CN101806201B - 自平衡蓄能抽油机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自平衡蓄能抽油机。其技术方案是：主要由游梁平衡系统、曲柄平衡系统、杠杆提升系统和动力提升系统组成，在抽油机底座的一端固定游梁平衡系统，游梁的另一端通过曲柄连杆连接曲柄平衡系统，平衡块及第一曲柄的顶端通过钢丝绳与杠杆提升系统连接，所述的杠杆提升系统通过钢丝绳与动力提升系统连接，所述的平衡传动轮通过平衡传动轮链条与动力提升系统中的平衡传动副轮连接，把抽油机下行时油井里抽油杆柱做自由下落产生的动能转化为平衡块及第一曲柄上升的动能，储备平衡块的势能。有益效果是：充分地利用系统自身动能来完成势能补充，最大限度降低辅助电机动力，从而达到节能的作用。

Description

自平衡蓄能抽油机

一、技术领域：

本发明涉及一种油田采油设备地面工程装置，特别涉及一种油田采油设备地面机械提升部分，即油井机械采油地面装置，也就是抽油机系列中的自平衡蓄能抽油机。

二、背景技术：

1、有杆泵举升技术发展

随着油田开发的不断深入，我国大多数油田都已进入开发的中后期，油井逐渐丧失自喷能力，机械采油已成为最主要的采油方式。据统计，我国的机械采油井约占油井总数的90％以上。其中，抽油机-抽油杆-抽油泵组成的常规有杆泵抽油井占90％左右，产量占75％以上。然而面对油田开发的不断发展，投入开发的油藏类型越来越复杂，泵挂深度的不断增加和老油田含水的持续上升，国内外相继研制开发了许多新型抽油机、抽油杆和抽油泵，使得传统抽油设备在性能和适应性上有了新的突破。

2、抽油机技术进展

根据油田生产需要，在现场生产上，各油田投入使用的抽油机种类比较繁多。按其使用要求大体可分为以下几种，比如：低矮型、前置式、紧凑型、无游梁长冲程等抽油机能够适应各种自然地理条件的需要；液压缸式、增大冲程游梁式等抽油机主要适应高含水、含砂、含石膏、含石蜡等油井，也适应抽汲和稠油、低渗透油层的开采；斜井抽油机、丛式井抽油机、双驴头抽油机、双井平衡抽油机、紧凑型抽油机等能够适应直井、斜井、定向井、丛式井、水平井抽汲的需要。目前，适应深井抽汲的大型抽油机的最大载荷达到213kN，最大下泵深度达到4420m；近年来美国研制出了冲程长度为30.48m的超长冲程抽油机，以适应长冲程抽油的需要。但伴随而来的是开发成本的不断攀升，其中主要一项就是机械采油的电能消耗持续攀升，机械采油成了油田开发过程中的能耗大户，据不完全统计，在油田能耗中，机械采油占80％左右。为节约动力消耗，还研制应用了异相型、前置式、大圈式、轮式、玻璃钢杆、六连杆等新型节能抽油机，但受多种因素影响，很多种抽油机仅仅是做了矿场试验，归结起来主要还是存在适用性不强、节能效果不佳、投入产出不成比例和相关技术还待完善等；应用较广泛的还是游梁式抽油机和皮带式抽油机等。

3、抽油机目前存在的问题和不足

不管是已研制应用了的异相型、前置式、大圈式、轮式、玻璃钢杆、六连杆等新型节能抽油机，还是油田常用的皮带式抽油机(主要是解决大冲程)和游梁式抽油机，都存在其平衡块重量在抽油机下行的过程中，不能被油井中杆柱重量平衡掉的部分，都要靠电机动力来做工补偿，这就是抽油机目前存在的最大问题和不足，也就是抽油机正常生产中的主要能耗点，只有解决这个问题才能从根本上解决抽油机的节能问题，然而因为人们一直认为这是合理的能源消耗，到目前为止，还没有一种抽油机产品是从这一点切入的；但是根据抽油机工作时的自身独有特点，油井里抽油杆自重在抽油机上行和下行时，始终伴随一个动能和势能的不断转化。

