CN1085292A - 桅杆式数控抽油机 - Google Patents

Abstract

一种桅杆式数控抽油机，其机架通过销轴铰接支 撑在基座上的桅杆主柱和其后侧的支撑架共同支括 的塔形平台组成，平台上放置有可调逆变电源馈电的 全速稀土同步电机及其驱动的卷扬机，卷扬滚筒上的 钢丝绳一端与抽油活塞相连，另一端接有平衡配重， 还有测量活塞工况的压力，位置传感器和可编程控制 器。该装置能实现随机变工况的优化控制，取得高产 低耗的最佳采油效益，结构简单，通用性强，是机电一 体化的新型石油开采机械装备。

Description

本发明涉及一种结构新颖的抽油机，也就是桅杆式数控抽油机，属于机电一体化的石油开采机械技术领域。

我国油田采油所使用的抽油机，通常是由包括主柱、游梁、绳索、抽油筒和电动机，减速箱，曲柄连杆式传动机构铸铁平衡块等构成的机械传动装置所组成，结构复杂，操作运行繁琐，噪音大，能耗高，传动部件磨损严重。加上我国油田中稠油和深井开采任务日趋繁重，现有的机械式抽油机弊病更显尖锐;由于使用普通电动机驱动，其转速、工艺不可实时调整，抽油活塞的运动速度只能按传动机构的固定机械规律运行，会出现抽空等问题;对于稠质油井，每口井的粘度变化很大，在同一油井的生产过程中，石油粘滞度也会发生变化，所以抽油机在作工过程中力矩变化很大，而其转速变化相对要小些，这种动力特性是很难找到一种机械传动结构与之相匹配的，包括现有的曲柄连杆机构或铸铁平衡块等手段都不能使抽油机的动力达到均衡。所以现有的各种型号的机械抽油机对于国内这些油井的适应性差、生产率和能量利用率都很低，有时尽管配备的驱动电机额定功率比抽油时消耗的实际功率要大得多，但是遇到开采稠油时，仍会发生动力不足或功效欠佳的“力不从心”之感。

本发明的目的是提供一种选用通用机电设备和通用构件组成的桅杆式数控抽油机，以取代现在的机械传动结构的抽油机。

本发明能实现发明目的关键是采用了目前先进的数控电力拖动设备及技术（专利申请号CN92100001.4）作为原动机，从而突破机械采油设备的传统概念，使能耗大幅度下降，产液量显著上升而提高其经济效益的。

本发明的结构示意如图1所示：它包括有抽油井筒10、抽油活塞11、机架、钢丝绳5、卷扬机1、电动机2和平衡配重4，其特征在于：所述的电动机为数控全速稀土同步电机，其输入端接有数控可调逆变电源16，在抽油井的出油口处装有压力传感器15、测量抽油活塞11位置的位置传感器14和对可调逆变电源16进行控制的工业控制器17，压力传感器15和位置传感器14的输出端都与控制器17的输入端相连;抽油机架是由两根通过销轴13铰接支撑在基座12上的桅杆柱7和其后侧的两板支撑架8共同支托的塔形平台9组成的，卷扬机1和电动机2，钢丝绳支承导轮3都放置在平台上卷扬机中的钢丝绳5一端通过光杆卡子6与抽油活塞11的活塞杆相接，经在滚筒上缠绕的另一端则绕过支承导轮3挂有平衡配重4，两根支撑杆架8通过销轴13铰接支撑在基座12上。

本发明对传统的机械抽油机作了两方面的改进：1是选用以数控技术和稀土新材料的基础的数控稀土电机2及其配套的数控电源16，工业控制器17和传感装置14、15构成新型机电一体化的电力拖动控制装置，这是一种可以随时调整其工况的新型拖动方式，可以毋需象传统机械设备那样，必须通过各种复杂的机械另件、结构才能完成设计所规定的各种各种机械动作，从而大大简化具有同样功能的传统机械的结构部件。2是对数控抽油机的金属机架和结构部件进行简化，使本发明的所有构件基本上都是选用通用设备和通用配件，使其结构更趋合理、简便、易于安装、作业和维修，并使抽油机成本随之而下降20%（与传统抽油机相比较），而且，金属结构和机架的另部件，可以在油田现场就地解决更新或替换，例如桅杆主柱7可以在油田就地应用输油专用管材制造，且制造工艺非常简单，加工的工作量很少，一般油田的二、三级单位都有能力加工之。据测算，本发明的结构部分金属消耗量比传统机械采油机减少了三分之二。

