CN101010512A - 泵杆驱动设备和抽出方法 - Google Patents

Abstract

一种用于从井中特别地从油井中人工地提升流体的电磁柱塞。该公开文件还教示了使用该柱塞的方法和系统。基于各种情况，在费用、环境因素、优化机械效率和井的总产量的最大化方面，该应用改进了现今使用的已存在的系统。

Description

泵杆驱动设备和抽出方法

技术领域

本发明涉及一种有效的泵杆驱动(pumping jack)系统，特别地，本发明涉及一种垂直井式泵杆驱动系统，用于与一种电磁柱塞(ram)相结合有效地进行抽出。

背景技术

根据现有技术已知，各种类型的泵杆驱动设备已经与油井相结合使用了许多年，并且作为一种可能性，使用流体动力来操作活塞和汽缸组件用于操作泵杆驱动设备。流体组件辅助操作往复式井下泵、抽吸杆和光杆。或许，现今已知的最普通和最老的泵杆驱动系统是步进梁型，其利用配重、齿轮箱和诸如旋转电动马达或者内燃机的原动机，该原动机可以以各种燃料源运转。这些单元通常购买费用昂贵、运输起来大且笨重、安装设置费时、机械效率低并且功率耗费巨大。它们还具有重的安装底面，这在环境敏感区域是不能接收的。

如同在本领域所公知的，液压泵杆驱动系统通常用于低到中等产量的油井，不幸的是效率低(大约30％)并且需要大量的动力。进一步的限制是这种设置是环境不友好的，即漏油和喷洒油等。

地面抽出系统的另一个示例是一种改进的空腔型泵。这种泵用于中到高容量的油井，特别是用于具有高的沙浓度的油井或者那些用于生产重油的油井。已经认识到改进的空腔型泵不适用于具有高硫化氢浓度的油井或者包含高二氧化碳浓度的油井。因此，这些抽出系统的耐久性是有限的。泵杆驱动装置的另一种形式是Roto-Flex系统。这些装置具有40％和50％之间的良好的功率效率，用于中到高容量油井并且提供长的行程能力。虽然是适用的，但是Roto-Flex单元并不是特别环境友好的。

用于抽取流体的抽出装置的另一个变型包括电动下沉型抽出单元，其特别地用于没有气体的大容量油井，但是对于在流体中含有气体的油井的环境，其十分受限制。对于重油，它们还功率消耗大以及性能差。

就通常基于地面的液压/气动泵杆驱动系统而言，其优点是安装设置相对便宜，并且能够由用户定制。这种装置仅仅适用于低到中容量的油井并且生产效率中等。虽然这些装置具有优点，但是这些类型的泵杆驱动在非常热、非常冷的天气下性能很差，并且环境不友好。

抽出系统的另一个变型是传统的用于将流体从油井中移除的“气体提升”系统。这些装置不需要动力，并且安装相对便宜，适用于在低容量界限的油井中使用油井气作为原动力。

在1980年5月6日颁发给Ogles的美国专利4,201,115中示出在本领域中已知的一种装置。该系统是具有双液压操作汽缸的油井泵杆驱动设备。该装置结合用于枢转泵杆驱动设备的步进梁的汽缸，并且包括一种独特的控制装置，用于控制活塞和汽缸的操作。该控制系统还允许以双动作模式或者单动作模式操作液压活塞和汽缸组件。

在1978年9月19日颁发的美国专利4,114,375中，Saruwatari公开了一种泵杆驱动装置，其具有双动作活塞和汽缸马达，马达的活塞杆适用于连接至从油井头朝外突出的光杆。

在1984年8月7日颁发给Anderson的美国专利4,463,828中，公开了一种泵杆驱动装置，其具有用于使泵杆驱动装置转动曲柄向下的弹簧手柄，并且提供一种安全锁用于防止将泵杆驱动装置保持在顶端的螺旋杆的意外松开。

虽然在现有技术中先前提出的装置具有优点，显然，许多系统采用了液压操作的汽缸或者齿轮箱和用于致动往复泵和油井中的其他重要部件的马达。将会更希望具有一种高效率的装置，其不会受到在这些系统中内在的限制。本发明旨在减轻现有技术中的以往的限制。

此后较详细地讨论的本发明实际上消除了现有技术的曲柄、液压地面驱动装置和各种其他的抽出系统中的所有问题。本发明使得地面驱动机构在能量使用和抽出两者方面是有效的，并且还限制了在所有地面和井下机械部件上的应力。该单元几乎不需要现场准备，重量轻，易于移动，且安装简单。通常，操作完全地计算机化，并且会起到帮助每个特别给定的油井的优化的“智能”泵杆驱动设备的作用。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有高效率的改进的油井泵杆驱动设备。

有利地，限制所使用的能量的系统会降低和限制峰值能量，其基本上使得终端用户的能量花费降低。特别重要的是考虑到实践中即使该峰值仅仅用了几个小时，电力供应商是根据所使用的峰值能量对整年进行计费。

