CN1098965C

CN1098965C - 全自动采油机

Info

Publication number: CN1098965C
Application number: CN99119243A
Authority: CN
Inventors: 卢旭; 李莹
Original assignee: Individual
Current assignee: Li Ying; Lu Xu; The United States Dipai oil spill technology Co.
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2003-01-15
Anticipated expiration: 2019-08-27
Also published as: CA2389070C; CN1286357A; RU2246608C2; AU6682000A; US6749017B1; CA2389070A1; WO2001016487A1

Abstract

本发明涉及全自动采油机领域。本装置采用轴传动及柔性皮带悬挂系统，由变频电机通过减速器、连接驱动毂带动传动皮带，通过随动毂与悬绳器连接后，接通抽油杆，带动抽油泵工作。本装置还包括测量驱动毂旋转角度的绝对值编码器、测量变频电机转速的矢量编码器和油量计量计。本装置通过可编程控制器处理采集的信号，并对机、杆、泵系统进行自动控制。本装置具有节能、采油效率高和使用寿命长等优点。

Description

全自动采油机

本发明涉及一种采油设备，尤其涉及利用计算机实现数字化控制的全自动抽油机。

石油行业中，影响采油量的关键是，如何使抽油机的运行适应并吻合地下油流的饱和度变化，只有这样才能提高采油产量，反之则降低采油量。我国现有近二十个油田，有近十万台机械式抽油机在工作，虽然国内有多种节能式抽油机问世，但其结构还是以电机驱动，通过减速器变速带动游梁式抽油机及地下抽油杆泵采油。由于机械结构决定了现有抽油机在抽油工艺上的落后，使得现有抽油机耗能比较大，采油效率比较低、机械损耗很大。下面具体说明传统的抽油机存在的问题：一、现有游梁式抽油机是采用由圆周运动转变为直线运动式的采油方式，其采油工作时不平衡力比较大，以12型抽油机为例，不平衡力为5吨。机械式抽油机每分钟工作一般为6次，一天24小时工作4300多次，等于一个5吨吊车每天吊起4300多次5吨货物的能量被损失和浪费。二、机械式采油机无法适应地下油质不同引起的油汽饱和力及油层深度的不同变化，采油效率只能保持在20％左右。三、由于机械式抽油机的运行工艺不合理，使得抽油机的有用功只有30％左右，而且机械损坏率比较高。

本发明的目的在于提供一种采用新型运行方式、用计算机全自动控制和结构合理的全自动采油机，使其达到降低能耗、提高采油效率的目的。

本发明所述的全自动抽油机采用轴传动及柔性皮带悬挂结构，由变频电机17通过轴连接减速器5，减速器5通过轴连接驱动毂7A，带动传动皮带10A、传动皮带10B，通过随动毂7B与悬绳器9连接后，接抽油杆8，带动抽油泵24工作；电机正转为抽油，反转为回程；驱动毂7a在带动传动皮带10A、10B同时，也带动传动皮带11，传动皮带11另一端连接配重箱12，所述配重箱12随抽油泵正、反向作同步运动；本采油机还包括机座1、机架2和上平台3，所述电机17，减速机5、驱动毂轮7A和随动毂轮7B均固定于上平台3上；所述变频电机17通过一个驱动变频器18与可编程控制器20相连接，通过作为主驱动器的变频器18接收可编程控制器20发出的控制指令进行工作；所述可编程控制器20与反应运行状态的绝对值编码器16相连接，收集驱动毂输出轴的旋转角度位置的信息；由绝对值编码器16和制动单元组成了行程检测及制动部分。

如上所述的全自动采油机，其中可编程序控制器20由CPU模块、I/O模块、LCD液晶显示器组成。

全自动采油机中可编程控制器20还分别与矢量编码器15、油量流量计19相连接，分别收集变频电机的转速和出油管出油流量的信息；所述矢量编码器15直接从变频电机17轴测得角度位置、转速信息，经可编程控制器20进行程序控制后，生成控制指令，控制变频电机17的换向、设定和调节转速。

