抽油機多功能自動控制儀的製作方法
2024-02-08 18:53:15
專利名稱：抽油機多功能自動控制儀的製作方法
抽油機油泵的排液量與油井的產液能力達到最佳狀態，是解決油田開發後期機採井增加而造成的成本上升，產量不穩等問題的關鍵。
以往，為達到上述匹配目的，主要靠測示功圖，油井液面等手段，在獲得兩者的有關數據後，由人工進行分析判斷，甚至使用電子計算機進行複雜的計算分析，得出結論後再安排有關人員對抽油機和油井進行調整和檢修，由於測試工藝、測試周期長短的人為安排，所用測試設備技術狀況、環境影響、操作人員的技術水平及職業道德的高低、油田地質情況變化等諸多因素的影響、要完成上述檢修及調整過程，在最理想的情況下也需要相當一段時間，至使抽油機及油井存在的問題得不到及時發現，調整和改正。嚴重影響機採井產量及耗費大量電能，對提高機採井的經濟效益很不利。
近幾年，出現了配有電子計算機的測試設備，但是，該設備結構複雜、檢修困難、使用條件要求高、價格昂貴、且無監控及節電控制功能、不適合大量推廣應用。為此，我們開發研製了《抽油機多功能自動控制儀》。於這些測試設備相比，有結構簡單、檢修方便、使用條件要求低、價格便宜等優點。
《抽油機多功能自動控制儀》根據控制理論，本著機、電、儀一體化的原則，用開關量控制方法，隨時檢測抽油機油泵的工作狀態，測量油井參數，控制抽油機的運行狀態，使抽油機的油泵與油井匹配，處於最佳狀態，即能發揮油層的產油潛力，又能提高抽油機的工作效率，降低能源消耗，減少抽油機的機械磨損，延長檢泵周期，減少油井管柱的起下次數，對降低原油成本，提高單井產量有促進作用，因此具有很大開發前景和使用價值。
(一).工作原理由電子線路自動檢測抽油機工作時的增載過程和卸載過程，進而判斷油泵的工作狀態及泵和油井的協調程度，以實現對抽油機工作狀態的顯示和控制，另外，根據抽油機負荷的變化周期，控制電動機運行電流的大小，可以實現節電目的。
(二).組成及功能組成框圖見附
圖1。
1.抽油杆負荷傳感器(以下簡稱傳感器)主要由電阻應變式負荷傳感器組成。傳感器的型號根據抽油杆負荷的大小選擇，固定在抽油杆懸繩器上，將抽油杆的負荷線性轉變為電信號輸出給放大器IC1。
2.放大器主要有數據放大器模塊IC1、RC濾波電路組成。主要功能是將傳感器輸出的信號經C1濾除幹擾信號後進行線性放大。放大後的信號進入單限比較器IC2－IC5。
3.泵漏失檢測顯示部分主要由單限比較器IC2、IC3、IC4、IC5、計數門IC6、計數器IC9、DY觸發器IC10、IC11、IC8和比較器翻轉沿檢出電路IC27、IC28、上下死點檢出電路IC25、幹簧管G1、G2顯示部分的T2－T5及發光管D15－D18、脈衝源IC28等主要部件組成。它的主要功能是將泵漏失時的信號檢測並顯示出來。
抽油泵工作時，抽油杆的負荷(或懸繩器)自最大降到最小的過程叫卸載過渡過程。自最小增加到最大的過程叫增載過渡過程。以下分別簡稱卸載或增載過程。當泵工作正常時，懸繩器處的增載、卸載過程時間最短。當泵出現漏失時，其增載(或卸載)過程時間增長。因此，當增載(或卸載)過程較正常時間長時，就說明泵存在漏失。計量這個過程時間的長短，由單限比較器IC2、IC3、計數器IC8、D觸發器IC10、IC11及脈衝發生器來完成。當脈衝源頻率一定時，計數器所計脈衝數的多少，就反映了增載或卸載過程的時間長短。泵漏失越嚴重，這個過程越長，計數器所計的脈衝數就越多。
