專利名稱：擺式平衡智能控制抽油機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于采油設備技術領域，是一種用于油田抽汲原油的擺式平衡智 能控制抽油機。
背景技術：
在公知的技術中，油田普遍使用的游梁式抽油機雖然使用方便、可靠， 但是由于其電機的負荷是一周期性脈動負荷，并迭加有瞬間的沖擊。為減小 抽油機上下沖程負荷的波動， 一般都配有平衡塊，利用其旋轉(zhuǎn)慣量平抑載荷的 波動，這種方式平衡系數(shù)低、效果差，只能適用于旋轉(zhuǎn)速度較高、負荷較小 的多沖次、短沖程采油作業(yè)，而目前大部分油田都處于開采的后期，大量的 貧油井需要低沖次、長沖程、大排量抽采，較低的旋轉(zhuǎn)速度導致這種平衡方 式的失效，而且不易于實現(xiàn)長沖程，因而不適應石油開采的需要。其次，抽 油機電機的負荷曲線上有兩個峰值，分別為抽油機上下沖程的"死點"，抽 油機自由停車后再啟動時，總是從死點處啟動，因此需要配置大功率電機，才
能滿足電機啟動轉(zhuǎn)矩的要求，而在抽油機正常運行時負荷率很低， 一般在20 30%，造成功率因數(shù)低、效率低、電能浪費大。
進入21世紀以來，國內(nèi)外相繼研制了各種無游梁抽油機，如采用轉(zhuǎn)向 可逆電動機或液壓馬達帶動滾筒正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)長沖程抽油；或采用六連桿結 構增大游梁機的沖程；或采用滑輪組和齒輪傳動的增程方式；或采用天輪平 衡方式等等，這些方案相對于游梁抽油機都獲得了不同程度的改進效果。但 是，由于抽油機是在地理氣候復雜的野外進行連續(xù)作業(yè)，因而上述方案的推 廣存在著諸多方面的障礙，如結構復雜、不皮實、可靠性差、故障率高、
易損件多、維修管理不便、平衡效果差、電能消耗大、耗用鋼材多等缺陷。 另外，在油田開發(fā)生產(chǎn)過程中，尤其在油田進入特高含水的開發(fā)后期，油層 供液能力變化大，抽油機的生產(chǎn)能力與油層供液能力不適應、不平衡的矛盾 日益突出。為了解決這一矛盾，以往采取的辦法是人工調(diào)節(jié)抽油機井參數(shù)， 與地層供液能力相匹配。但是這種辦法費時費力，而且很難保證對抽油機井 進行有效的控制，即使人工調(diào)節(jié)參數(shù)一時達到平衡，也很難保持平衡，因而 使抽油機井處于非平衡工作狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠根據(jù)井下狀況進行沖程、沖次的自動實時 調(diào)整，對抽采運行進行有效實時監(jiān)控，而且結構簡單、平衡效果好、運動構 件少、重量輕、耗材少、耗能低的擺式平衡智能控制抽油機。
實現(xiàn)本實用新型的目的所采取的技術方案是該機具有底座、機架、電 機、換向機構和平衡機構，其中機架為頂部伸出的懸臂式結構，伸出端裝 有懸繩輪，換向機構設置在機架的一側(cè)，是由帶正、反向螺旋繩槽的主、被 動換向輪構成，并通過皮帶傳動件與電機連接，平衡機構采用擺式平衡，設 置在機架的另一側(cè)，與換向機構通過過橋軸連接并連動，電機通過輸電線聯(lián) 接有電機矢量控制柜，用于控制電機的正反轉(zhuǎn)換向及轉(zhuǎn)速，電機矢量控制柜 通過數(shù)據(jù)總線與智能控制裝置聯(lián)接，智能控制裝置通過信號傳輸線聯(lián)接有安 裝在油井出油口處的輸油管道內(nèi)或抽油泵的進油口處的流量傳感器。
所述主、被動換向輪之間通過兩根正、反向拉繩連接，拉繩的兩端分別 固定在兩個輪上，其中，被動換向輪上固接有懸繩，懸繩的另一端繞過懸繩 輪與抽油桿懸掛連接。
