單衝程機泵聯控的抽油設備的製作方法

2023-12-09 12:31:41

專利名稱：單衝程機泵聯控的抽油設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及油田開發的一種抽油設備，尤其涉及一種可節能、提高系統效 率、降低原油生產成本的單衝程機泵聯控的抽油設備。
技術背景我國有油井十幾萬口，百分之九十五以上是有杆抽油井。抽油設備則以遊 梁式抽油機和上下往復柱塞式抽油泵為主體。泵的泵筒接在油管下端，柱塞接 到油杆下端，抽油機通過油杆帶動井下泵的柱塞往復運動。上行時泵筒下部固 定閥打開油被抽吸到泵筒內，下行時固定閥關閉，柱塞下端的遊動閥打開，油 進入油管，如此往復循環不斷，油被提升到地面。這種抽油方式已延續一百多 年，不單中國，全世界目前也是如此，它突出的特徵是在環境惡劣的條件下有 很高的可靠性，但也有很多致命性的問題。這些問題概括起來的集中表現就是系統效率低下，我國大約在23%左右，與世界水平比可能是最低的。這和我們的 科學發展觀、節約環保型社會的發展目標不相適應。系統效率低的主要原因一 是泵效低，全國平均30%左右；二是抽油機的傳動效率低而且二者之間沒有有效 的聯繫和控制。1、抽油泵的主要問題① 氣影響嚴重。油氣同時存在而且氣量遠大於油量，固定闊打開進油時氣 很快進入而油只是氣的攜帶物進入很少。雖有防氣的氣錨設備但它只能裝在泵 的下方，在泵向上抽油時造成負壓又形成油氣分離，效果不好，很少使用。② 泵的上部缺少一個進油閥。柱塞到上死點時已失去再抽吸的能力，不滿 的空間被氣佔據，泵內外壓力平衡，上部如再有一個常開閥，油靠重力灌入， 氣能排出，只要給泵一個時間就有充滿的機會，這是徹底解決泵效問題的關鍵。③ 固定閥結構不合理，功能不全。閥球上下垂直運動，因閥球自重，給進 油造成很大阻力，而且撞擊損壞嚴重壽命短。停抽時沒有開起功能，不能使油 套管連通，給油井作業造成困難。2、抽油機的主要問題① 傳動過程太長，效率低。從電機到油杆要經過很多傳動過程，包括電機在內，地面系統效率經測算只有65%左右。② 裝機容量過大。由於抽油機曲柄連杆機構和油井垂直提升載荷特性及平 衡重的使用造成很大的自重，運轉慣量過大，啟動停止困難，為保證特殊情況 時能正常啟動，裝機容量必須加大，使其長期處於大馬拉小車的狀態。③ 運轉速度過大，衝次頻繁，造成嚴重磨損。從光杆到抽油泵柱塞，油杆 長度少則500米，多則3000米以上，而抽油機衝次數最少6次/分鐘，多則15 次/分鐘，每天8000多次，年300萬次以上，造成油泵、油杆、油管和抽油機 損壞十分嚴重，付出巨大維護代價。④ 油井生產動態在抽油機上沒有監測和顯示。由於四連杆機構形成的往復 運動是全程的變速運動，加上衝次頻繁，井下油杆油管的彈性變型加大，造成 載荷，電流頻繁而又無規則的變動，再好的監測設備也無法測出近似準確結果， 隨時掌握油井生產狀態很困難。⑤ 最根本的問題是抽油機和抽油泵不能直接聯控。現有技術的機泵也能聯 控，就是泵效低時可減小工作參數，如泵徑、衝程和衝數，使沉沒度增加從而 使泵效提高。但是這樣會造成油井對地層回壓增大，採油壓差減小，產能下降， 縱使微量下降的經濟損失也十分驚人，是節約多少電能也補不上的，所以產量 第一，泵效第二是其必然。要想在低沉沒度的情況下保證油井高產必須單衝程 機泵聯控，泵不滿抽油機不動，等待泵滿了抽油機再動，現有技術根本辦不到。針對以上問題幾十年來各界人士做了大量的工作，取得了很多成果，就抽 油泵的專利便有幾百項，抽油機的專利有兩千多項，遺憾的是系統效率沒有明 顯的改進，原因到底是什麼？發明人認為，從宏觀上說，沒有從全系統綜合統 一解決問題，從微觀上看沒有從最小過程單元去解決問題。也就是說計算機是 從l、 0開始，物質是從1個分子結構開始，抽油機系統也應從一個衝程開始解 決，衝程是抽油系統工作運行的最小單元。現有技術中的一個衝程由始到終存 在如下主要問題① 油在進泵前沒有進行有效的油氣分離措施。② 油進泵靠由下向上吸入，有利氣而不利油進入，應該由上向下灌入，這樣有利油而不利氣進入。③ 固定閥進油阻力大，影響進油量且功能不全。④ 泵上部缺一個進油閥，柱塞到上死點時泵不滿，沒有二次進油的條件。⑤ 即使有二次進油的條件，抽油機因慣性能過大，不能隨時停止運轉。⑥ 泵的充滿狀態沒有可靠的監測，抽油機無法進行程序控制。 解決以上問題，抽油系統的問題就會得到根本的改善。發明內容本發明是把現有技術存在的問題綜合起來統一考慮，改變機泵結構，實現 單衝程運行全過程最優化，為節能、提高系統效率和降低生產成本提供一種單 衝程機泵聯控的抽油設備。