本发明的一个实施方式的另一个目的在于提供一种对电磁柱塞的使用，其用于通过线性泵杆驱动设备将油从油井抽出。

通过使用电磁柱塞实现了显著的优点。最有利的特征之一是该系统是电子的，由此不具有摩擦损耗、雾化泄漏、冷却或者其他在液压系统中存在的显著问题的限制。另外，电磁柱塞装置提供了良好的运动功率效率，并且当系统是静态时，简单地不使用任何电功率。作为进一步的优点，该活塞可以并且将在向下行程上起到将功率返回到供应系统的功率发生器的作用。这对于液压或者其他泵杆驱动系统是不可能的，代表了与现有技术的泵杆驱动设备相比的区别性优点。

本发明的一个实施方式的另一个目的在于提供一种泵杆驱动装置，其适用于在油井中使用，用于将流体从油井中抽出，包括：井头；连接至所述井头的支撑结构；连接至所述支撑结构的电磁柱塞；连接至所述电磁柱塞的光杆；连接至所述光杆和杆柱的泵装置，用于将所述流体从所述井中抽出；以及管道装置，用于传输从所述井中抽出的回收的流体。

通过结合该电磁柱塞，该系统能够实现大于90％的效率，具有非常优良的特性包括：平稳的精度响应、无机械间隙和零回差。该装置仅有一个移动部件并且提供双动作。

本发明的一个实施方式的另一个目的在于提供一种从包含流体的井中抽出的方法，包括：提供一种泵杆驱动装置，其具有位于并上方的井头，设置在所述井内的往复泵，和用于支撑所述泵和所述井头的支撑结构；提供连接至所述泵的电磁柱塞；致动所述电磁柱塞；并且从所述井内抽出流体。

任何电磁柱塞可以结合在该系统中，在1995年8月8日颁发给Denne的美国专利5,440,183中描述了其一个示例。

该设备提供了在此说明的结合中的应用并且辅助提供一种非常有效的泵杆驱动设备。

特别地，方便的是该设置能够适用于诸如水井、煤层气井、油井等类型的流体井。

现在参照附图，对本发明进行一般性地说明。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的整体系统的示意图。

具体实施方式

该技术应用于抽油领域。

图1概略性地示出了线性电磁柱塞人工提升泵杆驱动系统以及井下部件。传统的井头8示出光杆7，光杆穿过井头填料箱21并且连接至抽吸杆12。抽吸杆12向下穿过管柱14的内部至往复泵15。线性电磁柱塞3通过光杆夹6连接至光杆7。线性电磁柱塞3通过结构联接件1连接至支撑结构5。该结构的顶部位于两个重量传感器2上，所述重量传感器2抵靠固定的支撑结构5测量运动的泵组件的重量。

电动/气动管道4将线性电磁柱塞3和重量传感器2连接至控制器单元壳体16。控制器单元壳体16由密封的防风雨箱组成，其内部带有控制器电子装置9和气动控制器系统10。控制器单元壳体16安装在固定至地面11的钢安装柱17上。

线性电磁柱塞3的工作类似于旋转步进马达，但是该柱塞不是旋转的，而是线性地以提升的方式运动、伸展和收缩。控制器9和10可以使得马达每次步进几分之一英寸。通过该小段式运动以及通过改变步进速率，马达可以以各种速度移动至精确的位置。通过调节施加于每一步的功率，移动的力可以以小步进的方式控制。通过控制步进速率和施加的功率，可以以受控的加速和减速在井下往复泵上施加平稳的移动，从而使抽吸杆柱12上的应力保持为最小。

在线性电磁柱塞3运动期间，重量传感器2由控制电子装置9监控。如果在泵上的应力的增加接近于编程设定的界限值，控制电子装置9将降低施加至线性电磁柱塞3的功率，以保护所有的在井上/内的部件和所附接的管线基础设施。如果故障导致过大的机械应力，控制电子装置9会停止线性电磁柱塞3以等待操作员解决问题。通过流量计18监控井的流量。该流量计可以是诸如其输出信号与通过管道19的流量成正比的涡轮式或者桨轮式流量计等任何传统的流量计。

控制器软件(未示出)可以编程为通过改变井下往复泵行程速度和长度以优化流量。控制软件可以改变行程速度/长度。可以根据需要在所有的泵杆驱动参数上方便地设置界限值。对于产量差的井，控制软件会观察到每次之后的流量下降，并且降低井下泵行程的速度或者长度。软件还可以编程为通过停止行程一定的时间给流量差的井或者“气栓”的往复井下泵更多的回收时间，直至该回收完成，或者直至泵流体静力学地填充流体并且排除气栓。

