JP2007517157A - 数値制御式往復動型水中ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

動力設備と石油ポンプとを統合させ、パラメータをオンラインで調節することができる、深い井戸で使用される石油ポンプ、特にＮＣ式往復動型水中石油ポンプは、釣合いふるい分け管、動力設備及び石油ポンプを含み、それらすべてが地中の石油の中に沈められ、動力設備が、シールチャンバを有する固定子と、鉄心を含み、固定子中に設置された回転子とを含み、固定子及び回転子が、支持スリーブ及び回転子コアを介して摩擦対を構成する。固定子の上端が、石油出口管に接続する石油ポンプの下端にリンクし、一方、固定子の下端はふるい分け管にリンクしている。この用途では、地上のロッド及び石油ポンプは使用されず、したがって、固定時間及びコストが減り、同時にエネルギーコストが減る。

Description

本発明は、新規な種の深井戸石油抽出ポンプシステムに関し、特に、パラメータをオンラインで自在に調節するポンプと一体化された動力源を有する数値制御式往復動型水中ポンプ装置に関する。

発明の背景
現在、世界中の石油抽出システムは、ポンプジャッキ、吸器及びポリッシュロッドならびにポンプからなる。ポンプジャッキは、ボアホール中の水中ポンプのための地上動力源である。ロッドは、ヘッドを、地中数千メートルに位置するポンプに接続する。往復動型ポンププランジャが石油を地表まで揚げる。現在のポンプシステムは一連の欠点を抱えている。１）巨大なサイズ及び高いコスト。２）効率の悪さ。動力の大部分が長さ数千メートルのロッドの往復動によって消費される。動力のごく小さな部分しか石油／水混合物を揚げるために使用されない。３）往復動型ロッドを送油管中心線に対して常に平行に保持することが非常に困難であり、しばしば摩擦によるロッドの破損を招く。ポンプシリンダ中の穴が摩擦によって摩耗することさえある。４）過度に長いロッドの強度を増す唯一の方法は、ロッドの区分を増して、ロッドの自重をさらに増すことである。したがって、現在の井戸深さは２４００メートルに制限される。５）現在の石油抽出システム、特に過度に長いロッドは、より大きな投資を要するだけでなく、より多くの作業時間及びコストをも必要とする。さらに、１０００メートルあたり０．６メートルのロッドの伸びが行程を減らし、ポンプ効率に影響する。６）石油／水混合物中の残留物がプランジャ最上部だけに沈積する。これは、プランジャの上昇行程中にポンプを停止させるおそれがある。７）乏しい油田では、ポンププランジャの無負荷作動がプランジャとポンプシリンダとの間の乾き摩擦を招き、エネルギーを浪費し、プランジャ及びポンプシリンダを焼きなましする。８）通常、油井には天然ガスが存在する。プランジャの下降行程は重力によって起こる。圧縮された天然ガスはプランジャがその終端に達することを妨げる。その結果として起こる「ガスロック」が正常な石油抽出作業に影響する。深刻な場合にはガスを抜かなければならない。９）ときには、特に十分な液体がない古い低生産油井では、現在の石油抽出システムは、断続的にしか作動することができない（抽出パラメータを限られた程度でしか調節することができない）。ポンプが停止するならば、再始動は非常に困難であるか、場合によっては不可能である。したがって、すべてのロッド及びポンプを地上に引き出したのち、再び油井中に降ろさなければならない。

発明の概要
本発明の目的は、数値制御式往復動型水中ポンプ装置を提供することである。この装置は、いかなるときでもパラメータをオンラインで自在に調節することができ、ポンプジャッキ及びロッドをなくし、作業時間及びコストを減らし、多額の投資を節約し、上記欠点を回避させ、使用するエネルギーを減らす、動力源とポンプとの組み合わせである。

本発明の目的は、以下の技術によって達成される。釣合い管、動力源及びポンプがすべて油井中の含油層中に配置される。動力源は、気密キャビティを備えた固定子及び固定子の内側の、鉄心を備えた往復動型ヘッドからなる。固定子及び往復動型ヘッドが固定子の支持ガイド及び往復動型ヘッドの鉄心を介して摩擦対を形成している。固定子の上端はふるい分け管を介してポンプの下端に接続されている。ポンプは送油管を有する。固定子の下端は釣合いふるい分け管、エンドプラグ及びエンドカプラに連続的に接続されている。

