CN111663925B - 一种超长冲程智能抽油装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超长冲程智能抽油装置，包括有架体、移动底座、电机、传动机构和滚筒，其中移动底座的底部设置有滚轮，架体顶端的承台上设置有滑轨，移动底座通过底部的滚轮被装配在滑轨上，移动底座能够沿滑轨进行移动，传动机构上设有输入轴和输出轴，电机和输入轴连接，滚筒和输出轴连接，电机通过传动机构驱使滚筒进行转动，滚筒上连接的输出轴为空心轴，输出轴内的外端固联有螺母，螺母螺接在丝杠上，有益效果：同一机型钢丝绳做为抽油光杆直径减少，降低减速箱输出扭矩，减少了生产制造成本；维修容易。改变了传统的采油生产管理模式；优化简化了岗位操作人员结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种抽油装置，特别涉及一种超长冲程智能抽油装置。
背景技术
目前，陆上油田的油井98％为机械采油，有杆泵采油已成为油田主要人工举升开采方式。十几年来人工举升技术取得了很大的进展，但仍没有从根本上摆脱耗能高、投资大、杆管偏磨、地面管理难度大等系列问题。尤其是近年来，随着油田勘探开发技术的不断进步，油层埋藏深、低渗、难采储量陆续被发现并且投入开发利用。油层埋藏深井深达到3000米以上,随着水平井、大斜度井及丛式井数量不断增加，杆管磨损等问题更加严峻，造成修井作业增加、采用常规机械采油人工举升设备举升效率低能耗高，导致吨油成本升高。
能够满足3000米以上井深和中深井的有杆泵机械采油生产装备新的技术需求，即：结构简单，可靠耐用，操作简便，维护容易，调参方便，能源消耗低，材料消耗低，智能控制、电子巡护、远程监控、智能管理、超长冲程>10米、低冲次、大排量、动载小。
有杆泵人工举升现有装备存在的问题是：游梁式抽油机最大冲程5.5米，当油井泵挂深度达到3000米时，油井冲程损失接近2米，抽油泵的有效冲程也只有3.5米。塔架式无游梁式抽油机冲程长度取决于塔架的高度，目前最大冲程也只有10米，同样3000米的泵挂深度抽油泵的有效冲程也只有8米。在油田矿场得到推广应用的专利号为CN201230127009.0和201420750926.8所涉及到的冲程能够达到50米的超长冲程抽油机,存在问题一是没有减少抽油机占地面积，与游梁式抽油机基本相同，与游梁式抽油机同等机型单机重量没有明显降低；二是受柔性钢丝绳抽油光杆破断拉力的限制抽油机机型目前只能做到八型抽油机，目前现场应用中采取的技术对策是增加柔性钢丝绳抽油光杆直径，目前已经由30mm增加到32mm,由此导致滚筒直径和减速机输出扭矩增加和装机功率的增加，势必增加抽油机生产制造成本；三是由于使用的柔性钢丝绳抽油光杆最大破断拉力只有200KN安全系数低，8型抽油机安全使用系数2.5而10型抽油机也只有2，完全不符合起重钢丝绳的安全系数使用规定中的用于固定起重设备为3.5的要求；四是钢丝绳抽油杆通过井口滑轮和井口盘根实现对中，钢丝绳抽油杆在井口滑轮的滑动摩擦和滚动摩擦的双重作用下，钢丝绳抽油光杆使用寿命一年，平均每口井100米×78元/米＝7800元，增加了采油生产成本，所以目前现有杆泵机械采油人工举升技术，严重制约了深井、中深井和大井丛的油田开发生产。
发明内容
本发明的主要目的是为了能够满足3000米以上井深和中深井的采油生产装备新的技术需求；而提供的一种超长冲程智能抽油装置。
本发明提供的超长冲程智能抽油装置包括有架体、移动底座、电机、传动机构和滚筒，其中移动底座的底部设置有滚轮，架体顶端的承台上设置有滑轨，移动底座通过底部的滚轮被装配在滑轨上，移动底座能够沿滑轨进行移动，传动机构上设有输入轴和输出轴，电机和输入轴连接，滚筒和输出轴连接，电机通过传动机构驱使滚筒进行转动，滚筒上连接的输出轴为空心轴，输出轴内的外端固联有螺母，螺母螺接在丝杠上，丝杠固定在架体顶端承台上的支撑架上，螺母与支撑架之间的丝杠上套设有弹性伸缩套，输出轴转动过程中带动螺母和输出轴沿丝杠进行直线移动，电机、滚筒和传动机构均固定在移动底座上，螺母在进行直线移动时带动移动底座沿架体顶端的滑轨进行滑动，钢丝绳绕设在滚筒上，钢丝绳的下部依次连接有动态密封装置和超长冲程抽油泵，电机与控制系统相连接并由控制系统控制工作，控制系统能够控制电机进行正转和反转从而带动滚筒进行正转和反转，滚筒在正转和反转的过程中带动钢丝绳进行上下往复运动。