总之，由该装置得出多个方便的特征，即：

a)通过监控穿过流量计的流体流和控制井下往复泵行程参数优化流量；

b)通过监控泵组件的重量保护抽吸杆和井下泵免于过大的机械力；

c)检测通常的抽出问题；

d)如果在井下泵组件中检测出诸如泵组件重量增加等故障就停机。

e)如果检测出泵组件重量降低的故障就停机；

f)监控电力能量的使用，如果马达即将达到最大配置能力极限就减慢马达的速度；并且

g)控制井下泵的加速和减速以保持应力为最小；

h)控制器可以编程为提供功率计卡以增强井的优化。

i)测试大致最小产量的流量以确保井下往复泵保持没有气穴现象，并且消除本领域公知的“液面撞击”或者“液面锤”。

虽然如上说明了本发明的实施方式，但是其并不限于此，显然地对于本领域的普通技术人员而言，本发明的部分的多种修改形式并未偏离本发明所要求保护和说明的精神、性质以及范围。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于从油井中抽出流体的设备，其特征在于，所述设备包括：

泵杆驱动设备，其具有位于井上方的井头、设置于所述井内的泵和用于支撑所述泵和所述井头的支撑结构；

电磁柱塞，其连接至所述泵和所述支撑结构，用于控制所述泵的运动；以及

传感器装置，用于感测所述柱塞上的力；以及

操作性地与所述传感器装置相关联的控制装置，用于在从所述井内抽出油期间响应于所述传感器装置控制所述电磁柱塞。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电磁柱塞是电力致动的。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电磁柱塞是气动致动的。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括流量计，用于监控来自所述井的油的流量。

5.一种适用于在油井中使用以从油井中抽出流体的设备，其特征在于，所述设备包括；

井头；

连接至所述井头的支持结构；

连接至所述支撑结构的电磁柱塞；

连接至所述电磁柱塞的光杆；

连接至所述光杆的泵装置，用于从所述井抽出所述流体；

传感器装置，用于感测所述柱塞上的力；

操作性地与所述传感器装置相关联的控制装置，用于在从所述井内抽出油期间响应于所述传感器装置控制所述电磁柱塞；以及

管道装置，用于传输从所述井抽出的回收的流体。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述柱塞是气动/电磁柱塞。

7.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述泵杆驱动设备还包括致动装置，用于致动所述电磁柱塞。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，用于致动所述电磁柱塞的所述致动装置包括电功率系统。

9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，用于致动所述电磁柱塞的所述致动装置包括气动系统。

10.一种从包含流体的油井中抽出流体的方法，其中所述井包括：

位于井上方的井头；

设置在所述井内的泵；和

用于支撑所述泵和所述井头的支撑结构，其特征在于，所述方法包括：

提供连接至所述泵的电磁柱塞；

致动所述电磁柱塞；

提供应力感测装置，用于感测由所述柱塞承受的应力；

响应于所述泵处的所述应力控制所述电磁柱塞的运动；以

及

从所述井内抽出流体。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用控制器装置通过所述电磁柱塞的运动控制所述泵的运动的步骤。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述柱塞是电力致动的。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在感测所述泵处的应力。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括响应于在所述泵处的所述应力控制所述电磁柱塞的运动。

Claims (16)

1.一种用于从油井中抽出流体的设备，其特征在于，所述设备包括：

泵杆驱动设备，其具有位于井上方的井头、设置于所述井内的泵和用于支撑所述泵和所述井头的支撑结构；

电磁柱塞，其连接至所述泵和所述支撑结构，用于控制所述泵的运动；以及

控制装置，其用于在从所述井抽出油的期间控制所述电磁柱塞。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电磁柱塞是电力致动的。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电磁柱塞是气动致动的。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述支撑结构包括传感器装置，用于感测所述电磁柱塞的运动。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述传感器装置包括所述控制装置。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括流量计，用于监控来自所述井的油的流量。

7.一种适用于在油井中使用以从油井中抽出流体的设备，其特征在于，所述设备包括：

井头；

连接至所述井头的支撑结构；

连接至所述支撑结构的电磁柱塞；

连接至所述电磁柱塞的光杆；

连接至所述光杆的泵装置，用于从所述井抽出所述流体；以及

管道装置，用于传输从所述井抽出的回收的流体。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述柱塞是气动/电磁柱塞。

9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述泵装置还包括致动装置，用于致动所述电磁柱塞。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，用于致动所述电磁柱塞的所述致动装置包括电功率系统。

11.如权利要求9所述的设备，其特征在于，用于致动所述电磁柱塞的所述致动装置包括气动系统。

12.一种从包含流体的油井中抽出流体的方法，其中所述井包括：

位于井上方的井头；

设置在所述井内的泵；和

用于支撑所述泵和所述井头的支撑结构，其特征在于，所述方法包括：

提供连接至所述泵的电磁柱塞；

致动所述电磁柱塞；和

从所述井内抽出流体。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用控制器装置通过所述电磁柱塞的运动控制所述泵的运动的步骤。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述柱塞是电致动的。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括感测所述泵处的应力。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括响应于所述泵处的所述应力控制所述电磁柱塞的运动。