4、目前采用的节能解决方法和措施

针对上述问题，目前油田采用的抽油机节能办法主要有系统效率优化设计方法和节能设备优化配置法：

(1)系统效率优化设计

主要是采用敏感性分析与动态仿真结合的方法，建立了从地面到地下13个方面的计算、分析模型；定量地计算了主要参数对系统效率的敏感性程度。改进了多相流条件下抽油机井有效功率、泵效的计算方法；改进了系统动态参数的计算方法，建立了系统效率动态仿真模型，开发了抽油机井系统效率优化设计和以动态仿真为基础的参数敏感性分析计算机软件，对生产油井进行时时现场调整，提高单井系统效率来达到节能的目的。

(2)节能设备优化配置

选用一种节能产品，可提高电动机的负载率，减小电动机的损耗，提高运行效率，达到节能的目的。如选用多种进行叠加使用，可能出现两种情况：一是电动机的负载率已达到临界值，只有一种节能装置主要起作用；二是当电动机的负载率已达到临界值，再进行调压反而使电动机的内部损耗增加或使原调压系统紊乱，降低了电动机效率，增加了损耗。

三、发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种自平衡蓄能抽油机，通过抽油机工作过程中，利用系统内能量来补充平衡抽油机从油井里举升当量的液体需要做的额定功，即用抽油机下行时的平衡力作为动力来举升平衡块做势能储备，有效利用自身系统的能量来进行动能和势能的转变，从根本上改变现有抽油机的势能储备需要外部动力来提供，从而达到抽油机节能的目的。

其技术方案是：主要由驴头、游梁、平衡块及第一曲柄、曲柄连杆、平衡传动轮、第二曲柄、游梁支架、平衡传动轮链条、钢丝绳、抽油机底座、杠杆提升系统和动力提升系统组成，在抽油机底座的一端固定游梁支架，游梁支架的顶部活动连接游梁，游梁的一端连接驴头，游梁的另一端通过曲柄连杆连接曲柄平衡系统，所述的曲柄平衡系统主要由平衡传动轮、第二曲柄、平衡块及第一曲柄、平衡传动轮链条组成，曲柄连杆与第二曲柄的上端铰接，第二曲柄的下端连接平衡传动轮，所述的平衡传动轮上还连接平衡块及第一曲柄的底端，平衡块及第一曲柄的顶端通过钢丝绳与杠杆提升系统连接，所述的杠杆提升系统通过钢丝绳与动力提升系统连接，所述的平衡传动轮通过平衡传动轮链条与动力提升系统中的平衡传动副轮连接，把抽油机下行时油井里抽油杆柱做自由下落产生的动能转化为平衡块及第一曲柄上升的动能，储备平衡块的势能。

上述的杠杆提升系统主要由提升杠杆、提升杠杆铰链、缓冲杠杆、提升杠杆支架组成，所述的提升杠杆支架的底部固定在抽油机底座的中部，提升杠杆支架的顶端通过提升杠杆铰链连接提升杠杆和缓冲杠杆，所述的钢丝绳通过提升杠杆和缓冲杠杆的尾端分别连通动力提升系统和平衡块及第一曲柄。

上述的动力提升系统主要由平衡传动副轮、提升滚筒、辅助传动轮、电动机、辅助传动轮皮带、提升轴支架组成，所述的平衡传动副轮、提升滚筒、辅助传动轮连接在一起，且通过提升轴支架固定在抽油机底座的尾部，通过辅助传动轮皮带与电动机连接。

本发明的工作原理是：常规游梁式抽油机平衡块曲柄的运动与曲轴运动可离合，连杆与曲轴运动始终保持一致；当平衡块及第一曲柄从最高点向下运动时，平衡块及第一曲柄、第二曲柄啮合为一体，带动第二曲柄向下运动，这时游梁在连杆的作用下也向下运动，完成上冲程，实现向上举升油井液体的作用；当平衡块及第一曲柄从最高点向下运动到最低点时，平衡块及第一曲柄与第二曲柄分离，这时，在油井抽油杆柱重量的作用下，通过游梁和连杆的作用，第二曲柄得从最低点向上运动，继续向最高点做圆周运动，完成下冲程；在这个过程中，为了平衡油井抽油杆柱重量，就通过一套杠杆机构把这个平衡力转为平衡块及第一曲柄从最低点向最高点运动的动力，当平衡块及第一曲柄到达最高点时，平衡块及第一曲柄、第二曲柄又啮合为一体，带动第二曲柄向下运动，继续做又一个冲程运动。

