CN101294484A - 单冲程机泵联控的抽油设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单冲程机泵联控的抽油设备，包括抽油机和抽油泵，并用变频器使其单冲程联控。抽油泵有上泵筒和下泵筒，泵筒外分别装上气锚和下气锚，泵筒内装有和抽油机连接的柱塞，柱塞下端设有游动阀，其特征在于：在上泵筒和下泵筒之间装有无阻力常开的上进油阀；柱塞上行时，下气锚的油从固定阀灌入泵内，柱塞到上死点时空芯电机停止运转，上气锚中的油从上进油阀灌入泵不满部分，停机时间到后电机再运转；当柱塞下行通过上进油阀后，液柱压力使上进油阀关闭。本发明可实现机电泵一体化，具有高效节能和降低生产成本等优点。

Description

单冲程机泵联控的抽油设备

技术领域

本发明涉及油田开发的一种抽油设备，尤其涉及一种可节能、提高系统效率、降低原油生产成本的单冲程机泵联控的抽油设备。

背景技术

我国有油井十几万口，百分之九十五以上是有杆抽油井。抽油设备则以游梁式抽油机和上下往复柱塞式抽油泵为主体。泵的泵筒接在油管下端，柱塞接到油杆下端，抽油机通过油杆带动井下泵的柱塞往复运动。上行时泵筒下部固定阀打开油被抽吸到泵筒内，下行时固定阀关闭，柱塞下端的游动阀打开，油进入油管，如此往复循环不断，油被提升到地面。这种抽油方式已延续一百多年，不单中国，全世界目前也是如此，它突出的特征是在环境恶劣的条件下有很高的可靠性，但也有很多致命性的问题。这些问题概括起来的集中表现就是系统效率低下，我国大约在23％左右，与世界水平比可能是最低的。这和我们的科学发展观、节约环保型社会的发展目标不相适应。系统效率低的主要原因一是泵效低，全国平均30％左右；二是抽油机的传动效率低而且二者之间没有有效的联系和控制。

1、抽油泵的主要问题

①气影响严重。油气同时存在而且气量远大于油量，固定阀打开进油时气很快进入而油只是气的携带物进入很少。虽有防气的气锚设备但它只能装在泵的下方，在泵向上抽油时造成负压又形成油气分离，效果不好，很少使用。

②泵的上部缺少一个进油阀。柱塞到上死点时已失去再抽吸的能力，不满的空间被气占据，泵内外压力平衡，上部如再有一个常开阀，油靠重力灌入，气能排出，只要给泵一个时间就有充满的机会，这是彻底解决泵效问题的关键。

③固定阀结构不合理，功能不全。阀球上下垂直运动，因阀球自重，给进油造成很大阻力，而且撞击损坏严重寿命短。停抽时没有开起功能，不能使油套管连通，给油井作业造成困难。

2、抽油机的主要问题

①传动过程太长，效率低。从电机到油杆要经过很多传动过程，包括电机在内，地面系统效率经测算只有65％左右。

②装机容量过大。由于抽油机曲柄连杆机构和油井垂直提升载荷特性及平衡重的使用造成很大的自重，运转惯量过大，启动停止困难，为保证特殊情况时能正常启动，装机容量必须加大，使其长期处于大马拉小车的状态。

③运转速度过大，冲次频繁，造成严重磨损。从光杆到抽油泵柱塞，油杆长度少则500米，多则3000米以上，而抽油机冲次数最少6次/分钟，多则15次/分钟，每天8000多次，年300万次以上，造成油泵、油杆、油管和抽油机损坏十分严重，付出巨大维护代价。

④油井生产动态在抽油机上没有监测和显示。由于四连杆机构形成的往复运动是全程的变速运动，加上冲次频繁，井下油杆油管的弹性变型加大，造成载荷，电流频繁而又无规则的变动，再好的监测设备也无法测出近似准确结果，随时掌握油井生产状态很困难。

⑤最根本的问题是抽油机和抽油泵不能直接联控。现有技术的机泵也能联控，就是泵效低时可减小工作参数，如泵径、冲程和冲数，使沉没度增加从而使泵效提高。但是这样会造成油井对地层回压增大，采油压差减小，产能下降，纵使微量下降的经济损失也十分惊人，是节约多少电能也补不上的，所以产量第一，泵效第二是其必然。要想在低沉没度的情况下保证油井高产必须单冲程机泵联控，泵不满抽油机不动，等待泵满了抽油机再动，现有技术根本办不到。

针对以上问题几十年来各界人士做了大量的工作，取得了很多成果，就抽油泵的专利便有几百项，抽油机的专利有两千多项，遗憾的是系统效率没有明显的改进，原因到底是什么？发明人认为，从宏观上说，没有从全系统综合统一解决问题，从微观上看没有从最小过程单元去解决问题。也就是说计算机是从1、0开始，物质是从1个分子结构开始，抽油机系统也应从一个冲程开始解决，冲程是抽油系统工作运行的最小单元。现有技术中的一个冲程由始到终存在如下主要问题：

