CN100519985C - 摆式平衡智能控制抽油机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摆式平衡智能控制抽油机，其主要特点是，机架为顶部伸出的悬臂式结构，伸出端装有悬绳轮，换向机构由带正、反向绳槽的主、被动换向轮构成，主、被动换向轮之间通过换向拉绳连接，被动换向轮上固接有悬绳，平衡机构采用摆式平衡，与换向机构通过过桥轴连接并连动，电机联接有电机矢量控制柜，该控制柜通过数据总线与智能控制装置联接，智能控制装置通过信号传输线联接有用于监测抽汲流量的流量传感器。该抽油机能够根据井下状况对抽油机的冲次、冲程进行自动控制，提高电机效率，减少劳动强度，而且具有结构简单、平衡度高、性能可靠、节省电能、降低生产和使用成本等优点。

Description

摆式平衡智能控制抽油机

技术领域

本发明属于采油设备技术领域，是一种用于油田抽汲原油的摆式平衡智能控制抽油机。

背景技术

在公知的技术中，油田普遍使用的游梁式抽油机虽然使用方便、可靠，但是由于其电机的负荷是一周期性脉动负荷，并迭加有瞬间的冲击。为减小抽油机上下冲程负荷的波动，一般都配有平衡块，利用其旋转惯量平抑载荷的波动，这种方式平衡系数低、效果差，只能适用于旋转速度较高、负荷较小的多冲次、短冲程采油作业，而目前大部分油田都处于开采的后期，大量的贫油井需要低冲次、长冲程、大排量抽采，较低的旋转速度导致这种平衡方式的失效，而且不易于实现长冲程，因而不适应石油开采的需要。其次，抽油机电机的负荷曲线上有两个峰值，分别为抽油机上下冲程的“死点”，抽油机自由停车后再启动时，总是从死点处启动，因此需要配置大功率电机，才能满足电机启动转矩的要求，而在抽油机正常运行时负荷率很低，一般在20～30％，造成功率因数低、效率低、电能浪费大。

进入21世纪以来，国内外相继研制了各种无游梁抽油机，如采用转向可逆电动机或液压马达带动滚筒正反转，实现长冲程抽油；或采用六连杆结构增大游梁机的冲程；或采用滑轮组和齿轮传动的增程方式；或采用天轮平衡方式等等，这些方案相对于游梁抽油机都获得了不同程度的改进效果。但是，由于抽油机是在地理气候复杂的野外进行连续作业，因而上述方案的推广存在着诸多方面的障碍，如：结构复杂、不皮实、可靠性差、故障率高、易损件多、维修管理不便、平衡效果差、电能消耗大、耗用钢材多等缺陷。另外，在油田开发生产过程中，尤其在油田进入特高含水的开发后期，油层供液能力变化大，抽油机的生产能力与油层供液能力不适应、不平衡的矛盾日益突出。为了解决这一矛盾，以往采取的办法是人工调节抽油机井参数，与地层供液能力相匹配。但是这种办法费时费力，而且很难保证对抽油机井进行有效的控制，即使人工调节参数一时达到平衡，也很难保持平衡，因而使抽油机井处于非平衡工作状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够根据井下状况进行冲程、冲次的自动实时调整，对抽采运行进行有效实时监控，而且结构简单、平衡效果好、运动构件少、重量轻、耗材少、耗能低的摆式平衡智能控制抽油机。

实现本发明的目的所采取的技术方案是：该机具有底座、机架、电机、换向机构和平衡机构，其中：机架为顶部伸出的悬臂式结构，伸出端装有悬绳轮，换向机构设置在机架的一侧，是由带正、反向螺旋绳槽的主、被动换向轮构成，并通过皮带传动件与电机连接，平衡机构采用摆式平衡，设置在机架的另一侧，与换向机构通过过桥轴连接并连动，电机通过输电线联接有电机矢量控制柜，用于控制电机的正反转换向及转速，电机矢量控制柜通过数据总线与智能控制装置联接，智能控制装置通过信号传输线联接有安装在油井出油口处的输油管道内或抽油泵的进油口处的流量传感器。