本發明的技術解決方案是抽油機採用滾珠絲槓傳動方式，很長的滾珠絲 槓上安裝滾珠螺母，絲槓從空心軸電機穿過，上下兩端固定在機架上，電機和 滾珠螺母聯接並用機架頂端的導繩輪上的鋼繩、懸繩器、油杆和井下抽油泵的 柱塞連接。電機帶動滾珠螺母在絲槓上旋轉產生位移，正轉上行、反轉下行， 帶動柱塞上下往復運行。抽油泵上部再設一個上進油閥，柱塞到上死點時閥打 開，靠重力分離油向下進入泵內，而泵內氣體則從上進油閥排出。這時抽油機 停機給泵一個充滿的時間，停機時間長短由油井產能設定，產能高的停機時間 短，反之停機時間長。停機時間到，柱塞下行通過上進油閥後，常開的上進油 閥在管內液柱的壓力作用下使閥球外移到闊座而關閉。機泵的正反停全過程按 運行要求在變頻器操作面板上設定並可根據工作實際情況修改設定值。形成一 個簡單、高效、節能、可靠的機電泵一體化單衝程機泵聯控的抽油設備。所述的一種單衝程機泵聯控的抽油設備，其特徵在於所述升降車沿著有刻 度的軌道運行，軌道上帶有標尺，升降車上裝有指重表和電流表，用於觀測柱 塞的運行位置、載荷與電流值。所述的-種單衝程機泵聯控的抽油設備，其特徵在於所述的上泵筒和下泵 筒外面分別套裝有比上進油閥和固定閥位置更高的上氣錨和下氣錨。所述的一種單衝程機泵聯控的抽油設備，其特徵在於所述的固定閥包括有 閥體、閥罩、閥座和閥球，所述的閥罩上有遊動閥頂管、楔形體，楔形體中裝 彈簧和彈簧頂杆，楔形體及其彈簧件通常均偏置於閥體右側，進油閥球被衝向左側渦流區而重心仍在閥座的座孔內。所述的一種單衝程機泵聯控的抽油設備，其特徵在於所述的上進油閥由位 於上下泵筒間的接管、固定閥座及閥球所組成，閥球置於閥座孔與上下泵筒接管上的窗口之間，所述閥座孔與窗口螺紋連接，其中心線小a與4)b有偏心距， 使閥球依其自重保持與閥座孔常開。所述的單衝程機泵聯控的抽油設備的採油方法，其特徵在於包括下述工藝步驟(1) 定時停機，此時控制系統的時間繼電器在運行，上進油閥開著向泵內 進油，固定閥關閉停止進油，而下氣錨開始工作進行油氣分離和儲油；同時， 柱塞與上泵筒配合間隙在漏油，其漏失量取決於閥的靈敏度，應視每口井的實 測數據確定最短停機時間；(2) 上閥封閉，柱塞下行到上進油閥時，上閥停止進油，上進油閥關閉後 上氣錨進行油氣分離和儲油；(3) 產油監測，當柱塞下行到遊動閥接觸泵內液面時，遊動閥打開，油井 液柱載荷消失，電機平衡重載荷變大，地面指重表下降，電流表上升，結合該 點的行程位置可知油井產油狀態，遊動閥打開過程的長短取決於泵的充滿程度， 泵的充滿程度可由示功圖降載線顯示，充滿程度好，示功圖的降載線接近於垂 線，否則為不規則的弧線，反映了降載中的氣影響，它幹擾了充滿程度的判定；(4) 柱塞出油，遊動閥打開後油進入油管，泵無漏失量柱塞可慢速運行或 任意停機，以待油井供油，氣錨進行油氣分離和儲油，當氣錨內有足夠的油量 時，進入下步程序；(5) 下死點換向， 一段速下行時間到達設定值時，變頻器給出反轉換向指 令，電機按給定時間減速，逐漸接近換向儲能器，儲能器把運轉的慣性能儲存， 然後釋放利用滾珠絲槓反推電機反轉升速，變頻器適時給出檢速起動頻率，電 機按時起動；(6) —次進油，柱塞開始上行，遊動閥關閉，固定閥打開，下氣錨的油從 固定閥壓入泵內，當泵內液柱高於下氣錨時，泵由灌入狀態變為抽吸狀態，泵 內很難充滿，相差多少與油井狀態有關-,(7) 二次進油，當一次進油由灌入到抽吸狀態，表明泵內壓力低於油井壓力，當柱塞運行到上進油閥以上時，上氣錨的液柱壓力大於泵內壓力，油自然 通過常開的上進油閥再次進泵，由於上氣錨中儲油量遠大於泵不滿部分，油靠 重力分離作用進入泵內，而氣體被排出；(8)上死點換向，當柱塞下端上行通過上進油閥，二段速時間到，變頻器 發出換向指令，電機減速並壓縮下換向儲能器，電機轉速等於零時變頻器進入 了三段速，按設定時間零頻運轉，電機直流制動，直流制動時間就是保證二次 進油時間，時間到後電機正轉啟動，柱塞下行，進入下一衝程。 本發明的有益效果是1、 抽油機結構簡單、傳動過程短、造價低、效率高；轉動慣量小，可以頻 繁啟動停止。2、 抽油泵上部設上進油閥，外設高位氣錨，泵效可以控制。3、 固定閥以上有遊動閥以及固定閥上帶有起開器及閥球偏置結構，提高了 泵效。必要時可使油套連通，不起動油管而對油井採取各種措施，可使油井增 產和保證環保、延長固定閥使用壽命。4、 抽油機和抽油泵聯合控制運轉，大幅度提高了系統效率，不但節省成倍 以上的能源，而且可節省成倍以上的維護費用，有效的降低原油生產成本。5、 裝有行程標尺、指重表、電流表，隨時可直觀的掌握油井生產狀態，即 時發現問題，保障油井高產穩產。同時可通訊聯網，實現分散控制集中管理， 可處理油井管理的全部資料信息。6、 由地面計量變為井下計量，省去大量的油田建設費用。總之，單衝程機泵聯控的抽油設備將使抽油系統技術全面更新，社會和經 濟效益巨大。