①油在进泵前没有进行有效的油气分离措施。

②油进泵靠由下向上吸入，有利气而不利油进入，应该由上向下灌入，这样有利油而不利气进入。

③固定阀进油阻力大，影响进油量且功能不全。

④泵上部缺一个进油阀，柱塞到上死点时泵不满，没有二次进油的条件。

⑤即使有二次进油的条件，抽油机因惯性能过大，不能随时停止运转。

⑥泵的充满状态没有可靠的监测，抽油机无法进行程序控制。

解决以上问题，抽油系统的问题就会得到根本的改善。

发明内容

本发明是把现有技术存在的问题综合起来统一考虑，改变机泵结构，实现单冲程运行全过程最优化，为节能、提高系统效率和降低生产成本提供一种单冲程机泵联控的抽油设备。

本发明的技术解决方案是：抽油机采用滚珠丝杠传动方式，很长的滚珠丝杠上安装滚珠螺母，丝杠从空心轴电机穿过，上下两端固定在机架上，电机和滚珠螺母联接并用机架顶端的导绳轮上的钢绳、悬绳器、油杆和井下抽油泵的柱塞连接。电机带动滚珠螺母在丝杠上旋转产生位移，正转上行、反转下行，带动柱塞上下往复运行。抽油泵上部再设一个上进油阀，柱塞到上死点时阀打开，靠重力分离油向下进入泵内，而泵内气体则从上进油阀排出。这时抽油机停机给泵一个充满的时间，停机时间长短由油井产能设定，产能高的停机时间短，反之停机时间长。停机时间到，柱塞下行通过上进油阀后，常开的上进油阀在管内液柱的压力作用下使阀球外移到阀座而关闭。机泵的正反停全过程按运行要求在变频器操作面板上设定并可根据工作实际情况修改设定值。形成一个简单、高效、节能、可靠的机电泵一体化单冲程机泵联控的抽油设备。

所述的一种单冲程机泵联控的抽油设备，其特征在于所述升降车沿着有刻度的轨道运行，轨道上带有标尺，升降车上装有指重表和电流表，用于观测柱塞的运行位置、载荷与电流值。

所述的一种单冲程机泵联控的抽油设备，其特征在于所述的上泵筒和下泵筒外面分别套装有比上进油阀和固定阀位置更高的上气锚和下气锚。

所述的一种单冲程机泵联控的抽油设备，其特征在于所述的固定阀包括有阀体、阀罩、阀座和阀球，所述的阀罩上有游动阀顶管、楔形体，楔形体中装弹簧和弹簧顶杆，楔形体及其弹簧件通常均偏置于阀体右侧，进油阀球被冲向左侧涡流区而重心仍在阀座的座孔内。

所述的一种单冲程机泵联控的抽油设备，其特征在于所述的上进油阀由位于上下泵筒间的接管、固定阀座及阀球所组成，阀球置于阀座孔与上下泵筒接管上的窗口之间，所述阀座孔与窗口螺纹连接，其中心线φa与φb有偏心距，使阀球依其自重保持与阀座孔常开。

所述的单冲程机泵联控的抽油设备的采油方法，其特征在于包括下述工艺步骤：

(1)定时停机，此时控制系统的时间继电器在运行，上进油阀开着向泵内进油，固定阀关闭停止进油，而下气锚开始工作进行油气分离和储油；同时，柱塞与上泵筒配合间隙在漏油，其漏失量取决于阀的灵敏度，应视每口井的实测数据确定最短停机时间；

(2)上阀封闭，柱塞下行到上进油阀时，上阀停止进油，上进油阀关闭后上气锚进行油气分离和储油；

(3)产油监测，当柱塞下行到游动阀接触泵内液面时，游动阀打开，油井液柱载荷消失，电机平衡重载荷变大，地面指重表下降，电流表上升，结合该点的行程位置可知油井产油状态，游动阀打开过程的长短取决于泵的充满程度，泵的充满程度可由示功图降载线显示，充满程度好，示功图的降载线接近于垂线，否则为不规则的弧线，反映了降载中的气影响，它干扰了充满程度的判定；

(4)柱塞出油，游动阀打开后油进入油管，泵无漏失量柱塞可慢速运行或任意停机，以待油井供油，气锚进行油气分离和储油，当气锚内有足够的油量时，进入下步程序；

(5)下死点换向，一段速下行时间到达设定值时，变频器给出反转换向指令，电机按给定时间减速，逐渐接近换向储能器，储能器把运转的惯性能储存，然后释放利用滚珠丝杠反推电机反转升速，变频器适时给出检速起动频率，电机按时起动；

(6)一次进油，柱塞开始上行，游动阀关闭，固定阀打开，下气锚的油从固定阀压入泵内，当泵内液柱高于下气锚时，泵由灌入状态变为抽吸状态，泵内很难充满，相差多少与油井状态有关；

(7)二次进油，当一次进油由灌入到抽吸状态，表明泵内压力低于油井压力，当柱塞运行到上进油阀以上时，上气锚的液柱压力大于泵内压力，油自然通过常开的上进油阀再次进泵，由于上气锚中储油量远大于泵不满部分，油靠重力分离作用进入泵内，而气体被排出；