本发明所述全自动采油机由于采用了计算机精确计算的悬点负荷直接重力平衡方式采油，使抽油机运行时的不平衡力达到了90％以上，节电80％以上，由于采用了数字化矢量变频器及矢量编码器和变频电机组合的驱动运行方式，使抽油机完成了软驱动，运行过程中可以根据油质、油流、油层的变化，任意调节冲程、冲次，并可精确调节上行程或下行程运行速度，以适应油井悬点提升的变化，能提高采油效率10％-30％以上。采用计算机控制，使抽油机的各系统能够在参数优化情况下连续、可靠的长时间运行，有效地提高了本装置的使用寿命，降低了各零部件的故障损坏率，使本装置成本得以降低。本发明还具有载荷大、人工/自动/远程通讯管理、故障自我诊断、自动报警等特点，适应于深油井、高含水井、稠油井及一般井。

图面说明：

图1是本发明的全自动采油机结构正视图；

图2是本发明的全自动采油机结构右视图；

图3是本发明的全自动采油机负荷配重平衡关系图；

图4是本发明的全自动采油机起动、冲程、冲次、回程泵载运行关系结构图；

图5是本发明的全自动采油机控制电路框图；

图6是本发明的全自动采油机自动控制原理框图；

图7是本发明的全自动采油机另一实施例结构正视图；

图8是本发明的全自动采油机另一实施例结构右视图；

图9是本发明的全自动采油机另一实施例负荷配重平衡关系图；

图10是本发明的全自动采油机另一实施例起动、冲程、冲次、回程泵载运行关系结构图；

图11是本发明的全自动采油机另一实施例控制电路框图；

图12是本发明的全自动采油机另一实施例自动控制原理框图。

本发明的具体实施例之一：

图1、图2、图3、图4对本采油机的结构进行了描述，其工作原理是电源14通过电路连接变频器18，再与变频电机17相连接。打开开关后，使得电机能够正向、反向旋转，电机17通过轴连接减速器5，减速器5通过轴连接驱动毂7A带动传动皮带10A、10B通过随动毂7B与悬绳器9连接后，接通抽油杆8，带动抽油泵24。电机正转为抽油，反转为回程。正转的行程距离叫冲程，正转反转一个周期叫1个抽油冲次，同时完成一个抽油过程。

驱动毂7A在带动传动皮带10A、10B的同时，也带动传动皮带11，传动皮带11另一端连接有配重箱12。在电机驱抽油泵正、反向运动时，配重箱12也同步随之运动，起到平衡作用。所述的传动皮带10A、10B也可由链条或钢缆替代。

可编程序控制器20通过绝对值编码器16接收驱动毂输出轴6旋转的精确角度位置信息。编码器16将接收的位置信号通过电路传输给可编程控制器20，可编程控制器20通过电脑软件程序将指令传输给变频器18驱动变频电机17完成抽油机的冲程定位与调正动能。

本采油机还包括机座1、机架2、上平台3、配重滑道4、配电柜13、原油流量计、出油管线21和油井管柱油23。图中22为井口。

抽油机皮带10A、10B，悬绳器9，抽油杆8，抽油泵24，油管柱油23，(油管柱油在抽吸时摩擦力构成抽油机负载总和)配重皮带11，配重箱总成12构成抽油机配重总和。

抽油机在运行时，电机17通过减速机5变速转动带动抽油机负载皮带10A、10B，悬绳器9，抽油杆8，抽油泵24，管柱内油23向上运动，实施抽油机的抽油过程，此时电机17作功，为了减少电机作功功率降低能耗，电机17连接减速机5，通过驱动毂7A连接10A、10B的同时反方向连接配重皮带18，连接配重总成12，构成抽油机抽油时的配重平衡负载关系，达到减少电机运行功率，节约电能的目的。