本發明有附圖8幅，其中圖1是本發明抽油機結構主視圖；圖2是本發明抽油機結構左視圖；圖3是本發明抽油泵柱塞上死點時工作原理圖；圖4是本發明抽油泵柱塞下死點時工作原理圖；圖5是本發明上進油閥結構縱向剖面圖；圖6是本發明固定閥結構剖面圖；圖7是本發明變頻器控制基本線路圖；圖8是本發明的採油工藝流程圖。在圖中1、變頻器，2、升降車，3、指重表，4、電流表，5、標尺，6、導繩輪，7、鋼絲繩，8、機架，9、懸繩器，10、滾珠絲槓，11、滾珠螺母，12、 聯軸器，13、平衡重，14、空芯軸電機，15、失電控制器，16、排線電纜，17、 換向儲能器，18、油杆，19、油管，20、上氣錨，21、上泵筒，22、柱塞，23、 遊動閥，24、上進油閥，25、間隔接頭，26、下泵筒，27、下氣錨，28、固定 閥，29、遊動閥頂管，30、楔形體，31、彈簧，32、線罩，33、閥體，34、彈 簧頂杆，35、閥球，36、閥座，38、接管，39、固定閥座，40、閥球。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步說明。如圖1、圖2所示的一種單衝程機泵聯控抽油設備。包括地面驅動設備抽油 機、有和外線電網連接的變頻器1，電流通過排線電纜16接到空芯軸電機14上， 其空芯軸內裝有滾珠絲槓10，空芯軸上端通過聯軸器12和裝在滾珠絲槓10上 的滾珠螺母ll聯接，空芯軸下端裝有失電控制器15，滾珠絲槓10上下兩端裝 有換向儲能器17並固定在機架8上。空芯電機14機座固定在升降車2上，車 上裝有平衡重13、指重表3和電流表4，當電機趨動滾珠螺母ll在滾珠絲槓上 旋轉就產生位移，帶動升降車2沿著軌道標尺5正轉上行反轉下行，通過連接 在電機上的鋼絲繩7固定在機架頂端的導繩輪6、懸繩器9和油杆18帶動柱塞 22上下往復運動。同現有技術相比，滾珠絲槓傳動抽油機結構簡單，換向功能由電控承擔。 採用驅動滾珠螺母的方式使運轉慣力很小，可以做到隨時起停，與抽油泵的下 行、上行、停止的正反停工作程序完全吻合，是實現單衝程機泵聯控所必須的。 其特點是體積小、重量輕、載荷大、衝程長，可以通過大泵徑、高泵效，大衝 程達到使衝次數最少的目標，可以使衝次數降低10倍以上。為了換向更平穩上 下死點使用換向儲能器，利用滾珠絲槓的可逆性使停止慣性力轉為反向助推力， 配合變頻器的減速、加速控制功能，使換向平穩、節能、安全。衝次數的大幅 度降低也為抽油機自身的可靠性和延長使用壽命提供了保障。還有重心調整，支架移位、防塵潤滑等功能。如圖3、圖4所示，所述的井下抽油泵，有在油管19下端連接的上泵筒21 和下泵筒26，其間裝有上進油閥24，下端裝有固定閥28，在上下泵筒外分別套 裝有上氣錨20和下氣錨27，中間間隔接頭25連接，在泵筒中裝有柱塞22， 其上端和油杆18連接，下端裝有遊動闊23。抽油泵是本發明單衝程機泵聯控技 術的重心。同現有技術相比，在抽油泵結構上作了三個原理性的改變。① 氣錨不再是可用可不用的單獨井下工具，而是抽油泵結構不可少的主要 部件。它對進泵前的油進行油氣分離和儲存，而且位置由在進油閥以下改為在 進油閥以上，上下進油閥分設兩個氣錨。使進油方式由抽吸變為灌入，為高泵 效創造了條件。同時，保障了泵筒的強度。現有技術泵筒接在油管和尾管(泵 以下管柱)中間，泵筒強度遠小於油管強度，所以成為應力集中點，泵處在不 正常狀態下工作。② 改進固定閥28的結構。固定閥28的結構如圖6所示，圖中去掉件29、 30、 31、 34後是現有技術的基本結構。這種結構閥球35上下運動，因其自重、 泵內必須有一定負壓時才能打開，打開後泵腔內外壓力很快平衡又落下。柱塞 運動速度是從下死點的零加速到行程中間的最大，再從最大到上死點的零，這 種變速運動造成泵一個衝程過程中閥球變速頻繁的在閥罩32和閥座36之間撞 擊，加上閥球處在高速液流衝刷之中，使其表面疲勞磨損嚴重而過早失效。因 固定閥失效而作業的井次在總井次中佔一半以上。對這一問題過去是改善材質 增加硬度，但太硬加工製造困難。