(8)上死点换向，当柱塞下端上行通过上进油阀，二段速时间到，变频器发出换向指令，电机减速并压缩下换向储能器，电机转速等于零时变频器进入了三段速，按设定时间零频运转，电机直流制动，直流制动时间就是保证二次进油时间，时间到后电机正转启动，柱塞下行，进入下一冲程。

本发明的有益效果是：

1、抽油机结构简单、传动过程短、造价低、效率高；转动惯量小，可以频繁启动停止。

2、抽油泵上部设上进油阀，外设高位气锚，泵效可以控制。

3、固定阀以上有游动阀以及固定阀上带有起开器及阀球偏置结构，提高了泵效。必要时可使油套连通，不起动油管而对油井采取各种措施，可使油井增产和保证环保、延长固定阀使用寿命。

4、抽油机和抽油泵联合控制运转，大幅度提高了系统效率，不但节省成倍以上的能源，而且可节省成倍以上的维护费用，有效的降低原油生产成本。

5、装有行程标尺、指重表、电流表，随时可直观的掌握油井生产状态，即时发现问题，保障油井高产稳产。同时可通讯联网，实现分散控制集中管理，可处理油井管理的全部资料信息。

6、由地面计量变为井下计量，省去大量的油田建设费用。

总之，单冲程机泵联控的抽油设备将使抽油系统技术全面更新，社会和经济效益巨大。

附图说明

本发明有附图8幅，其中：

图1是本发明抽油机结构主视图；

图2是本发明抽油机结构左视图；

图3是本发明抽油泵柱塞上死点时工作原理图；

图4是本发明抽油泵柱塞下死点时工作原理图；

图5是本发明上进油阀结构纵向剖面图；

图6是本发明固定阀结构剖面图；

图7是本发明变频器控制基本线路图；

图8是本发明的采油工艺流程图。

在图中：1、变频器，2、升降车，3、指重表，4、电流表，5、标尺，6、导绳轮，7、钢丝绳，8、机架，9、悬绳器，10、滚珠丝杠，11、滚珠螺母，12、联轴器，13、平衡重，14、空芯轴电机，15、失电控制器，16、排线电缆，17、换向储能器，18、油杆，19、油管，20、上气锚，21、上泵筒，22、柱塞，23、游动阀，24、上进油阀，25、间隔接头，26、下泵筒，27、下气锚，28、固定阀，29、游动阀顶管，30、楔形体，31、弹簧，32、线罩，33、阀体，34、弹簧顶杆，35、阀球，36、阀座，38、接管，39、固定阀座，40、阀球。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示的一种单冲程机泵联控抽油设备。包括地面驱动设备抽油机、有和外线电网连接的变频器1，电流通过排线电缆16接到空芯轴电机14上，其空芯轴内装有滚珠丝杠10，空芯轴上端通过联轴器12和装在滚珠丝杠10上的滚珠螺母11联接，空芯轴下端装有失电控制器15，滚珠丝杠10上下两端装有换向储能器17并固定在机架8上。空芯电机14机座固定在升降车2上，车上装有平衡重13、指重表3和电流表4，当电机趋动滚珠螺母11在滚珠丝杠上旋转就产生位移，带动升降车2沿着轨道标尺5正转上行反转下行，通过连接在电机上的钢丝绳7固定在机架顶端的导绳轮6、悬绳器9和油杆18带动柱塞22上下往复运动。

同现有技术相比，滚珠丝杠传动抽油机结构简单，换向功能由电控承担。采用驱动滚珠螺母的方式使运转惯力很小，可以做到随时起停，与抽油泵的下行、上行、停止的正反停工作程序完全吻合，是实现单冲程机泵联控所必须的。其特点是体积小、重量轻、载荷大、冲程长，可以通过大泵径、高泵效，大冲程达到使冲次数最少的目标，可以使冲次数降低10倍以上。为了换向更平稳上下死点使用换向储能器，利用滚珠丝杠的可逆性使停止惯性力转为反向助推力，配合变频器的减速、加速控制功能，使换向平稳、节能、安全。冲次数的大幅度降低也为抽油机自身的可靠性和延长使用寿命提供了保障。还有重心调整，支架移位、防尘润滑等功能。

如图3、图4所示，所述的井下抽油泵，有在油管19下端连接的上泵筒21和下泵筒26，其间装有上进油阀24，下端装有固定阀28，在上下泵筒外分别套装有上气锚20和下气锚27，中间由间隔接头25连接，在泵筒中装有柱塞22，其上端和油杆18连接，下端装有游动阀23。抽油泵是本发明单冲程机泵联控技术的重心。同现有技术相比，在抽油泵结构上作了三个原理性的改变。

①气锚不再是可用可不用的单独井下工具，而是抽油泵结构不可少的主要部件。它对进泵前的油进行油气分离和储存，而且位置由在进油阀以下改为在进油阀以上，上下进油阀分设两个气锚。使进油方式由抽吸变为灌入，为高泵效创造了条件。同时，保障了泵筒的强度。现有技术泵筒接在油管和尾管(泵以下管柱)中间，泵筒强度远小于油管强度，所以成为应力集中点，泵处在不正常状态下工作。

