CN209875126U - 一种高效节电的油田用抽油机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效节电的油田用抽油机系统，应用于包含多个抽油机井的采油井区，其包括：多个抽油机、公共直流母线、公共交流母线、直流母线前端柜、多个井口控制柜、AC/DC切换开关以及终端控制中心，本实用新型通过伺服驱动器控制电机的运行姿态来优化光杆运行方式为变速运行技术、复用单井供电电缆技术以及抽油冲次自动调整技术，达到了经济性好、安全可靠性高、节能高效以及智能生产管理等有益技术效果。

Description

一种高效节电的油田用抽油机系统

技术领域

本实用新型涉及油田机井生产领域，具体而言，涉及一种高效节电的油田用抽油机系统。

背景技术

目前，游梁式抽油机是石油开采的主要地面设备，是使用最早、最普遍的抽油机，其工作原理是电动机通过皮带轮和减速箱减速后，由一个曲柄摇杆机构将减速箱输出轴的旋转运动转换为游梁驴头的往复运动，从而带动抽油杆柱作上下往复的直线运动，再通过抽油杆将这这个运动传递给井下的抽油泵的柱塞，使之工作抽油。

游梁式抽油机是石油行业最大的耗能设备之一，据统计，在油田能源消耗中约有三分之二的能耗为电能，而游梁式抽油机消耗的电能约占总电能消耗的40％。据不完全统计，我国抽油机保有量超过60万台，电动机总装机容量3500MW以上，年耗电超过100亿度。目前抽油机运行效率仍比较低，我国平均运行效率仅25.96％，国外平均水平为30.05％，如果能达到国外先进的能效水平，每年就可节电几十亿度，因此，抽油机井节能挖潜空间巨大。

现有的游梁式抽油机的四连杆机构使得驴头的运动规律类似简谐运动，在最高点和最低点加速度很大，驴头带动抽油光杆在上止点和下止点的加速度也很大，造成惯性载荷大，使抽油机承受载荷过大，减速器转矩波动大，加大了齿轮冲击，缩短了减速器和抽油机的使用寿命。在地质情况比较复杂的场合，如油质稠、含沙、结蜡较多的情况下很容易出现断杆、卡井、减速机齿轮损坏、电机烧毁等较严重的故障。另外，在抽油机运行过程中由于四连杆机构使用曲柄平衡，驴头上行提液下行不提液，所以现场不会出现驴头载荷绝对平衡，在运行过程中由于不平衡会出现抽油机在某个时段反拖电动机运转，当电动机的轴转速超过电动机的同步转速时，电动机就会反拖电动机发电。

尽管抽油机技术经过长期发展，研制出了大载荷、长冲程、低冲次节能抽油机，开展了变频调速电动机、电磁调速电机、永磁同步电机等各种节能电机的试验应用，但存在着经济性差、难以大面积推广等问题，始终缺乏一种提高抽油杆有效冲程、减小冲击载荷的高效节能技术。

实用新型内容

本实用新型提供一种高效节电的油田用抽油机系统，用以提高泵效，延长检泵周期。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种高效节电的油田用抽油机系统，应用于包含多个抽油机井的采油井区，其包括：

多个抽油机，抽油机与抽油机井为一一对应设置，每个抽油机均设有一个电动机，电动机用于控制抽油机光杆的运行；

公共直流母线；

公共交流母线；

直流母线前端柜，设置在公共交流母线的前端，其内部设有一整流装置和一漏电流检测单元，整流装置包括一AC-DC整流器，用于将三相交流电整流为6脉波直流电，漏电流检测单元设置在直流母线前端柜的出线端；以及