架体顶端的滑轨两侧分别设置有行程开关，两个行程开关均与控制系统相连接，两个行程开关能够把采集的数据实时传输给控制系统，电机为变频调速电机，电机的尾轴上依次连接有电磁刹车和编码器，电磁刹车和编码器与控制系统相连接，编码器能够把采集的数据实时传输给控制系统，电磁刹车由控制系统控制工作，电机的后端还设置有散热风扇，电机的中心轴与传动机构前端的输入轴之间设置有第一联轴器进行连接，滚筒上的中心轴与传动机构的输出轴之间设置有第二联轴器进行连接，输入轴与输出轴之间的传动机构为一减速机构，该减速机构由数组齿轮组组成，动力从电机被输入到传动机构后，经过里面的数组齿轮组减速以达到设定的转数后被传输到滚筒从而带动滚筒进行正转和反转，滚筒一侧的轴承支座的下方装配有载荷传感器，载荷传感器与控制系统相连接，载荷传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，滚筒的尾端设置有棘轮，对应棘轮处设置有锁紧器，锁紧器能够把棘轮进行卡固从而把滚筒进行锁紧，架体的底端设置有移动轮，移动轮设置在地面的导轨上，移动轮能够带动架体沿导轨进行移动，移动轮连接有驱动机构，驱动机构能够驱使移动轮带动架体进行移动，驱动机构为牵引减速电机或手摇绞盘。
控制系统包括有可编程控制器PLC、变频器、人机界面和远程数据传输单元，其中变频器、人机界面和远程数据传输单元均与可编程控制器PLC相连接，变频器还与电机相连接，变频器接收可编程控制器PLC的指令控制电机的工作，可编程控制器PLC还与行程开关、编码器、载荷传感器和电磁刹车相连接，行程开关、编码器和载荷传感器能够把采集的数据实时传输给可编程控制器PLC，可编程控制器PLC控制电磁刹车的工作，可编程控制器PLC能够把采集的数据通过人机界面进行显示，人机界面用于设定工作参数和显示整个系统运行数据，远程数据传输单元由通讯设备、天线和备用电源组成，远程数据传输单元利用无线数据的传输系统，将载荷数据、位移数据、运行参数和故障报警数据信息发送到用户的手机或计算机终端上，同时用户也能够利用手机或计算机远程控制设备的运行。
上述的电机、可编程控制器PLC、变频器、行程开关、编码器、载荷传感器和电磁刹车均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理如下：
本发明提供的超长冲程智能抽油装置中的控制系统通过编码器和行程开关采集的位移信息通过控制系统的逻辑分析判断控制电机正反向旋转，带动减速机构驱动滚筒正反向输出，缠绕在滚筒上的钢丝绳随滚筒的正反向旋转做上下往复运动，并且能够保证钢丝绳始终位于井口的中心部位。
滚筒上连接的输出轴转动过程中带动螺母和输出轴沿丝杠进行直线移动，电机、滚筒和传动机构均固定在移动底座上，螺母在进行直线移动时带动移动底座沿架体顶端的滑轨进行滑动，本发明设计为螺母每旋转一周移动底座的行走距离为钢丝绳直径的1.03倍，滚筒上缠绕的钢丝绳牵引井下抽油杆、抽油泵中的数级串联柱塞做往复运动，完成采油举升。
编码器装配在电机的尾轴上，编码器的输出连接到控制系统内的可编程控制器PLC上，在可编程控制器PLC里对收到编码器的脉冲进行方向判断和累计计数，此计数的结果与缠绕在滚筒上的钢丝绳的长度成正比，也就是测出了钢丝绳上下冲程的位移长度，根据相应的逻辑关系控制电机的正转或反转，实现抽油机上下冲程的换向动作。
