CN1097045A - 与采油井架联用的数控抽油机 - Google Patents

Abstract

一种与采油井架联用的数控抽油机，利用现有油 井的作业井架作机架，用可调频逆变电源馈电的全速 稀土同步电机驱动卷扬机，再辅以定滑轮组、平衡配 重、钢丝绳和抽油井筒、活塞、光杆等通用部件组成 的，还配设有压力传感器、位置传感器和可编程控制 器。该设备充分利用现有井架，便于推广应用，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 开采机械装置。

Description

本发明涉及一种结构新颖的抽油机，即与采油井架联用的数控抽油机，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、减速箱、电机，曲柄连杆式传动机构和铸铁平衡块等构成的机械传动装置所组成，结构复杂、能耗高，操作繁琐、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突出;因使用普通电动机驱动，其转速和工艺不可实时调整，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，会出现抽空问题;对于稠油井，因每口井的原油粘滞度变化很大，即使同一油井的生产过程中，石油粘滞度也会发生变化，所以抽油机在工作过程中力矩变化很大，而转速变化相对较小，这种动力特性很难找到一种机械传动机构与之相匹配。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实际消耗的功率要大得多，但是开采稠油时，仍会发生动力不足或攻效欠佳的窘况。

本发明的目的是提供一种利用现有采油井架和通用机电设备构成的新型数控抽油机，以取代现在的机械传动结构的抽油机。

本发明包括有采油井架、抽油井筒、抽油活塞、钢丝绳、卷扬机、电动机、平衡配重，其特征在于：

（1）以采油井架作为机架，其顶端的定滑轮组的两侧滑轮上缠绕的平衡钢丝绳的一端通过光杆卡子与抽油活塞相连接，另一端串接有平衡配重，并经机架下侧的下导轮而缠绕在数控卷扬机的滚筒一侧，该滚筒的另一侧绕有与平衡钢丝绳绕向相反的牵引钢丝绳，牵引钢丝绳的一端固装在滚筒上，另一端则经定滑轮组的中间滑轮导向后固定在平衡配重的上部;在机架的上下两侧装有位置传感器，在平衡配重上装有与作业行程对应的发讯磁块;

（2）电动机为数控全速稀土同步电机，其输入端接有可调频逆变电源，抽油井的出油口装有压力传感器和对可调频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。

本发明对传统的机械抽油机作了两方面的改进：一是选用以数控技术和稀土新材料为基础的数控稀土同步电机、与其配套的数控可变频逆变电源、可编程工业控制器和传感器件构成新型机电一体化的数控电力拖动设备和技术（专利申请号：CN  92100001.4），这是一种可以实时调整其工况的新型电力拖动方式，突破了传统机械采油设备的老框框：必须通过各种复杂的机械零件、结构才能完成设计所规定的各种机械动作，从而使发明的机械传动结构大为简化，且能耗下降、产油量上升而提高其经济效益。二是对数控抽油机的金属机架和结构部件进行简化，充分利用目前现有的生产油井自身具备的采油作业井架作为机架，再辅以通用设备和通用配件构成本发明的机械结构，使之结构更趋合理、简便、易于安装、使用和维修，并大大降低其制造成本。据测算，本发明的机械结构部分因利用原有作业井架使其生产成本下降20%左右（与传统抽油机比较）。总之，本发明是一种机械结构简单，充分利用现有作业井架，性能可靠稳定，便于控制管理的机电一体化新型石油开采装备。

下面结合附图，具体介绍本发明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的钢丝绳系传动示意图。

参见图1∶1是采油作业井架，本发明用以作为机架，既节省钢材和制作成本，又便于在现有生产油井上推广本发明进行技术改造。2是定滑轮组，它也就是原来采油井架上的天车。定滑轮组2的两侧滑轮21（参见图2）缠绕的是平衡钢丝绳3，其一端通过光杆卡子4与抽油活塞的光杆15相连接，另一端的中间串接有平衡配重5，再经机架下侧的下导轮6而缠绕在数控卷扬机7的滚筒72一侧，平衡配重5和光杆卡子4的静载负荷应是基本均衡的。在滚筒72的另一侧绕有与平衡钢丝绳3的绕向相反的牵引钢丝绳13，牵引钢丝绳13的一端绕固在滚筒72上，另一端则经定滑轮组2的中间滑轮22导向后固定在平衡配重5的上部。在平衡配重5上装有与作业行程相对应的发讯磁块10、11，而在机架的上、下侧分别装有位置传感器9、8，通过改变位置传感器9、8及对其发出磁敏信号的发讯磁块10、11的安放位置，可以调节本发明抽油活塞的工作行程及其空间位置。数控卷扬机7的驱动电机71为数控全速稀土同步电机，其输入端接有可调频逆变电源19，在抽油井16的出油口处装有压力传感器17和对可调频逆变电源19进行控制的可编程控制器18，压力传感器17和位置传感器8、9的输出端都与可编程控制器的输入端相连。在平衡钢丝绳3的两端分别装有带有缓冲块的两个限位保险横梁12、14，它的作用是可以使抽油机的行程位置限制在允许工作的长度范围内。