多个井口控制柜，分别对应其中一个抽油机井，每个井口控制柜均设有交/直流识别电路、直流正/反向识别电路、伺服驱动器、AC/DC切换开关和终端控制中心，交/直流识别电路与公共直流母线和公共交流母线连接，直流正/反向识别电路与交/直流识别电路连接，用于识别供应电力为直流电还是交流电以及识别直流电的方向，伺服驱动器包括控制单元、逆变单元、滤波单元、制动单元和制动电阻，控制单元与逆变单元、终端控制中心以及对应的电动机连接，逆变单元与对应的电动机连接，滤波单元与逆变单元和制动单元连接，制动电阻与制动单元连接，制动单元用于控制公共直流母线的电压，当公共直流母线的电压超过预设电压值时，制动单元将导通连接至制动电阻的通路，通过制动电阻分流的方式抑制公共直流母线的电压上升，伺服驱动器中设有以光杆运行的上止点和下止点为基准的多个位置参数和多个速度参数，于光杆运行过程中，伺服驱动器读取光杆每个冲次运行的基准信号、抽油机的位置环、转矩环以及外部开关量输入数据，以计算出光杆运行的上止点和下止点，当光杆运行至一位置参数对应的位置时，伺服驱动器则按照对应的速度参数控制光杆运行，伺服驱动器通过控制电动机的转速而控制光杆的运行速度，AC/DC切换开关用于将井口控制柜切换为直流供电模式或交流供电模式，终端控制中心具有一人机对话界面并与每一伺服驱动器连接，用于对抽油机中电动机的启动/停止、抽油机冲次、光杆位置、电机转矩、光杆运行速度、抽油机电机的运行电压、电流和功率进行监控及调整。

在本实用新型的一实施例中，高效节电的油田用抽油机系统还包括以下至少一个：峰谷用电储能单元、太阳能发电单元和风力发电单元。

在本实用新型的一实施例中，整流装置为二极管整流电路或IGBT整流电路。

在本实用新型的一实施例中，位置参数和速度参数均为八个，位置参数分别为M1-M9，M1-M9分别对应光杆距离下止点不同的距离，其中光杆于 M5处时位于上止点，八个速度参数分别为速度V1-V4和加速度a1-a4，光杆行程与光杆的速度/加速度的关系如下表：

在本实用新型的一实施例中，终端控制中心中设有标准示功图图库，标准示功图图库包括以下六类示功图：正常示功图、供液不足示功图、固定凡尔漏示功图、游动凡尔漏示功图、双凡尔漏示功图以及特殊类型示功图，其中，特殊类型示功图对应的工况包括抽油杆断脱、活塞脱出工作筒、砂卡、蜡卡、盐卡共五种；供液不足示功图、固定凡尔漏示功图、游动凡尔漏示功图、双凡尔漏示功图四类功图按照工况的不正常程度区分为以下三种：轻微、中度、严重。

每间隔时间T，终端控制中心将抽油机的实际示功图与标准示功图图库中的示功图做一次对比，当实际示功图与标准示功图图库中的一示功图的相似度大于U时，则判断该抽油机的工况为该示功图对应的工况，抽油机的工况与进一步调整策略之间的对应关系如下：

在本实用新型的一实施例中，T为1～10个小时，U大于90％。

在本实用新型的一实施例中，伺服驱动器利用自带的转矩环和位置环绘制抽油机的实际示功图。

本实用新型提供的高效节电的油田用抽油机系统具有以下有益技术效果：

(1)经济性好。具有“三低一高”的特点，即：一次投入低，改造成本低，运行费用低，经济效益高，投资回收期在一年以内。

(2)安全可靠性高。运行稳定，故障率低，具有过载、振动等多种异常预警和智能自动控制功能，避免安全风险，安全警示准确率高。减少了抽油杆运行过程中的冲击载荷，从根本上解决原抽油机运行工作制中长期存在的抽油杆疲劳断脱、偏磨现象。

(3)节能高效。根据每口油井的生产实际，通过对抽油机井工况自动优选冲次，达到冲次与抽油机井供液能力的最佳匹配，实现高效节能运行，对于低产井有显着的节能效果。使用直流母线技术实现抽油机反拖发电能量的复用，进一步提高节能效果。