②改进固定阀28的结构。固定阀28的结构如图6所示，图中去掉件29、30、31、34后是现有技术的基本结构。这种结构阀球35上下运动，因其自重、泵内必须有一定负压时才能打开，打开后泵腔内外压力很快平衡又落下。柱塞运动速度是从下死点的零加速到行程中间的最大，再从最大到上死点的零，这种变速运动造成泵一个冲程过程中阀球变速频繁的在阀罩32和阀座36之间撞击，加上阀球处在高速液流冲刷之中，使其表面疲劳磨损严重而过早失效。因固定阀失效而作业的井次在总井次中占一半以上。对这一问题过去是改善材质增加硬度，但太硬加工制造困难。本发明在原基础上安装了游动阀顶管29、楔形体30、弹簧31和弹簧顶杆34，游动阀顶管29平时是流道，在阀罩32上右侧还有两个流道孔，这样流道集中在右侧，进油时，阀体33内左侧形成涡流区，阀球被液流冲击到这一涡流死区内，使其在高度上没有大的空间，避免了上下撞击和液流的冲刷，而柱塞到上死点时，进油停止，阀球35的重心应在阀座孔内靠重力下落关闭，减轻磨损延长寿命。另外，正常生产时，柱塞到下死点时为防止和固定阀的撞击而损坏，和固定阀还有一定距离叫防冲距，而非正常生产时作业要松开卡在悬绳器上的油杆卡子，柱塞就座到固定阀上，因很大的重力游动阀顶管29伸入流动阀阀座孔将游动阀球顶起使其离开阀座而失效，柱塞下端又把楔形体30压下使其楔入阀球35和阀体33之间，使阀球35移位离开阀座36而失效，这样游动阀和固定阀全失效，油管和套管连通，油管内的油流回井内，减少损失和地面污染，油套连通可以不起油管、油杆对油层进行多种措施，而且开抽即时，意义重大，措施完成重对防冲距，游动阀球自然回位而楔形体30在弹簧31的作用下回位，固定阀也回位，可以正常投产。

③增设上进油阀24。结构如图5所示，在上下泵筒接头38的侧面设有轴线为φa的外螺纹，内有向上偏心的内孔，其偏心距可使阀球40轴线φb略低于φa，低多了阀球关闭困难，如果高于φa阀球关不上。内孔和泵筒之间有宽度小于阀球直径的巨型窗孔，为油的流道和阻挡阀球进入泵筒。外螺纹连接固定阀座39，当柱塞在上死点时，油管内液柱被柱塞和上泵筒封闭，下泵筒和油井之间为负压或压力平衡状态，阀球因自重离开垂直安装的和螺纹同轴线的座孔而常开，又因上气锚位置在阀座孔之上，油气靠重力分离，油进入而气排出。根据实际情况上进油阀可设一个或多个，也可以设专用排气阀，但尽量少设以减少故障率。当柱塞下行到和上下泵筒接头重合时，柱塞同时与上下泵筒都有密封作用，此时上进油阀闲置。当柱塞向下通过上进油阀时，油管内的压力油向外冲动阀球，使其进入阀座39的座孔而关闭。

上进油阀的设置意义重大，它使只要给泵时间这个条件，就能得到泵能充满这个现实。尤其在低沉没度情况下，也就是在油井高产的情况下的高泵效也会变成现实，是大幅度提高系统效率的关键。试图在泵的上部增设进油阀的努力由来已久，但因几个关键技术问题很难解决，一是直径限制，很小的油井内径中有抽油泵，环形空间位置很小，一般阀装不上。二是一般自开阀都是靠压力或压差打开，在压力平衡的情况下常开的阀很难。三是没有上位气锚和按时停抽的抽油机配合，即使有常开的阀也没太大的作用。

图7是本发明实施例3的变频器CVF-G2基本运行配线图。

R.S.T-三相电源输入接点

U.V.W-三相电源输出接点

M-电机

E-接地

X1、X2、X3、X4、X5、CM、X6-可编程输入接点

X7、CM-脉冲输入接点

FWD-正转执令

REV-反转执令

RST-故障复位

Ta、Tb、Tc-故障报警输出

P-直流电抗器

PB-制动电阻

P--制动单元

AM-频率计

AO-电压电流表

A、B-标准RS485通讯口接点

+24Z-失电制动器接点。

控制要求：抽油机升降车2停在下端储能器17上为起点(这时泵柱塞为上死点)，正转上行到接触上储能器时电机反转下行回到起点时制动停止。停止时间到时，电机正转起动上行，循环运行。要求正反转速度和时间可调，停止时间可调及安全保护。

控制模式：变频器功能齐全，本发明是典型的正反停电路，即使是通用变频器功能也只能用一小部分，但是如何使其控制运行最平稳、可靠性最高、操作最方便是需要认真研究的。常用的三线制，多段速外部控制，可编程多段速等多种控制方式都不是太理想。本发明开发了可编程多段速键盘控制模式。