所述主、被动换向轮之间通过两根正、反向拉绳连接，拉绳的两端分别固定在两个轮上，其中，被动换向轮上固接有悬绳，悬绳的另一端绕过悬绳轮与抽油杆悬挂连接。

所述平衡机构采用摆式平衡结构，是由平衡重、悬杠、摆轮和传动轮组成，其中摆轮安装在机架的下部，传动轮与被动换向轮同轴安装并连动，传动轮与摆轮之间通过柔性传动件连接，摆轮上固装有用于悬挂平衡重的悬杠。

所述平衡重与悬杠之间设有用于移动平衡重位置的调节定位件。

所述摆轮最大摆角小于180°。

所述智能控制装置包括一个工控机和一个用于显示检测及控制参数的显示器，其中工控机内装有：

一个用于接收流量信号并将其转换为数字信号的流量信号采集卡；

一个用于接收、处理流量及电机运行信号，并向电机矢量控制柜发送调控指令的监控系统软件。

按照上述方案制作的摆式平衡智能控制抽油机，其有益效果为：

1)该抽油机采用摆式平衡结构，使平衡系数提高到90％以上，将抽油杆上、下冲程的脉动载荷变为均衡载荷，从而降低电机功率配置，提高运行过程的功率因数，减少功率损耗。

2)采用电机矢量控制柜变频调速能够实时调节抽油机的冲程、冲次，并分别实时调节上、下行程的速度，既无启动冲击，又可解决电机选型过大、功率因数偏低的问题，在获得节能增效的同时，提高抽油机整机和抽油泵的使用寿命，减少机械故障，提高可靠性。

3)配置的油液流量传感器可以实时监测井下油液状况，并由智能监控装置按照井下状况对抽油机的运行自动进行实时调整和控制，提高抽油泵的充满系数，减少泵的漏失，以获得最大出油效率。

4)该机的智能监控装置能够快速对电机运行及井下状况进行实时分析，并通过电机矢量控制柜对电机的转速、转矩和转向自动作出实时调整，在监控处理过程中，也可通过人机交换进行调整和控制，对抽油机和井下故障进行及时处理，同时各部运算值均可在显示器界面显示，并可按照设定要求自动生成运行报告，该装置也可通过远距离传输实现抽油井群的集中远程监控。

5)该机还具有结构简捷，运动构件少，运行可靠，使用寿命长等优点，与现有的游梁式抽油机相比，可节约钢材50％以上，从而大大降低该机的制造成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1的后视图；

图4是智能监控系统流程图；

图5是工控机工作程序图。

具体实施方式

参看图1、图2、图3，本发明的摆式平衡智能控制抽油机具有底座14、机架7、电机2、换向机构和平衡机构。其中：机架7为顶部伸出的悬臂式结构，伸出端装有悬绳轮8，以保持机架7的主体与井口10之间的距离，便于修井作业和井下故障的处理。换向机构设置在机架7的一侧，是由主、被动换向轮4、5构成，主、被动换向轮4、5上均设有正、反向螺旋绳槽，以防止拉绳在缠绕过程中因挤压摩擦而损坏。主动换向轮4装在机架7的下部，并通过皮带传动件3与电机2连接，被动换向轮5装在机架7的中部，主、被动换向轮4、5之间通过两根换向拉绳连接，拉绳的两端分别固定在两个轮上，当电机2交替正、反向旋转时，分别由一根拉绳带动被动换向轮5正转或反转。被动换向轮5的中间部位固定连接有悬绳6，悬绳6的另一端绕过悬绳轮8与抽油杆9悬挂连接。该抽油机的平衡机构采用摆式平衡，与换向机构对应设置在机架7的另一侧，是由平衡重15、悬杠17、摆轮18和传动轮19组成，其中摆轮18安装在机架7的下部，传动轮19与被动换向轮5一同固装在过桥轴20上，并一起转动，其上设有用于排绳的螺旋绳槽，传动轮19与摆轮18通过钢绳连接，摆轮18上固装有用于悬挂平衡重15的悬杠17，平衡重15与悬杠17之间设有用于移动平衡重位置的调节定位件16，该件可采用螺杆、螺母调节，或是采用齿条、齿轮调节或蜗杆、齿条调节。平衡重15通过调节定位件16安装在悬杠17的伸出端，移动调整其安装位置，可调整平衡力矩的大小，以适应不同的抽汲载荷，并利用杠杆原理使抽油机的平衡系数达到90％以上，大大减小配套电机的额定功率，节省电能消耗。同时在悬绳失载时，平衡重15始终处于悬挂摆动状态，能够有效地保证整机的安全。在该抽油机结构中，被动换向轮5大于主动换向轮4的直径、主动换向轮4的直径大于电机皮带轮的直径，以实现两级减速，加大力矩输出，减小电机2的功率配置。被动换向轮5的外圆直径由其正、反转最大旋转圈数和抽油机最大冲程的关系确定，传动轮19与摆轮18之间的直径比例应保证在传动轮19最大转动圈数范围内，使摆轮18的最大摆角小于180°。

