圆孔均匀分布，孔数取4个； 所述推力体本体和涡轮体本体内环面的上下两端各加工有一环形凹槽，中部加工有与 导油圆孔同层布置的全环导油槽，导油槽的剖面为矩形，每层面的4个导油圆孔均与该层 外表面上的导油槽贯通。
5. 根据权利要求1所述的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，其特征在于：所述推力体的杆 瓦中部加工有与推力体本体的导油圆孔和导油槽同层布置的导油孔，每层面导油孔均匀布 置位置与该层面的本体导油圆孔相对应；杆瓦内环面钻有一定密度和孔径大小的盲孔，每 层面的盲孔孔眼均匀分布，孔数取16?24个，层面间距相等，层数取15?20为宜，各层面 间的孔眼交错排列，作业中各盲孔眼充满油液；杆瓦两半剖体接缝处设计有油沟。
6. 根据权利要求1所述的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，其特征在于：所述推力体前叶 轮的叶轮齿在垂直于叶轮齿线的法面端面为平行四边形，该端面平行四边形长边与此处法 面切线的夹角取为45° ;同时端面高度沿叶轮齿线逐渐增大，井液流经旋转中前叶轮齿面 上的接触线由短变长，接触面积由小变大。
7. 根据权利要求1所述的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，其特征在于：所述涡轮体本体 内环面的中部加工有分层排列的调节螺钉圆孔，用于放置调节螺钉及球形垫片，层面间距 相等，每层面的螺孔均匀分布，孔数取4个，各层面间的螺孔与导油圆孔和导油槽分层交错 排列。
8. 根据权利要求1所述的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，其特征在于：所述涡轮体的卡 瓦中部加工有与涡轮体本体的导油圆孔和导油槽同层布置的导油孔，每层面导油孔均匀布 置位置与该层面的涡轮体本体导油圆孔相对应，保证涡轮体内外联通并始终充满油液；卡 瓦两半剖体接缝处也有油沟。
9. 根据权利要求1所述的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，其特征在于：所述涡轮体的卡 瓦衬采用环片构造，其上下两端分别嵌入卡瓦的Η形卡箍里端，卡瓦衬的内外环面均采用 圆弧面，其内圆弧面直径大于基杆轴颈联接处的直径，同时外圆弧面直径小于卡瓦内环面 直径；卡瓦衬中部沿轴向加工有与本体调节螺钉圆孔和卡瓦圆孔同层布置的调节孔，每个 调节孔环面采用变截面回转构造，变径截面结合处采用球面进行过渡，此球面与球形螺母 相配合； 所述球形螺母的外表面为标准的球面，需经过精密研磨和退磁处理，与卡瓦调节孔配 研后的结合带宽度不得小于5. 0毫米，中间的内环面上加工有内螺纹；球形螺母的特殊构 造结合调节螺钉及其球形垫片可以保证卡瓦衬在卡瓦和基杆的环形空间中任意角度进行 调节。
10. 根据权利要求1所述的鱼鳍式自旋转防偏磨抽油杆，其特征在于：所述涡轮体后叶 轮的叶轮齿采用组曲叶片，在垂直于叶轮齿线的法面端面为平行四边形与圆形的组合体， 后叶轮与前叶轮的叶轮齿面处于相同角度的平面，形成一个流线型鱼鳍式的整体； 所述后叶轮的叶轮齿面与涡轮体本体锥面采用凹球面过渡，前凹球面半径较大，而背 凹球面半径较小；后叶轮的叶轮齿面顶部采用凸球面，并且球面端部与该处圆周面相切。
【文档编号】E21B19/10GK203891782SQ201420124958
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】刘春花, 刘新福, 周超 申请人:中国石油大学(华东)