CN2477859Y - 高效、低耗、智能式抽油机 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种高效、低耗、智能式抽油机,属机械采油工艺新领域。其主要特征是固定在底座上的电动机为中段凹两端凸的大直径外转子短磁路开关磁阻异型结构,其两端凸轮沿上固定弹力平衡带一端,弹力平衡带另一端经滑轮导向后固定在平衡调节装置上。电机中凹段变矩滚筒上绕有经导向机构换向的柔性抽油杆。整机运动由数字智能控制装置监控。该机型具有节能、省材、随机调参、方便可靠的优点,是油田管式泵采油理想的换代产品。

Description

高效、低耗、智能式抽油机

本实用新型为一种高效、低耗、智能式新型抽油机。是对管式泵采油工艺的革命性突破，属电磁、弹塑材料应用和机械采油工艺新领域。

随着油田开发年限的延长，油井最终都要转入机械采油方式。据国内外资料统计，在各类油井中，机采井占93％以上，而管式泵采油占机采井的85％以上。目前，管式泵采油多采用四连杆游梁式抽油机或由此演变而来的类似机型。上百年来，机械工程师和采油工程师绞尽脑汁，企图发明更先进的抽油机取代四连杆机构的游梁机，诸如链条机、宽皮带机等数十种不同类型的抽油机，也先后应用于矿场实践，但游梁式抽油机的原理和结构没有实质性突破。结构简单、易损件少、可靠耐用、操作维护方便是游梁机百年经久不衰的根本原因。随着高新技术的发展和采油工艺的需要，对大载荷、长冲程、低冲次机型的要求越来越迫切，能源紧张和投资限制对高能耗、低效率的机型限制越来越苛刻，但受游梁机结构的限制，冲程长度与减速箱扭矩成正比例增加，难以实现高效低耗的要求。在确定的工作制度下，游梁机无法随机改变工作参数、停机调整又费时费力，使工作制度难以与地层供液能力动态协调，导致游梁机系统效率低、冲击负荷大、机杆泵故障多，亟需开发一种优于目前各类机型的全新抽油机取代现有机型。

对于管式泵抽油机机械采油，其关键技术主要有三项：

1.巧妙地用毋须消耗动力的方法解决上下行程载荷不平衡问题；

2.用最方便省力的措施将拖动系统的旋转运动变为抽油杆上下往复直线运动，实现高效、低耗、节能、省材的目的；

3.用现代微电子技术解决抽汲参数的随机调定。

本实用新型的目的是探索一种毋须消耗动力的物体作平衡载体，巧妙地设计一种全新的传动方式代替减速箱、高塔架和四连杆机构，利用微电子技术进行自动化控制，为管式泵采油开发一种突破性的机电一体化采油设备，开创电磁应用、弹塑材料应用和机械采油工艺的新领域。

为实现上述目的，本实用新型从根本上突破了上百年来传统的常规抽油机设计模式，巧妙地设计出一种转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)，用别具一格的一机四用传动方式取代减速箱、高塔架和四连杆机构；利用变矩滚筒和弹力平衡带柔性平衡，突破了载荷不平衡的技术难题；用变频调速和数字遥控技术解决了转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)的调速、换向和抽汲参数的随机遥控，为管式泵采油开创了一种突破性的机电一体化机械采油设备，开创了电磁应用、弹塑材料应用和机械采油工艺的新领域。

