CN104136778B - 具有用于杆柱的主动控制的气动平衡的低轮廓杆式泵送单元 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于地面泵送单元的自适应系统，其包括具有气动平衡组件的低惯性泵送单元机构，以及用于地下流体回收的此类系统的使用方法。该系统能够与井管理自动化系统整合，从而允许对主动控制命令的响应，且通过在与泵送单元相关联的容纳容器中加入或除去气体质量来自动地改变和/或维持泵送单元中的平衡力。

Description

具有用于杆柱的主动控制的气动平衡的低轮廓杆式泵送单元
相关申请的交叉引用
本专利申请主张2011年11月8日提交的美国临时专利申请第61/557,269号的优先权，该专利申请以其整体通过引用并入本文中。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用。
参考附录
不适用。
技术领域
本文中公开和教导的本发明大体上涉及机械平衡，并且更具体地涉及适用于机械如线性杆式泵送单元中的气动平衡。
背景技术
梁式泵送单元及其上游的驱动构件经历较宽范围的负载条件。这些按井应用、泵送单元的连杆机构的类型和比例、以及平衡匹配来变化。泵送单元的主要功能在于将旋转运动从原动件(引擎或电动马达)转换成井口上方的往复运动。该运动继而用于经由通过抽油杆柱的连接来驱动往复的井下泵。常规泵送单元布置的实例大体上在图1中示出，且将在本文中更详细地论述。
包括铰接梁、连接杆(pitman)、曲柄和连接轴承的“四杆连杆机构”将井的光杆负载处理成齿轮箱扭矩(井扭矩)的一个分量。其它分量(平衡扭矩)在泵送单元上被调整以在齿轮箱上产生最低的净扭矩。平衡扭矩可相对于井负载扭矩在大小上但通常未在相(时间)上调整。在曲柄平衡机器中，平衡扭矩将看起来是正弦曲线形，因为有效的质量通过重力来作用，同时围绕固定的水平轴线旋转。泵送单元的曲轴扭矩的基本计算为：
Tnet = Twell - Tebal。
平衡可以以多种形式提供，形式的范围从安装在梁上的配重到安装在曲柄上的配重到安装在步进梁与底座结构之间的压缩气压弹簧，等等。并入平衡的主要目标在于使井负载的一部分偏移，该部分大致等于泵送循环中遇到的最高和最低的光杆负载的平均值。该技术通常最大限度地减小了在上游传动系构件上做功的扭矩和力，从而减少了其负载能力要求且最大限度地提高了能量效率。
在光杆处的井负载由四杆连杆机构以取决于四杆连杆机构部件的相对角(即，行程位置)的变化比率处理成曲轴扭矩。同时，由以上各种方法中的一者产生的平衡扭矩与井负载扭矩相互作用，抵消了其较大比例。曲轴经历的所得净扭矩通常仅为原来的井负载扭矩的小部分。注意，在右侧的图中，井扭矩(由光杆负载引起的井扭矩的分量)在大小和相角(时间)两者中剧烈变化。相反，平衡扭矩平稳且为正弦曲线形。其相角建立成为其最宽适用性选择的泵送单元设计的性质，且大体上是不可调整的。井与平衡扭矩曲线之间的大小和相角失配是传输穿过齿轮减速器和上游传动系元件的净扭矩中的“结块性”(lumpiness)的来源。这些元件必须选择成具有充足的能力以在泵送循环期间遇到的最高负载状态下无损。给定循环期间执行的实际泵功(work)等于：
。
很明显，井扭矩曲线中的“结块性”导致这些传动系元件的能力的低效使用。实际上，以上实例中的净扭矩曲线在循环期间进入多个位置中的负(再生)值，进一步减小了执行的净功。
井扭矩曲线中的变化性的首要来源为抽油杆柱对通过其从井下泵和地面泵送单元传输的动态负载的弹性响应。有时几英里长的杆柱在较长距离上行为类似于弹簧。其在经历拉伸应力时伸长，且当应力可变时，响应通常在性质上振荡。系统由于其淹没在粘性流体(水和油)中而略微被阻尼，但与泵的阶梯函数负载组合的驱动泵送单元的运动轮廓大体上在遇到下次扰动之前留下了短时间来用于振荡衰减。
图3中的图表大体上示出了典型杆式泵链中工作的其中一些相互作用。地面泵送单元将连续地变化的运动给予光杆上。模制为一系列弹簧、质量体和阻尼器的连接抽油杆柱响应于音速下的加速度，将可变应力波沿其长度向下发送以改变其自身运动。它也在其形成移动井下泵和流体所需的力时伸展。脱离摩擦和流体惯性的效果，泵趋于在弹力下从抽油杆反弹，从而开始柱内的附加振荡响应。来自多个来源的行进的应力波在它们横穿其长度时沿杆柱干扰彼此(一些是建设性地，其它是破坏性地)，且将负载振动反射回地面泵送单元，在该处，它们可被测量且绘制为地面示功图(dynamometer card)的一部分。所得的地面示功图(如图4中的一般实例)示出了所有取决于井应用和泵送单元几何形状而为变化量的大规模杆伸长、阻尼振荡、摩擦以及惯性效果的叠加指示。