比較器IC2的比較電壓值，略小於懸繩處抽油杆受最大負荷時，所對應的放大器輸出電壓值，由電阻R3電位器W2確定；比較器IC3的比較電壓值略大於該處抽油杆受最小負荷時所對應的放大器輸出電壓值，由電位器W3確定。當放大器輸出電壓信號值小於IC2而大於IC3的比較電壓時，這兩個比較器輸出為高電平。放大器IC1輸出電壓值自IC2的比較電壓值下降到IC3的比較電壓值的過程就反映了抽油杆的卸載的過渡過程；反之，當IC1的輸出電壓值自IC3的比較電壓值上升到IC2的比較電壓值的過程就反映了抽油杆增載的過渡過程。因此，IC2、IC3的輸出只有在這兩個過渡過程時間內才都是高電平，其餘時間為低電平。
在增載或卸載的過渡過程中，IC2、IC3輸出的高電平，使計數與非門IC6打開，讓計數脈衝進入計數器。可預先設定脈衝源頻率及計數器的計數值(這個計數值與泵漏失一定程度後，增、或卸載過渡過程時間的長短相對應)，當計數器計到這個值時，證明泵已漏失到一定程度。由IC2、IC3翻轉沿(下降沿)檢出電路IC27、IC274輸出的脈衝，將計數器所計的最高位送到D觸發器IC10的輸出端，通過T2、T4使發光二極體D15、D16點亮，表明泵已漏失到一定程度。
單限比較器IC4、IC5的比較電壓值的確定同單限比較器IC2、IC3的比較電壓值的確定一樣，只是IC5的比較電壓值應高於IC3的比較電壓值，比較器IC4的比較電壓值應小於IC2的比較電壓值，這些數值，根據現場使用情況確定。
當泵的排出部分嚴重漏失以至抽不上油時，增載過程中懸繩器處的抽油杆負荷達不到正常時的最大負荷值。當吸入部分嚴重漏失時，在卸載過程中，該處抽油杆的負荷降不到正常時的最小負荷值，使其所對應的放大器輸出電壓值，始終大於比較器IC5的比較電壓值，這個比較器就不翻轉。由上、下死點檢測電路輸出的脈衝信號，將比較器IC5的輸出狀態送到D觸發器IC11的輸出端Q，接通T5使D18發光，顯示泵吸入部分漏失嚴重，以至抽不上油來。抽油泵排出部分漏失很嚴重時的檢測由IC4、IC11、T4、D17來完成，其工作原理和過程同檢測泵吸入部分漏失嚴重時相同，不再敘述。
這部分還同時具有檢測抽油杆負荷異常的功能。當最大負荷出現異常達不到正常時的最大值時，IC4一直輸出高電平不出現翻轉。當最小負荷出現異常，降不到正常時的最小值時，IC5一直輸出高電平，不出現翻轉。所以會使D17或D18發光，顯示出負荷異常信號。
上、下死點檢出電路由R29、R30、G1、G2、IC25、R35、R38及固定在光杆或懸繩器上的永久磁鐵組成。G1、G2固定在相當於抽油機上、下死點的高度上，當懸繩器上、下運動時帶動永久磁鐵經過G1、G2附近，使G1、G2分別導通一次，產生一個脈衝，經IC25組成的SMT電路整形後，送給IC14的R、S端，及IC11的兩個CP端。
4.泵充填係數很低時的檢測及控制電路這部分主要由比較器IC2、IC3脈衝計數器IC7、D鎖定觸發器IC9及這兩個比較器的上升沿檢出電路IC26的一部分、IC27、邏輯電路IC26的一部分D5、D6、控制執行電路J1及可控矽CTY0、CTY01和套壓控制裝置組成。其工作任務是控制抽油機間歇抽油。當油井產量小於泵的排量時，泵的沉沒度會很低，使泵吸入口的壓力變低。在抽油機上衝程時，泵活塞向上運動速度大於泵內液面的上升速度，使泵的充填係數很低，下衝程時，活塞下行到接近泵的底部時，才能接觸到泵內液面，使抽油杆卸載推遲。由比較器IC2、IC3、計數器IC7，三與非門IC61，檢測卸載過程的時間長短，其工作原理及工作過程同檢測泵排出部分分漏失基本相同。