该抽油机的电机矢量控制柜1分别通过输电线和数据总线与电机和智能控制装置联接，其内装有可编程智能功率模块，它是采用双CPU处理，即其内部配置有DSP和MCU，由DSP实现电机2转速、转矩和相位的测量、计算和控制，而MCU则用来完成监测的数据对工控机12监控处理系统的信号传输，并接受工控机12发送的控制信号。通过DSP对电机2的转矩、相位和转速进行控制，以实现电机2的最佳速度控制。其中，转矩的控制由DSP根据电机2载荷的瞬时变化感应自动进行适应性调整控制，而相位和转速则由DSP根据工控机12发送的控制参数指令进行调整。

电机矢量控制柜1的配置能够改变抽油机长期处于低效做功的状态，使其运行方式与油井实际负荷相匹配，减少低效甚至无效抽汲，同时能够实现上下冲程的异速运行调整，并由此降低电费开支，减少维护成本，提高运行效率。本案中使用的电机矢量控制柜1可在市场直接购置。

在井口10处的输油管道内或抽油泵的进油口处安装有一个感应式流量传感器11，该传感器通过信号传输线与工控机12联接，用于采集抽汲过程中的瞬时油液流量信号，供工控机12分析井下液面状况，作为确定抽汲冲次冲程的依据参数。

智能控制装置包括一个工控机12和一个显示器13，其中工控机12内装有一个带监控处理系统软件的集成芯片，用于接收、处理抽汲流量和电机2的运行参数，并通过D/A转换向矢量控制柜1发送指令；一个流量信号采集卡，用于通过A/D转换将流量传感器11传送的抽汲流量信号转换为数字信号，并储存备用。该工控机12具有良好的屏蔽功能，运行安全可靠，通过通讯接口还能实现远程集中监控。通过智能控制装置，能够实现抽油机冲程、冲次的实时调整，保证抽油机的最佳运行状态，以达到高效率、低能耗的最佳效果，对抽油机的运行过程进行自动控制。与此同时，工控机12将各类参数的测量值及预算结果在显示器13的屏幕实时显示，通过通讯接口将各类信息发送至井群网络中心，实行集中监控，从而大大减轻采油工人的劳动强度。