解决的问题：在典型梁式泵送单元中发现的固定比例四杆连杆机构几何形状呈现出对相对较窄的操作条件带的应用偏好(即，向上倾斜示功图的常规单元、向下倾斜图的Mark Ⅱ、水平图的Reverse Mark，等)。这些偏好对于特定的连杆几何形状是基础的，且难以改变。这并不是说Mark Ⅱ泵送单元(Lufkin Industries, Inc)不可利用向上倾斜的图来操作，而仅是说最佳效率偏好存在，且在它们不被遵循时产生性能结果。图5和图6中的图表示出了该点的一些图示。用于类似尺寸和平衡的常规泵送单元和Mark Ⅱ(LufkinIndustries, Lufkin, TX)泵送单元的容许负载图表(PLD)连同地面示功图示出以用于在图5中比较。容许负载图表显示出光杆负载，将需要光杆负载来产生与用于给定泵送单元设计和平衡设置的齿轮减速器扭矩额定值相当的曲轴扭矩。可从图5中的容许负载图表的形状中看到的是，常规泵送单元呈现出对具有向上倾斜趋势(从左侧移动至右侧)的示功图的偏好。相反，如图5和图6两者中所示，Mark Ⅱ单元示出对向下倾斜的图的偏好。在此情况下，示功图还示出略微向上的趋势，引起其略微更好地符合常规单元的PLD。注意，给定最高和最低光杆负载到其相应的PLD的相对接近，两个泵送单元将在接近其上游传动系能力下操作。然而，Mark Ⅱ单元PLD的面积显著大于常规单元的面积，指出了其能够在其泵送循环期间执行更多功。Mark Ⅱ泵送单元的额外可用功能力将在该特定应用中利用不足。
令人遗憾的事实是，杆式泵送示功图几乎从未为模糊的沙漏形，其将最大限度地增大大多数梁式泵送单元的功潜力，至少不是在接近恒定的转速条件下，它们设计成在此条件下操作。
用于杆式泵送应用的自动化技术存在了多年。操作的井可通过收集地面上的负载和运动信息的方法分类来监测，然后通过计算机模拟将这些情况诊断为过载状态、或范围从泵停机(不完全的泵填充)到杆弯折到设备磨损或受损的井下问题的开始。由这些杆式泵控制(RPC)系统中的许多执行的预测性模拟能够以相对最少的程序数据输入来准确地对杆式泵送链(泵、杆和泵送单元)的弹性动态行为建模。
最近，变速驱动器(VSD)已经与杆式泵送单元应用整合，且连同RPC技术使许多杆式泵送系统显著地改善寿命和效率。现今，相对常见的是操作由RPC监测的泵送单元，该RPC可感测系统异常，且将校正动作命令发送至VSD，例如，以响应于检测到的泵停机状态来下调泵速度，或可能响应于过载而关闭。如果连同监控和数据采集(SCADA)技术使用，则井和杆式泵送系统可被远程监测和控制，使得有可能从几英里外或许其它大洲外的控制中心来识别和响应潜在的设备维护问题，或改变生产目标。
以上情形中描绘的相对较差的泵送单元能力利用可至少部分地通过主动速度控制来补救。泵送单元示功图趋于从循环到循环完全重复，且在循环内的策略点处的加速或减速可影响示功图的形状，以截断负载尖峰、改善传动系能力利用、增加产量或改善系统效率。泵送单元的力/运动轮廓的主动控制还产生了杆、管路和井下泵寿命方面的显著利益。在某些情况下，例如利用玻璃纤维抽油杆、PRC和VSD技术可连同目标探索算法使用，从而主动地控制运动轮廓以产生较大的井下泵排量，同时保护杆柱免于例如开始弯折。
令人遗憾的是，由泵送单元内的大型旋转构件产生的飞轮效应反抗速度的快速变化。系统中的曲柄、配重、齿轮、滑轮、制动鼓和其它旋转构件贡献了总体飞轮效应，且需要施加较大扭矩来改变其转速。这对主动控制方案(如上文提到的那些)提出了较大障碍。迄今利用VSD在泵送循环内大大改变速度的尝试大体上消耗了不成比例的较多功率，这不利地影响操作成本。具有大大减小的质量惯性矩的泵送单元设计看来对于杆式泵送中完全实施主动速度控制是必要的。
基于质量的平衡系统呈现了在井条件变化时继续维持最佳平衡中的问题。井的套管环空中的流体水平趋于在一定时间内随着生产衰减。当流体水平降低时，杆式泵送系统必须将流体从较大深度升高，从而增加所需的平衡量。相反，如果井在延长的时间段内关闭，则流体表面通常将上升，从而成比例地减少所需的平衡。不能维持适当的平衡可最佳导致低效功率使用，且最坏是归因于过载的上游设备故障。大体上，现有梁式单元设计的平衡调整通过在设备中重新定位、添加或除去配重来人工地调整，且劳动密集型过程需要单元停机和约束、进入危险区域中、使用昂贵的起重机和设备、以及操作者产量的暂时损失。
改变行程长度也是人工过程，其涉及与以上那些相同的步骤(单元必须在行程变化之后再平衡)，其中显著的添加是，泵送单元必须与井负载分开，曲柄销必须被抽出且转移到曲柄臂中的另一个孔中，曲柄臂必须在再行程期间由起重机再定位，且井下泵必须在恢复工作之前也由起重机再间隔开。
井下泵阀测试(阀检查)大体上通过停止向上行程或向下行程的泵送单元运动且测量光杆负载衰减或升高的速率作为评定泵的阀调的泄漏速率的手段来实现。测试方法通常需要使用便携式测功器且将校准的负载单元插入承载梁与杆夹持器之间。
在地面水平附近的较大和较重的移动部分需要相对大量的安全防护，以在泵送单元运动的同时防止与人员的意外接触。
本文公开和教导的本发明针对自适应地面泵送单元，其包括且组合自动化技术与低惯性泵送单元机构，低惯性泵送单元机构能够响应来自井管理自动化系统的主动控制命令，从而允许地面泵送单元改变对改变的井条件的反应，泵送单元能够自我优化、自我保护且防护昂贵的井下设备，同时呈现出较小的环境覆盖区域，其设计成使得典型的安全危险被消除或减少，最大限度地减小对警告标识的需要。此类泵送单元系统可通过控制来自与泵送单元相关联的容纳容器的流体(例如，空气)质量的添加或消除来进一步自动地改变和维持平衡力。
发明内容
上文所述的目的及本发明的其它优点和特征并入如本文阐述的应用中，以及关于用于与烃开采井一起使用的改进的泵送单元的系统和方法的相关联的附录和附图，其中泵送单元包括组件，其用于在操作期间自动地改变和保持单元内的平衡力，以便主动地控制杆柱运动和/或力，其中系统呈现出低惯性。
根据本公开的选择方面，一种自适应地面泵送单元使自动化技术与低惯性泵送单元机构组合，低惯性泵送单元机构能够响应来自井管理自动化系统的主动控制命令，从而适于改变的井条件。此泵送单元能够自动优化、自我保护且防护昂贵的井下设备。此外，此泵送单元具有较小环境覆盖面积，其中其以一种方式设计成使得将安全危险消除或减小到防护和警告标识要求最小化的程度。