所述平衡機構采用擺式平衡結構，是由平衡重、懸杠、擺輪和傳動輪組
成，其中擺輪安裝在機架的下部，傳動輪與被動換向輪同軸安裝并連動，傳 動輪與擺輪之間通過柔性傳動件連接，擺輪上固裝有用于懸掛平衡重的懸杠。 所述平衡重與懸杠之間設有用于移動平衡重位置的調(diào)節(jié)定位件。
所述擺輪最大擺角小于180° 。
所述智能控制裝置包括一個工控機和一個用于顯示檢測及控制參數(shù)的顯 示器，其中工控機內(nèi)裝有-
一個用于接收流量信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的流量信號采集卡； 一個用于接收、處理流量及電機運行信號，并向電機矢量控制柜發(fā)送調(diào) 控指令的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。
按照上述方案制作的擺式平衡智能控制抽油機，其有益效果為
1) 該抽油機采用擺式平衡結構，使平衡系數(shù)提高到90°/。以上，將抽油桿 上、下沖程的脈動載荷變?yōu)榫廨d荷，從而降低電機功率配置，提高運行過 程的功率因數(shù)，減少功率損耗。
2) 采用電機矢量控制柜變頻調(diào)速能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)抽油機的沖程、沖次，并 分別實時調(diào)節(jié)上、下行程的速度，既無啟動沖擊，又可解決電機選型過大、 功率因數(shù)偏低的問題，在獲得節(jié)能增效的同時，提高抽油機整機和抽油泵的 使用壽命，減少機械故障，提高可靠性。
3)配置的油液流量傳感器可以實時監(jiān)測井下油液狀況，并由智能監(jiān)控 裝置按照井下狀況對抽油機的運行自動進行實時調(diào)整和控制，提高抽油泵的 充滿系數(shù)，減少泵的漏失，以獲得最大出油效率。
4)該機的智能監(jiān)控裝置能夠快速對電機運行及井下狀況進行實時分析， 并通過電機矢量控制柜對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向自動作出實時調(diào)整，在監(jiān) 控處理過程中，也可通過人機交換進行調(diào)整和控制，對抽油機和井下故障進
行及時處理，同時各部運算值均可在顯示器界面顯示，并可按照設定要求自 動生成運行報告，該裝置也可通過遠距離傳輸實現(xiàn)抽油井群的集中遠程監(jiān)控。
5)該機還具有結構簡捷，運動構件少，運行可靠，使用壽命長等優(yōu)點， 與現(xiàn)有的游梁式抽油機相比，可節(jié)約鋼材50%以上，從而大大降低該機的制 造成本。


圖l是本發(fā)明的結構示意圖2是圖1的側(cè)視圖3是圖1的后視圖4是智能監(jiān)控系統(tǒng)流程圖5是工控機工作程序圖。
具體實施例方式
參看圖l、圖2、圖3，本發(fā)明的擺式平衡智能控制抽油機具有底座14、 機架7、電機2、換向機構和平衡機構。其中機架7為頂部伸出的懸臂式結 構，伸出端裝有懸繩輪8，以保持機架7的主體與井口 IO之間的距離，便于 修井作業(yè)和井下故障的處理。換向機構設置在機架7的一側(cè)，是由主、被動 換向輪4、 5構成，主、被動換向輪4、 5上均設有正、反向螺旋繩槽，以防 止拉繩在纏繞過程中因擠壓摩擦而損壞。主動換向輪4裝在機架7的下部， 并通過皮帶傳動件3與電機2連接，被動換向輪5裝在機架7的中部，主、 被動換向輪4、 5之間通過兩根換向拉繩連接，拉繩的兩端分別固定在兩個輪 上，當電機2交替正、反向旋轉(zhuǎn)時，分別由一根拉繩帶動被動換向輪5正轉(zhuǎn) 或反轉(zhuǎn)。被動換向輪5的中間部位固定連接有懸繩6，懸繩6的另一端繞過懸 繩輪8與抽油桿9懸掛連接。該抽油機的平衡機構采用擺式平衡，與換向機