控制系统测量示功图时，从下死点行程开关接通，远程数据传输单元开始启动,载荷传感器开始检测油井上下冲程井下载荷的变化，载荷信号传送至可编程控制器PLC，可编程控制器PLC通过有线或无线通信模块发送数据给远程数据传输单元，编码器输出信号计算出的钢丝绳位移量和载荷传感器测得的井下载荷变化量配对，当一冲次周期结束时，载荷和位移关系曲线即油井示功图就测量完成。
人机界面与可编程控制器PLC连接，用于设定工作参数和显示整个抽油机系统运行数据。远程数据传输单元和可编程控制器PLC连接，可通过无线信号传输实现系统的远程操控。
本发明的有益效果：
本发明提供的超长冲程智能抽油装置实现了立式超长冲程(>10m)抽油机冲程长度不再受立式塔架高度的限制，减少了超长冲程抽油机占地面积，减少了超长冲程抽油机井口支架和滑轮，移动底座沿滑轨在抽油泵上下往复运动的同时做同步轴向滑动，保证了钢丝绳做为抽油光杆始终位于井口中间部位，这是超长冲程(>10m)抽油机站立起来的关键。同一机型钢丝绳做为抽油光杆直径减少，降低减速箱输出扭矩，减少了生产制造成本；
本发明采用电控和机械换向机电一体化设计，使抽油机结构更加简单、传动环节少可靠耐用，维修容易。
本发明采用智能控制+物联网的结合设计，使抽油机使用操作、采油生产管理简便容易；改变了传统的采油生产管理模式；
本发明提供的装置结构紧固、润滑点少、无需人工调平衡、调冲数换皮带轮，紧固、润滑保养智能提示管理,调参方便,通过抽油机智能控制系统人机对话操作完成,不用调平衡、对防冲距、示功图自动测试，有效降低了工人的劳动强度和使用操作安全风险，优化简化了岗位操作人员结构。
附图说明
图1为本发明所述的生产系统的主视图。
图2为本发明所述的生产系统的俯视图。
图3为本发明所述的生产系统的侧视图。
图4为本发明所述的螺母与丝杠连接结构放大示意图。
图5为本发明所述的控制系统的结构框图。
上图中的标注如下：
3、钢丝绳 5、控制系统 6、架体 7、移动底座 8、电机
9、滚筒 10、滚轮 11、滑轨 12、输入轴 13、输出轴
14、传动机构 15、螺母 16、丝杠 17、支撑架 18、弹性伸缩套
19、行程开关 20、电磁刹车 21、编码器 22、散热风扇
23、第一联轴器 24、第二联轴器 25、载荷传感器 26、棘轮
27、锁紧器 28、移动轮 29、驱动机构 30、可编程控制器PLC
31、变频器 32、人机界面 33、远程数据传输单元 34、导轨。
具体实施方式
请参阅图1至图5所示：
本发明提供的超长冲程智能抽油装置包括有架体6、移动底座7、电机8、传动机构14和滚筒9，其中移动底座7的底部设置有滚轮10，架体6顶端的承台上设置有滑轨11，移动底座7通过底部的滚轮10被装配在滑轨11上，移动底座7能够沿滑轨11进行移动，传动机构14上设有输入轴12和输出轴13，电机8和输入轴12连接，滚筒9和输出轴13连接，电机8通过传动机构14驱使滚筒9进行转动，滚筒9上连接的输出轴13为空心轴，输出轴13内的外端固联有螺母15，螺母15螺接在丝杠16上，丝杠16固定在架体6顶端承台上的支撑架17上，螺母15与支撑架17之间的丝杠16上套设有弹性伸缩套18，输出轴13转动过程中带动螺母15和输出轴13沿丝杠16进行直线移动，电机8、滚筒9和传动机构14均固定在移动底座7上，螺母15在进行直线移动时带动移动底座7沿架体6顶端的滑轨11进行滑动，钢丝绳3绕设在滚筒9上，钢丝绳3的下部连接抽油泵，电机8与控制系统5相连接并由控制系统5控制工作，控制系统5能够控制电机8进行正转和反转从而带动滚筒9进行正转和反转，滚筒9在正转和反转的过程中带动钢丝绳3进行上下往复运动。