本發明在原基礎上安裝了遊動閥頂管29、楔 形體30、彈簧31和彈簧頂杆34，遊動閥頂管29平時是流道，在閥罩32上右 側還有兩個流道孔，這樣流道集中在右側，進油時，閥體33內左側形成渦流區， 閥球被液流衝擊到這一渦流死區內，使其在高度上沒有大的空間，避免了上下 撞擊和液流的衝刷，而柱塞到上死點時，進油停止，閥球35的重心應在閥座孔 內靠重力下落關閉，減輕磨損延長壽命。另外，正常生產時，柱塞到下死點時 為防止和固定閥的撞擊而損壞，和固定閥還有一定距離叫防衝距，而非正常生 產時作業要鬆開卡在懸繩器上的油杆卡子，柱塞就座到固定閥上，因很大的重 力遊動閥頂管29伸入流動閥閥座孔將遊動閥球頂起使其離開閥座而失效，柱塞 下端又把楔形體30壓下使其楔入閥球35和閥體33之間，使閥球35移位離開閥座36而失效，這樣遊動閥和固定閥全失效，油管和套管連通，油管內的油流 回井內，減少損失和地面汙染，油套連通可以不起油管、油杆對油層進行多種 措施，而且開抽即時，意義重大，措施完成重對防衝距，遊動閥球自然回位而楔形體30在彈簧31的作用下回位，固定閥也回位，可以正常投產。③增設上進油閥24。結構如圖5所示，在上下泵筒接頭38的側面設有軸線 為小a的外螺紋，內有向上偏心的內孔，其偏心距可使閥球40軸線4)b略低於 4>a，低多了閥球關閉困難，如果高於小a閥球關不上。內孔和泵筒之間有寬度 小於閥球直徑的巨型窗孔，為油的流道和阻擋閥球進入泵筒。外螺紋連接固定 閥座39，當柱塞在上死點時，油管內液柱被柱塞和上泵筒封閉，下泵筒和油井 之間為負壓或壓力平衡狀態，閥球因自重離開垂直安裝的和螺紋同軸線的座孔 而常開，又因上氣錨位置在閥座孔之上，油氣靠重力分離，油進入而氣排出。 根據實際情況上進油閥可設一個或多個，也可以設專用排氣閥，但儘量少設以 減少故障率。當柱塞下行到和上下泵筒接頭重合時，柱塞同時與上下泵筒都有 密封作用，此時上進油閥閒置。當柱塞向下通過上進油閥時，油管內的壓力油 向外衝動閥球，使其進入閥座39的座孔而關閉。上進油閥的設置意義重大，它使只要給泵時間這個條件，就能得到泵能充 滿這個現實。尤其在低沉沒度情況下，也就是在油井高產的情況下的高泵效也 會變成現實，是大幅度提高系統效率的關鍵。試圖在泵的上部增設進油閥的努 力由來已久，但因幾個關鍵技術問題很難解決， 一是直徑限制，很小的油井內 徑中有抽油泵，環形空間位置很小， 一般閥裝不上。二是一般自開閥都是靠壓 力或壓差打開，在壓力平衡的情況下常開的閥很難。三是沒有上位氣錨和按時 停抽的抽油機配合，即使有常開的閥也沒太大的作用。圖7是本發明實施例3的變頻器CVF-G2基本運行配線圖。R. S. T-三相電源輸入接點U.V.W-三相電源輸出接點 M-電機 E-接地XI、 X2、 X3、 X4、 X5、 CM、 X6-可編程輸入接點 X7、 CM-脈衝輸入接點FWD-正轉執令REV-反轉執令RST-故障復位Ta、 Tb、 Tc-故障報警輸出P-直流電抗器PB-制動電阻P—制動單元AM-頻率計A0-電壓電流表A、 B-標準RS485通訊口接點+24Z-失電制動器接點。控制要求抽油機升降車2停在下端儲能器17上為起點(這時泵柱塞為上 死點)，正轉上行到接觸上儲能器時電機反轉下行回到起點時制動停止。停止時 間到時，電機正轉起動上行，循環運行。要求正反轉速度和時間可調，停止時 間可調及安全保護。控制模式變頻器功能齊全，本發明是典型的正反停電路，即使是通用變 頻器功能也只能用一小部分，但是如何使其控制運行最平穩、可靠性最高、操 作最方便是需要認真研究的。常用的三線制，多段速外部控制，可編程多段速 等多種控制方式都不是太理想。本發明開發了可編程多段速鍵盤控制模式。① 時段劃分 一段速從起動加速上行到運行減速開始止，二段速從一段減速開始經換向下行到減速開始止，三段速從二段開始減速到停機時間到為止。② 變頻器必須設置的運行參數[b-0]=2 高級參數運行模式[b-1]=1 頻率輸入通道為面板數字設定[b-3]=0 運行命令通道為鍵盤控制，FWD起動命令輸入，STOP健停止命 令輸入[b-17]=l REV/JOG鍵為點動命令輸入[L-18]=50 —段速頻率設定[L-19]=50 二段速頻率設定[L-20]二0三段速頻率設定為0代替停機，此時輸出電壓也為0，但時間不為o。[H-14]=6 連續循環停機模式[H-15]=T1 —段速運行時間秒用時間控制實現行程控制[H-16]二0 —段速運行方向為正轉[H-17]=2—段速加減速時間預設為2秒[H-18]=T2 二段速運行時間 用時間控制實現行程控制[H-19] =1二段速運行方向為反轉[H-20]=2二段速加減速時間預設為2秒[H-21]二T3三段速運行時間。