本发明的有益效果是：当曲轴在最低点和平衡块及第一曲柄分离后，第二曲柄在油井抽油杆柱重力作用下，继续反时针方向做圆周运动到最高点，平衡块及第一曲柄也在杠杆的作用下，从最低点向相反的方向顺时针运动到最高点，这样做就是为了充分地利用系统自身动能来完成势能补充，最大限度降低辅助电机动力，从而达到节能的作用。为实现抽油机系统内部能量转化，首先就得把抽油机下行时，油井抽油杆柱重力通过游梁作用在曲轴上的力，用链轮传递到绞盘上，再通过绞盘拉动钢丝和杠杆，从而完成平衡块及第一曲柄从最低点向最高点的运动，实现内部能量的转化。

四、附图说明：

附图1是本发明的自平衡蓄能抽油机主视模型图；

附图2是本发明的半剖视模型图；

附图3是本发明的俯视模型图；

附图4是本发明的半剖俯视模型图；

附图5是本发明的曲柄连杆局部视图；

附图6是本发明的曲柄连杆局部侧视图；

附图7是本发明的动力提升部分的结构示意图。

上图中：驴头(1)、游梁(2)、平衡块及第一曲柄(3)、提升杠杆(4)、缓冲杠杆(5)、曲柄连杆(6)、平衡传动轮(7)、第二曲柄(8)、辅助传动轮(9)、提升滚筒(10)、平衡传动副轮(11)、游梁支架(12)、提升杠杆铰链(13)、平衡传动轮链条(14)、钢丝绳(15)、提升杠杆支架(16)、电动机(17)、辅助传动轮皮带(18)、提升轴支架(19)、抽油机底座(20)。

五、具体实施方式：

结合附图1-7，对本发明作进一步的描述：本发明主要包括游梁平衡系统、曲柄平衡系统、杠杆提升系统和动力提升系统，游梁平衡系统主要由驴头1、驴头销子、游梁2、游梁支架12、曲柄连杆6、曲柄连杆铰链轴承及配件组成，曲柄平衡系统主要由平衡传动轮7、曲柄8、平衡块及第一曲柄3、平衡传动轮链条14组成，杠杆提升系统主要由提升杠杆4、提升杠杆铰链13、缓冲杠杆5、提升杠杆支架16组成，所述的提升杠杆支架16的底部固定在抽油机底座20的中部，提升杠杆支架16的顶端通过提升杠杆铰链13连接提升杠杆4和缓冲杠杆5，所述的钢丝绳15通过提升杠杆4和缓冲杠杆5的尾端分别连通动力提升系统和平衡块及第一曲柄3。所述的动力提升系统主要由平衡传动副轮11、提升滚筒10、辅助传动轮9、电动机17、辅助传动轮皮带18、提升轴支架19组成，所述的平衡传动副轮11、提升滚筒10、辅助传动轮9连接在一起，且通过提升轴支架19固定在抽油机底座20的尾部，通过辅助传动轮皮带18与电动机17连接。

本发明的工作原理和过程如下：

(1)抽油机下行程：就是驴头1从上死点向下死点运动的过程，就是第二曲柄8、平衡块及第一曲柄3在最高点啮合运动到最低点自动分离后，油井里抽油杆柱重量通过驴头1作用在游梁2上，根据游梁的杠杆平衡作用原理，通过游梁后端的曲柄连杆6就带动第二曲柄8继续逆时针方向做圆周运动；这时，由于平衡传动轮7是通过第二曲柄8做圆周运动而带动其转动的，再经过链条转递到平衡传动副轮11上，从而带动提升滚筒10旋转向下拉动钢丝绳，当钢丝绳不断向下运动，同样通过提升杠杆4和缓冲杠杆5的平衡作用原理，就把平衡块及第一曲柄3改为顺时针方向不断向上提升，直至最高点；在这个过程中，通过提升杠杆4和缓冲杠杆5及平衡传动轮7等一系列机构作用，就把抽油机下行时油井里抽油杆柱做自由下落产生的动能转化为平衡块上升的动能，达到平衡块势能储备的作用，平衡块及第一曲柄3就靠系统内的能量转变作为系统运转的动力，驱动其从相反方向向最高点运动；而根据机构设计和生产实际调整，油井里抽油杆柱做自由下落产生的动能和提升平衡块及第一曲柄3需要的力都共同作用在提升滚筒10上，这两个力在使提升滚筒10转动这个过程中基本相等，为保证其在上下死点能正常过渡运转，再辅助一个很小的动力，通过辅助传动轮9也作用在提升滚筒10上即可，这就是跟传统抽油机和现有一切节能型抽油机的本质区别，也是该设计方案能实现大幅度降低能耗的关键所在。