还描述了一种用于通过从泵送单元的容纳容器添加或除去空气质量来自动地改变和保持平衡力的装置和相关联的操作方法。用于形成目标平衡空气压力的方法基于测得的井负载和位置数据连同平均最高和最低井负载的线性回归分析。此方法还可包括用于通过比较目标空气压力值和测得的空气压力值的递归误差减小方法来校正空气平衡压力的系统和方法。用于通过递归误差校正来校正空气平衡压力的方法的备选但同样可行的变型可包括比较最高大小向上行程和向下行程马达扭矩和电流值，且使它们平衡。
根据本公开的其它方面，描述了一种用于自动地改变气动压力容器内的可压缩体积来平衡泵送单元的装置和方法，该方法包括以不可压缩物质(或不可压缩物质的混合物)替换一部分可压缩体积，从而改变泵送单元的容许负载包迹(envelop)的形状。适用的此不可压缩物质包括非腐蚀性液体和流体，此不可压缩的物质容纳在囊袋、隔膜或自立储槽组件中。进一步根据该方面，描述了在储存器与压缩容器之间传递不可压缩流体的方法，该方法包括使用自动地响应由杆式泵控制器(RPC)发出的命令的泵和/或电动阀。
根据本公开的其它方面，描述了一种用于自动地改变气动压力容器内的可压缩体积来平衡泵送单元的装置和方法，该方法包括以可动活塞转移一部分可压缩体积，从而改变泵送单元的容许负载包迹的形状。
在本公开的又一个方面中，一种系统和方法用于主动地控制杆式泵送单元的运动，以通过逐渐地增加在泵送循环内执行的功来改善流体产生体积，其中该方法包括分析井测功器数据、将测功器数据与一个或多个泵送单元允许负载包迹比较，以及改变穿过测功器的区域的杆式泵送单元的泵送速度，以在所需的位置减小负载和扭矩，和/或通过容许负载包迹的不足利用的区段来扩张示功图中的垂直负载范围以最大限度地增大循环功(生产)，从而保护杆柱免于开始诸如弯折或过大应力水平的情况。
根据本公开的第一实施例，描述了用于从地层获得流体的地面泵送单元，以及用于其使用的方法，单元包括与泵送单元操作连通(communication，亦称“通信”、“联系”)的气动压力容器，压力容器能够通过以不可压缩的物质替换一部分可压缩体积来自动地改变压力容器内的可压缩体积来平衡泵送单元。
附图说明
以下附图形成了本说明书的一部分，且包括在内以进一步展示本发明的某些方面。可通过参照与本文提供的具体实施例的详细描述组合的这些图中的一个或多个来更好地理解。
图1示出了示例性抽油机(pumpjack)单元的图解侧立面图。
图2A示出了井下和地面的总体示意性泵图。
图2B示出了井负载扭矩对曲柄角的示意图示。
图3示出了杆式泵送预测分析过程的总体示意图。
图4示出了泵送循环中的不同位置的示意性泵图，且示出了典型泵送系统中的阀调的操作。
图5示出了常规泵送单元和Mark Ⅱ泵送单元的容许负载和相关联示功图的总体示意图。
图6示出了图5的数据的备选呈现，强调了两个泵送单元的未使用工作区域。
图7示出了根据本公开的方面的示例性系统的局部断面透视图。
图8示出了图7的组件的前部截面视图。
图9示出了图7的组件的自顶向下的截面视图。
图10A和图10B示出了处于完全收缩(10A)和完全延伸(10B)位置的图7的示例性系统。
图11示出了根据本公开的系统的示例性容许负载图表和示功图(dynagraph)。
图12示出了根据本公开的压力促动组件的示意图。
图13示出了呈现由部分地填充有不可压缩流体的辅助压力容器引起的示例性容许负载和平衡效果斜率变化的图表。
图14示出了与本公开的系统相关联的源于杆式泵控制器的初始示功图。
图15示出了根据本公开的方面的示功图数据的示例性线性回归模型。
图16示出了根据本公开的初始系统平衡序列之后的示例性示功图。
图17示出了根据本公开的方面的匹配PLD(容许斜率图表)斜率与目标值的总体图表。
图18示出了根据本公开的示例性循环时间间隔。
图19示出了使用本公开的系统来控制杆柱运动和/或力的方法的步骤的总体流程图。
尽管仅通过举例的方式在附图中示出且在下文中详细描述了一些特定实施例，但本文所述的发明易于产生各种改型和备选方式。这些特定实施例的附图和详细描述并不旨在以任何方式限制发明构想或所附权利要求的宽度或范围。而是，附图和详细的书面描述供以向本领域普通技术人员示出发明构想，且使这些人能够制作和使用本发明构想。
具体实施方式
以上描述的附图和以下特定结构和功能的书面描述并非为了限制申请人所发明的范围或所附权利要求的范围而提出。而是，附图和书面描述提供成教导本领域任何技术人员制作和使用寻求专利保护的本发明。本领域技术人员将认识到，为了清楚和理解，并未描述或示出本发明的商用实施例的所有特征。本领域技术人员还将认识到，并入本发明的方面的实际商用实施例的开发将需要许多实施方式特有的决定来实现开发者对于商用实施例的最终目标。此类实施方式特有的决定可包括且可能不限于符合系统相关、商业相关、政府相关和其它的约束，其可通过特定实施方式、位置且不时地变化。尽管开发者的努力可能在绝对意义上很复杂和耗时，然而此努力是受益于本公开的本领域技术人员的常规工作。必须理解，本文公开和教导的发明易于产生许多和各种改型和备选方式。最后，单数形式例如但不限于“一个”的使用不旨在限制物品的数目。另外，相关用语例如但不限于“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“侧部”等的使用在书面描述中使用，以在对附图具体参照中清楚，且不旨在限制本发明或所附权利要求的范围。