①时段划分：一段速从起动加速上行到运行减速开始止，二段速从一段减速开始经换向下行到减速开始止，三段速从二段开始减速到停机时间到为止。

②变频器必须设置的运行参数

[b-0]＝2    高级参数运行模式

[b-1]＝1    频率输入通道为面板数字设定

[b-3]＝0    运行命令通道为键盘控制，FWD起动命令输入，STOP健停止命令输入

[b-17]＝1   REV/JOG键为点动命令输入

[L-18]＝50  一段速频率设定

[L-19]＝50  二段速频率设定

[L-20]＝0   三段速频率设定为0代替停机，此时输出电压也为0，但时间不为0。

[H-14]＝6   连续循环停机模式

[H-15]＝T1  一段速运行时间  秒  用时间控制实现行程控制

[H-16]＝0   一段速运行方向为正转

[H-17]＝2   一段速加减速时间预设为2秒

[H-18]＝T2  二段速运行时间  用时间控制实现行程控制

[H-19]＝1   二段速运行方向为反转

[H-20]＝2   二段速加减速时间预设为2秒

[H-21]＝T3  三段速运行时间。由于频率为0不存在运转方向和加减速问题，只是用它确定停机直流制动时间

余下的4-7段速运转时间都为0等于取消。

其它参数根据实际情况设置，必须设置中的t1和t2，可先预设为2。再根据实际情况修改。T1、T2由于行程相等，如果频率和载荷也相等可看作T1＝T2，用下式运算：

T＝3000L/hsHz+t

式中：T-行程运转时间  秒

L-上下储能器间距  mm

h-电机铭牌转速  转/分钟

s-滚珠丝杠导程  mm

Hz-该段速设定的频率

t-该段速加减速时间  秒

根据上式算得的时间略少于实际需要时间，根据运行修定时间或者修定频率，对于一台设备来说储能器间距L，电机转速h、丝杠导程s、加减速时间t都是确定的常数，运转时间只与设定频率的反比有关。

本发明的控制模式特点在于抽油机的上行和下行也就是1段速、2段速是用时间控制来达到行程控制的目的，停机时间控制是用3段速的零频运转时间实现，这样全部取消了信号的输出输入和外部控制的电子元件，各项参数设定好后按使用要求逐一复审无误后可以按下FWD键启动运转，认真观查运转过程中的问题，然后按STOP键停止，进行参数修定后再运转，可反复多次直到满意为止。

变频器及其控制程序的利用开发使单冲程机泵联控的抽油设备非常圆满的取得成功，突出特点是：

1、控制线路最少。只有电源的输入和输出，特别是没有任何信号输入、输出和外部控制电子元件，彻底免除信号干扰，故障率最低且处理简单快捷。

2、电控费用低，可以使用通用变频器和通用高效电机，省去很多接触器，起动器行程开关和安全保护等设备。

3、运行安全可靠：过载、过流、过压、欠压、超温等各种保护齐全。

4、很高的可靠性，实现全部无触点运行寿命长省去繁锁的接线，故障率低，故障恢复快。

5、操作简单。比使用手机还简单，它只需要修改数字不需要输入。

工作过程：

设备全部安装好后首先进行试运行，检查抽油机运行控制是否正常，有问题在变频器面板上修改设定值，直到达到控制要求为止并使升降车2座在下储能器17上，这时电机14直流制动，此处为运转起始点，就是图3柱塞22的上死点。

1段速从变频器1给电机14启动电流，电机直流制动停止，按设定加速时间加速到设定频率运转，抽油机升降车2开始上行而井下柱塞22开始下行，这时上进油阀因柱塞22和上泵筒21下泵筒26之间的密封而失效，油即不能进入也不能外出。当柱塞22向下运行串过上进油阀24时，管内液柱压力使阀球向外关闭，柱塞下行到某一位置时，假如行程标尺从上向下为6M，柱塞下行到1.2M位置时，指重表突然下降，电流表同时突然上升，表明泵有1.2M没充满余下4.8M已充满，泵充满程度为80％。根据是：油井载荷为作用在柱塞截面上的液柱重量和在油管液体中的油杆重量之和，它显示在指重表上，而升降车2上的平衡重13应该是全部杆柱重量加上液柱重量的一半，余下的液柱重量一半为电机上下行程的载荷，上下载荷是否均等表现在电流表在上下行程时显示电流是否相等，电流超差应加减平衡重，当柱塞下行在没有接触泵内液面之前油井载荷为液柱和杆柱重量总和，而平衡重则是杆柱加液柱的一半，油井载荷大于平衡载荷，这时是油井载荷拉动电机转，电机处在再生能源制动状态，所以电流很小，而指重表是显示最大载荷，当柱塞下行到接触液面时，泵腔内升压和油管内压力平衡，使游动阀打开，这时液柱重量从柱塞上转移到固定阀上，指重表失去液柱重而只显示杆柱重所以突然下降，而平衡重则多了液柱重的一半载荷，电机由负载荷突然变为很大的正载荷，所以电流突然上升。所以行程在某一点时指重表突然下降，电流表同时突然上升是确定泵充满程度唯一可靠标志。不是同时发生的上升或下降则是其他原因。操作人员通过对表的观察可以准确的判定油井生产是否正常或存在什么问题。