图4是智能监控系统流程图，该系统在使用时根据经验数据建立抽汲流量、油泵充满系数、实时冲次、实时冲程、控制冲程、控制冲次和电机控制转速、相位等参数之间关系的运算处理模型，导入监控处理系统软件，即由当前抽油机运行冲程、冲次状态下的抽汲流量计算每一冲次的抽油泵充满系数，再按这一相关关系计算控制冲程、控制冲次，然后再转换为电机2的控制转速和控制相位。启动抽油机后，流量传感器11采集的瞬时流量信号通过A/D转换为数字信号，储存在流量信号采集卡内，由监控处理系统软件运用运算处理模型计算确定冲程、冲次的控制参数，并转换为电机2的转速和相位控制参数。同时，电机矢量控制柜1将电机运行的实时转速和相位监测数字信号通过数据总线传送至监控处理系统软件，由监控处理系统软件按照设置的程序对电机2的转速和相位监测值与运算确定的控制值分别进行比较并计算出差异值，作为调整控制量，依此发送指令至电机矢量控制柜1，即可对电机运行参数进行实时调整。当油液抽汲流量太小，出现抽油泵充满系数过低时，由监控系统软件依照设定程序发送指令给电机矢量控制柜1，停止电机运行，实行间歇性抽采。该系统通过人机交换可以根据需要随时在显示器13屏幕显示各类参数，也可通过通讯接口将各类信息发送至井群网络中心，实行集中监控，通过智能监控系统的运行，实现抽油机高效抽采的自动化控制。

图5是工控机工作程序图，工控机12的工作程序是打开工控机12，将流量、油泵充满系数、冲次、控制冲程、控制冲次运算处理模型导入监控处理系统软件。在抽油机开始运行时，先对监控处理系统初始化，使之处于待运行状态，然后由监控处理系统软件自动调取实时流量信息参数，并运用运算处理模型依次计算抽油泵充满系数、抽油机控制冲次、控制冲程及电机控制转速、控制相位参数。然后软件依照设定程序自动从电机矢量控制柜1调取电机2的运行转速、相位的实时监测值，并与计算的控制参数比较，计算出差异值，当差异值为零时，则说明电机2运行正常，不需调整；当差异值不为零时，则由软件自动发送指令到电机矢量控制柜1，对电机2的运行进行调整，如此反复运行，至停止抽采作业结束。

Claims (6)

1、一种摆式平衡智能控制抽油机，具有底座、机架、电机、换向机构和平衡机构，其特征在于：机架为顶部伸出的悬臂式结构，伸出端装有悬绳轮，换向机构设置在机架的一侧，是由带正、反向螺旋绳槽的主、被动换向轮构成，并通过皮带传动件与电机连接，平衡机构采用摆式平衡，设置在机架的另一侧，与换向机构通过过桥轴连接并连动，电机通过输电线联接有用于控制电机正反转换向及转速的电机矢量控制柜，该控制柜通过数据总线与智能控制装置联接，智能控制装置通过信号传输线联接有安装在油井出油口处的输油管道内或抽油泵的进油口处的流量传感器。

2、根据权利要求1所述的摆式平衡智能控制抽油机，其特征在于：所述主、被动换向轮之间通过两根正、反向拉绳连接，拉绳的两端分别固定在两个轮上，其中，被动换向轮上固接有悬绳，悬绳的另一端绕过悬绳轮与抽油杆悬挂连接。

3、根据权利要求1所述的摆式平衡智能控制抽油机，其特征在于：所述平衡机构采用摆式平衡结构，是由平衡重、悬杠、摆轮和传动轮组成，其中摆轮安装在机架的下部，传动轮与被动换向轮同轴安装并连动，传动轮与摆轮之间通过柔性传动件连接，摆轮上固装有用于悬挂平衡重的悬杠。

4、根据权利要求3所述的摆式平衡智能控制抽油机，其特征在于：所述平衡重与悬杠之间设有用于移动平衡重位置的调节定位件。

5、根据权利要求3所述的摆式平衡智能控制抽油机，其特征在于：所述摆轮最大摆角小于180°。

6、根据权利要求1所述的摆式平衡智能控制抽油机，其特征在于：所述智能控制装置包括一个工控机和一个用于显示检测及控制参数的显示器，其中工控机内装有：

一个用于接收流量信号并将其转换为数字信号的流量信号采集卡；

一个用于接收、处理流量及电机运行信号，并向电机矢量控制柜发送调控指令的监控系统软件。

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