CN111287701A - 一种潜油螺杆泵成套驱控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采油设备技术领域，尤其涉及一种潜油螺杆泵成套驱控装置，该装置包括控制模块、采油机构模块和井下检测模块；采油机构模块包括潜油螺杆泵、潜油永磁电机以及复合油管；井下检测模块包括流量传感器、温度传感器与压力传感器；控制模块包括高精度矢量变频器、检测信号反馈装置和实时监测控制单元；检测信号反馈装置接收井下第一油温、井下第二油温、流量监测信号，并将其传递给实时监测控制单元；高精度矢量变频器根据工作状态并结合自身输出电流大小对潜油电机进行矢量控制。本发明提供的潜油螺杆泵成套驱控装置解决了传统采油系统中动力电缆易磨损、腐蚀的问题。同时解决了油液低温结蜡的问题，有效减少故障维护了油井。

Description

一种潜油螺杆泵成套驱控装置
技术领域
本发明涉及采油设备技术领域，尤其涉及一种潜油螺杆泵成套驱控装置。
背景技术
传统油田采油机构采用异步电机带动磕头机进而带动抽油杆进行上下冲程采油，这种结构中一个循环冲程有效采油量仅为整体抽油杆长度的几百分之一且上下冲程时电机工作状态不同，会对电网造成冲击，而地面直驱螺杆泵装置虽然解决了采油效率偏低的问题，但其驱动方式也为地面电机旋转带动抽油杆旋转，几千米长的驱动环节会对动能造成巨大浪费，当电机停机时若不采取制动措施抽油杆反转会瞬间损坏电机。同时根据我国现阶段油田井况，斜井、平井逐渐增多，很多油管不再是竖直放置而可能水平、偏斜角度放置，传统抽油机构在该种井况下将无法工作，据此潜油螺杆泵驱控系统应运而生。
潜油螺杆泵驱控系统由地面上的控制模块、地面下的采油机构模块和检测模块构成，将潜油电机及潜油螺杆泵下放到井下几千米处，解决了驱动装置在地面上而螺杆在地面下的动力浪费问题。同时其工作环境不再受限于井况，对于平井、斜井都有着良好的适应能力。根据相关研究表面，采用潜油电机—潜油螺杆泵系统相比油梁式抽油机整体年耗电量节约60%左右，整体效率提高约15%且运行时不需频繁维护。
然而传统潜油螺杆泵的驱动装置也有着不可忽视的问题，其结构潜油电机在潜油螺杆泵下方驱动，在运行时螺杆泵会出现振动等情况，影响其寿命。
另外，我国油田原油通常伴有石蜡等，在采油过程中若温度达到其凝固点就会在管壁上结蜡，严重情况下会产生卡井等情况，为此需要经常用蒸汽车等洗井设备进行洗井，造成了人力和资源的大量投入，导致生产成本较高。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明提供了一种潜油螺杆泵成套驱控装置，以克服现有技术中系统寿命较低、采油故障率较高的问题。
（二）技术方案
为解决上述问题，本发明提供一种潜油螺杆泵成套驱控装置，包括：控制模块、采油机构模块和井下检测模块；
所述采油机构模块包括潜油螺杆泵、位于其上方的潜油永磁电机以及复合油管；所述潜油永磁电机的下方装有联轴器与潜油螺杆泵相连；所述复合油管为三层结构，其外层为热镀锌钢丝或碳钢合金，中层为高密度聚乙烯，内层为碳纤维；
所述中层嵌入有动力电缆、信号缆；
所述复合油管的中层和内层之间嵌入至少一个电伴热加热装置，所述电伴热加热装置包括电伴热带与防爆控温探头；
井下检测模块包括设置在所述潜油螺杆泵进油口的流量传感器、设置在所述潜油永磁电机上方的温度传感器与压力传感器；
所述温度传感器用于检测接近井底的井下第一油温，压力传感器用于检测潜油电机上方管口处的压力，防爆控温探头用于检测接近地上井口的井下第二油温；
所述控制模块包括高精度矢量变频器、检测信号反馈装置以及实时监测控制单元；