下文可参照方法的框图和/或操作图示来描述本发明的特定实施例。将理解，框图和/或操作图示的各个框和框图和/或操作图示中的框的组合可通过模拟和/或数字硬件和/或计算机程序指令来实施。此类计算机程序指令可提供至通用计算机、专用计算机、ASIC和/或其它可编程数据处理系统的处理器。执行指令可产生用于实施框图和/或操作图示中指定的动作的结构和功能。在一些备选实施例中，图中提到的功能/动作/结构可不按框图和/或操作图示中提到的顺序发生。例如，示出为相继发生的两个操作实际上可大致同时执行，或者操作可以以相反顺序执行，这取决于涉及的功能性/动作/结构。
申请人已经创造出在使用时展现低惯性的泵送单元系统及其使用方法，其能够与主动控制对接且响应于主动控制，且命令形成井管理自动化系统，以便在单元操作期间适应变化的井条件。此类泵送单元系统包括与彼此和泵送单元流体压力连通的一个或多个流体压力容器，以允许泵送单元的平衡力的自动改变和维持，例如，通过将流体质量加入一个或多个压力容器或从中除去。
为了可最佳地理解本发明的泵送单元系统的结构、操作和优点，图1中示出了典型的泵送单元系统10。根据绘出的实施例，系统10为用于从地表面9下方回收流体的油井回收泵。泵送单元大体上在10处指出，且包括置于井的井孔附近的地基上的底座11。在本领域均称为起重柱(Samson post)的多个整体式支承柱14安装在底座11上，且向上延伸至中心轴承或枢轴连接件20。步进梁18安装在中心轴承20上，使得该中心轴承为用于梁的振荡的枢转点。马头(horse head)16附接到步进梁18的前端，且线缆22附接到马头和承载梁15且在它们之间延伸。承载梁15继而附接到杆柱26，杆柱26通过井口12(备选地称为盘根、三通等)延伸到井中。如上文所述，线缆22在步进梁18的前端升高和降低时遵循马头20的弯曲，这使泵送单元10能够提供杆柱26的竖直行程。系统10包括定位在步进梁18的一端处的马头16，其在第一位置(例如，上死点(TDC))与第二位置(例如，下死点(BDC))之间被促动，作为从地层回收流体的系统10的操作的一部分。为此，当步进梁18在其顶部位置与底部位置之间被促动时，马头16经历向上和向下的运动。因此，在马头16与光杆24之间延伸的控制缆线19引起光杆24在井口12内往复移动。该动作最终引起流体被泵送至地面。
如上文所述，原动件或驱动单元22驱动步进梁18围绕中心轴承或枢轴连接件20的振荡。驱动单元30通常为电动马达或内燃机，且在此出于方便目的而示出为电动马达。马达30通过带(如V形带32)和滑轮(未示出)连接到齿轮减速器34。齿轮减速器34位于一个或多个曲柄臂36之间且枢转地连接到它们，并且曲柄臂中的各个继而枢转地连接到一对转向臂38中的相应一个上。各个转向臂38继而连接到在转向臂之间延伸的平衡杆(未示出)。
马达30到齿轮减速器34、曲柄臂36、转向臂38和步进梁18的连接使得步进梁能够以振荡方式围绕中心轴承20被驱动。两个曲柄臂36和两个转向臂38的使用称为四杆杠杆系统，其将来自马达30的旋转运动转换成马头16处的往复运动。如本领域中已知的，当马达30关闭且期望停止步进梁18的运动时，制动杠杆由操作者促动。
图1中的系统10优选地配备有控制器40，其经由通信通路44联接到变频驱动器(VFD)42。有时称为相当于现场井管理器的控制器40优选地包括微处理器和控制器软件。VFD 42还包括微处理器，且具有其自身的VFD软件。VFD 42根据来自控制器40的控制信号来控制原动件30的速度。来自原动件30的旋转功率输出由带32传送至齿轮箱单元。齿轮箱单元34降低由原动件30生成的转速，且将旋转运动给予曲柄轴端部、曲柄臂36和泵送单元配重28。曲柄臂36的旋转运动借助于步进梁18转换成往复运动。
图1还示出了具有从地面9延伸至其底部的常见井管50的标称竖直的井。具有位于下端处的泵52的生产管路51定位在井管50内。泵筒53包括固定阀54和柱塞或活塞55，其继而包括游动阀56。柱塞55由连结的抽油杆57促动，抽油杆57从活塞55向上延伸穿过生产管路到地面，且在其上端处由联接件58连接到光杆24，光杆24延伸穿过井口中的填料接头59。
图1绘出的实施例提供了优于本领域中已知的其它系统的若干优点。这些优点由一些子系统提供，独立且与彼此组合工作的子系统允许系统10尤其提供低操作扭矩、高操作效率、低惯性、受控的杆柱运动和/或力、以及较少的所需工作能量。如现在将更详细地描述的，这些子系统将大体上称为平衡子系统。
平衡子系统
根据图1绘出的优选实施例，平衡方法的组合用于提供在本文中有时称为平衡效果(CBE)的效果，其用于减小或有效地平衡施加到系统上的井扭矩。如本领域技术人员已知的，井扭矩大体上是指置于系统上的扭矩，其源于回收期间由系统升高的回收流体和工作构件的力。该平衡效果最大限度地增大了能量效率。又参看图1，配重28定位于在中心轴承/枢轴连接件20与马头16相对的一侧上的转向臂38的端部处。在系统10的操作期间，由配重施加在起重轴承中心20处的梁18上的扭矩用于通过回收的流体结合从马头16延伸的工作构件(例如，光杆14和控制线缆19)来平衡施加在轴承中心20处的梁18上的扭矩。该扭矩可被认为是“相反扭矩”。根据本公开的实施例，由配重28施加的扭矩响应于施加到梁18上的相反扭矩而变化。例如，通常期望CBE随相反扭矩增大而增大，例如在向上行程期间，且随相反扭矩减小而减小，例如在向下行程期间。