现有技术也有利用此原理对泵的充满程度进行判定，求得对油井产量的计量，但因现有技术的抽油机和抽油泵结构、工作制度、运转方式等各种原因导致使载荷和电流波动频繁而原因复杂，得出的结果误差过大而失去意义。

2段速，1段速运行时间到，这时升降车2已接近上储能器17，正转减速经过设定死区时间也是压缩上储能器17又反推使电机反转，变频器检速输出反向电源，电机升速到运转速度柱塞22从下死点开始上行，游动阀关闭而固定阀打开，指重表电流表指示值都最大，下气锚27内的油由固定阀28灌入，2段速运行时间到电机减速停止并直流制动，升降车2回到原来的起始位置，柱塞22已到上死点。

3段速，从二段速减速到三段速时间到是等待上进油阀24进油时间，上进油阀24开始进油，油从上气锚20灌入泵没充满部分，泵内气也要从上进油阀排出，时间到时由于以下各段时间设为0，所以变频器又回到段速1开始继续循环运转。

在生产中，井的深度不等，深度基本相等的油井产量差别很大，根据井深和产油量确定抽油机载荷等级，在满足油井条件的情况下确定电机容量和极数，使其在4、6、8极范围内，在实际运行中，根据油井产能、冲程、泵径充满程度(可在85％以上)确定日冲次数，再得出每个冲程占用时间，每个冲程占用时间减去运行时间就是每个冲程停机时间。运转时间越短，在行程一定条件下运行速度越快，电机容量越大，是个不利因素。运转时间越短而停止的时间就越长，从等待时间长有利泵充满看是有利因素，但是要特别注意泵是有漏失量的，停机时间越长泵从间隙中漏下的油量越多，尽管有防止措施上泵筒比下泵筒的配合间隙小但没有漏失量是不可能的。因此运转时间应尽量延长，减小电机容量，停机时间应尽量减短减少漏失量。延长运转时间一是根据油井产能确定合理的电机容量，二是柱塞下行时没有漏失量，在一定范围内减速运行，也能保证进油时间，等待进油时间，说穿了是等待油井供油时间，这完全可以用气锚来等待，气锚的容量远大于泵的容量，气锚中的油通过进油阀进泵的时间很短。这样不但减少泵漏失量而且缩短停机直流制动的时间。

单冲程机泵联控的工艺流程如图8所示，主要分为8个工艺过程，虽然时间上有顺序，但它们的全部工作是连续进行的，现就每个工艺做进一步的说明：

1、定时停机：这一时间，控制系统时间继电器在运行，上进油阀开着向泵内进油，固定阀关闭停止进油而下气锚开始工作进行油气分离和储油。这时的柱塞以上油管内的液柱压力和柱塞以下井内沉没度的压力压差最大，柱塞和上泵筒配合间隙在漏油，尽管漏量微小，但能量损失很大。因为油管内的油和地面油罐的油是联通的，位能很大。因之，井越深漏失量越大，能量损失也越大，所以要尽量减少上死点“定时停机”时间。但是停机时间长短是由油井产能决定的，产能高的停机时间短，产能低的停机时间长，而且我国绝大多数是低产井，单冲程机泵联控主要也是为低产井设计的。解决的办法：一是充分利用气锚的储油功能，尽量加大固定阀进油量，尽量减小不满的容积。上进油阀二次灌满的时间将是很短的，估算5-15秒的时间。油井状态不同，井温、油粘度、油气比、含水的差异都有影响，要根据每口井的实测数据确定最佳停机时间。二是柱塞下行进油后，柱塞上下压力平衡，没有漏失量，把多余的停机时间全部放在这一过程，是最佳选择。这一段速频率调低，减速运行，低速后动载小、磨损小、弹性变型小、能耗小，影响监测的因素少，对监测准确有利。如果不能过慢亦可自由停机。如果平衡重在正常范围内，柱塞自己不会自动上行也不会自动下行，抽油机不需要制动。只有柱塞上下压力平衡，也就是在游动阀打开的前提下，才没有漏失量。由此可见，现有技术中的抽油机虽然是连续运行的，但在全运行过程中，泵只有下行程中的大约30％左右的时间是没有漏失量的，而85％的时间是处在全漏失量的状态。

本发明设计常规机型的最大冲次为每分钟一次，包括上死点停机10秒和上下行程运行各25秒时间；最小为每小时1次，但上行速度25秒恒定。单冲程排量15升，泵效90以上。如果全国油井平均日产油量为5000升，每口井每天要370个冲次，每冲次时间为234秒，有漏失量的时间为上行程25秒，上死点停机10秒和下行程10％的时间为2.5秒，总漏失时间为37.5秒，占冲次时间234秒的16％。这就是说，现有技术85％的时间漏油，而本发明只有16％的时间漏油，减少5倍的漏失量。φ57泵正常漏失量为0.5升/分钟，每天按85％的时间漏失量为612升，系统效率下降12.2％，本发明只影响系统效率2％，仅这一点就使系统效率提高10％。