當卸載過程時間超過預定時間後，計數器溢出，說明泵的充填係數很低，當抽油機離開下死點開始上衝程後，比較器IC3翻轉為高電平。由其上升沿檢出電路IC272產生一個脈衝信號，將計數器溢出信號送到D鎖定觸發器的輸出端，由IC261、D5、D6、T1、J1組成的「與或非」邏輯電路根據D觸發器及比較器IC2的輸出狀態，使繼電器J1吸合，關斷可控矽CTR00、CTR01，使交流接觸器線圈斷電，切斷抽油機電機的電源，抽油機自動停抽。停機後抽油杆負荷達到最大值。使比較器IC2輸出低電平。
停機後，液面逐漸上升，根據連通器原理可知，隨著液面上升，泵內液體對活塞向上的頂託力越來越大，使抽油杆負荷下降，其對應放大器輸出電壓也要變小，當這個電壓小於比較器IC2的比較電壓時，比較器IC2翻轉，由其上升沿檢出電路IC26，輸出一個清「0」脈衝，使計數器IC7和D鎖定觸發器IC9輸出為「0」上述邏輯電路根據IC8、IC2的輸出狀態通過控制執行電路使抽油機自動啟動。
間歇抽油時，為了充分發揮油層的產油能力，在套壓較高的情況下，停抽後通過可控矽CTR02、CTR03打開電磁閥，放套管氣使套壓降低，以利於油井液面恢復。啟抽後可關閉電磁閥使套壓回升，以提高泵吸入口的壓力。這部分主要起自動間歇抽油作用，提高泵效、降低耗電量、減少泵的機械磨損、延長檢泵周期等。
停機後，停機時間累計部分開始工作，用於計算單井產量。這部分主要由B1的一個負繞組，IC29的一部分，雙BCD計數器CD4518(IC18)任意進位計數器C186、(IC21、IC19)、BCD計數器C180、LCL102(IC24、IC22)及LCL002、(IC23)組成。這部分的計時脈衝頻率為電網工頻，經橋式整流後再整形得到。有一點提及的是，當泵出現漏失時一般不會出現油井供液不足現象。
5.節電部分組成及功能該部分主要由觸發脈衝發生器，包括降壓整流(由Z3、R55、W10、R40、W11、B21等構成)、整形、移相、(IC16、IC13、IC17組成)，三組觸點的繼電器J2及大功率可控矽(CTR1－CTR3)組成。
由於抽油機工作時的負荷變化是周期性的，上衝程時的負荷最大，下衝程時負荷最小。由上、下死點檢出器輸出來的脈衝信號，通過一個由D觸發器IC14組裝的觸發器來確定抽油機工作在哪個衝程，當抽油機上衝程時繼電器吸合後，開關Ki(i＝1.2.3)，接通bi供給大功率可控矽的控制極一個直接觸發信號，使可控矽的導通角達到最大值，以保證電機發揮到額定功率。在下衝程時，使繼電器J2釋放後，觸點開關Ki打向ai，向可控矽的控制極，提供一個一定相位的觸發脈衝，使可控矽的導通角變小，以減小進入電動機的電流，起到節電作用。當停電重新開機時，由開機置「0」電路使D觸發器IC14置「0」，使電機啟動電流電壓最大。
由IC13、IC16、IC17組成可控矽觸發脈衝的延時(移相)電路，經延時後的觸發脈衝分別經脈衝變壓器B3－B5、繼電器的觸點開關ki和觸點ai進入CTR1－CTR3的控制極。可控矽觸發脈衝的產生由B2降壓經R40、W11分壓，Z3整流再由IC29構成SMT電路整形後送到延時電路IC13的輸入端，IC13的輸出一路去觸發電網通向電機的A相可控矽，一路進入IC16延時，IC16的輸出一路去觸發電機的B相可控矽，一路進入IC17延時後去觸發C相的可控矽。A相延時由電位器W9決定，A相延時固定後，B相和C相則分別滯後前一相的120°所對應的時間，對50HZ來說大約為6.67ms，分別由W7、W8和C10、C12決定，觸發脈衝寬度由R45、R46、R32、C11、C13、C25決定。調節W10、W11也可以調節觸發脈衝的相位。