本发明：
在本公开的一个实施例中，本发明包括竖直定向的杆式泵送单元，其具有位于井口附近的线性运动矢量100，以用于经由通过抽油杆柱的连接而使井下泵往复移动。本发明的一个目的在于便于将液体从地下井提升。在该实施例中且参照图7、图8和图9，本发明包括静态地连接到安装底座结构126的压力容器101。该底座结构可锚定到位于流体生产地下井附近的稳定地基上。压力容器101可包括由成型板和铸件或加工的端部凸缘构成的圆柱形或其它适当形状的壳体148。上压头150和下压头130分别附接到端部凸缘。静态密封件132并入头部/凸缘接头中，以用于将内部空气压力容纳在容器101内。
线性促动器组件170穿透上压力容器头部和下压力容器头部。该促动器组件包括竖直定向的螺杆118、行星滚柱螺母122、冲头管109中的冲头(forcer ram)108、推力轴承组件141、螺杆定心器轴承151、导管146、冲头引导轴承、抗旋转机构160、制动组件、马达134、以及用于压力流体容纳在压力容器内的密封件132和O形环(133,143)。
滚柱螺杆118支承在推力轴承组件上，推力轴承组件安装到下压力容器头部130的内表面。螺杆的下部分加工成在其穿过下压力容器头部130时与推力轴承145和旋转密封件132对接。滚柱螺杆的轴延伸部在压力容器头部下方继续，与制动机构对接，且然后与马达134的压缩联接件连接。通过马达的壳体与下压力容器头部130之间的凸缘安装连接来提供马达134的扭矩反应。马达连接到构造成使得其转速可连续地调整的变速驱动器(VSD)204。参看图12，VSD 204还可使马达的旋转方向反向，使得其扭矩和速度的范围可有效地加倍。因此，螺杆可以以顺时针方向操作以用于向上行程，且以逆时针方向操作以用于向下行程。
在压力容器内，螺杆的螺纹部分与行星滚柱螺母组件122对接。螺母组件122固定地附接到冲头108的下节段，使得当螺杆沿顺时针方向旋转时，冲头向上移动。在逆时针方向旋转时，冲头108向下移动。这大体上在图10A和图10B中示出。冲头108在其通过引导轴承147(例如，斜撑带)的轴向移动期间沿径向受支承，引导轴承147位于冲头108与导管146之间的环形区域中。导管146同轴地围绕冲头管109定位，且静态地安装到下压头。其向上延伸穿过壳，以滑入上压力容器头部150中的收纳器沉孔特征中。径向支承件通过导管与上压力容器头部沉孔壁之间的隔离环提供至上导管。
需要抗旋转机构160来防止冲头108连同由螺杆118提供的扭矩旋转。本实施例要求抗旋转扎钩构件160'固定地附接到冲头108的侧部111，且定位成使得其在导管146的侧壁中的加工槽内滑动。抗旋转扎钩160'与导管146之间的对接提供冲头108的旋转约束，同时仍允许其沿竖直轴向方向自由平移。
润滑提供成经由电动油泵162使部分在机构内移动，电动油泵162位于下压力容器头部130的上表面上。下压力容器头部130还充当油槽区域，其中过滤泵入口被淹没，允许清洁油再循环穿过泵和分配系统。冲头、螺杆、螺母和抗旋转机构均优选为从导管中的抗旋转槽的顶部处的点润滑。
上冲头和线缆鼓组件固定地附接和密封到冲头的上端。两个线缆鼓附连到轮轴的端部，轮轴沿侧向穿过上冲头的顶部区段中的开孔。轮轴支承在密封于上冲头开孔的内部中的径向轴承上。线缆越过搁置于在其外径中加工的凹槽中的鼓。线缆在压力容器后部处的安装底座上固定到锚定件。在压力容器的前侧处，线缆附接到承载梁，承载梁继而联接到从井口延伸的光杆。
本发明的工作原理
本发明的工作原理基于通过行星滚柱螺杆机构的线性力和运动传送。马达可联接到行星滚柱螺杆机构的旋转元件。通过沿顺时针方向或逆时针方向旋转，马达可实现行星滚柱螺母(且通过连接，冲头)沿螺杆部件的长度的平移移动。线性螺杆机构通过空气弹簧平衡来增大，空气弹簧平衡整合在滚柱螺杆促动器的机构内。空气通路在策略上定位于导管、冲头和螺杆部件内，使得加压空气能够连续地在整个系统内迁移，且实现冲头的突出区域上的力不平衡。效果在于，除了由移动冲头支承的任何头顶构件(例如，线缆、承载梁、鼓、轴、轴承和冲头组件自身)的重量外，相对一致的提升力施加到冲头上来使泵送单元遇到的平均井负载偏移。提升力的大小为包绕的压力容器内的压力的函数，其主要根据由其容纳的可压缩空气体积的量而变化。
平衡力的量可通过分别启动补偿空气压缩机或电动泄放阀加入空气质量至容纳容器或从容纳容器除去空气质量来调整和控制。此类平衡调整可在来自杆式泵控制器的命令时自动地进行。通过监测马达扭矩(例如，得自马达电流)，最高大小的向上行程和向下行程马达扭矩值可通过使用这些方法的递归误差减少计算机算法来比较和平衡。
图10A和图10B中指出了本发明的一个实施例。该实施例推导为产生100英寸的光杆行程。在该实施例中，线缆组件在压力容器的后部处锚定到泵送单元结构的固定位置。通过在其附接到井口上方承载梁的路线中使线缆越过安装在冲头的顶部处的鼓，光杆的100英寸行程可利用仅50英寸的冲头移动实现。这提供了设计的紧凑性的期望性质、以及线性促动装置的相对低速操作。这证明了在构件如密封件、引导件等中减小速度相关的磨损的优点。因此，必须由冲头传送的力大致为井口处的那些的两倍。
本发明的线性泵送单元的容许负载图表限定为：
。