固定子フレームの内側には、円形の鉄心巻き線群及び巻き線群の間の支持ガイドがある。鉄心及び巻き線は互いに隣どうしに設けられている。円形の巻き線の内面には、エンドカバーに接続されたシールブッシュがある。上述したすべてが固定子フレーム及び鉄心といっしょになって気密キャビティを形成している。固定子鉄心巻き線は、半径方向に巻かれ、軸方向に設けられている。支持ガイドは、シールブッシュよりも小さい内径を有する合金でできている。往復動型ヘッドは、円形の鉄心を周囲に備えた硬い軸及び鉄心の間に等間隔に配置された永久磁石からなる。円形の鉄心の外面は合金でできている。永久磁石は、円形の鉄心よりも小さい外径を有する。固定子の支持ガイド及び往復動型ヘッドの鉄心の外面が固定子支持ガイドの内面の炭化物層及び往復動型ヘッドの鉄心の外面の炭化物層を介して摩擦対を形成している。ポンプシリンダの外側にはポンプハウジングがある。残留物は、ポンプハウジングとポンプシリンダとの間に形成される円形空間に沈積する。プッシュロッドがふるい分け管の中を通過し、往復動型ヘッドの軸の上端と接続している。送油管が地表に通じている。固定子からの巻き線の端子が地上の数値制御ユニットに接続されている。

基本概念
動力源を往復動型ポンププランジャと同調させて往復動させ、動力源でポンププランジャを直接駆動して石油を吸い揚げさせる。これは、ケーブルを介して給電されて、地上の電気モータ、ポンプジャッキ及び地中の機械的伝達装置をなくし、動力消費を大幅に減らす革命的なポンプシステムである。

本発明は一連の利点を有する。
１．本発明は、動力源を往復動型ポンププランジャと同調させて往復動させ、ポンププランジャを直接駆動して石油を吸い揚げさせる。地上の電気モータ、ポンプジャッキ、他の設備及び地中の機械的伝達装置をなくす。これは、ケーブルを介して動力を得る新規な種の石油抽出ポンプ装置である。

２．本発明は、動力源とポンプとをいっしょにして、いかなるときでも作業パラメータをオンラインで自在に調節する。石油／水混合物が不十分である場合でも作動を維持する。パラメータは、いかなるときでも地上の数値制御ユニットで自在に調節することができ、ポンプを調節し、変更する作業の量が減る。

３．本発明は、高出力、小径、耐熱性かつ耐食性の動力源を油井中数千メートルの深さに配置して、ポンプジャッキ及びロッドをなくし、たとえば、地上空間及び大きな投資設備投資、毎日のメンテナンス、破損したロッドを交換する運用コスト、偏心摩擦によって生じる摩耗を節約する。また、設置の時間及びコストを減らす。

４．動力源の固定子は支持ガイドを用いる。往復動型ヘッドは、鉄心を保護する耐摩耗性かつ耐食性の合金面を有する。固定子の支持ガイド及び往復動型ヘッドの合金面が摩擦対を形成し、動力源の寿命を大幅に延ばす。

５．本発明はロッドを使用しない。そのため、ロッドと送油管との間の偏心摩耗、ひいては短い寿命、大きな死荷重及び動力消費がない。動力源はポンププランジャと直結し、それを往復動させて石油を揚げ、負荷移動の間のエネルギー消費を大幅に、同じ量の石油／水混合物を産出する従来法に比べて５０％減らす。

６．本発明は動力源を直接含油層の中に配置する。高い温度、油及び高電圧などに耐える能力を有する。

発明の詳細な説明
釣合いふるい分け管、動力源及びポンプを含む本発明は、地中の油溜めの中に配置される。図１を参照。動力源は、固定子及び固定子中に位置する往復動型ヘッドからなる。固定子フレーム９の上端がカプラ６を介してふるい分け管１１の一端に接続され、ふるい分け管１１の他端がポンプを介して送油管に接続されている。固定子フレーム９の下端がカプラ６を介して釣合いふるい分け管３に接続されている。釣合いふるい分け管３の下端がエンドプラグ２及びエンドカプラ１に接続されている。送油管は地表まで延びる。