構對應設置在機架7的另一側(cè)，是由平衡重15、懸杠17、擺輪18和傳動輪 19組成，其中擺輪18安裝在機架7的下部，傳動輪19與被動換向輪5—同 固裝在過橋軸20上，并一起轉(zhuǎn)動，其上設有用于排繩的螺旋繩槽，傳動輪19 與擺輪18通過鋼繩連接，擺輪18上固裝有用于懸掛平衡重15的懸杠17，平 衡重15與懸杠17之間設有用于移動平衡重位置的調(diào)節(jié)定位件16，該件可采 用螺桿、螺母調(diào)節(jié)，或是采用齒條、齒輪調(diào)節(jié)或蝸桿、齒條調(diào)節(jié)。平衡重15 通過調(diào)節(jié)定位件16安裝在懸杠17的伸出端，移動調(diào)整其安裝位置，可調(diào)整 平衡力矩的大小，以適應不同的抽汲載荷，并利用杠桿原理使抽油機的平衡 系數(shù)達到90%以上，大大減小配套電機的額定功率，節(jié)省電能消耗。同時在 懸繩失載時，平衡重15始終處于懸掛擺動狀態(tài)，能夠有效地保證整機的安全。 在該抽油機結構中，被動換向輪5大于主動換向輪4的直徑、主動換向輪4 的直徑大于電機皮帶輪的直徑，以實現(xiàn)兩級減速，加大力矩輸出，減小電機2 的功率配置。被動換向輪5的外圓直徑由其正、反轉(zhuǎn)最大旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和抽油機 最大沖程的關系確定，傳動輪19與擺輪18之間的直徑比例應保證在傳動輪 19最大轉(zhuǎn)動圈數(shù)范圍內(nèi)，使擺輪18的最大擺角小于180° 。
該抽油機的電機矢量控制柜1分別通過輸電線和數(shù)據(jù)總線與電機和智能 控制裝置聯(lián)接，其內(nèi)裝有可編程智能功率模塊，它是采用雙CPU處理，即 其內(nèi)部配置有D S P和MCU，由D S P實現(xiàn)電機2轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和相位的測 量、計算和控制，而MCU則用來完成監(jiān)測的數(shù)據(jù)對工控機12監(jiān)控處理系統(tǒng) 的信號傳輸，并接受工控機12發(fā)送的控制信號。通過D S P對電機2的轉(zhuǎn)矩、 相位和轉(zhuǎn)速進行控制，以實現(xiàn)電機2的最佳速度控制。其中，轉(zhuǎn)矩的控制由 D S P根據(jù)電機2載荷的瞬時變化感應自動進行適應性調(diào)整控制，而相位和 轉(zhuǎn)速則由D S P根據(jù)工控機12發(fā)送的控制參數(shù)指令進行調(diào)整。
電機矢量控制柜1的配置能夠改變抽油機長期處于低效做功的狀態(tài)，使 其運行方式與油井實際負荷相匹配，減少低效甚至無效抽汲，同時能夠?qū)崿F(xiàn) 上下沖程的異速運行調(diào)整，并由此降低電費開支，減少維護成本，提高運行 效率。本案中使用的電機矢量控制柜l可在市場直接購置。
在井口 io處的輸油管道內(nèi)或抽油泵的進油口處安裝有一個感應式流量傳
感器ll,該傳感器通過信號傳輸線與工控機12聯(lián)接，用于采集抽汲過程中的 瞬時油液流量信號，供工控機12分析井下液面狀況，作為確定抽汲沖次沖程 的依據(jù)參數(shù)。