高效、低耗、智能式新型抽油机的技术解决方案和工作原理是：转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)(2)、导向轮(9)固定于底座(1)和导向轮支架(10)上，构成一整体橇装结构。弹力平衡带(11)一端固定于平衡调节装置(13)上，另一端固定于变矩滚筒两端大轮沿(4)外侧，通过平衡调节装置(13)调整弹力平衡带(11)予紧度。转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)(2)其转子是一个两端带有大直径轮沿(4)的变矩滚筒(3)，其变矩滚筒(3)上绕有柔性抽油杆(8)。当接通电源后，转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)(2)定子绕组(6)产生旋转磁场，由于定子绕组(6)置于大直径轮沿(4)内侧，其半径远大于变矩滚筒(3)，因此，以较小的电磁扭力正反向拖动按一定规则整齐排布有稀土永磁体或矽钢片凸极(5)的大直径轮沿(4)旋转，两端大直径轮沿(4)随之通过弹力平衡带(11)平衡掉大部分提升载荷，变矩滚筒(3)同时随之拖动柔性抽油杆(8)经导向轮(9)上下大冲程往复直线运动，实现抽油循环。转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)(2)通过数字智能控制装置(14)适时调整转速、换向和抽汲参数，从而实现高效低耗节能的目的。

高效、低耗、智能式新型抽油机高效、低耗、节能的机理是：

高效率机理：

由于高效、低耗、智能式新型抽油机采用转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)(2)和变矩滚筒(3)作驱动系统，可以最大限度地增加冲程长度，减少因冲程损失降低的泵效，与常规游梁机比较，平均可提高泵效5——10％。其数字智能控制装置(14)可随机对转速、加速度、转向、扭矩、冲程、冲次进行全方位适时控制，使地面动力与井下设备运转及供液状况取得最佳动态协调，较常规游梁机提高系统效率10——20％。

低消耗机理：

由于高效、低耗、智能式新型抽油机采用转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)(2)和变矩滚筒(3)作驱动系统，可以最大限度地降低机架高度，取消笨重的减速箱、高塔架和四连杆机构，同机型比较，较常规游梁机节省钢材50——60％。在数字智能控制装置(14)随机适时调控下，整机处于慢速优化状态下运行，杜绝了各种机械转换环节中出现的冲击负荷和不均衡性，改善了设备运转状况，延长整机和各部件运转寿命。搬运、安装、维护省时、省力、省材，属全天候免维护机型。

节能机理：

1.“理想的平衡效应”W_f/2＋Wz抵消掉大部分提升载荷，电动机只需克服W_f/2的不平衡力作功，从而大大减少了电动机的配用功率。

在管式泵采油装置中，其上行程最大载荷等于液柱载荷(W_f)、杆柱载荷(W_r)、动载荷(W_rα)、摩擦力(F_f)之和减去浮力(F_b)，即：

最大载荷＝W_f＋W_r(1＋α)＋F_f－F_b下行程最小载荷等于杆柱载荷(W_r)减去动载荷(W_rα)和浮力(F_b)及摩擦力(F_f)之和，即：

     最小载荷＝W_r(1－α)－(F_b＋F_f)如果没有适当的平衡，则电动机必须在上行程完成全部有效功，而在下行程，由于重力作用，最小载荷拖动电动机滑行，这就必须使用大功率的电动机及减速装置，同时其效率也很差。为了解决上下行程载荷严重不平衡造成的高能耗、高物耗和低效率问题，目前国内外普遍采用配重平衡、液压平衡、气平衡等方式，但这样必须附加制造和维修都很麻烦的液压系统、气压系统或配置笨重的平衡块，且平衡效果也不够理想。

上下行程的平均载荷即“理想的平衡效应”为：理想的平衡效应＝1/2(最大载荷＋最小载荷)

          ＝1/2[W_f＋W_r(1＋α)＋W_r(1－α)－2F_b]

          ＝W_f/2＋Wr－F_b如果将抽油杆在液中的重量用Wz表示，则“理想的平衡效应”公式可简化为：C_I＝W_f/2＋W_z。于是在上冲程，在举升有浮力的抽油杆和液体的综合重量时，电动机会得到这种平衡力的帮助，结果只需要一个相当于液重之半的不平衡力即：(Wz＋W_f)－(Wz＋W_f/2)＝W_f/2。下冲程时，有浮力的抽油杆下行，会受到平衡力的阻抗，结果还剩下一个相当于液重之半的不平衡力由电动机完成，即：(Wz＋+W_f/2)－Wz＝W_f/2，经理论计算，W_f/2只相当于最大载荷的15％，这就大大减少了电动机的提升负荷，从而减少电动机的配用功率。