上面結合儀器組成介紹了本儀器的一些功能，當使用直流數字電壓表和記錄儀及電子示功儀配合時，直接測量正常工作時的放大器的輸出電壓，可實現以下功能
1.在泵況完好的情況下，可以根據直流數字電壓表顯示的電壓值，推算出沉沒度、吸入口壓力、油層中部壓力。
2.在泵況完好的情況下，停機以後，可以用記錄儀記錄靜液面恢復曲線。
3.在泵況完好的情況下，可以啟抽憋壓，由記錄儀記錄，放大器輸出信號的變化，進而可判斷出管滲漏情況和作出雙憋曲現。
4.當抽油杆斷脫引起負荷異常時，可用直流數字電壓表的顯示值，推算出抽油杆斷脫的大概位置。
5.配合電子示功儀，可測示功圖。
四.開機自動清「0」電路主要由IC12、C24、C23、R49、R50組成。功能是本儀器開機時或斷電後來電時，使該儀器中的計數器或雙穩態觸發器IC14置「0」。
五.儀器組成元件名稱及型號Q電組應變式力傳感器IC1數據放大器ZF605IC2－IC5集成運算放大器F007，(或專用集成電壓比比較器)IC6三組三輸入與非門CO35IC7、IC914級串行二進位計數器CD4042BIC8四D鎖定觸發器CD4042B(C421B)IC10、IC11、IC14雙D觸發器CD4013B(C043B)IC13、IC16、IC17雙單穩態觸發器CD4098BIC18雙BCD計數器CD4518BIC19、IC211／N任意進位計數器C186IC20BCD計數器C180IC22、IC24BCD計數器／寄存／解碼／驅動／LED顯示組合器件LCL102
IC23BCD寄存／解碼／驅動／LED顯示組合器件LCL002IC12、IC25～IC29四組二輸入與非門C036BIC31、IC33集成三端穩壓電路7812IC32集成三端穩壓電路7912Z1～Z3整流橋B1、B2變壓器，B110W／雙14V，B25W單12VB3～B5脈衝變壓器BDW1穩壓管2DW7W2穩壓管2CW21T1～T5三極體3DG12(或開關管3DK9)T6或大功率達林頓管G1、G2幹簧管D1～D6、D8、D9、D10、D22、D13開關二極體D7、D11整流二極體2CZ11D15～D18發光二極體J1微型繼電器、單刀雙擲J2繼電器3刀雙擲CTR00、CTR01、CTR02、CTR03小功率單向可控矽1A／600VCTR1～CTR6大功率雙向可控矽200A／800VR2～R46、R48～R55金屬膜電阻1／8WR1金屬膜電阻1／4WR47金屬膜電阻1～2WC1～C5、C6～C9、C10～C14、C16、C17電容器C19～C23電容器RT繞線電位器，1WW2～W5繞線電位器，1WW6～W9碳膜電位器，1WDW3穩壓管2CW1權利要求1.一種用於有杆抽油機和油井的測試，監控及抽油機的節電控制的多功能自動控制儀，其特徵在於由電阻應變式力傳感器Q，數據放大器IC1、C1、RT、R2、W1、IC2、IC3、R4-R7、W2、W3、D1、D2、C2、C3組成的兩上單限電壓比較器；計數脈衝控制門IC6；計數器IC7，IC9；D鎖定觸發器IC8；D觸發器IC10；IC262，IC27，R17-R20，C6-C9組成的上述兩個比較器翻轉沿檢出電路；IC28，電阻R48、W9、C14組成的計數脈衝發生器；三極體T2、T3，發光二極體D15、D16、R21-R24組成的顯示電路，以上幾部分構成用於測量懸繩器處的增載←→卸載過程的過渡時間以及泵的吸入(或排出)部分漏失程度的測量和顯示部分。