詳細に関しては、図１及び２を参照。固定子フレーム９、鉄心巻き線の群及び支持ガイド２５が円形のキャビティを形成している。固定子フレーム９の内側には多数の鉄心巻き線及び巻き線の間の支持ガイド２５（合金製。内面はより小径の炭化物層を有する）がある。鉄心巻き線の群は、鉄心７、巻き線８、エンドカバー１０及びシールブッシュ２６で構成されている。互いに隣どうしに設けられた多数の鉄心７が円形構造を形成している。鉄心７の内側には多数の円形の巻き線８がある。巻き線８は、半径方向に巻かれ、軸方向に設けられている。群の各端にはエンドカバー１０がある。シールブッシュ２６がエンドカバー１０に接続されている。これらが、固定子フレーム９及び円形の鉄心７といっしょになって、絶縁油で満たされた固定子の気密キャビティを形成している。固定子の内側の巻き線８は、ケーブルを介して地上の数値制御ユニットに接続されている。

往復動型ヘッドは、軸１９、鉄心４、永久磁石５及び合金層２７からなる。図１及び３を参照。動力源によって駆動される硬い軸１９は円形の鉄心４によって包囲されている。鉄心の間には永久磁石がある（磁石は、等間隔に配置され、鉄心よりも小さい外径を有する）。円形の鉄心の外面は、耐摩耗性かつ耐食性の合金２７でできている。これらの鉄心及び固定子支持ガイド２５が支持ガイドの内面の炭化物層を介して摩擦対を形成している。円形の鉄心４は、永久磁石５よりも大きな外径を有する。固定子支持ガイド２５は、シールブッシュよりも小さい内径を有する。

ポンプは、従来のポンプに基づいて設計されている。図１及び４を参照。ポンプシリンダ１３の外側にはポンプハウジング１４がある。ポンプハウジング１４は、アダプタ１２及びポジショナ１６を介してポンプシリンダ１３に接続されている。ポンプハウジング１４とポンプシリンダ１３との間には、砂の沈積のための円形の空間１５が形成されている。ポンプハウジング１４の上端は、ねじ式カプラ１７を介して送油管１８に接続されている。ポンプハウジング１４の下端は、アダプタ１２を介してふるい分け管１１に接続されている。ポンプシリンダ１３の内側のプランジャアセンブリ２１は、プランジャプッシュロッド２２の上端に接続されている。ふるい分け管の中を通過するプッシュロッド２２は、プッシュロッドカプラ２３を介して往復動型ヘッド軸１９の上端に接続されている。プランジャアセンブリ２１は、弁座及びボールで構成されている。プランジャアセンブリ２１の上端、すなわちポンプシリンダ１３の上端は、弁座、ボール及び固定弁カバーで構成された固定弁２０に接続されている。

設置は、固定子巻き線を地上の数値制御ユニットに接続することによって実施される。石油／水混合物の所要量にしたがって、パラメータが地上の数値制御ユニットでプログラムされ、電気が相応に供給されて固定子は交流磁場を発生させる。固定子磁場及び往復動型ヘッドの磁場が電磁駆動力を発生させて往復動型ヘッドを上下に動かす。往復動型ヘッドに直結され、それによって駆動されるプランジャが所与の速度及び行程で往復動する。ポンプが石油／水混合物をふるい分け管に通して引き揚げる。往復動型プランジャが石油／水混合物を地表に揚げ続ける。

数値制御ユニットは、３個の基本部品、すなわち動力、点検制御回路及び指示回路を含む。図５を参照。

動力（図５の上寄り部分に位置）は、ＡＣ／ＤＣ回路及びＤＣ／ＡＣ回路で構成されている。第一ないし第六の整流器Ｄ１〜Ｄ６が三相全波整流回路を形成して、５０Hz交流を直流に変換し、出力信号をスイッチ管Ｇ１〜Ｇ６に送出して、変動可能な周波数の交流を発生させる反転回路を形成している。

点検回路及び指示回路は図５の下寄り部分にある。マイクロプロセッサＵ１がそれらの制御中枢であり、まず、駆動回路を介してスイッチ管Ｇ１〜Ｇ６に送出される駆動信号を発して反転回路を形成し、６個のスイッチ管を所与の間隔で開閉させて、指定の周波数の三相交流が出力端で得られることを保証する。第二に、マイクロプロセッサＵ１は、拡張インタフェースＵ２を介してスライドスイッチＪ１に接続されて、スイッチＪ１の位置番号を選択することによって動力源の作業パラメータ、たとえば昇降速度及び行程をオンラインで調節する。マイクロプロセッサＵ１はまた、いかなるときでもすべての条件にコマンド信号を送出する、第一号単安定トリガＵ３及び第二号単安定トリガＵ４でそれぞれ構成された指示回路に接続されている。