2.轮轴驱动方式可获得R/r倍的机械利益，进一步减少了电动机的提升载荷。

本实用新型设计的变矩滚筒(3)是一个大尺寸轮轴，其轮半径R和轴半径r之比一般大于2。根据轮轴原理，其机械利益为P/F＝R/r，由于R总是大于r，因此轮沿切向力F总是小于滚筒轴提升载荷P，则电动机实际需要驱动的提升载荷只有F＝Pr/R＝W_fr/2R＝W_f/4。理论计算W_f/4只相当于最大载荷的7％，这又进一步减少了电动机的提升载荷。而设置于变矩滚筒大轮沿(4)的弹力平衡带(11)只需予紧W_f/4＋W_z/2的弹性力即可得到“理想的平衡效应”，大大节省了材料。另外，变矩滚筒(3)是一非等径滚筒，其轨迹是提升静载荷、动载荷、弹力平衡带应力应变关系的函数，通过数字智能控制装置(14)随机对转速、加速度、转向、扭矩、行程进行全方位适时控制，可使滚筒运转速度达到与动、静载、供液状况、换向时间的动态协调，大大提高了系统效率，大幅度降低电能消耗。

3.传动环节简化75％，大大减少了机械损耗，提高净输出功率10％以上。

常规游梁机传动环节由电动机轴→皮带轮→皮带→皮带轮→一级齿轮→二级齿轮→三级齿轮→曲柄→连杆→横梁→游梁→驴头供12个环节，7组轴承摩擦，理论机械效率远低于80％，而高效、低耗、智能式新型抽油机传动环节只有电动机外置式转子→柔性抽油杆→导向轮3个环节，2组轴承摩擦，机械效率高达95％，比常规机净输出功率提高15％。

4.飞轮慣性效应和电动机换向停机节电30％——50％。

由于高效、低耗、智能式新型抽油机采用转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)(2)和变矩滚筒(3)大飞轮驱动，以弹力平衡带(11)作柔性平衡，运动状况得到最佳优化。在接近上死点时，虽然弹力平衡带(11)收缩以不足以克服载荷扭矩，但由于飞轮惯性效应，柔性抽油杆(8)仍要上行一段距离。为了使电动机及时换向，需要提前几秒钟停机，靠飞轮惯性效应使柔性抽油杆(8)到达上死点。而在上死点飞轮惯性效应消失后，弹力平衡带(11)的予紧力最小，载荷拖动弹力平衡带(11)反向转动，电动机可以滞后几秒钟启动。当电动机中途启动直至接近下死点时，又要提前几秒钟停机，柔性抽油杆(8)靠飞轮惯性效应到达下死点，弹力平衡带(11)予紧力最大时电动机接近于空载平稳换向。以冲次为每分钟3次的抽油系统为例，一个完整的冲程循环为20秒，如果接近上死点提前3秒钟停机，下行程开始滞后3秒钟启动，接近下死点提前3秒钟停机，则全行程需停机9秒钟。这样，一天需停机10.8小时，即纯停机节电45％。

本实用新型高效、低耗、智能式新型抽油机与同能力的四连杆游梁式常规机及其派生机比较，在电动机拖动、变矩滚筒、平衡方式、柔性杆抽油、全参数数字智能手控或遥控、整机结构等方面都有革命性突破，在八个方面具有明显优势。

1.加工制造：体积小、重量轻、加工省时省料；

2.安装调试：运输方便、安装简单、调试快捷；

3.技术参数：冲程长、冲次低，随机调参方便；

4.操作维护：操作简单、维护工作最少；

5.平衡方式：设计巧妙、平衡效果好；

6.拖动方式：设计新颖、拖动省力、效率高；

7.控制系统：自动化程度高、方便可靠；

8.节能效果：十分显著。

该机型是总结了百多年管式泵采油经验优化设计的最理想的全天候免维护换代机型。

附图说明：

图1为高效、低耗、智能式新型抽油机原理示意图，其中：1.底座；2.转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)；3.变矩滚筒；4.变矩滚筒大轮沿；5.稀土永磁体(或矽钢片凸极)；6.定子绕组；7.掣动系统；8.柔性抽油杆；9.导向轮；10.导向轮支架；11.弹力平衡带；12.弹力平衡带导向轮；13.平衡调节装置；14.数字智能控制装置。