注意，以上容许负载方程包括惯性项，其通常未报告用于质量平衡的梁式泵送单元，但其效果也的确存在于那些机器中。杆的质量、泵和流体负载特征化为相当于：
且代表该系统中对加速度的惯性阻力的大部分。相反，第三惯性项代表泵送单元发明的内部惯性，且相比之下很小。在该方程中忽略了主要关于螺杆和马达的旋转元件的旋转惯性，但它们可被包括在内，如果环境和情形的动力将受益于这种包括的话。这些项又由于螺杆的小直径(且因此低质量惯性矩)而相对较小。由于在冲头延伸和收缩时经历的平衡效果的内在变化(可压缩体积的变化)，本发明的泵送单元的容许负载图表的总体趋势略微向下倾斜，从左侧移动到右侧。向下倾斜形态将趋于引起本发明显示出对呈现井下泵柱塞“超程”特性的井应用的略微偏好。这大体上在图11中示出。
容许负载图表符合性
给定泵送单元的平衡效果(CBE)与作用于冲头上的空气压力相关，且压力将根据捕获在容纳容器内的可压缩空气体积而变化，大体上对于其它杆式泵送单元设计不可用的本发明的性能包迹的增强出现。这是改变泵送单元的容许负载包迹的斜率以改善与测得的测功器负载数据的符合性的装置和方法。根据本公开的该示例性实施例大体上在图12中示出。
如可从图12的泵送组件200看到的，前文所述的发明的泵送单元201通过辅助压力容器210加强，辅助压力容器210布置成以便与泵送单元的主压力容器220直接地压力和空气流连通。不可压缩流体(例如，类似油或类似的油质流体的液体、气体或液体或气体的混合物)占据在环境条件下经由泵207从储存器208供应的辅助压力容器210的内部体积的一部分。流体可在辅助压力容器210与储存器208之间由上述泵或由电动阀212(均由杆式泵控制器(RPC)控制)在辅助压力容器210与储存器208之间来回传递。液体的目的在于转移压力容器系统220内的一部分内部体积，从而使可压缩体积为可通过自动化来控制的变量。将更多液体加入压缩容器220中减小了容纳在系统内的可压缩体积，且反之亦然。容器系统内的压力根据作为涉及理想气体的多变过程的关系而变化，其中：
P=关注点处的容器内的压力；
P0=已知条件如行程的底部处的容器内的压力；
V0=已知条件如行程的底部处的容器内的可压缩体积；
V=关注点处的容器内的可压缩体积；以及
k=所述气体的比热比(在空气的情况下大约1.4；否则，大体上是预定值)。
如将理解的那样，气体，特别是天然气，不会总是具有相同的分子成分，且因此比热比k可变化。
自动地改变泵送单元容许负载包迹的斜率
以上方程指出了容器系统内的压力将在可压缩体积上升时下降，如在泵送单元的冲头延伸时将出现的。比率V0/V也表明，改变总体可压缩体积将在冲头延伸和收缩时改变压力变化速率。这将对平衡效果力的等级有影响，且因此改变泵送单元的容许负载包迹。图13中所示的图表示出了由部分地填充有可变量的不可压缩液体的辅助压力容器引起的容许负载图表的斜率的变化，不可压缩液体旨在控制容纳系统内留下的可压缩体积的量。
杆式泵控制器读取测得的井测功器数据、将该数据与其当前构造中的泵送单元的容许负载包迹比较，且然后做出校正命令来控制液体储存器与辅助压力容器之间的泵或阀以升高或降低容器中的液面的自动系统具有改善符合性的潜力，且因此改善杆式泵送系统的利用和效率。与连续维持适当的平衡(将空气压力维持在适当极限内)的自动器件配对的这种加强提供了使泵送单元系统适应于改变的井条件和保护系统构件的改善手段。
自动地校正平衡
监测马达电流(以推断扭矩)来作为关于平衡调整确定校正动作的实施已经在泵送单元维护中使用了多年。然而，由于在传统梁式泵送单元上进行物理调整(添加、除去或调整配重)的大量手动过程，校正动作的自动方法实现较慢。气动或气压弹簧平衡提供了在空中以自动方式进行这些平衡校正的机会。
又参看以上图12，本发明的泵送单元马达可由变速驱动器(VSD)控制和监测，变速驱动器继而与杆式泵控制器(RPC)交换数据。马达电流或扭矩可被监测，且比较最高大小的向上行程和向下行程的值，以便确定泵送单元负载是否在可接受极限内平衡。如果向上行程扭矩大小明显大于向下行程的扭矩大小，例如：
则单元欠平衡。在此情况下，RPC可启动补充空气压缩机来将附加空气质量注入压力容器系统中，直到不平衡情况减轻。如果检测到相反，即，
且单元过平衡，则RPC可启动电动泄放阀且从压力容器排出空气质量，直到重建适当的平衡。
基本控制顺序
以下且在图19中示意性示出的实例示出了潜在的方案，其中连同控制平衡和容许负载包迹斜率的增强并入本发明泵送单元的本公开的杆式泵送系统用于主动地控制杆柱运动和/或力，其中泵送单元特征为具有低惯性。在此方案中，泵送单元初始设置为与井应用对接的运动，且仅仅粗略地调整以满足其优化需要。通过监测扭矩和马达旋转位置，或备选地光杆负载和位置，杆式泵控制器(RPC)可导出如大体上在图14中所示的示功图。
测功器数据的直线化趋势然后可通过线性回归方法来形成，例如，“最小平方”或类似的数据应用。该线的斜率然后可采用为泵送单元的平衡效果的斜率的目标值。然而，回归线的“y截线”可能不一致地反映相对于最高和最低光杆负载进行平衡所需的“下死点”平衡效果。校正的y截线可通过将线从最高和最低负载的平均值沿来自回归分析的斜率映射到零光杆位置轴线来计算，根据以下：
。
在限定了目标平衡效果(CBE)线的情况下，然后可执行控制步骤序列以实现适当的调整。这些中的第一个是设置压力容器系统内的最大压力。目标CBE线中的y截线用于该目的。系统内的最大压力将在冲头行程的底部处出现，其与零光杆位置一致。根据以下来使用y截线的值以计算最大系统压力：