本発明は、地上にポンプジャッキを有する従来の石油抽出法に取って代わる。油井中、油溜めの中に配置されると、本発明は、以下の特徴により、石油／水混合物を地上のパイプラインまで直接くみ揚げる。

１．数値制御式往復動型水中ポンプ装置は、その動力源の往復動型ヘッドをポンププランジャと直結させる。ケーブルを介して動力を得る。動力源は、吸い込みのためにポンププランジャを直接往復動させる。減速及び反転ギヤ機構を使用せず、断続的に給電するため、エネルギーを節約する。

２．数値制御式往復動型水中ポンプ装置は、含油層での作動中に熱を発生させて、周囲の石油を加熱及び希釈して抽出を容易にする。

３．数値制御式往復動型水中ポンプ装置は、強力な磁石を使用して、電気を使用することによって交流磁場を発生させ、パラフィンの付着を防止する。

４．含油層での往復動によって発生する数値制御式往復動型水中ポンプ装置の振動が液体をより高速で移動させ、石油／水混合物の供給量を増大させる。

また、本発明は以下の利点を有する。
１．ポンプジャッキをなくし、毎日のメンテナンス及び修理を抑える。
２．より少ない所要空間。
３．石油を抽出しにくい傾斜した油井のための新規技術解決手段。
４．エネルギーを節約する。従来法は、１日２４時間作動する３７kwモータを使用する。同じ量の石油／水混合物を産出する場合、本発明は、作業でのエネルギーを１／３以上節約し、同時に、液体生産を１／３以上増大させる。
５．現在最高の技術水準の制御。自動的オンラインデータ収集、解析、命令及び調節。

本発明の構造である。 本発明の固定子である。 本発明の往復動型ヘッドである。 本発明のポンプである。 数値制御ユニットである。

Claims (8)

1. 釣合いふるい分け管、動力源及びポンプを含む数値制御式往復動型水中ポンプ装置であって、全体が地中の油溜めの中に配置され、動力源が、気密キャビティを備えた固定子及び固定子の内側の、鉄心を備えた往復動型ヘッドからなり、固定子及び往復動型ヘッドが支持ガイド及び往復動型ヘッド鉄心を介して摩擦対を形成し、固定子の上端がふるい分け管を介してポンプの下端に接続され、ポンプが送油管に接続され、固定子の下端が釣合いふるい分け管、エンドプラグ及びエンドカプラに連続的に接続されていることを特徴とする数値制御式往復動型水中ポンプ装置。
2. 固定子フレームの内側に多数の円形の鉄心巻き線群及び巻き線群の間の支持ガイドがあり、鉄心及び円形の巻き線が互いに隣どうしに設けられ、円形の内面にはシールブッシュがあり、シールブッシュがエンドカバーに接続され、これらすべてが気密キャビティを形成している、請求項１記載の数値制御式往復動型水中ポンプ装置。
3. 固定子の半径方向に巻かれた巻き線が軸方向に設けられている、請求項２記載の数値制御式往復動型水中ポンプ装置。
4. 支持ガイドが合金でできており、円形の内面が合金でできており、支持ガイドがシールブッシュよりも小さい内径を有する、請求項２記載の数値制御式往復動型水中ポンプ装置。
5. 往復動型ヘッドの鉄心が、鉄心の間の永久磁石とともに、往復動型ヘッドの硬い軸の周囲にあり、円形の鉄心の外面が合金でできており、それらが、支持ガイドの内面の合金層を介して支持ガイドとで摩擦対を形成している、請求項１記載の数値制御式往復動型水中ポンプ装置。
6. 永久磁石が往復動型ヘッドの鉄心の間に等間隔で設けられ、磁石が円形の鉄心よりも小さい外径を有する、請求項５記載の数値制御式往復動型水中ポンプ装置。
7. ポンプシリンダの外側にポンプハウジングがあり、掘削残土のための円形空間をそれらの間に形成し、プランジャプッシュロッドがふるい分け管を介して往復動型ヘッドの軸の上端に接続されている、請求項１記載の数値制御式往復動型水中ポンプ装置。
8. 送油管が地表に通じ、固定子からの巻き線の端子が地上の数値制御ユニットに接続されている、請求項１記載の数値制御式往復動型水中ポンプ装置。

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