所述检测信号反馈装置接收温度传感器发送过来的井下第一油温、防爆控温探头发送过来的井下第二油温、进油口流量传感器发送过来的流量监测信号，并将其传递给所述实时监测控制单元；
所述实时监测控制单元对信号进行算法分析后得到所述潜油永磁电机及潜油螺杆泵的工作状态并将其传递给所述高精度矢量变频器；
所述电伴热加热装置中的电伴热带用于对油液进行加热并通过防爆控温探头测量加热后的井下第二油温，传递给所述实时监测控制单元，所述实时监测控制单元根据井下第二油温控制所述电伴热加热装置的加热功率；
所述高精度矢量变频器根据所述工作状态并结合自身输出电流大小对所述潜油电机进行矢量控制。
优选地，所述控制模块安装于变频控制柜内。
优选地，所述潜油螺杆泵下方装有用于固定的井底固定装置。
优选地，所述采油机构模块还包括井口装置，井口装置固定于井口，其外部引出油管其下方连接复合油管，复合油管段间通过管箍相连并保持在井内相对固定。
优选地，所述潜油永磁电机和潜油螺杆泵通过动力电缆进行供电。
优选地，所述潜油永磁电机外部为复合油管，油液从所述潜油螺杆泵流出后流经所述潜油永磁电机机壳外部并流经所述电伴热加热装置。
（三）有益效果
本发明提供的潜油螺杆泵成套驱控装置通过井上高精度矢量变频器及实时监测控制单元的协同控制，实现整体系统的自动化检测、判断、控制电机高性能运行；同时该装置可有效减少传动结构的整体振动，使传动链更加合理化，提高了使用寿命；另外，将动力电缆、信号缆以及电伴热加热装置统一内嵌于复合油管中，解决了传统采油系统中动力电缆易磨损、腐蚀的问题。同时电伴热加热装置能对油液进行加热，解决了油液低温结蜡的问题，有效减少故障维护了油井。
附图说明
图1为本发明实施例潜油螺杆泵成套驱控装置结构示意图。
1.井口变压器，2.变频控制柜，3.井口装置，4.动力电缆及信号缆，5.复合油管，6.管箍，7.电伴热加热装置，8.温度传感器，9.潜油永磁电机，10.潜油电机外油路，11.联轴器，12.电缆线夹，13.潜油螺杆泵，14.泵口出油管，15.井底固定装置，16.泵口进油管，17.进油口流量传感器，18.压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。
如图1所示，本发明实施例提供一种潜油螺杆泵成套驱控装置，其特征在于，包括：控制模块、采油机构模块和井下检测模块；
一种潜油螺杆泵成套驱控装置，包括：控制模块、采油机构模块和井下检测模块；
所述采油机构模块包括潜油螺杆泵、位于其上方的潜油永磁电机以及复合油管；所述潜油永磁电机的下方装有联轴器与潜油螺杆泵相连；所述复合油管为三层结构，其外层为热镀锌钢丝或碳钢合金，中层为高密度聚乙烯，内层为碳纤维；
其中，热镀锌钢丝或碳钢合金制成有着较高的强度与耐磨性；高密度聚乙烯，有着良好的可塑性及化学稳定性；最内层为碳纤维，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性。高密度聚乙烯中嵌入有动力电缆、信号缆，保证绝缘强度及运行可靠性。
所述中层嵌入有动力电缆、信号缆。
所述复合油管的中层和内层之间嵌入至少一个电伴热加热装置，所述电伴热加热装置包括电伴热带与防爆控温探头；在高密度聚乙烯与碳纤维间嵌入有电伴热加热装置，碳纤维良好的导热性能可以将加热装置的温度有效传给油液。
井下检测模块包括设置在所述潜油螺杆泵进油口的流量传感器、设置在所述潜油永磁电机上方的温度传感器与压力传感器；
所述温度传感器用于检测接近井底的井下第一油温，压力传感器用于检测潜油电机上方管口处的压力，防爆控温探头用于检测接近地上井口的井下第二油温；
所述控制模块包括高精度矢量变频器、检测信号反馈装置以及实时监测控制单元；