2、上阀封闭：柱塞下行到上进油阀时，上进油阀内外流动停止。理论上说阀球处在自然状态，但实际不是。因为泵筒不可能100％充满，上端仍然有气或油气混合体。柱塞和下泵筒的密封段是由小逐渐加长，而泵筒内的油气要从间隙向“上进油阀”方向外流，同时泵的漏失量也要向上进油阀方向流动，两流之合的流速多大时上进油阀关闭这就决定于阀的灵敏度。上进油阀关闭后上气锚进行油气分离和储油。

3、产油监测：柱塞下行到游动阀接触泵内液面时，使泵内压力逐渐升高到大于油管压力时游动阀打开，这时油井液柱载荷消失，电机平衡重载荷变大，地面指重表下降，电流表上升再结合该点的行程位置可以知道油井生产状态。从接触液面到游动阀打开有一个时间过程，过程的长短取决泵的充满程度。所谓泵的充满程度是指泵内液体体积占泵总体积的百分比，而不包含气，如若包含气的话，所有的泵都会达到百分百以上，因气到地面压力会变小，体积会膨胀。泵充满程度越好，过程越短，抽油机降载越快。在示功图上接近垂线。泵的充满程度可准确判断。根据充满程度，泵径和行程长度就可得出产量信息。如果充满不好，使过程时间加长，示功图的降载线会变成向左倾斜的不规则的弧线，称为气影响，这样就很难判别充满程度。即使用先进的智能化电子设备，给出20％的允差也很难达到要求，这是个根本原因。还有很多示功图由于变速运动，冲次过大，动载加大等原因，脱离了理论图形乃至无法识别，这样的图形一般油井也要7-10天才能测一次，可见管好油井十分困难。泵充满不好不单会造成监测困难，更大的危害是柱塞和液面的撞击。泵效在30％-50％之间，正是游梁式抽油机运动速度最快的时间，柱塞和液面撞击严重，使弹性变型加大，引起管杆断裂或脱扣落井事故和抽油机传动振动破坏等等，屡见不鲜。所以说人们只有全精力作油井管理，全体力干油田维护，而无力去研究系统效率。正是由于忽视了系统效率这个根，使得油井管理和油田维护工作越来越大。

4、柱塞出油：游动阀打开后泵内油进入油管，柱塞以允许的最慢速度运行，还可以任意停机不用制动，因为下行电机要带动平衡重，上行电机要带动液柱重，所以电机停电，柱塞也就停止。这个时间是等待油井供油，气锚进行油气分离和储油，泵又没有漏失量之忧的最佳时间，当气锚内有足够的油量时，进行下一程序。

5、下死点换向：一段速下行时间到达设定值时，变频器给出反转换向指令。电机按给定时间减速，逐渐接触储能器，储能器把运转的惯性能储存，然后再释放，利用滚珠丝杠高效可逆性反推电机反转升速。这时正是设定变频器正反转换向的死区时间，通过调整可达到自由停机和检速起动状态，电机转速为零时，说明惯性能已全部转给储能器，这时正向电已停，储能器反推电机反转，变频器根据反转加速状态适时给出检速起动频率，电机按时起动。这样减速、加速电流最小，运行平滑，使换向达到轻松自由。加速上行是指按设计速度基频50HZ运行，高产井，负荷又小也可以升速。

6、一次进油：一次进油是柱塞开始上行，游动阀关闭，这时柱塞上下有很大的压力差，泵内压力低于油井压力，固定阀打开，下气锚的油因其位置高于固定阀且有一定液柱高度，油从固定阀压入泵内，但泵内液柱逐渐升高而下气锚内液柱逐渐降低，当泵内液柱高于下气锚液柱时，泵由灌入状态变成抽吸状态，这时尽管气锚内存的油是泵的2倍，但因油内的气要分离，泵很难充满，差多少与油井状态有关，这就是二次进油的必要性。

7、二次进油：当一次进油由灌入到抽吸状态表明泵内压力已低于油井压力，当柱塞下端运行到上进油阀以上时，上气锚的液柱压力大于泵内压力，油通过自然常开的的上进油阀再次进泵。由于上气锚储油量远大于泵不满部分，靠重力分离作用油进入泵内而气体排出，正如瓶子立放于水中尽管冒气泡但很快会灌满一样，二次进油是本发明单冲程机泵调控的核心技术，由于有了二次灌入式进油使泵的充满程度真正实现了人为可控，这是质的飞跃。

8、上死点换向：当柱塞下端上行通过上进油阀，2段速时间到，变频器发出换向指令，电机减速并压缩下储能器，当设定减速时间到电机转速等于零时变频器进入3段速按设定时间零频运转，电机直流制动；如果不制动，因油井载荷大于平衡重，柱塞会自由下落。直流制动时间，就是保障二次进油时间，时间到后直流制动结束，电机正转启动柱塞下行，如果低产能井需要加长气锚储油时间，在柱塞游动阀打开后可降频减速也可停机零频运行。

Claims (6)