由IC4、IC5、D3、D4、R8-R11、C4、C5、W4、W5組成的兩個單限電壓比較器；D觸發器IC11；三極體T4、T5；發光二極體D17、D18；R25-R28，以上幾部分構成的用於檢測和顯示懸繩器處的負荷達不到正常值時的電路；由幹簧管G1、G2、IC25、R29、R30、R35-R38，構成的抽油機上、下死點檢出電路；由IC14構成抽油機上、下衝程鑑別電路。由IC261、D5、D6、D7、T1、J1、R16組成的「與或非」邏輯控制電路；J1、CTr00、CTr01組成控制執行電路，這兩部分構成抽油機自動停抽和自動啟抽的邏輯判斷和控制執行部分。由B12、Z3、R47、R53、R54、DW2、KR、IC29、IC18-IC24構成抽油機間歇抽油時，每班停抽時間累計及顯示部分。由R40、R55、W11、Z2、R55、W10、R42、R43、B21、IC292構成可控矽的觸發脈衝產生電路；由R44-R46、R31、R32、C10-C13、C24、C25、IC13、IC16、IC17、R49-R51、T7-T9，組成觸發脈衝延時(移相)及功率放大電路；由R33、R34、R52，組成可控矽直接觸發電路，由脈衝變壓器B3-B5組成觸發脈衝膈離及傳遞用電路；由J2、CTr1-CTr3，由以上幾部分構成抽油機節電控制執行電路。B11、Z1、IC15-C20、IC31、IC32構成整機電源。綜上所述各大部分一起組成整機的工作系統。
2.根據權利要求1所述的控制儀，其特徵在於由卸載過渡過程時間測量電路Q1、IC1、C1－C3、RT、R2、W1、IC2、IC3、R4－R7、W2、W3、D1、D2、1／3IC61、IC8；抽油機自動停抽和自動啟抽電路；套壓控制部分；計數脈衝發生電路；停抽時間累計顯示電路一起構成控制抽油機間歇抽油的裝置。
3.根據權利要求1所述的控制儀，其特徵在於由增載←→卸載過渡過程時間測量電路；泵漏失程度檢測及顯示電路；懸繩器負荷異常檢測及顯示電路；上、下死點檢測電路，一起構成抽油機泵的自動監視系統。
4.根據權利要求1所述的控制儀，其特徵在於由抽油機上、下衝程鑑別電路，抽油機節電控制執行電路，一起構成抽油機節電系統。
5.根據權利要求1所述的控制儀，其特徵在於當供電電網斷電後再來電時，不論抽油機停在哪個衝程，由IC12組成的開機自動清「0」電路；抽油機上、下衝程鑑別電路；可控矽直接觸發電路，J2、CTr－CTr3組成。抽油機的電機都能以額定功率啟動的電路。
6.根據權利要求1所述的控制儀，其特徵在於由Q、IC1與除本機外的直流數字電壓表，記錄儀相配合，可組成測量油井狀態參數及抽油機狀況的系統。
專利摘要本實用新型屬於有杆抽油機的自動測試、監控及節能的多功能設備。本裝置用開關量控制方法，由電子線路自動檢測抽油機工作時的增載和卸載過程，對抽油機的工作狀態進行監控，並能測量油井有關參數，使兩者的匹配處於最佳狀態，即發揮油層的產油潛力，又能提高掃油機的工作效率，降低電能消耗，減少機械磨損，對提高機採井的經濟效益有促進作用。
文檔編號E21B43/00GK2033444SQ8820053
公開日1989年3月1日 申請日期1988年1月1日 優先權日1988年1月1日
發明者張建功, 李恕平, 於襲 申請人:張建功, 李恕平, 於襲