所述检测信号反馈装置接收温度传感器发送过来的井下第一油温、防爆控温探头发送过来的井下第二油温、进油口流量传感器发送过来的流量监测信号，并将其传递给所述实时监测控制单元；
所述实时监测控制单元对信号进行算法分析后得到所述潜油永磁电机及潜油螺杆泵的工作状态并将其传递给所述高精度矢量变频器；
所述电伴热加热装置中的电伴热带用于对油液进行加热并通过防爆控温探头测量加热后的井下第二油温，传递给所述实时监测控制单元，所述实时监测控制单元根据井下第二油温控制所述电伴热加热装置的加热功率；
所述高精度矢量变频器根据所述工作状态并结合自身输出电流大小对所述潜油电机进行矢量控制。
需要说明的是，高精度矢量变频器采用已经技术成熟的变频器技术即可，通过其内集成的参数自学习、自整定功能，在投井完成后对电机的各项参数进行测量，可以在变频器内得到包括其电阻、电感在内的精确电机参数模型。在电机运行时通过对该参数模型进行控制就可以控制电机在不同状态下运行。针对不同工况及需求，可搭配神经网络控制、滑模控制等控制方式。
检测信号反馈装置是井上模块与井下检测装置连接的重要结构，本实施例采用多种传感器来检测潜油螺杆泵及潜油电机的工作状态，该装置中包括如流量传感器、温度传感器、压力传感器等装置，具体可包含各传感器的接触器、空开、上下限阈值控制等。需说明：上下限阈值限定了系统的运行温度、流量等，如温度超过阈值温度，系统将停止工作或延时停止工作，其原理与电机的过载运行倍数、过载运行时间相同。
实时监测控制单元将信号进一步分析处理，该单元包含下位机、显示屏和与变频器相连的铜缆等，其中下位机可为单片机也可为成熟的微电脑控制器。以温度传感器为例，当油液温度低于合理温度时，微电脑控制器或单片机采用比例控制算法增加电伴热加热装置的加热功率并在温度接近设定点的同时，比例控制器降低向电伴热加热器供应的平均功率。这会减慢加热器的速度，从而使之不会超越设定点，而是会接近设定点并维持一个稳定的温度。此比例控制操作可以通过短时间开启和关闭输出来实现。此"时间比例控制"通过改变"开启"时间与"关闭"时间之比来控制温度。如果温度低于设定点，输出的开启时间更长；如果温度过高，则输出的关闭时间更长。其他传感器检测到的与电机运行状态有关的信号将被传递给变频器，变频器将实时更新处理器内的电机数学模型得到电机的运行状态，根据设定好的不同控制算法进行控制。
下面详细说明一下该潜油螺杆泵成套驱控装置实际安装工作原理：
首先，对潜油螺杆泵成套驱控装置进行供电：井上三相电从井口变压器1引出进入变频控制柜2再通过动力电缆及信号缆4引至井下各传感器、潜油永磁电机9、潜油螺杆泵13。
井口装置3固定于井口起到支撑、密封的作用，其外部引出油管其下方连接复合油管5，复合油管5段间通过管箍6相连并保持在井内的相对固定。复合油管5内嵌有动力电缆、信号缆、电伴热加热装置7等。
其中，动力电缆由不同的材料导体装在有绝缘材料的金属套管中，被加工成可弯曲的坚实组合体，适用于固定不动传输电能的动力线。动力电缆为潜油永磁电机与潜油螺杆泵供电，其在管壁外的部分通过电缆线夹12固定于电机及潜油螺杆泵上并通过航空插头或其他连接装置为潜油电机、潜油螺杆泵供电。
复合油管内井下装有电伴热加热装置7，该电伴热加热装置7可以采用自限温电热带或其他可达到同效果的电加热器。其原理为：在工作中油液通过管道在压力作用下沿油管向上流动流经电伴热，带走电热元件工作中所产生的高温热能量，使被油液温度升高。电伴热受井上实时监测调节控制调节电加热器输出功率。同时，油管内可放置多个电伴热加热装置在井下不同位置以不同功率对油液进行加热，保证其温度不发生结蜡堵塞油管的情况。