由於頻率為0不存在運轉方向和加減速問題， 只是用它確定停機直流制動時間餘下的4-7段速運轉時間都為0等於取消。其它參數根據實際情況設置，必須設置中的tl和t2，可先預設為2。再根 據實際情況修改。Tl、 T2由於行程相等，如果頻率和載荷也相等可看作T1二T2， 用下式運算T=3000L/hsHz+t式中T-行程運轉時間秒L-上下儲能器間距mmh-電機銘牌轉速轉/分鐘s-滾珠絲槓導程mmHz-該段速設定的頻率t-該段速加減速時間 秒 根據上式算得的時間略少於實際需要時間，根據運行修定時間或者修定頻 率，對於一臺設備來說儲能器間距L，電機轉速h、絲槓導程s、加減速時間t 都是確定的常數，運轉時間只與設定頻率的反比有關。本發明的控制模式特點在於抽油機的上行和下行也就是1段速、2段速是用 時間控制來達到行程控制的目的，停機時間控制是用3段速的零頻運轉時間實 現，這樣全部取消了信號的輸出輸入和外部控制的電子元件，各項參數設定好 後按使用要求逐一覆審無誤後可以按下FWD鍵啟動運轉，認真觀査運轉過程中的問題，然後按STOP鍵停止，進行參數修定後再運轉，可反覆多次直到滿意為 止。變頻器及其控制程序的利用開發使單衝程機泵聯控的抽油設備非常圓滿的 取得成功，突出特點是1、 控制線路最少。只有電源的輸入和輸出，特別是沒有任何信號輸入、輸 出和外部控制電子元件，徹底免除信號幹擾，故障率最低且處理簡單快捷。2、 電控費用低，可以使用通用變頻器和通用高效電機，省去很多接觸器， 起動器行程開關和安全保護等設備。3、 運行安全可靠過載、過流、過壓、欠壓、超溫等各種保護齊全。4、 很高的可靠性，實現全部無觸點運行壽命長省去繁鎖的接線，故障率低， 故障恢復快。5、 操作簡單。比使用手機還簡單，它只需要修改數字不需要輸入。 工作過程-設備全部安裝好後首先進行試運行，檢查抽油機運行控制是否正常，有問題在變頻器面板上修改設定值，直到達到控制要求為止並使升降車2座在下儲 能器17上，這時電機14直流制動，此處為運轉起始點，就是圖3柱塞22的上 死點。1段速從變頻器1給電機14啟動電流，電機直流制動停止，按設定加速時 間加速到設定頻率運轉，抽油機升降車2開始上行而井下柱塞22開始下行，這 時上進油閥因柱塞22和上泵筒21下泵筒26之間的密封而失效，油即不能進入 也不能外出。當柱塞22向下運行串過上進油閥24時，管內液柱壓力使閥球向 外關閉，柱塞下行到某一位置時，假如行程標尺從上向下為6M，柱塞下行到1. 2M 位置時，指重表突然下降，電流表同時突然上升，表明泵有1. 2M沒充滿餘下4. 8M 已充滿，泵充滿程度為80%。根據是油井載荷為作用在柱塞截面上的液柱重量 和在油管液體中的油杆重量之和，它顯示在指重表上，而升降車2上的平衡重 13應該是全部杆柱重量加上液柱重量的一半，餘下的液柱重量一半為電機上下 行程的載荷，上下載荷是否均等表現在電流表在上下行程時顯示電流是否相等， 電流超差應加減平衡重，當柱塞下行在沒有接觸泵內液面之前油井載荷為液柱 和杆柱重量總和，而平衡重則是杆柱加液柱的一半，油井載荷大於平衡載荷，這時是油井載荷拉動電機轉，電機處在再生能源制動狀態，所以電流很小，而 指重表是顯示最大載荷，當柱塞下行到接觸液面時，泵腔內升壓和油管內壓力 平衡，使遊動閥打開，這時液柱重量從柱塞上轉移到固定閥上，指重表失去液 柱重而只顯示杆柱重所以突然下降，而平衡重則多了液柱重的一半載荷，電機 由負載荷突然變為很大的正載荷，所以電流突然上升。所以行程在某一點時指 重表突然下降，電流表同時突然上升是確定泵充滿程度唯可靠標誌。不是同 時發生的上升或下降則是其他原因。操作人員通過對表的觀察可以準確的判定 油井生產是否正常或存在什麼問題。現有技術也有利用此原理對泵的充滿程度進行判定，求得對油井產量的計 量，但因現有技術的抽油機和抽油泵結構、工作制度、運轉方式等各種原因導 致使載荷和電流波動頻繁而原因複雜，得出的結果誤差過大而失去意義。2段速，l段速運行時間到，這時升降車2已接近上儲能器17，正轉減速經 過設定死區時間也是壓縮上儲能器17又反推使電機反轉，變頻器檢速輸出反向電源，電機升速到運轉速度柱塞22從下死點開始上行，遊動閥關閉而固定閥打 開，指重表電流表指示值都最大，下氣錨27內的油由固定闊28灌入，2段速運 行時間到電機減速停止並直流制動，升降車2回到原來的起始位置，柱塞22已 到上死點。3段速，從二段速減速到三段速時間到是等待上進油閥24進油時間，上進 油閥24開始進油，油從上氣錨20灌入泵沒充滿部分，泵內氣也要從上進油閥 排出，時間到時由於以下各段時間設為O，所以變頻器又回到段速1開始繼續循 環運轉。