变频器18通过电路联接变频电机17，收集电机在负载运行的频率、电流变化信号并传输给PLC进行处理，计算出抽油机运行时不同位置的负荷数值，根据这些数值反向计算，所需配重数值，通过人工改变配重，使抽油机负载运行时的平衡力达到85-100％，节约能源在80％以上，最大限度的实现了低耗能采油。

矢量编码器15收集电机17中的轴8旋转位置转速信号；

PLC20收集变频器18中的电机35运行的转速、频率、电流、信号；

PLC20收集出油流量计19的抽油机出油量信号；

PLC根据收集到的上述信号，经过扫描信息，储存信息，处理信息后生成新的抽油机运行程序指令。

功能：

1.抽油机负荷的精确测定与配重的测定与调整；

2.抽油机带载起动速度参数的测定；

3.抽油机带载运行的冲程参数的测定；

4.抽油机带载运行的冲次参数的测定；

5.抽油机带载运行的回程参数的测定；

6.抽油机带载运行的泵载参数的测定。

并将新的抽油机运行的指令传输给变频器36驱动变频电机35旋转完成抽油机的抽油功能。

电路原理如下：

1.绝对值编码器16的功能是检测抽油机的行程，它直接从抽油机驱动轴的编码条纹测得角度位置，并将它转化成代码信号，代码信号经可编程序控制器20程序处理后，生成“控制”命令，输入给变频器18。变频器按照可编程序控制器输入的指令，驱动变频电机17旋转，使抽油机运行。实现抽油机悬点9的位置检测和运行精确定位的要求。

2.矢量型编码器15的功能是检测变频电机17的转速和功率，它直接从变频电机17轴测得转速。并将它转化成代码信号，代码信号经可编程序控制器20程序处理后，生成“控制”命令，输入给变频器18。变频器按照可编程序控制器的输入指令，驱动变频电机17旋转，使抽油机运行。实现抽油机悬点负荷对变频电机的圆滑正反转，方便、平衡、准确地实现电机换向，设定和调节转速的要求。

3.油量流量计19的功能是检测抽油机通过每个冲次运行，所采出的油量它直接从井口出油管中测得出油量，并将它转化成数字信号，数字信号经可编程序控制器20程序处理后，生成“控制”命令输入给变频器18。变频器按照可编程序控制器输入的指令，驱动变频电机17旋转，使抽油机运行，实现抽油机最大采油量对冲程、冲次及电机转速的精确要求。

4.可编程序控制器20采用了CPU模块，I/O模块，LCD液晶显示器，在与变频器连接通讯方面具有独到的优势。具有速度高、内存大、输入输出点多并集成了许多特殊功能，它主要工作原理是：1.程序存储器，程序存储器中存放用户程序。2.处理器，处理器周期性的扫描程序；扫描周期开始，处理器读所有输入端信号的状态，并存储在过程输入映象区中(PII)。然后，处理器在内部计数器、位存储器和定时器的控制下逐步扫描程序。处理器将新的信号状态存在过程输出映象区中(PIQ)。在周期的最后，新的信息状态被送到输出端。

绝对值编码器16矢量编码器15油量流量计19做为抽油机运行状态的传感装置将感知的信息输入到可编程序控制器的程序存储器中，经过处理器扫描程序处理后，将新信号状态输送到变频器，驱动变频电机运行抽油机。可编程序控制器能够完成对抽油机的运行控制、状态监视与显示、运行参数、平衡参数、起动(负载)参数、抽程参数、抽次参数、回程参数、泵载参数的修改等精密任务，并提供密码保护功能等。

5.变频器18是抽油机的主驱动装置，它可以准确的实现电机17换向，圆滑正、反转，以适应抽油机抽程(正转)回程(反转)的要求，同时能迅速改变频率，使电机精确的改变转速，包括超低速与超高速。也具备基本参数可设定，工作状态可监视等多种功能。适应了油井悬点提升的变化。能较好的满足采油工艺要求，达到了针对不同井况进行高效、经济采油的目的。