(4)智能生产管理。利用伺服驱动器自带转矩环和位置环的特性，实现抽油机井生产示功图的实时绘制，并根据与典型示功图的相似度比对，闭环调整抽油机的工作冲次，达到最优采油效率的目的；其次，本实用新型操控性能强，高度智能化并且集成度高，利用终端控制中心能够进行远程数据传输和人机对话，实现可视化人工智能管理。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一个实施例的高效节电油田用抽油机系统的架构示意图；

图2为二极管整流电路的电路示意图；

图3为IGBT整流电路的电路示意图；

图4为光杆行程与光杆的速度/加速度的示意图；

图5为正常示功图示意图；

图6a为供液不足(轻微)示功图；

图6b为供液不足(中度)示功图；

图6c为供液不足(严重)示功图；

图7a为固定凡尔漏(轻微)示功图；

图7b为固定凡尔漏(中度)示功图；

图7c为固定凡尔漏(严重)示功图；

图8a为游动凡尔漏(轻微)示功图；

图8b为游动凡尔漏(中度)示功图；

图8c为游动凡尔漏(严重)示功图；

图9a为双凡尔漏(轻微)示功图；

图9b为双凡尔漏(中度)示功图；

图9c为双凡尔漏(严重)示功图；

图10a为特殊类型示功图(抽油杆断脱)；

图10b为特殊类型示功图(活塞脱出工作筒)；

图10c为特殊类型示功图(砂卡)；

图10d为特殊类型示功图(蜡卡)；

图10e为特殊类型示功图(盐卡)。

附图标记说明：1-抽油机；11-电动机；2-公共直流母线；3-公共交流母线；4-直流母线前端柜；41-整流装置；42-漏电流检测单元；5-井口控制柜；51-交/直流识别电路；52-直流正/反向识别电路；53-伺服驱动器；531-控制单元；532-逆变单元；533-滤波单元；534-制动单元；535-制动电阻；6-AC/DC 切换开关；7-终端控制中心；81-峰谷用电储能单元；82-太阳能发电单元；83- 风力发电单元。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供的高效节电的油田用抽油机系统应用于包含多个抽油机井的采油井区，图1为本实用新型一个实施例的高效节电的油田用抽油机系统的架构示意图，如图1所示，本实用新型提供的高效节电的油田用抽油机系统包括：

多个抽油机1，抽油机1与抽油机井为一一对应设置，每个抽油机1均设有一电动机11，电动机11用于控制抽油机1中光杆的运行，图1中抽油机1仅绘示了两个，实际实施时可以按照需要连接不同个数的抽油机；

公共直流母线2；

公共交流母线3；

直流母线前端柜4，设置在公共交流母线3的前端，其内部设有一整流装置41和一漏电流检测单元42，整流装置41包括一AC-DC整流器(图中未示出)，用于将三相交流电整流为6脉波直流电，漏电流检测单元42设置在直流母线前端柜4的出线端；以及

多个井口控制柜5，分别对应其中一个抽油机井，每个井口控制柜5均设有交/直流识别电路51、直流正/反向识别电路52、伺服驱动器53、AC/DC 切换开关6和终端控制中心7，交/直流识别电路51与公共直流母线2和公共交流母线3连接，直流正/反向识别电路52与交/直流识别电路51连接，用于识别供应电力为直流电还是交流电以及识别直流电的方向，伺服驱动器53包括控制单元531、逆变单元532、滤波单元533、制动单元534和制动电阻535，控制单元531与逆变单元532、终端控制中心7以及对应的电动机11连接，逆变单元532与对应的电动机11连接，滤波单元533与逆变单元532和制动单元534连接，制动电阻535与制动单元534连接，制动单元534用于控制公共直流母线2的电压，当公共直流母线2的电压超过预设电压值时，制动单元534将导通连接至制动电阻535的通路，通过制动电阻535分流的方式抑制公共直流母线2的电压上升，伺服驱动器53中设有以光杆运行的上止点和下止点为基准的多个位置参数和多个速度参数，于光杆运行过程中，伺服驱动器53读取光杆每个冲次运行的基准信号、抽油机的位置环、转矩环以及外部开关量输入数据，以计算出光杆运行的上止点和下止点，当光杆运行至一位置参数对应的位置时，伺服驱动器53则按照对应的速度参数控制光杆的运行，伺服驱动器53通过控制电动机11的转速而控制光杆的运行速度， AC/DC切换开关6，用于将井口控制柜5切换为直流供电模式或交流供电模式，当输入井口控制柜5的电力为交流电时，将直流母线前端柜4整流后的 6脉波直流电输送至井口控制柜5，当输入井口控制柜5的电力为直流电时，井口控制柜5因变速制动产生的倒发电电量经逆变单元532整流后馈送至公共直流母线2，以供其他抽油机井中的抽油机1使用，终端控制中心7，具有一人机对话界面并与每一抽油机伺服驱动器1连接，用于对抽油机的启动/停止、冲次、光杆位置、转矩、光杆运行速度、抽油机1中的电动机电压、电流和功率进行监控及调整。