本发明的工作原理与普通抽油机相仿，即用电机2驱动卷扬机1的滚筒旋转，使其上的钢丝绳5作直线运动，钢丝绳一端与抽油活塞11连接，另一端连接配重4，通过控制改变电机2的正反向转动而使钢丝绳5作往复运动，带动活塞11上下运动，完成抽油动作。由于电机2的输入端接有数控可调逆变电源16，通过工业控制器17的控制，可以改变可调逆变电源16的输出电压、频率和相位，使电机2的转速和转向都可实时控制，因而可随时改变抽油活塞11的运动方向和速度。通过压力传感器15和位置传感器14可测量活塞抽油时的阻力和位置，并同时输入到工业控制器17中，由工业控制器17根据输入的运行状态与设定的最佳运行参数作比较，对可调逆变电源进行数字控制，使活塞在最佳工况下运行，自动避免了抽空现象的发生。由于在钢丝绳5的另一端装有平衡配重4，使它与抽油活塞等运行部件配合，电机2的输出扭矩就只承受抽油时的动载荷。

本发明选用的电动机是已获专利的数控全速稀土同步电机（中国专利号：CN91203427.0）。这种电机采用稀土永磁体做转子，可与数控电源配套，在大范围内平稳调节转速而与负载基本无关，机械特性好，启动转矩大，转动惯量小，可随电源频率、脉宽等实时改变转速，能耗省，结构简单，特别适宜抽油机这种速度负载特性变化悬殊的工作机作驱动力，即使转速从低速到超高速变化剧烈，其输出扭矩仍维持几乎不变。这样容易实现对抽油机的变工况驱动，以适应地层深处地质情况差异大，储油深度、石油粘滞度和含水量等参数不一的复杂情况，从根本上解决传统机械抽油机只能按照固定不变的传动规律完成固定的采油工作循环的僵硬而低效的老大难问题，我们可以事先测好各种工艺参数编制最佳工况的动态特性数据，并编成软件装成工业控制器17中，由其发出相应指令送给数控可逆电源里，输出频率、脉宽、幅度都可调的脉冲给全速稀土同步电机励磁，实现对电机的转速、转向的控制，同时随时通过两个传感器测量活塞的工况，并与最佳工作参数作比较，判断后实时进行调节，这样本发明就能始终自行适应油井里石油粘度和含水量的变化，使抽油机运行在最佳工作状态，使抽油机有较高的生产率和能量利用率。

本发明使用的数控全速稀土同步电机、可调逆变电源等均为机电一体化的新型通用设备，前者已有工厂在试制生产，后者可选用专利号为：CN90202757或CN90203323的专利，也可以选用日本富士公司的G7系列逆变器，无须特殊改装。工业控制器可以是普通工业过程控制器或工业控制计算机。本发明可以把全部结构设备在采油现场制造组装，只要把用石油专用管线制造的桅杆主柱、支撑架与平台相焊接，再用销轴与基座上的座板相固定，用吊车就可将桅杆立起来，再把支撑架固定在基座上就可以了。修井作业时，也可以很方便地用作业机把桅杆主柱放倒，进行检修，然后用同样方法再使桅杆主柱立起来。总之，本发明是一种机械结构简单、性能可靠稳定，便于控制管理的机电一体新型石油开采设备。这种抽油机在采油动力概念方面，与传统抽油机是截然不同的，传统抽油机是一种孤立的地面机械设备，单纯由电网中获取采油提升动力，本发明则把地面机械设备，地下传感设备和油井等通过实时控制技术而组成一个整体，其采油提升动力是利用地层潜含的能量为主，再辅以电网供给的辅助动力，所以本发明的能耗很低。

Claims (1)

1、一种桅杆式数控抽油机，包括有抽油井筒、抽油活塞、抽油机架、钢丝绳、卷扬机、电动机平衡配重，其特征在于：

(1)所述的电动机为数控全速稀土同步电机，其输入端接有可调逆变电源，抽油井的出油口处装有压力传感器、测量抽油活塞位置的位置传感器和对可调逆变电源进行控制的可编程控制器，压力传感器和位置传感器的输出端都与可编程控制器的输入端相连；

(2)抽油机架是由两根通过销轴铰接支撑在基座上的桅杆主柱和其后侧的两板支撑架共同支托的塔形平台组成，卷扬机，电动机都放置在，平台上，卷扬机中的钢丝绳通过光杆卡子与抽油活塞相接，缠在滚筒上缠绕的另一端则绕过支承导轮3挂有平衡配重，两根支撑架也通过销轴铰接支撑在基座上。

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