变频器接受可编程序控制器38的“控制”指令，按照可编程序控制器的指令驱动变频电机35运转使抽油机工作。

抽油机工作的电路运行程序见图5。

1.设定抽油机运行的起动参数、抽程参数、抽次参数、回程参数、转速电源、使抽油机运行。

2.运行过程中；绝对值编码器16、矢量编码器15、油量流量计19、变频器18、变频电机17将抽油机运行的各种信号状态测得感知后输送给可编程序控制器20，根据抽油机的具体运行要求，油井工况条件，运算出最佳出油率的抽油机运转参数。并将新的信号状态输送到变频器18，驱动变频电机17运转。

3.抽油机自动按照新的信号状态程序运行后，应实现抽油机根据自身的工作要求和具体油井工况条件下的最大采油效率。

如果由于井况的变化，采油效率发生变化，电路应起动第二程序，重新生成新的信号状态程序参数，使抽油机始终保持最佳的采油效率，最大限度的节约能源的工作运行状态。

制动单元18.1、制动电阻18.2的功能是在电机换向及行程定位控制时用于制动及消耗电能。

抽油机运行指令如下：

1.运行的起动速度数值 2.停止速度数值

3.运行的冲程距离数值 4.运行的冲次时间数值

5.运行的回程速度数值 6.运行的泵载数值

7.防抽空保护数值 8.防卡井保护程序指令

9.报井指令 10.自我保护指令

例：抽油机运行指令：起动时间1秒，电机转数在1秒内从0转均衡提升至1380转。冲程距离6m，抽油时间3秒。停止时间1秒，电机转数在1秒内从1380转均衡减速到0转。回程时间、距离、速度与抽程相同。运行结果抽油机完成一次抽油过程时间为10秒，抽程为6m，抽次6次/分，采油量每次30kg。

本发明实施例之二：

图8至图12对本采油机的另一实施例进行了描述，其结构与工作原理大体与实施例一相同，区别在于本实施例较实施例一省去了矢量型编码器15和出油流量计19。由于省去了矢量型编码器15，使控制系统由闭环控制变成开环控制。同时省去油量出油流量计后，控制系统就没有油量计量的参数。本实施例的特点是节省元器件，降低成本。缺点是变频电机运行的精度降低，因此不适应在非常复杂工况的油井，进行精度电机转数控制。缺点之二是不能精确计算出油量，对起动速度、回程速度、冲程、冲次的精确参数调整有影响。

Claims

1.一种全自动采油机，其特征在于：全自动采油机采用轴传动及柔性皮带悬挂结构，由变频电机17通过轴连接减速器5，减速器5通过轴连接驱动毂7A，带动传动皮带10A、传动皮带10B，通过随动毂7B与悬绳器9连接后，接抽油杆8，带动抽油泵24工作；电机正转为抽油，反转为回程；驱动毂7a在带动传动皮带10A、10B同时，也带动传动皮带11，传动皮带11另一端连接配重箱12，所述配重箱12随抽油泵正、反向作同步运动；本采油机还包括机座1、机架2和上平台3，所述电机17，减速机5、驱动毂轮7A和随动毂轮7B均固定于上平台3上；所述变频电机17通过一个驱动变频器18与可编程控制器20相连接，通过作为主驱动器的变频器18接收可编程控制器20发出的控制指令进行工作；所述可编程控制器20与反应运行状态的绝对值编码器16相连接，收集驱动毂输出轴的旋转角度位置的信息；由绝对值编码器16和制动单元组成了行程检测及制动部分。

2.如权利要求1所述的一种全自动采油机，其特征在于：可编程序控制器20由CPU模块、I/O模块、LCD液晶显示器组成。

3.如权利要求1所述的一种全自动采油机，其特征在于：全自动采油机中可编程控制器20还分别与矢量编码器15、油量流量计19相连接，分别收集变频电机的转速和出油管出油流量的信息；所述矢量编码器15直接从变频电机17轴测得角度位置、转速信息，经可编程控制器20进行程序控制后，生成控制指令，控制变频电机17的换向、设定和调节转速。