1、一种单冲程机泵联控的抽油设备，包括由机架(8)和悬绳器(9)构成的抽油机，由上泵筒(21)、下泵筒(26)、上气锚(20)、下气锚(27)、游动阀(23)及固定阀(28)构成的抽油泵和变频器(1)，其特征在于还包括装在机架(8)上的升降车(2)，升降车(2)上装有空芯轴电机(14)，空芯轴的轴端通过联轴器(12)与滚珠螺母(11)固定连接，滚珠螺母(11)套装在滚珠丝杠(10)上，滚珠丝杠(10)两端带有换向储能器(17)，并通过空芯轴与机架(8)固定连接；所述升降车(2)通过钢丝绳(7)、导绳轮(6)、悬绳器(9)、和油杆(18)连接，油杆(18)连接柱塞(22)，柱塞(22)下端有游动阀(23)，一起下在泵筒中，上泵筒(21)和下泵筒(26)之间装有上进油阀(24)，下端装有固定阀(28)；在上、下泵筒外分别套装上气锚(20)和下气锚(27)，中间由间隔接头(25)连接；所述变频器(1)则通过排线电缆(16)与空芯轴电机(14)保持电连接。

2、根据权利要求1所述的一种单冲程机泵联控的抽油设备，其特征在于所述升降车(2)沿着有刻度的轨道运行，轨道上带有标尺(5)，升降车上装有指重表(3)和电流表(4)，用于观测柱塞(22)的运行位置、载荷与电流值。

3、根据权利要求2所述的一种单冲程机泵联控的抽油设备，其特征在于所述的上泵筒(21)和下泵筒(26)外面分别套装有比上进油阀(24)和固定阀(28)位置更高的上气锚(20)和下气锚(27)。

4、根据权利要求3所述的一种单冲程机泵联控的抽油设备，其特征在于所述的固定阀(28)包括有阀体(33)、阀罩(34)、阀座(36)和阀球(35)，所述的阀罩(34)上有游动阀顶管(29)、楔形体(30)，楔形体中装弹簧(31)和弹簧顶杆(34)，楔形体及其弹簧件通常均偏置于阀体右侧，进油阀球(35)被冲向左侧涡流区而重心仍在阀座(36)的座孔内。

5、根据权利要求4所述的一种单冲程机泵联控的抽油设备，其特征在于所述的上进油阀(24)由位于上下泵筒间的接管(38)、固定阀座(39)及阀球(40)所组成，阀球置于阀座孔与上下泵筒接管(38)上的窗口之间，所述阀座孔与窗口螺纹连接，其中心线φa与φb有偏心距，阀球(40)依其自重保持与阀座孔的常开。

6、一种如权利要求1所述的单冲程机泵联控的抽油设备的采油方法，其特征在于包括下述工艺步骤：

(1)定时停机，此时控制系统的时间继电器在运行，上进油阀(24)开着向泵内进油，固定阀(28)关闭停止进油，而下气锚(27)开始工作，进行油气分离和储油；同时，柱塞(22)与上泵筒(21)配合间隙在漏油，其漏失量取决于阀的灵敏度，应视每口井的实测数据确定最佳停机时间；

(2)上阀封闭，柱塞(22)下行到上进油阀(24)时，上阀停止进油，上进油阀(24)关闭后上气锚(20)进行油气分离和储油；

(3)产油监测，当柱塞(22)下行到游动阀(23)接触泵内液面时，游动阀打开，油井液柱载荷消失，电机平衡重载荷变大，地面指重表下降，电流表上升，结合该点的行程位置可知油井生产状态，游动阀打开过程的长短取决于泵的充满程度，泵的充满程度可由示功图降载线显示，充满程度好，示功图的降载线接近于垂线，否则为不规则的弧线，反映了降载中的气影响，它干扰了充满程度的判定；

(4)柱塞出油，游动阀(23)打开后油进入油管，柱塞以慢速运行或任意停机，以待油井供油，气锚进行油气分离和储油，当气锚内有足够的油量时，进入下步程序；

(5)下死点换向，一段速下行时间到达设定值时，变频器(1)给出反转换向指令，电机(14)按给定时间减速，逐渐接近换向储能器(17)，储能器把运转的惯性能储存，然后释放利用滚珠丝杠(10)反推电机(14)反转升速，变频器适时给出检速起动频率，电机按时起动；

(6)一次进油，柱塞(22)开始上行，游动阀(23)关闭，固定阀(28)打开，下气锚(27)的油从固定阀压入泵内，当泵内液柱高于下气锚(27)时，泵由灌入状态变为抽吸状态，泵内很难充满，相差多少与油井状态有关；

(7)二次进油，当一次进油由灌入到抽吸状态，表明泵内压力低于油井压力，当柱塞(22)运行到上进油阀(24)以上时，上气锚(20)的液柱压力大于泵内压力，油自然通过常开的上进油阀(24)再次进泵，由于上气锚中储油量远大于泵不满部分，油靠重力分离作用进入泵内，而气体被排出；

(8)上死点换向，当柱塞(22)下端上行通过上进油阀(24)，二段速时间到，变频器(1)发出换向指令，电机(14)减速并压缩下换向储能器(17)，电机转速等于零时变频器(1)进入了三段速，按设定时间零频运转，电机(14)直流制动，直流制动时间就是定时停机保证二次进油时间，时间到后电机正转启动，柱塞(22)下行，进入下一冲程。

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