在生產中，井的深度不等，深度基本相等的油井產量差別很大，根據井深 和產油量確定抽油機載荷等級，在滿足油井條件的情況下確定電機容量和極數， 使其在4、 6、 8極範圍內，在實際運行中，根據油井產能、衝程、泵徑充滿程 度(可在85%以上)確定日衝次數，再得出每個衝程佔用時間，每個衝程佔用時 間減去運行時間就是每個衝程停機時間。運轉時間越短，在行程一定條件下運 行速度越快，電機容量越大，是個不利因素。運轉時間越短而停止的時間就越 長，從等待時間長有利泵充滿看是有利因素，但是要特別注意泵是有漏失量的， 停機時間越長泵從間隙中漏下的油量越多，儘管有防止措施上泵筒比下泵筒的配合間隙小但沒有漏失量是不可能的。因此運轉時間應儘量延長，減小電機容 量，停機時間應儘量減短減少漏失量。延長運轉時間一是根據油井產能確定合 理的電機容量，二是柱塞下行時沒有漏失量，在一定範圍內減速運行，也能保 證進油時間，等待進油時間，說穿了是等待油井供油時間，這完全可以用氣錨 來等待，氣錨的容量遠大於泵的容量，氣錨中的油通過進油閥進泵的時間很短。 這樣不但減少泵漏失量而且縮短停機直流制動的時間。
單衝程機泵聯控的工藝流程如圖8所示，主要分為8個工藝過程，雖然時 間上有順序，但它們的全部工作是連續進行的，現就每個工藝做進一步的說明
1、定時停機這一時間，控制系統時間繼電器在運行，上進油閥開著向泵 內進油，固定閥關閉停止進油而下氣錨開始工作進行油氣分離和儲油。這時的 柱塞以上油管內的液柱壓力和柱塞以下井內沉沒度的壓力壓差最大，柱塞和上 泵筒配合間隙在漏油，儘管漏量微小，但能量損失很大。因為油管內的油和地 面油罐的油是聯通的，位能很大。因之，井越深漏失量越大，能量損失也越大， 所以要儘量減少上死點"定時停機"時間。但是停機時間長短是由油井產能決 定的，產能高的停機時間短，產能低的停機時間長，而且我國絕大多數是低產 井，單衝程機泵聯控主要也是為低產井設計的。解決的辦法 一是充分利用氣 錨的儲油功能，儘量加大固定閥進油量，儘量減小不滿的容積。上進油閥二次 灌滿的時間將是很短的，估算5-15秒的時間。油井狀態不同，井溫、油粘度、 油氣比、含水的差異都有影響，要根據每口井的實測數據確定最佳停機時間。 二是柱塞下行進油後，柱塞上下壓力平衡，沒有漏失量，把多餘的停機時間全 部放在這一過程，是最佳選擇。這一段速頻率調低，減速運行，低速後動載小、 磨損小、彈性變型小、能耗小，影響監測的因素少，對監測準確有利。如果不 能過慢亦可自由停機。如果平衡重在正常範圍內，柱塞自己不會自動上行也不 會自動下行，抽油機不需要制動。只有柱塞上下壓力平衡，也就是在遊動閥打 開的前提下，才沒有漏失量。由此可見，現有技術中的抽油機雖然是連續運行 的，但在全運行過程中，泵只有下行程中的大約30%左右的時間是沒有漏失量的，
而85%的時間是處在全漏失量的狀態。
本發明設計常規機型的最大衝次為每分鐘一次，包括上死點停機IO秒和上 下行程運行各25秒時間；最小為每小時l次，但上行速度25秒恆定。單衝程排量15升，泵效90以上。如果全國油井平均日產油量為5000升，每口井每天 要370個衝次，每衝次時間為234秒，有漏失量的時間為上行程25秒，上死點 停機10秒和下行程10°/。的時間為2.5秒，總漏失時間為37.5秒，佔衝次時間 234秒的16%。這就是說，現有技術85%的時間漏油，而本發明只有16%的時間 漏油，減少5倍的漏失量。4 57泵正常漏失量為0.5升/分鐘，每天按85%的時 間漏失量為612升，系統效率下降12.2%，本發明只影響系統效率2%，僅這一 點就使系統效率提高10%。
2、 上閥封閉柱塞下行到上進油閥時，上進油閥內外流動停止。理論上說 閥球處在自然狀態，但實際不是。因為泵筒不可能100%充滿，上端仍然有氣或油 氣混合體。柱塞和下泵筒的密封段是由小逐漸加長，而泵筒內的油氣要從間隙向
"上進油閥"方向外流，同時泵的漏失量也要向上進油閥方向流動，兩流之合的 流速多大時上進油閥關閉這就決定於閥的靈敏度。上進油閥關閉後上氣錨進行 油氣分離和儲油。