(2)抽油机上行程：就是驴头1从下死点向上死点运动的过程，就是第二曲柄8、平衡块及第一曲柄3从下死点分离后相向运动到最高点时再次啮合成一体，在平衡块的重力作用下，带动第二曲柄8、平衡块及第一曲柄3做逆时针方向从最高点向最低点运动，这时，随着第二曲柄8的圆周运动，通过游梁后端的曲柄连杆作用，就带动游梁2向下运动，根据游梁的杠杆平衡作用原理，就把平衡块在重力作用下产生向下的动力通过游梁2传递到驴头1上，带动驴头向上运动，对油井里抽油杆柱重量、液柱重量，振动载荷、原油粘阻、管网回压等做功，直至最高点，从而达到举升油井液体的作用，这一点跟传统抽油机相同。所不同的就是，当第二曲柄与平衡块及第一曲柄3共同从最高点运动到最低点时，作用在第二曲柄上的力由阻力立刻变成带动平衡块及第一曲柄3向上的动力，再在辅助动力的作用下，随时调整第二曲柄8、平衡块及第一曲柄3的运动频率，保证其能量转化的最大有效行程。

Claims (3)

1.一种自平衡蓄能抽油机，其特征是：主要由驴头(1)、游梁(2)、平衡块及第一曲柄(3)、曲柄连杆(6)、平衡传动轮(7)、第二曲柄(8)、游梁支架(12)、平衡传动轮链条(14)、钢丝绳(15)、抽油机底座(20)、杠杆提升系统和动力提升系统组成，在抽油机底座(20)的一端固定游梁支架(12)，游梁支架(12)的顶部活动连接游梁(2)，游梁(2)的一端连接驴头(1)，游梁(2)的另一端通过曲柄连杆(6)连接曲柄平衡系统，所述的曲柄平衡系统主要由平衡传动轮(7)、第二曲柄(8)、平衡块及第一曲柄(3)、平衡传动轮链条(14)组成，曲柄连杆(6)与第二曲柄(8)的上端铰接，第二曲柄(8)的下端连接平衡传动轮(7)，所述的平衡传动轮(7)上还连接平衡块及第一曲柄(3)的底端，平衡块及第一曲柄(3)的顶端通过钢丝绳(15)与杠杆提升系统连接，所述的杠杆提升系统通过钢丝绳(15)与动力提升系统连接，所述的平衡传动轮(7)通过平衡传动轮链条(14)与动力提升系统中的平衡传动副轮(11)连接，把抽油机下行时油井里抽油杆柱做自由下落产生的动能转化为平衡块及第一曲柄(3)上升的动能，储备平衡块的势能。

2.根据权利要求1所述的自平衡蓄能抽油机，其特征是：所述的杠杆提升系统主要由提升杠杆(4)、提升杠杆铰链(13)、缓冲杠杆(5)、提升杠杆支架(16)组成，所述的提升杠杆支架(16)的底部固定在抽油机底座(20)的中部，提升杠杆支架(16)的顶端通过提升杠杆铰链(13)连接提升杠杆(4)和缓冲杠杆(5)，所述的钢丝绳(15)通过提升杠杆(4)和缓冲杠杆(5)的尾端分别连通动力提升系统和平衡块及第一曲柄(3)。

3.根据权利要求1所述的自平衡蓄能抽油机，其特征是：所述的动力提升系统主要由平衡传动副轮(11)、提升滚筒(10)、辅助传动轮(9)、电动机(17)、辅助传动轮皮带(18)、提升轴支架(19)组成，所述的平衡传动副轮(11)、提升滚筒(10)、辅助传动轮(9)连接在一起，且通过提升轴支架(19)固定在抽油机底座(20)的尾部，通过辅助传动轮皮带(18)与电动机(17)连接。

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