本实用新型利用交/直流识别电路、直流正/反向识别电路可以快速识别井口控制柜的来电类型，避免了开井操作带来的安全问题。通过复用单井供电电缆实现了交流电力、直流电力使用同一电缆传输，解决了现有技术中公共直流母线供电需要增加DC回路电缆而导致成本增加的问题，同时可以简化系统配置，降低建置成本，消除谐波污染。

为拓展电力来源，如图1所示，高效节电的油田用抽油机系统还包括：峰谷用电储能单元81、太阳能发电单元82和风力发电单元83，峰谷用电储能单元81、太阳能发电单元82和风力发电单元83均连接在公共直流母线上，显然，在其他实施例中，也可以只包括峰谷用电储能单元81、太阳能发电单元82和风力发电单元83中的一个或两个，需根据实际情况而定。使用峰谷用电储能单元81时，可以利用夜晚时峰谷电价时段为电池组充电，白天用电高峰时段放电，以为抽油机提供电力。峰谷用电储能单元81、太阳能发电单元82和/或风力发电单元83可以提供抽油机使用所需的全部电力，也可以仅提供抽油机使用的一部分电力。通过利用峰谷电价的价差，进一步提高经济效益。同时，风能、太阳能均为绿色无污染的能源，进一步提高环保效益。

本实施例中，整流装置41例如可以为二极管整流电路或IGBT整流电路，如图2所示为二极管整流电路的电路示意图，如图3所示为IGBT整流电路的电路示意图。

如图4所示为光杆行程与光杆的速度/加速度的示意图，其中，粗线标识的是光杆(具体为光杆的悬点)的速度变化，细线标识的是光杆(具体为光杆中的悬点)运行的大致轨迹，以说明光杆于不同的行程中的速度和加速度，本实施例中，位置参数和速度参数均为八个，位置参数分别为M1-M9，M1- M9分别对应光杆距离下止点不同的距离，其中光杆于M5处时位于上止点，八个速度参数分别为速度V1-V4和加速度a1-a4，光杆行程与光杆的速度/加速度的关系如下表：

由于光杆为往复运行，因此，图4中，t＝0时刻，光杆正处于下止点位置处并且正在往上运行，其运行速度为V4，当光杆到达M1位置处时，光杆开始以加速度a1运行，并且运行速度越来越大，光杆运行至M2位置时，其速度已经达到V1，从M2开始，光杆开始以速度V1匀速运行至M3位置，从 M3开始，光杆开始以加速度a2运行，并且速度越来越小，当光杆到达M4时，速度减小为V2，此后光杆以速度V2匀速运行至M6，光杆于M5处时位于上止点，光杆在M4～M5之间为向上匀速运行，而在M5～M6之间为向下匀速运行，光杆到达M6后开始加速运行，加速度为a3，直至运行至M7 时，光杆速度达到V3，从M7开始光杆转为以V3匀速运行至M8，从M8 开始，光杆速度逐渐减小，加速度为a4，直至运行至M9时速度减小为V4，从M9开始，光杆转为以V4匀速运行，直至再次返回至M1位置，光杆于 M10处时位于下止点，光杆在M9～M10之间为向下匀速运行，而在M10～M1 之间为向上匀速运行。更进一步而言，于图4中，光杆于M10～M5之间为向上运行，于M5～M10之间为向下运行。