架体6顶端的滑轨11两侧分别设置有行程开关19，两个行程开关19均与控制系统5相连接，两个行程开关19能够把采集的数据实时传输给控制系统5，电机8为变频调速电机，电机8的尾轴上依次连接有电磁刹车20和编码器21，电磁刹车20和编码器21与控制系统5相连接，编码器21能够把采集的数据实时传输给控制系统5，电磁刹车20由控制系统5控制工作，电机8的后端还设置有散热风扇22，电机8的中心轴与传动机构14前端的输入轴12之间设置有第一联轴器23进行连接，滚筒9上的中心轴与传动机构14的输出轴13之间设置有第二联轴器24进行连接，输入轴12与输出轴13之间的传动机构14为一减速机构，该减速机构由数组齿轮组组成，动力从电机8被输入到传动机构14后，经过里面的数组齿轮组减速以达到设定的转数后被传输到滚筒9从而带动滚筒9进行正转和反转，滚筒9一侧的轴承支座的下方装配有载荷传感器25，载荷传感器25与控制系统5相连接，载荷传感器25能够把采集的数据实时传输给控制系统5，滚筒9的尾端设置有棘轮26，对应棘轮26处设置有锁紧器27，锁紧器27能够把棘轮26进行卡固从而把滚筒9进行锁紧，架体6的底端设置有移动轮28，移动轮28设置在地面的导轨34上，移动轮28能够带动架体6沿导轨34进行移动，移动轮28连接有驱动机构29，驱动机构29能够驱使移动轮28带动架体6进行移动，驱动机构29为牵引减速电机或手摇绞盘。
控制系统5包括有可编程控制器PLC30、变频器31、人机界面32和远程数据传输单元33，其中变频器31、人机界面32和远程数据传输单元33均与可编程控制器PLC30相连接，变频器31还与电机8相连接，变频器31接收可编程控制器PLC30的指令控制电机8的工作，可编程控制器PLC30还与行程开关19、编码器21、载荷传感器25和电磁刹车20相连接，行程开关19、编码器21和载荷传感器25能够把采集的数据实时传输给可编程控制器PLC30，可编程控制器PLC30控制电磁刹车20的工作，可编程控制器PLC30能够把采集的数据通过人机界面32进行显示，人机界面32用于设定工作参数和显示整个系统运行数据，远程数据传输单元33由通讯设备、天线和备用电源组成，远程数据传输单元33利用无线数据的传输系统，将载荷数据、位移数据、运行参数和故障报警数据信息发送到用户的手机或计算机终端上，同时用户也能够利用手机或计算机远程控制设备的运行。
上述的电机8、可编程控制器PLC30、变频器31、行程开关19、编码器21、载荷传感器25和电磁刹车20均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理如下：
本发明提供的超长冲程智能抽油装置中的控制系统5通过编码器21和行程开关19采集的位移信息通过控制系统5的逻辑分析判断控制电机8正反向旋转，带动减速机构驱动滚筒9正反向输出，缠绕在滚筒9上的钢丝绳3随滚筒9的正反向旋转做上下往复运动，并且能够保证钢丝绳3始终位于井口的中心部位。
滚筒9上连接的输出轴13转动过程中带动螺母15和输出轴13沿丝杠16进行直线移动，电机8、滚筒9和传动机构14均固定在移动底座7上，螺母15在进行直线移动时带动移动底座7沿架体6顶端的滑轨11进行滑动，本发明设计为螺母15每旋转一周移动底座7的行走距离为钢丝绳3直径的1.03倍，滚筒9上缠绕的钢丝绳3牵引井下抽油杆59、抽油泵中的数级串联柱塞62做往复运动，完成采油举升。
编码器21装配在电机8的尾轴上，编码器21的输出连接到控制系统5内的可编程控制器PLC30上，在可编程控制器PLC30里对收到编码器21的脉冲进行方向判断和累计计数，此计数的结果与缠绕在滚筒9上的钢丝绳3的长度成正比，也就是测出了钢丝绳3上下冲程的位移长度，根据相应的逻辑关系控制电机8的正转或反转，实现抽油机上下冲程的换向动作。
控制系统5测量示功图时，从下死点行程开关19接通，远程数据传输单元33开始启动,载荷传感器25开始检测油井上下冲程井下载荷的变化，载荷信号传送至可编程控制器PLC30，可编程控制器PLC30通过有线或无线通信模块发送数据给远程数据传输单元33，编码器21输出信号计算出的钢丝绳3位移量和载荷传感器25测得的井下载荷变化量配对，当一冲次周期结束时，载荷和位移关系曲线即油井示功图就测量完成。