智能控制裝置包括一個工控機12和一個顯示器13，其中工控機12內(nèi)裝 有一個帶監(jiān)控處理系統(tǒng)軟件的集成芯片，用于接收、處理抽汲流量和電機2 的運行參數(shù)，并通過D/A轉(zhuǎn)換向矢量控制柜1發(fā)送指令； 一個流量信號采集 卡，用于通過A/D轉(zhuǎn)換將流量傳感器11傳送的抽汲流量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 并儲存?zhèn)溆?。該工控機12具有良好的屏蔽功能，運行安全可靠，通過通訊接 口還能實現(xiàn)遠程集中監(jiān)控。通過智能控制裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機沖程、沖次 的實時調(diào)整，保證抽油機的最佳運行狀態(tài)，以達到高效率、低能耗的最佳效 果，對抽油機的運行過程進行自動控制。與此同時，工控機12將各類參數(shù)的 測量值及預算結果在顯示器13的屏幕實時顯示，通過通訊接口將各類信息發(fā) 送至井群網(wǎng)絡中心，實行集中監(jiān)控，從而大大減輕采油工人的勞動強度。
圖4是智能監(jiān)控系統(tǒng)流程圖，該系統(tǒng)在使用時根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)建立抽汲流 量、油泵充滿系數(shù)、實時沖次、實時沖程、控制沖程、控制沖次和電機控制 轉(zhuǎn)速、相位等參數(shù)之間關系的運算處理模型，導入監(jiān)控處理系統(tǒng)軟件，即由 當前抽油機運行沖程、沖次狀態(tài)下的抽汲流量計算每一沖次的抽油泵充滿系 數(shù)，再按這一相關關系計算控制沖程、控制沖次，然后再轉(zhuǎn)換為電機2的控 制轉(zhuǎn)速和控制相位。啟動抽油機后，流量傳感器ll采集的瞬時流量信號通過
A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，儲存在流量信號采集卡內(nèi)，由監(jiān)控處理系統(tǒng)軟件運用 運算處理模型計算確定沖程、沖次的控制參數(shù)，并轉(zhuǎn)換為電機2的轉(zhuǎn)速和相 位控制參數(shù)。同時，電機矢量控制柜1將電機運行的實時轉(zhuǎn)速和相位監(jiān)測數(shù) 字信號通過數(shù)據(jù)總線傳送至監(jiān)控處理系統(tǒng)軟件，由監(jiān)控處理系統(tǒng)軟件按照設 置的程序?qū)﹄姍C2的轉(zhuǎn)速和相位監(jiān)測值與運算確定的控制值分別進行比較并 計算出差異值，作為調(diào)整控制量，依此發(fā)送指令至電機矢量控制柜l，即可對 電機運行參數(shù)進行實時調(diào)整。當油液抽汲流量太小，出現(xiàn)抽油泵充滿系數(shù)過 低時，由監(jiān)控系統(tǒng)軟件依照設定程序發(fā)送指令給電機矢量控制柜l，停止電機 運行，實行間歇性抽采。該系統(tǒng)通過人機交換可以根據(jù)需要隨時在顯示器13 屏幕顯示各類參數(shù)，也可通過通訊接口將各類信息發(fā)送至井群網(wǎng)絡中心，實 行集中監(jiān)控，通過智能監(jiān)控系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)抽油機高效抽采的自動化控制。 圖5是工控機工作程序圖，工控機12的工作程序是打開工控機12，將流 量、油泵充滿系數(shù)、沖次、控制沖程、控制沖次運算處理模型導入監(jiān)控處理 系統(tǒng)軟件。在抽油機開始運行時，先對監(jiān)控處理系統(tǒng)初始化，使之處于待運 行狀態(tài)，然后由監(jiān)控處理系統(tǒng)軟件自動調(diào)取實時流量信息參數(shù)，并運用運算 處理模型依次計算抽油泵充滿系數(shù)、抽油機控制沖次、控制沖程及電機控制 轉(zhuǎn)速、控制相位參數(shù)。然后軟件依照設定程序自動從電機矢量控制柜1調(diào)取 電機2的運行轉(zhuǎn)速、相位的實時監(jiān)測值，并與計算的控制參數(shù)比較，計算出 差異值，當差異值為零時，則說明電機2運行正常，不需調(diào)整；當差異值不 為零時，則由軟件自動發(fā)送指令到電機矢量控制柜l，對電機2的運行進行調(diào) 整，如此反復運行，至停止抽采作業(yè)結束。