3、 產油監測柱塞下行到遊動閥接觸泵內液面時，使泵內壓力逐漸升高到 大於油管壓力時遊動閥打開，這時油井液柱載荷消失，電機平衡重載荷變大， 地面指重表下降，電流表上升再結合該點的行程位置可以知道油井生產狀態。 從接觸液面到遊動閥打開有一個時間過程，過程的長短取決泵的充滿程度。所 謂泵的充滿程度是指泵內液體體積佔泵總體積的百分比，而不包含氣，如若包 含氣的話，所有的泵都會達到百分百以上，因氣到地面壓力會變小，體積會膨 脹。泵充滿程度越好，過程越短，抽油機降載越快。在示功圖上接近垂線。泵 的充滿程度可準確判斷。根據充滿程度，泵徑和行程長度就可得出產量信息。 如果充滿不好，使過程時間加長，示功圖的降載線會變成向左傾斜的不規則的 弧線，稱為氣影響，這樣就很難判別充滿程度。即使用先進的智能化電子設備， 給出20%的允差也很難達到要求，這是個根本原因。還有很多示功圖由於變速運 動，衝次過大，動載加大等原因，脫離了理論圖形乃至無法識別，這樣的圖形 一般油井也要7-10天才能測一次，可見管好油井十分困難。泵充滿不好不單會 造成監測西難，更大的危害是柱塞和液面的撞擊。泵效在30%-50%之間，正是遊 梁式抽油機運動速度最快的時間，柱塞和液面撞擊嚴重，使彈性變型加大，引 起管杆斷裂或脫扣落井事故和抽油機傳動振動破壞等等，屢見不鮮。所以說人們只有全精力作油井管理，全體力幹油田維護，而無力去研究系統效率。正是 由於忽視了系統效率這個根，使得油井管理和油田維護工作越來越大。
4、 柱塞出油遊動閥打開後泵內油進入油管，柱塞以允許的最慢速度運行， 還可以任意停機不用制動，因為下行電機要帶動平衡重，上行電機要帶動液柱 重，所以電機停電，柱塞也就停止。這個時間是等待油井供油，氣錨進行油氣 分離和儲油，泵又沒有漏失量之憂的最佳時間，當氣錨內有足夠的油量時，進 行下一程序。
5、 下死點換向 一段速下行時間到達設定值時，變頻器給出反轉換向指令。 電機按給定時間減速，逐漸接觸儲能器，儲能器把運轉的慣性能儲存，然後再 釋放，利用滾珠絲槓高效可逆性反推電機反轉升速。這時正是設定變頻器正反 轉換向的死區時間，通過調整可達到自由停機和檢速起動狀態，電機轉速為零 時，說明慣性能己全部轉給儲能器，這時正向電已停，儲能器反推電機反轉， 變頻器根據反轉加速狀態適時給出檢速起動頻率，電機按時起動。這樣減速、 加速電流最小，運行平滑，使換向達到輕鬆自由。加速上行是指按設計速度基 頻50HZ運行，高產井，負荷又小也可以升速。
6、 一次進油 一次進油是柱塞開始上行，遊動閥關閉，這時柱塞上下有很 大的壓力差，泵內壓力低於油井壓力，固定閥打開，下氣錨的油因其位置高於 固定閥且有一定液柱高度，油從固定閥壓入泵內，但泵內液柱逐漸升高而下氣 錨內液柱逐漸降低，當泵內液柱高於下氣錨液柱時，泵由灌入狀態變成抽吸狀 態，這時儘管氣錨內存的油是泵的2倍，但因油內的氣要分離，泵很難充滿， 差多少與油井狀態有關，這就是二次進油的必要性。
7、 二次進油當一次進油由灌入到抽吸狀態表明泵內壓力已低於油井壓力， 當柱塞下端運行到上進油閥以上時，上氣錨的液柱壓力大於泵內壓力，油通過 自然常開的的上進油閥再次進泵。由於上氣錨儲油量遠大於泵不滿部分，靠重 力分離作用油進入泵內而氣體排出，正如瓶子立放於水中儘管冒氣泡但很快會 灌滿一樣，二次進油是本發明單衝程機泵調控的核心技術，由於有了二次灌入 式進油使泵的充滿程度真正實現了人為可控，這是質的飛躍。
8、 上死點換向當柱塞下端上行通過上進油閥，2段速時間到，變頻器發 出換向指令，電機減速並壓縮下儲能器，當設定減速時間到電機轉速等於零時變頻器進入3段速按設定時間零頻運轉，電機直流制動；如果不制動，因油井 載荷大於平衡重，柱塞會自由下落。直流制動時間，就是保障二次進油時間， 時間到後直流制動結束，電機正轉啟動柱塞下行，如果低產能井需要加長氣錨 儲油時間，在柱塞遊動閥打開後可降頻減速也可停機零頻運行。
權利要求
1. 一種單衝程機泵聯控的抽油設備，包括由機架(8)和懸繩器(9)構成的抽油機，由上泵筒(21)、下泵筒(26)、上氣錨(20)、下氣錨(27)、遊動閥(23)及固定閥(28)構成的抽油泵和變頻器(1)，其特徵在於還包括裝在機架(8)上的升降車(2)，升降車(2)上裝有空芯軸電機(14)，空芯軸的軸端通過聯軸器(12)與滾珠螺母(11)固定連接，滾珠螺母(11)套裝在滾珠絲槓(10)上，滾珠絲槓(10)兩端帶有換向儲能器(17)，並通過空芯軸與機架(8)固定連接；所述升降車(2)通過鋼絲繩(7)、導繩輪(6)、懸繩器(9)、和油杆(18)連接，油杆(18)連接柱塞(22)，柱塞(22)下端有遊動閥(23)，一起下在泵筒中，上泵筒(21)和下泵筒(26)之間裝有上進油閥(24)，下端裝有固定閥(28)；在上、下泵筒外分別套裝上氣錨(20)和下氣錨(27)，中間由間隔接頭(25)連接；所述變頻器(1)則通過排線電纜(16)與空芯軸電機(14)保持電連接。