可见，本实用新型中，光杆在一个往复运行过程中为变速运行，在上止点、下止点附近为低速运行，上下行过程中为变速运行，平滑加减速，从而减小对抽油杆的冲击载荷，降低冲程损失，提高泵效，延长抽油杆的使用寿命，并且达到节能降耗的目的。

伺服驱动器控制电动机，并在伺服驱动器位置控制闭环内建立完整的数学模型(该数学模型为：在伺服驱动器内部使用电动机的转子相对定子的角度值和安装在抽油机上的接近开关，测量曲柄旋转一圈电动机动力输出轴旋转的轴角度，将这个数值做基准数值，接近开关动作点为驴头上止点，该数值乘1/2为驴头下止点)，用于实时计算悬点的位置(悬点位置就是驴头位置)。以位置变量为依据，伺服驱动器按照预设程序驱动电动机变速运行。

伺服驱动器依据内部自有的位置闭环产生的数据，综合外部开关量输入的抽油杆每个冲次运行的基准信号(接近开关输出的高低电平开关量信号)，计算出光杆运行的上止点和下止点(计算出每一个冲次电动机动力输出轴旋转的角度，起始点为接近开关给出上止点信号，该数值乘1/2为驴头下止点位置)。

本实施例中，终端控制中心中设有标准示功图图库，标准示功图图库包括以下六类示功图：正常示功图、供液不足示功图、固定凡尔漏示功图、游动凡尔漏示功图、双凡尔漏示功图以及特殊类型示功图，其中，特殊类型示功图对应的工况包括抽油杆断脱、活塞脱出工作筒、砂卡、蜡卡、盐卡五种；而供液不足示功图、固定凡尔漏示功图、游动凡尔漏示功图、双凡尔漏示功图四种示功图按照工况的不正常程度区分为以下三种：轻微、中度、严重，如图5-图10e所示。

每间隔时间T，终端控制中心将抽油机的实际示功图与标准示功图图库中的示功图做一次对比，其中，伺服驱动器利用自带的转矩环和位置环绘示抽油机的实际示功图，当实际示功图与标准示功图图库中的一示功图的相似度大于U时，则判断该抽油机的工况为该示功图对应的工况，抽油机的工况与进一步调整策略之间的对应关系如下：

本实施例中，T为一个小时，U为98％，即每间隔一小时，伺服驱动器将抽油机的实际示功图与标准示功图图库中的示功图做一次对比，并进行后续处理。

可见，本实用新型能够根据实际示功图的变化情况，自动调整抽油冲次，使抽油泵保持合理的沉没度，避免油井供液不足、空抽现象，使抽油机井保持稳定、连续生产。

本实用新型提供的高效节电的油田用抽油机系统具有以下有益技术效果：

(1)经济性好。具有“三低一高”的特点，即：一次投入低，改造成本低，运行费用低，经济效益高，投资回收期在一年以内。

(2)安全可靠性高。运行稳定，故障率低，具有过载、振动等多种异常预警和智能自动控制功能，避免安全风险，安全警示准确率高。减少了抽油杆运行过程中的冲击载荷，从根本上解决原抽油机运行工作制中长期存在的抽油杆疲劳断脱、偏磨现象。

(3)节能高效。根据每口油井的生产实际，通过对抽油机井工况自动优选冲次，达到冲次与抽油机井供液能力的最佳匹配，实现高效节能运行，对于低产井有显着的节能效果。使用直流母线技术实现抽油机反拖发电能量的复用，进一步提高节能效果。