權利要求
1、一種擺式平衡智能控制抽油機，具有底座、機架、電機、換向機構和平衡機構，其特征在于機架為頂部伸出的懸臂式結構，伸出端裝有懸繩輪，換向機構設置在機架的一側(cè)，是由帶正、反向螺旋繩槽的主、被動換向輪構成，并通過皮帶傳動件與電機連接，平衡機構采用擺式平衡，設置在機架的另一側(cè)，與換向機構通過過橋軸連接并連動，電機通過輸電線聯(lián)接有用于控制電機正反轉(zhuǎn)換向及轉(zhuǎn)速的電機矢量控制柜，該控制柜通過數(shù)據(jù)總線與智能控制裝置聯(lián)接，智能控制裝置通過信號傳輸線聯(lián)接有安裝在油井出油口處的輸油管道內(nèi)或抽油泵的進油口處的流量傳感器。
2、 根據(jù)權利要求l所述的擺式平衡智能控制抽油機，其特征在于所述 主、被動換向輪之間通過兩根正、反向拉繩連接，拉繩的兩端分別固定在兩 個輪上，其中，被動換向輪上固接有懸繩，懸繩的另一端繞過懸繩輪與抽油 桿懸掛連接。
3、 根據(jù)權利要求l所述的擺式平衡智能控制抽油機，其特征在于所述 平衡機構采用擺式平衡結構，是由平衡重、懸杠、擺輪和傳動輪組成，其中 擺輪安裝在機架的下部，傳動輪與被動換向輪同軸安裝并連動，傳動輪與擺 輪之間通過柔性傳動件連接，擺輪上固裝有用于懸掛平衡重的懸杠。
4、 根據(jù)權利要求3所述的擺式平衡智能控制抽油機，其特征在于所述 平衡重與懸杠之間設有用于移動平衡重位置的調(diào)節(jié)定位件。
5、 根據(jù)權利要求3所述的擺式平衡智能控制抽油機，其特征在于所述擺輪最大擺角小于18(T 。
6、 根據(jù)權利要求1所述的擺式平衡智能控制抽油機，其特征在于所述 智能控制裝置包括一個工控機和一個用于顯示檢測及控制參數(shù)的顯示器，其中工控機內(nèi)裝有一個用于接收流量信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的流量信號采集卡； 一個用于接收、處理流量及電機運行信號，并向電機矢量控制柜發(fā)送調(diào)控指令的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種擺式平衡智能控制抽油機，其主要特點是，機架為頂部伸出的懸臂式結構，伸出端裝有懸繩輪，換向機構由帶正、反向繩槽的主、被動換向輪構成，主、被動換向輪之間通過換向拉繩連接，被動換向輪上固接有懸繩，平衡機構采用擺式平衡，與換向機構通過過橋軸連接并連動，電機聯(lián)接有電機矢量控制柜，該控制柜通過數(shù)據(jù)總線與智能控制裝置聯(lián)接，智能控制裝置通過信號傳輸線聯(lián)接有用于監(jiān)測抽汲流量的流量傳感器。該抽油機能夠根據(jù)井下狀況對抽油機的沖次、沖程進行自動控制，提高電機效率，減少勞動強度，而且具有結構簡單、平衡度高、性能可靠、節(jié)省電能、降低生產(chǎn)和使用成本等優(yōu)點。
文檔編號F24C15/20GK101169263SQ200710189990
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月15日 優(yōu)先權日2007年11月15日
發(fā)明者陳宗武 申請人:陳宗武