实施例：本实用新型高效、低耗、智能式新型抽油机的底座(1)用工字钢焊接；转子外置式稀土永磁异型电动机(或开关磁阻直流调速电动机)(2)外置转子大轮沿(4)直径3.0m，变矩滚筒(3)外径由2.0m过渡到1.5m，滚筒一端1.5m直径台阶处，设置手动刹车或电动刹车；定子绕组(6)和转子稀土永磁体(或矽钢片凸极)(5)按低转速电机设计，设计功率10KW；导向轮(9)直径1.2m；底座(1)前端设置弹力平衡带导向轮(12)，后端设置平衡调节装置(13)，弹力平衡带(11)一端固定于平衡调节装置(13)上，另一端固定于变矩滚筒大轮沿(4)外侧；柔性抽油杆(8)用特制直径1吋抗弯曲密封钢丝绳配套。整机外型尺寸(长×宽×高)：5.0×2×3.6(m)，整机质量10T。

Claims (5)

1.一种用于管式泵采油的高效、低耗、智能式抽油机，其整机主要特征为外转子低速大扭矩短磁路开关磁阻调速电动机(或外转子稀土永磁异型电动机)(2)、导向轮(9)固定于底座(1)和导向轮支架(10)上，构成一整体橇装结构；弹力平衡带(11)一端固定于平衡调节装置(13)上，另一端固定于变矩滚筒两端大轮沿(4)外侧，通过平衡调节装置(13)调整弹力平衡带(11)予紧度，变矩滚筒(3)上绕有柔性抽油杆(8)；外转子低速大扭矩短磁路开关磁阻调速电动机(或外转子稀土永磁异型电动机)(2)通过数字智能控制装置(14)适时调整转速、换向和抽汲参数。

2.根据权利要求1所述的高效、低耗、智能式抽油机，其特征是其外转子低速大扭矩短磁路开关磁阻调速电动机(或外转子稀土永磁异型电动机)(2)其转子是一个两端带有大直径轮沿(4)的变矩滚筒(3)，其变矩滚筒(3)上绕有柔性抽油杆(8)，外形为中段凹两端凸的大直径外转子异型结构，电动机(2)转速范围为0-20转/分，扭矩大于16KNm，变矩滚筒(3)直径1.5-2.0m，两端凸轮沿(4)直径小于3.0m。

3.根据权利要求1所述的高效、低耗、智能式抽油机，其特征是其弹力平衡带(11)由天然橡胶加高强度、耐老化的添加剂经优化配比精制而成。两条弹力平衡带(11)一端各固定在外转子低速大扭矩短磁路开关磁阻调速电动机两端凸轮沿(4)上，另一端经弹力平衡带导向轮(12)导向后固定在平衡调节装置(13)上。

4.根据权利要求1所述的高效、低耗、智能式抽油机，其特征是其数字智能控制装置(14)是集微机控制器、变频调速装置、载荷和位置传感器、外转子低速大扭矩短磁路开关磁阻调速电机、掣动系统的协调控制于一体的智能控制器，其面板键主要有启动、停机、点动、掣动、冲程、冲次、上死点锁定、下死点锁定、示功图诊断等功能。可自动和手动遥控随机对转速、加速度、转向、扭矩、冲程、冲次进行全方位适时控制。参数输出具有文字、声音两种输出方式，并具有故障报警功能。

5.根据权利要求1所述的高效、低耗、智能式新型抽油机，其特征是柔性抽油杆(8)的导向机构由可让位的导向轮(9)和低矮式导向轮支架(10)组成。

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