杆式泵控制器(RPC)可将测得的最高压力与新计算的“期望”最高压力相比较，且启动系统的空气压缩机或电力控制的泄放阀来使系统压力在可接受极限内。
调整系统中的最高压力，泵送单元的容许负载包迹的斜率可通过在压力容器中添加或除去液体来调整以匹配目标估计平衡(ECB)斜率。建立该斜率的辅助箱中所需的可压缩体积可从以下计算：
其中：
Vb=行程底部处的主压力容器中的可压缩体积；
Wassy=由螺钉和平衡力支承的头顶构件如线缆、冲头、鼓等的重量；
b=目标ECB(估计的平衡)线的Y截线；
Mreg=目标ECB(估计的平衡)线的斜率；
PRP=光杆位置；
td=完成向上行程的时间间隔
Pmax=容纳容器系统中的最大压力，出现在行程的底部处；
doram=冲头管的外径；
diram=冲头管的内径；
lram=冲头管的长度；
digt=导管的内径；
htank=主压力容器中容纳的圆柱体积的竖直高度；
dogt=导管的外径；
ditank=压力容器壳体的内径；
dscrew=滚柱螺杆螺纹的节径；
dtb=推力轴承的直径；
ltb=推力轴承的长度；
dnut=滚柱螺母的直径；
lnut=滚柱螺母的长度；
yb=行程底部处的冲头位置的下面；
SL=光杆行程长度。
取决于主压力容器内的促动器和其它构件的移置体积。所需的液体体积可通过从总辅助容器体积减去以上量来计算。
当然，当液体在系统中加入或除去时，容器内的压力将与剩余可压缩体积相反地略微变化。RPC(杆式泵控制器)将连续地监测和控制空气压力以在液体加入或除去期间将其维持在极限内。
泵送单元速度的主动控制
由一个循环中的泵送单元执行的功可根据以下由捕获于示功图内的面积近似地估计：
。
即使在适当的平衡和容许负载包迹斜率匹配的情况下，在杆式泵送应用中产生的示功图仍很高，力和运动的乘积在泵送单元、井下泵和连接抽油杆柱之间相互作用。上文所示的容许负载图表可能仍然不使井特别符合示功图，而不管校正平衡和CBE斜率的努力。应当注意，用于导出以上PLD的运动轮廓很简单，由循环时间间隔的大约30%内的冲头光杆加速和减速的恒定加速的两个周期构成。循环时间间隔的其余70%以恒定速度度过。这解释了行程的顶部和底部附近的容许负载的梯级。然而，匀变加速度的持续时间不必保持为固定时间间隔。它们甚至不必约束为恒定加速周期。低惯性泵送单元机构的利益(如本发明的)为可在不用尽多余能量的情况下在泵送循环内产生速度变化。缓慢匀变至略微较高的光杆速度可仍然允许循环在以10SPM(行程每分钟)下操作机器所需的6秒内完成。
速度操纵也可影响示功图的形状。当将测功器数据与容许负载图表相比较时，如果观察到施加的负载偏离容许负载值，使得单元的能力利用不足，则其可展示出RPC通过该区域命令略微速度增大的利益。这提供了速度增大并未引发诸如杆弯折的问题或另一问题。许多杆式泵控制器的预测模拟能力现在允许在实施它们之前导出和建模的试验方案，使得可避免大多数此类问题。
鉴于本公开清楚了本发明的系统和方法的利益。即，本发明的泵送单元的机构将用于平衡的压缩气体或气动弹簧与线性滚柱螺杆组件组合，以产生和控制操作泵送单元的井下泵所需的提升力和运动。此外，泵送单元机构的移动部分相比于传统梁式单元设计拥有相对较低的质量和质量惯性移动，且因此，提供了井优化所需的对速度变化的极小惯性阻力。利用该低惯性，使用井控制器等，冲头的运动轮廓可很快变化，以减小杆负载、改善工作能力利用、改善泵填充、或缓解与重油开采相关联的杆下降问题。
本公开的泵送单元组件还通过行程长度乘法的方法实现了低竖直高度轮廓，该方法涉及配置在冲头的端部处的鼓和锚定到一端上的固定地面点的线缆，同时包覆在滑轮上且连接到相对侧上的井光杆(经由承载梁)。机器的现场环境影响因此很轻微。即，本泵送单元系统相对于具有同等提升能力的传统梁式泵送单元具有较小尺寸。系统还呈现出大体上“整体的”外观，具有很少可看到的移动部分，特别是在地面水平，这导致了地面水平安全危险的显著降低，且可需要除井口周围外的很少或没有安全防护。
此外，如本文详细描述那样，本发明的泵送单元系统的平衡由气压弹簧类型的组件提供，其提供了优于典型的基于质量的平衡单元组件的一些优点，包括但不限于：允许通过控制气体压力自动地调整平衡；允许杆式泵控制器监测泵送单元马达扭矩、和取决于所需的优化而向气体压缩机或泄放阀提供平衡压力校正命令；以及允许减少与泵送单元的制造和装运有关的重量和材料消耗。此外，给定本文所述的泵送单元组件的行程长度不由固定几何形状连杆系统约束，例如在典型的梁式泵送单元中发现那样，则行程长度可在空中调整或变化。即，井下泵间距可被监测以作为气体锁的证据或标记，且可自动地作出校正。系统自我诊断(如阀检查)也可经由杆式泵控制器集成而容易自动地执行。
本发明使用的泵单元系统和方法的又一利益为自适应噪音消除的准备应用。如本领域中良好理解的，在操作期间以一定谐波频率振荡的抽油杆导致与噪音直接相关联的杆疲劳问题。利用本文描述的泵单元系统，可包括一个或多个相移，例如在井控制器内，以衰减和消除抽油杆振荡频率。
使用上文所述发明的一个或多个方面的其它和另外的实施例可在不脱离申请人的发明的精神的情况下做出。例如，与彼此流体连通的一系列辅助压力容器可根据本公开在泵送单元中使用。此外，系统的制造和组装的方法的各种方法和实施例以及位置规定可与彼此组合包括在内，以产生所公开的方法和实施例的变型。单数元件的论述可包括复数元件，且反之亦然。