人机界面32与可编程控制器PLC30连接，用于设定工作参数和显示整个抽油机系统运行数据。远程数据传输单元33和可编程控制器PLC 30连接，可通过无线信号传输实现系统的远程操控。
Claims (1)
1.一种超长冲程智能抽油装置，包括有架体、移动底座、电机、传动机构和滚筒，其中移动底座的底部设置有滚轮，架体顶端的承台上设置有滑轨，移动底座通过底部的滚轮被装配在滑轨上，移动底座能够沿滑轨进行移动，传动机构上设有输入轴和输出轴，电机和输入轴连接，滚筒和输出轴连接，电机通过传动机构驱使滚筒进行转动，滚筒上连接的输出轴为空心轴，输出轴内的外端固联有螺母，螺母螺接在丝杠上，丝杠固定在架体顶端承台上的支撑架上，螺母与支撑架之间的丝杠上套设有弹性伸缩套，输出轴转动过程中带动螺母和输出轴沿丝杠进行直线移动，电机、滚筒和传动机构均固定在移动底座上，螺母在进行直线移动时带动移动底座沿架体顶端的滑轨进行滑动，钢丝绳绕设在滚筒上，钢丝绳的下部依次连接有动态密封装置和超长冲程抽油泵，电机与控制系统相连接并由控制系统控制工作，控制系统能够控制电机进行正转和反转从而带动滚筒进行正转和反转，滚筒在正转和反转的过程中带动钢丝绳进行上下往复运动，其特征在于：所述的架体顶端的滑轨两侧分别设置有行程开关，两个行程开关均与控制系统相连接，两个行程开关能够把采集的数据实时传输给控制系统，电机为变频调速电机，电机的尾轴上依次连接有电磁刹车和编码器，电磁刹车和编码器与控制系统相连接，编码器能够把采集的数据实时传输给控制系统，电磁刹车由控制系统控制工作，电机的后端还设置有散热风扇，电机的中心轴与传动机构前端的输入轴之间设置有第一联轴器进行连接，滚筒上的中心轴与传动机构的输出轴之间设置有第二联轴器进行连接，输入轴与输出轴之间的传动机构为一减速机构，该减速机构由数组齿轮组组成，动力从电机被输入到传动机构后，经过里面的数组齿轮组减速以达到设定的转数后被传输到滚筒从而带动滚筒进行正转和反转，滚筒一侧的轴承支座的下方装配有载荷传感器，载荷传感器与控制系统相连接，载荷传感器能够把采集的数据实时传输给控制系统，滚筒的尾端设置有棘轮，对应棘轮处设置有锁紧器，锁紧器能够把棘轮进行卡固从而把滚筒进行锁紧，架体的底端设置有移动轮，移动轮设置在地面的导轨上，移动轮能够带动架体沿导轨进行移动，移动轮连接有驱动机构，驱动机构能够驱使移动轮带动架体进行移动，驱动机构为牵引减速电机或手摇绞盘，控制系统包括有可编程控制器 PLC、变频器、人机界面和远程数据传输单元，其中变频器、人机界面和远程数据传输单元均与可编程控制器 PLC相连接，变频器还与电机相连接，变频器接收可编程控制器 PLC的指令控制电机的工作，可编程控制器 PLC还与行程开关、编码器、载荷传感器和电磁刹车相连接，行程开关、编码器和载荷传感器能够把采集的数据实时传输给可编程控制器 PLC，可编程控制器 PLC控制电磁刹车的工作，可编程控制器 PLC能够把采集的数据通过人机界面进行显示，人机界面用于设定工作参数和显示整个系统运行数据，远程数据传输单元由通讯设备、天线和备用电源组成，远程数据传输单元利用无线数据的传输系统，将载荷数据、位移数据、运行参数和故障报警数据信息发送到用户的手机或计算机终端上，同时用户也能够利用手机或计算机远程控制设备的运行；
控制系统通过编码器和行程开关采集的位移信息通过控制系统的逻辑分析判断控制电机正反向旋转，带动减速机构驱动滚筒正反向输出，缠绕在滚筒上的钢丝绳随滚筒的正反向旋转做上下往复运动，并且能够保证钢丝绳始终位于井口的中心部位；
滚筒上连接的输出轴转动过程中带动螺母和输出轴沿丝杠进行直线移动，电机、滚筒和传动机构均固定在移动底座上，螺母在进行直线移动时带动移动底座沿架体顶端的滑轨进行滑动，螺母每旋转一周移动底座的行走距离为钢丝绳直径的1.03倍，滚筒上缠绕的钢丝绳牵引井下抽油杆、抽油泵中的数级串联柱塞做往复运动，完成采油举升。
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