(4)智能生产管理。利用伺服器自带转矩环和位置环的特性，实现抽油机井生产示功图的实时绘制，并根据与典型示功图的相似度比对，闭环调整抽油机的工作冲次，达到最优采油效率的目的；其次，本实用新型操控性能强，高度智能化并且集成度高，利用终端控制中心能够进行远程数据传输和人机对话，实现可视化人工智能管理。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种高效节电的油田用抽油机系统，应用于包含多个抽油机井的采油井区，其特征在于，包括：

多个抽油机，抽油机与抽油机井为一一对应设置，每个抽油机均设有一个电动机；

公共直流母线；

公共交流母线；

直流母线前端柜，设置在公共交流母线的前端，其内部设有一整流装置和一漏电流检测单元，整流装置包括一AC-DC整流器，漏电流检测单元设置在直流母线前端柜的出线端；以及

多个井口控制柜，分别对应其中一个抽油机井，每个井口控制柜均设有交/直流识别电路、直流正/反向识别电路、伺服驱动器、AC/DC切换开关和终端控制中心，交/直流识别电路与公共直流母线和公共交流母线连接，直流正/反向识别电路与交/直流识别电路连接，其中，伺服驱动器包括控制单元、逆变单元、滤波单元、制动单元和制动电阻，控制单元与逆变单元、终端控制中心以及对应的电动机连接，逆变单元与对应的电动机连接，滤波单元与逆变单元和制动单元连接，制动电阻与制动单元连接，伺服驱动器中设有以光杆运行的上止点和下止点为基准的多个位置参数和多个速度参数，AC/DC切换开关用于将井口控制柜切换为直流供电模式或交流供电模式，当输入井口控制柜的电力为交流电时，将直流母线前端柜整流后的6脉波直流电输送至井口控制柜，当输入井口控制柜的电力为直流电时，井口控制柜因变速制动产生的倒发电电量经逆变单元整流后馈送至公共直流母线，以供其他抽油机井中的抽油机使用，终端控制中心具有一人机对话界面并与每一伺服驱动器连接，用于对抽油机中电动机的启动/停止、抽油机冲次、光杆位置、电机转矩、光杆运行速度、抽油机电机的运行电压、电流和功率进行监控及调整。

2.根据权利要求1所述的高效节电的油田用抽油机系统，其特征在于，还包括以下至少一个：峰谷用电储能单元、太阳能发电单元和风力发电单元。

3.根据权利要求1所述的高效节电的油田用抽油机系统，其特征在于，整流装置为二极管整流电路或IGBT整流电路。

4.根据权利要求1所述的高效节电的油田用抽油机系统，其特征在于，伺服驱动器中设有以光杆运行的上止点和下止点为基准的多个位置参数和多个速度参数均为八个，位置参数分别为M1-M9，M1-M9分别对应光杆距离下止点不同的距离，其中光杆于M5处时位于上止点，八个速度参数分别为速度V1-V4和加速度a1-a4。

5.根据权利要求1或4所述的高效节电的油田用抽油机系统，其特征在于，终端控制中心中设有标准示功图图库，标准示功图图库包括以下六类示功图：正常示功图、供液不足示功图、固定凡尔漏示功图、游动凡尔漏示功图、双凡尔漏示功图以及特殊类型示功图，其中供液不足示功图、固定凡尔漏示功图、游动凡尔漏示功图、双凡尔漏示功图这四类功图按照工况的不正常程度区分为以下三种：轻微、中度、严重；而特殊类型示功图对应的工况包括抽油杆断脱、活塞脱出工作筒、砂卡、蜡卡、盐卡共五种，

每间隔时间T，终端控制中心将抽油机的实际示功图与标准示功图图库中的示功图做一次对比，当实际示功图与标准示功图图库中的一示功图的相似度大于U时，则判断该抽油机的工况为该示功图对应的工况，

其中T为设置时间，为1～10个小时，U大于90％。

6.根据权利要求1或4所述的高效节电的油田用抽油机系统，其特征在于，伺服驱动器利用自带的转矩环和位置环绘制抽油机的实际示功图。