步骤的顺序可以以多种次序发生，除非另外明确地限制。本文所述的各种步骤可与其它步骤组合、插入所述的步骤和/或分成多个步骤。类似地，已经在功能上描述了元件，且元件可体现为单独的构件，或者可组合成具有多个功能的构件。
本发明已经在优选的和其它的实施例的背景中描述，且并未描述本发明的每一个实施例。对所述实施例的明显改型和变化可由本领域的普通技术人员想到。公开和未公开的实施例并非旨在限制或约束由申请人构想的本发明的范围或适用性，而是，按照专利法，申请人旨在完全保护落入所附权利要求的等同物的范围或区域内的所有此类改型和改善。

Claims (19)

1.一种用于促动抽油杆泵组件的杆的装置，所述装置包括：
马达；
连接到所述马达的线性促动器组件，其中，所述线性促动器组件能够调整所述抽油杆泵组件的杆的行程长度并且包括线性螺杆机构；以及
平衡组件，其可操作地连接到所述线性促动器组件，能够减轻由所述杆和待泵送的流体柱施加到所述线性促动器组件上的负载，
其中，所述平衡组件包括气动压力容器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线性促动器组件不是固定几何形状连杆系统，所述杆的行程长度不由固定几何形状连杆系统约束。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线性螺杆机构是行星滚柱螺杆机构并且不是固定几何形状连杆系统。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括杆式泵控制器，其可操作地连接到所述平衡组件以用于控制平衡力。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括辅助压力容器，其可操作地连接到所述平衡组件中的所述气动压力容器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述辅助压力容器能够通过不可压缩物质改变所述气动压力容器中的流体体积。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述马达能够作为变速驱动器被控制。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线性促动器组件大致竖直地定向并且能够自动地或者响应于气体锁的证据或标记来调整所述杆的行程长度。
9.一种使用抽油杆组件泵送流体的方法，所述抽油杆组件包括杆、泵送单元和平衡组件，所述方法包括：
定位所述泵送单元，使得线性操作轴线与所述杆的移动轴线大致平行；
提供所述平衡组件，该平衡组件包括至少一个气动压力容器，其定位成使得所述至少一个气动压力容器大大减轻由所述杆和待泵送的流体柱施加到所述泵送单元上的负载，
其中，至少一个气动压力容器包含流体；以及
调整所述杆的行程长度；
其中，所述泵送单元包括线性螺杆机构。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述线性螺杆机构是行星滚柱螺杆机构。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括维持所述至少一个气动压力容器中的所述流体的恒定质量。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述泵送单元大致竖直地定向，并且调整所述杆的行程长度包括自动地或者响应于气体锁的证据或标记来调整所述杆的行程长度。
13.一种用于流体的提升的装置，所述装置包括：
泵送单元，其中所述泵送单元包括线性促动器组件，其中，所述线性促动器组件能够调整所述泵送单元的杆的行程长度并且包括线性螺杆机构；以及
平衡组件，其可操作地连接到所述泵送单元，能够减轻由泵送单元的杆和待从地下井泵送的流体柱施加到所述泵送单元上的负载，其中所述平衡组件包括气动压力容器。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述线性促动器组件不是固定几何形状连杆系统，所述杆的行程长度不由固定几何形状连杆系统约束。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述线性螺杆机构是行星滚柱螺杆机构并且不是固定几何形状连杆系统。
16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括杆式泵控制器，其可操作地连接到所述平衡组件以用于控制平衡力。
17.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括辅助压力容器，其可操作地连接到所述平衡组件中的所述气动压力容器。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述辅助压力容器能够改变所述气动压力容器中的流体的体积。
19.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述线性促动器组件大致竖直地定向并且能够自动地或者响应于气体锁的证据或标记来调整所述杆的行程长度。
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