CN104847311A - 煤层气开采流压自适应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤层气开采设备，具体为煤层气开采流压自适应装置，包括游梁式抽油机、游梁应变传感器、电能计量单元、变频器、单片机系统、电机速度传感器，游梁应变传感器固定在游梁顶端，且游梁应变传感器位于游梁支点和驴头之间，变频器的输出端与电机接线端相连，电机速度传感器设置在电机上，电能计量单元分别和变频器的输入端和输出端相连，单片机系统的输入端分别和游梁应变传感器、电能计量单元和电机速度传感器，单片机系统的输出端和变频器的控制端连接，电能计量单元、变频器、单片机系统共同安装在电控柜中。本发明解决了煤层气开采过程中由于液面不稳定且动液面高度达不到规定指标导致流压不稳、产气率低、系统效率低等问题。

Description

煤层气开采流压自适应装置

技术领域

本发明涉及煤层气开采设备，具体为煤层气开采流压自适应装置。

背景技术

在煤层气开采领域游梁式抽油机是应用比较广泛的设备，与原油开采类似，传统的抽油机驱动方式和与井下负载脱节开采模式造成了电力资源的大量浪费和设备使用寿命的缩短。主要表现如下：

一、传统的恒速运行工作机制使得游梁抽油机的系统工作效率极低，设备磨损严重；为获得更加合理的悬点运行速度并提高泵效，煤层气开采所用的游梁抽油机均大多采用电磁滑差离合器来改变驱动电机的输出特性，使游梁抽油机的运行模式兼顾速度与扭矩，这在一定程度上缓解了设备磨损、提高了泵效，但由于电磁滑差离合器本身即为耗能设备，其通过自身的滑差调节和电流补偿等措施改变电机输出机械特性，伴随而来的是自身的发热损耗，从节能角度来讲采用电磁滑差离合器的游梁式抽油机的系统效率并未得到有效提高；二、以采气为目的的煤层气开采外部表现形式为煤层气井采水,与油田采油不同，煤层气采水过程中的主要指标是产气率，为最大程度的保证产气率，在开采过程中的最主要任务是有效控制和保证井下流压,因此游梁式抽油机的采液速度必须随时都能够得到方便和有效的调整以保证井下液面处于所需的深度。换而言之，保证最大产气量的关键在于游梁式抽油机对于井下液面的可检测性、监测性和可控性。

众所周知，游梁式抽油机固有的四连杆机构决定悬点运动的位移、速度和加速度曲线表现为近似正（余）弦函数的运动规律。而这种运动规律应用于液体抽汲时由于存在杆柱弹性变形和液体阻尼等因素，为保证系统的最佳运行状态和最高运行效率，则要求电机输出的机械特性必须较软，即电机转速随负载的变化而变化。电磁滑差离合器虽然能从一定程度上改善电机较硬的机械特性，但其较窄的工作范围和过高的能耗损失决定了其不是最优之选。在井下安装液面传感器或流压传感器可直接监测井下负载的真实情况。但由于传感器的成本、可靠性和安装维护的可操作性等原因，这种方法不可能大面积的应用于生产现场。

发明内容

本发明为了解决了煤层气开采过程中由于液面不稳定且动液面高度达不到规定指标导致流压不稳、产气率低、系统效率低的问题，提供了煤层气开采流压自适应装置。

本发明是采用如下的技术方案实现的：煤层气开采流压自适应装置，包括游梁式抽油机，游梁式抽油机包括游梁和电机，游梁连接驴头，驴头通过光杆连接抽油机悬点，还包括游梁应变传感器、电能计量单元、变频器、单片机系统、电机速度传感器，游梁应变传感器固定在游梁顶端，且游梁应变传感器位于游梁支点和驴头之间，变频器的输出端与电机接线端相连，电机速度传感器设置在电机上，电能计量单元分别和变频器的输入端和输出端相连，单片机系统的输入端分别和游梁应变传感器、电能计量单元和电机速度传感器连接，单片机系统的输出端和变频器的控制端连接，电能计量单元、变频器、单片机系统共同安装在电控柜中。

在游梁上安装的游梁应变传感器对游梁和光杆的形变参数进行数据采集，电机速度传感器依据电机运行状态监测计算出电机相对起始点的运行速度、加速度等实时数据，单片机系统将检测到的电机运动信号和游梁应变传感器信号经计算处理后建立电机与光杆之间的运动状态对应曲线，并结合电能计量单元所采集到的电机功率、电流等电参数，通过单片机系统分析处理后建立具有液面追踪模式的抽油机运动的数学模型，最终通过控制变频器驱动电机在最佳转矩施加点按需运行，使系统工作效率最高。