2、 根據權利要求1所述的一種單衝程機泵聯控的抽油設備，其特徵在於所 述升降車(2)沿著有刻度的軌道運行，軌道上帶有標尺(5),升降車上裝有指 重表(3)和電流表(4)，用於觀測柱塞(22)的運行位置、載荷與電流值。
3、 根據權利要求2所述的一種單衝程機泵聯控的抽油設備，其特徵在於所 述的上泵筒(21)和下泵筒(26)外面分別套裝有比上進油閥(24)和固定閥(28)位置更高的上氣錨(20)和下氣錨(27)。
4、 根據權利要求3所述的一種單衝程機泵聯控的抽油設備，其特徵在於所 述的固定閥(28)包括有閥體(33)、閥罩(34)、閥座(36)和閥球(35)，所 述的閥罩(34)上有遊動閥頂管(29)、楔形體(30),楔形體中裝彈簧(31) 和彈簧頂杆(34)，楔形體及其彈簧件通常均偏置於閥體右側，進油閥球(35) 被衝向左側渦流區而重心仍在閥座(36)的座孔內。
5、 根據權利要求4所述的一種單衝程機泵聯控的抽油設備，其特徵在於所 述的上進油閥(24)由位於上下泵筒間的接管(38)、固定閥座(39)及閥球(40) 所組成，閥球置於閥座孔與上下泵筒接管(38)上的窗口之間，所述閥座孔與 窗口螺紋連接，其中心線cj)a與4)b有偏心距，閥球(40)依其自重保持與閥座孔的常開。
6、 一種如權利要求1所述的單衝程機泵聯控的抽油設備的採油方法，其特 徵在於包括下述工藝步驟(1) 定時停機，此時控制系統的時間繼電器在運行，上進油閥(24)開著 向泵內進油，固定閥(28)關閉停止進油，而下氣錨(27)開始工作，進行油 氣分離和儲油；同時，柱塞(22)與上泵筒(21)配合間隙在漏油，其漏失量 取決於闊的靈敏度，應視每口井的實測數據確定最佳停機時間；(2) 上閥封閉，柱塞(22)下行到上進油閥(24)時，上閥停止進油，上 進油閥(24)關閉後上氣錨(20)進行油氣分離和儲油；(3) 產油監測，當柱塞(22)下行到遊動閥(23)接觸泵內液面時，遊動 閥打開，油井液柱載荷消失，電機平衡重載荷變大，地面指重表下降，電流表 上升，結合該點的行程位置可知油井生產狀態，遊動閥打開過程的長短取決於 泵的充滿程度，泵的充滿程度可由示功圖降載線顯示，充滿程度好，示功圖的 降載線接近於垂線，否則為不規則的弧線，反映了降載中的氣影響，它幹擾了 充滿程度的判定；(4) 柱塞出油，遊動閥(23)打開後油進入油管，柱塞以慢速運行或任意 停機，以待油井供油，氣錨進行油氣分離和儲油，當氣錨內有足夠的油量時， 進入下步程序；(5) 下死點換向， 一段速下行時間到達設定值時，變頻器(1)給出反轉 換向指令，電機(14)按給定時間減速，逐漸接近換向儲能器(17)，儲能器把 運轉的慣性能儲存，然後釋放利用滾珠絲槓(10)反推電機(14)反轉升速， 變頻器適時給出檢速起動頻率，電機按時起動；(6) —次進油，柱塞(22)開始上行，遊動閥(23)關閉，固定閥(28) 打開，下氣錨(27)的油從固定閥壓入泵內，當泵內液柱高於下氣錨(27)時， 泵由灌入狀態變為抽吸狀態，泵內很難充滿，相差多少與油井狀態有關；(7) 二次進油，當一次進油由灌入到抽吸狀態，表明泵內壓力低於油井壓 力，當柱塞(22)運行到上進油閥(24)以上時，上氣錨(20)的液柱壓力大 於泵內壓力，油自然通過常開的上進油閥(24)再次進泵，由於上氣錨中儲油 量遠大於泵不滿部分，油靠重力分離作用進入泵內，而氣體被排出；(8)上死點換向，當柱塞(22)下端上行通過上進油閥(24)， 二段速時 間到，變頻器(1)發出換向指令，電機(14)減速並壓縮下換向儲能器(17)， 電機轉速等於零時變頻器(1)進入了三段速，按設定時間零頻運轉，電機(14) 直流制動，直流制動時間就是定時停機保證二次進油時間，時間到後電機正轉 啟動，柱塞(22)下行，進入下一衝程。
全文摘要
本發明公開了一種單衝程機泵聯控的抽油設備，包括抽油機和抽油泵，並用變頻器使其單衝程聯控。抽油泵有上泵筒和下泵筒，泵筒外分別裝上氣錨和下氣錨，泵筒內裝有和抽油機連接的柱塞，柱塞下端設有遊動閥，其特徵在於在上泵筒和下泵筒之間裝有無阻力常開的上進油閥；柱塞上行時，下氣錨的油從固定閥灌入泵內，柱塞到上死點時空芯電機停止運轉，上氣錨中的油從上進油閥灌入泵不滿部分，停機時間到後電機再運轉；當柱塞下行通過上進油閥後，液柱壓力使上進油閥關閉。本發明可實現機電泵一體化，具有高效節能和降低生產成本等優點。
文檔編號F04B47/02GK101294484SQ20081001152
公開日2008年10月29日 申請日期2008年5月21日 優先權日2008年5月21日
發明者紅 李, 王忠山 申請人:王忠山;李 紅