本发明的工作原理与普通抽油机是基本相同的，即用电机71驱动卷扬机7的滚筒72施转，使滚筒上的钢丝绳被缠绕或释放而作直线运动。其中牵引钢丝绳13一端与平衡配重5的上部固接，另一端经上导轮22导向后绕固在滚筒72的一侧，该滚筒另一侧反向绕有平衡钢丝绳，故滚筒旋转时，牵引钢丝绳使平衡配重上升，抽油活塞下降时，另一侧滚筒则逐渐释放其上逆向缠绕的平衡钢丝绳。只要控制改变电机71的正反向转动就可使牵引钢丝绳13作往复运动，带动抽油活塞上下运动，完成抽油动作。由于本发明采用申请人研制的数控全速同步电机（专利号：CN  91203427.0）作动力机，其输入端接有数控可调逆变电源19，通过可编程控制器18的控制，可以改变可调频逆变电源19的输出电压、电流频率和相位，使电机71的转速、转向和扭矩都可以实时控制，从而可以随时改变抽油机的抽油活塞的运动方向和速度。通过压力传感器17和位置传感器8.9可以测量活塞抽油时的阻力和位置，并同时输入到可编程工业控制器18中，由工业控制器18根据输入的运行状态与设定的最佳工艺运行参数作比较，对可调频逆变电源19进行数字控制，使抽油机在最佳工况下运行，自动避免了抽空现象的发生。由于在平衡钢丝绳的两端分别装有静载荷基本相等的光杆卡子和平衡配重，使得它与抽油活塞等运动部件配合，电机71的输出扭矩只承受抽油时的动载荷，这又为延长本设备的使用寿命，减少冲击载荷和磨损提供了条件。

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。这种电机采用稀土永磁体做转子，与数控电源配套，可在大范围内平稳调节转速而与负载大小基本无关，机械特性好，启动转矩大，转动惯量小，可依电源频率、脉宽、相位等实时改变转速，能耗低，结构简单，特别适宜抽油机这种负载特性变化剧烈的工作机作驱动力。当转速从低速到高速变化剧烈时，其输出扭矩仍维持几乎不变，这样就便于实现对抽油机的变工况驱动，可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僵硬而低效的老大难问题。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和软件装入可编程工业控制器18里，由其发出相应指令馈送给数控可逆电源19里，输出频率、脉宽、幅度、相位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、转向和扭矩、行程的控制，同时随时通过压力传感器17和位置传感器8、9掌握采油工况，并与最佳工艺参数作比较，实时进行调节，能使本发明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，而具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、可调频逆变电源等均是机电一体化的新型通用设备，前者已有工厂在试制生产，后者可选用申请人CN  90202757或CN  90203323专利，也可选用日本富士公司的G7系列逆变器，无须特殊改装，可编程控制器可以是普通工业过程控制器或工业控制计算机。定滑轮组、滚筒、平衡配重和钢丝绳等均为普通机械配件。总之，本发明是把地面的机械设备、驱动动力、传感器件和抽油井通过实时控制技术组成一个有机整体，充分利用地层内部蕴合的能量，再辅以电网供给的原动力作为采油提升的驱动源，使设备能耗低、工效高、操作简便，使用寿命长。

Claims (2)

1、一种与采油井架联用的数控抽油机，包括有采油井架、抽油井筒、抽油活塞、钢丝绳、卷扬机、电动机、平衡配重，其特征在于：

(1)以采油井架作为机架，其顶端的定滑轮组的两侧滑轮上缠绕的平衡钢丝绳的一端通过光杆卡子与抽油活塞相连接，另一端串接有平衡配重，并经机架下侧的下导轮而缠绕在数控卷扬机的滚筒一侧，该滚筒的另一侧绕有与平衡钢丝绳绕向相反的牵引钢丝绳，牵引钢丝绳的一端固装在滚筒上，另一端则经定滑轮组的中间滑轮导向后固定在平衡配重的上部；在机架的上下两侧装有位置传感器，在平衡配重上装有与作业行程对应的发讯磁块；

(2)电动机为数控全速稀土同步电机，其输入端接有可调频逆变电源，抽油井的出油口装有压力传感器和对可调频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、如权利要求1所述的与采油井架联用的数控抽油机，其特征在于：在平衡钢丝绳的两端分别装有带缓冲块的限位保险横梁。