本发明的有益效果是：本发明解决了煤层气开采过程中由于液面不稳定且动液面高度达不到规定指标导致流压不稳、产气率低、系统效率低等问题。本发明将游梁应变传感器、电能计量单元和电机速度传感器安装在地面机械系统上，精度较高、成本较低、可靠性较高的专用设备及单片机系统实现了游梁式抽油机在煤层气开采领域的低能耗、高效率、高产出比的最终目标。同时，本发明改变了传统抽油机的运行模式，减少了设备损耗，延长了设备运行周期，间接节约了资源和开采成本。与采用机构复杂、价格昂贵的专用检测设备和井下传感器相比，本发明不需要安装流压传感器、液面传感器盒专用工图仪等设备，仅利用抽油机游梁应变传感器检测游梁和光杆的形变量和周期就可比较直观的建立起示功图。本发明利用单片机系统和电能计量单元的电能监测功能，实现地面采气设备和井下负载状态（井况）的真正闭环控制，为用数控的方式达到供采平衡、提高泵效、降低损耗、减小设备磨损、延长设备使用周期提供了一条捷径。

附图说明

图1是本发明所用装置的结构示意图。

图2是本发明的电路图。

图3是本发明的原理图。

图中：1-电控柜，2-变频器，3-电能计量单元，4-单片机系统，5-电机，6-游梁，7-游梁支点，8-游梁应变传感器，9-驴头，10-抽油机悬点，11-光杆，12-电机速度传感器。

具体实施方式

煤层气开采流压自适应装置，包括游梁式抽油机，游梁式抽油机包括游梁6和电机5，游梁6连接驴头9，驴头9通过光杆11连接抽油机悬点10，还包括游梁应变传感器8、电能计量单元3、变频器2、单片机系统4、电机速度传感器12，游梁应变传感器8固定在游梁6顶端，且游梁应变传感器8位于游梁支点7和驴头9之间，游梁应变传感器8对游梁6及光杆11的运动状态进行数据采集整理，变频器2的输出端与电机5接线端相连，电机速度传感器11设置在电机5上，电能计量单元3和变频器2的输入端和输出端相连，电能计量单元对电机实时运行的电流、功率等指标进行测量，单片机系统4的输入端分别和游梁应变传感器8、电能计量单元3和电机速度传感器11连接，单片机系统4的输出端和变频器2的控制端连接，电能计量单元3、变频器2、单片机系统4共同安装在电控柜1中。

游梁式抽油机运行时游梁和光杆都将产生一定量的弹性变形，即会产生一定的伸长量。在游梁式抽油机运行初期，井下柱塞并不随着电机带动减速机和曲柄旋转的同时产生相对运动，而是游梁和光杆首先产生弹性变形，待弹性变形结束后再带动柱塞运动。在这一过程中游梁及光杆的变形量及时间可通过游梁应变传感器检测，待形变结束后光杆带动柱塞及液柱运行。游梁应变传感器对游梁部分的形变参数进行数据采集整理并由此推算光杆运动状态，并形成示功图，利用示功图曲线变化情况推算井下液面的相对高度。由于煤层气开采所抽汲的物质为水，与粘稠度较高的原油相比，水的阻尼更小，示功图中所反映的拐点信息能够真实的反映井下液面的相对高度；电能计量单元检测形变结束后柱塞开始运动到运动结束时的电机做功，然后根据管柱参数等即可计算出柱塞相对运动的高度。不同时间的柱塞相对运动高度之差即为动液面的相对变化高度。通过单片机系统同时采集游梁应变传感器的信号和电能计量单元的信号，经过相应处理分析后即可较为准确的得出动液面的相对变化量。再根据理想状态下（产气率最高条件下的流压）的流压和液面高度由单片机系统控制变频器驱动电机有目的性的运行，通过增减冲次等方式增大或降低采液量，使动液面始终维持在最佳高度，保证最佳流压值，从而保证最高采气量。

Claims (1)

1.煤层气开采流压自适应装置，包括游梁式抽油机，游梁式抽油机包括游梁（6）和电机（5），游梁（6）连接驴头（9），驴头（9）通过光杆（11）连接抽油机悬点（10），其特征在于还包括游梁应变传感器（8）、电能计量单元（3）、变频器（2）、单片机系统（4）、电机速度传感器（12），游梁应变传感器（8）固定在游梁（6）顶端，且游梁应变传感器（8）位于游梁支点（7）和驴头（9）之间，变频器（2）的输出端与电机（5）接线端相连，电机速度传感器（11）设置在电机（5）上，电能计量单元（3）分别和变频器（2）的输入端和输出端相连，单片机系统（4）的输入端分别和游梁应变传感器（8）、电能计量单元（3）和电机速度传感器（11）连接，单片机系统（4）的输出端和变频器（2）的控制端连接，电能计量单元（3）、变频器（2）、单片机系统（4）共同安装在电控柜（1）中。