温度传感器、压力传感器8下方通过一段复合油管与潜油螺杆泵13相连，该段油管中固定有潜油永磁电机9，电机外壳与油管间为潜油电机外油路10，当油液流经潜油电机外油路10时会带走一部分电机的热量帮助电机散热。
潜油永磁电机9与潜油螺杆泵13间通过联轴器11相连，保证两个装置同轴防止由于偏磨等问题造成潜油电机损坏。联轴器11外为泵口出油管14，潜油螺杆泵13下方装有泵口进油管16，其内部固定有进油口流量传感器17，泵口进油管16下方装有井底固定装置15能起到固定、扶正作用。
温度传感器8、压力传感器18装于短管内位于油管下方，通过管箍或焊接与上方油管段相连。温度传感器用于检测井下第一油温并按照前文所述方式便于对油液温度进行控制。压力传感器能检测该油管内部压力值，当检测压力值接近油管压力阈值时发出警报或停机。专用潜油永磁电机根据控制方式的不同，其内部可能有速度传感器或位置传感器或兼有，在不同情况下仅需通过对高精度矢量变频器的控制方式预设就可采用不同方式控制电机。
本发明采用潜油电机-潜油螺杆泵方式取代了传统的磕头机式抽油机及地面直驱设备，解决了平井、斜井等复杂井况的采油问题，同时提升了采油效率与运行稳定度。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种潜油螺杆泵成套驱控装置，其特征在于，包括：控制模块、采油机构模块和井下检测模块；
所述采油机构模块包括潜油螺杆泵、位于其上方的潜油永磁电机以及复合油管；所述潜油永磁电机的下方装有联轴器与潜油螺杆泵相连；所述复合油管为三层结构，其外层为热镀锌钢丝或碳钢合金，中层为高密度聚乙烯，内层为碳纤维；
所述中层嵌入有动力电缆、信号缆；
所述复合油管的中层和内层之间嵌入至少一个电伴热加热装置，所述电伴热加热装置包括电伴热带与防爆控温探头；
井下检测模块包括设置在所述潜油螺杆泵进油口的流量传感器、设置在所述潜油永磁电机上方的温度传感器与压力传感器；
所述温度传感器用于检测接近井底的井下第一油温，压力传感器用于检测潜油电机上方管口处的压力，防爆控温探头用于检测接近地上井口的井下第二油温；
所述控制模块包括高精度矢量变频器、检测信号反馈装置以及实时监测控制单元；
所述检测信号反馈装置接收温度传感器发送过来的井下第一油温、防爆控温探头发送过来的井下第二油温、进油口流量传感器发送过来的流量监测信号，并将其传递给所述实时监测控制单元；
所述实时监测控制单元对信号进行算法分析后得到所述潜油永磁电机及潜油螺杆泵的工作状态并将其传递给所述高精度矢量变频器；
所述电伴热加热装置中的电伴热带用于对油液进行加热并通过防爆控温探头测量加热后的井下第二油温，传递给所述实时监测控制单元，所述实时监测控制单元根据井下第二油温控制所述电伴热加热装置的加热功率；
所述高精度矢量变频器根据所述工作状态并结合自身输出电流大小对所述潜油电机进行矢量控制。
2.如权利要求1所述的潜油螺杆泵成套驱控装置，其特征在于，所述控制模块安装于变频控制柜内。
3.如权利要求1所述的潜油螺杆泵成套驱控装置，其特征在于，所述潜油螺杆泵下方装有用于固定的井底固定装置。
4.如权利要求3所述的潜油螺杆泵成套驱控装置，其特征在于，所述采油机构模块还包括井口装置，井口装置固定于井口，其外部引出油管其下方连接复合油管，复合油管段间通过管箍相连并保持在井内相对固定。
5.如权利要求1所述的潜油螺杆泵成套驱控装置，其特征在于，所述潜油永磁电机和潜油螺杆泵通过动力电缆进行供电。
6.如权利要求3所述的潜油螺杆泵成套驱控装置，其特征在于，所述潜油永磁电机外部为复合油管，油液从所述潜油螺杆泵流出后流经所述潜油永磁电机机壳外部并流经所述电伴热加热装置。
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