專利名稱：全自動采油機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采油設備，尤其涉及利用計算機實現(xiàn)數(shù)字化控制的全自動抽油機。
石油行業(yè)中，影響采油量的關鍵是，如何使抽油機的運行適應并吻合地下油流的飽和度變化，只有這樣才能提高采油產(chǎn)量，反之則降低采油量。我國現(xiàn)有近二十個油田，有近十萬臺機械式抽油機在工作，雖然國內(nèi)有多種節(jié)能式抽油機問世，但其結構還是以電機驅(qū)動，通過減速器變速帶動游梁式抽油機及地下抽油桿泵采油。由于機械結構決定了現(xiàn)有抽油機在抽油工藝上的落后，使得現(xiàn)有抽油機耗能比較大，采油效率比較低、機械損耗很大。下面具體說明傳統(tǒng)的抽油機存在的問題一、現(xiàn)有游梁式抽油機是采用由圓周運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動式的采油方式，其采油工作時不平衡力比較大，以12型抽油機為例，不平衡力為5噸。機械式抽油機每分鐘工作一般為6次，一天24小時工作4300多次，等于一個5噸吊車每天吊起4300多次5噸貨物的能量被損失和浪費。二、機械式采油機無法適應地下油質(zhì)不同引起的油汽飽和力及油層深度的不同變化，采油效率只能保持在20％左右。三、由于機械式抽油機的運行工藝不合理，使得抽油機的有用功只有30％左右，而且機械損壞率比較高。
本發(fā)明的目的在于提供一種采用新型運行方式、用計算機全自動控制和結構合理的全自動采油機，使其達到降低能耗、提高采油效率的目的。
本發(fā)明所述的全自動抽油機采用軸傳動及柔性皮帶懸掛結構，由變頻電機17通過軸連接減速器5，減速器5通過軸連接驅(qū)動轂7A，帶動傳動皮帶10A、傳動皮帶10B，通過隨動轂7B與懸繩器9連接后，接抽油桿8，帶動抽油泵24工作；電機正轉(zhuǎn)為抽油，反轉(zhuǎn)為回程；驅(qū)動轂7a在帶動傳動皮帶10A、10B同時，也帶動傳動皮帶11，傳動皮帶11另一端連接配重箱12，所述配重箱12隨抽油泵正、反向作同步運動；本采油機還包括機座1、機架2和上平臺3，所述電機17，減速機5、驅(qū)動轂輪7A和隨動轂輪7B均固定于上平臺3上；所述變頻電機17通過一個驅(qū)動變頻器18與可編程控制器20相連接，通過作為主驅(qū)動器的變頻器18接收可編程控制器20發(fā)出的控制指令進行工作；所述可編程控制器20與反應運行狀態(tài)的絕對值編碼器16相連接，收集驅(qū)動轂輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置的信息；由絕對值編碼器16和制動單元組成了行程檢測及制動部分。
如上所述的全自動采油機，其中可編程序控制器20由CPU模塊、I/O模塊、LCD液晶顯示器組成。
全自動采油機中可編程控制器20還分別與矢量編碼器15、油量流量計19相連接，分別收集變頻電機的轉(zhuǎn)速和出油管出油流量的信息；所述矢量編碼器15直接從變頻電機17軸測得角度位置、轉(zhuǎn)速信息，經(jīng)可編程控制器20進行程序控制后，生成控制指令，控制變頻電機17的換向、設定和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
本發(fā)明所述全自動采油機由于采用了計算機精確計算的懸點負荷直接重力平衡方式采油，使抽油機運行時的不平衡力達到了90％以上，節(jié)電80％以上，由于采用了數(shù)字化矢量變頻器及矢量編碼器和變頻電機組合的驅(qū)動運行方式，使抽油機完成了軟驅(qū)動，運行過程中可以根據(jù)油質(zhì)、油流、油層的變化，任意調(diào)節(jié)沖程、沖次，并可精確調(diào)節(jié)上行程或下行程運行速度，以適應油井懸點提升的變化，能提高采油效率10％-30％以上。采用計算機控制，使抽油機的各系統(tǒng)能夠在參數(shù)優(yōu)化情況下連續(xù)、可靠的長時間運行，有效地提高了本裝置的使用壽命，降低了各零部件的故障損壞率，使本裝置成本得以降低。本發(fā)明還具有載荷大、人工/自動/遠程通訊管理、故障自我診斷、自動報警等特點，適應于深油井、高含水井、稠油井及一般井。
圖面說明

圖1是本發(fā)明的全自動采油機結構正視圖；圖2是本發(fā)明的全自動采油機結構右視圖；圖3是本發(fā)明的全自動采油機負荷配重平衡關系圖；圖4是本發(fā)明的全自動采油機起動、沖程、沖次、回程泵載運行關系結構圖；圖5是本發(fā)明的全自動采油機控制電路框圖；圖6是本發(fā)明的全自動采油機自動控制原理框圖；圖7是本發(fā)明的全自動采油機另一實施例結構正視圖；圖8是本發(fā)明的全自動采油機另一實施例結構右視圖；圖9是本發(fā)明的全自動采油機另一實施例負荷配重平衡關系圖；圖10是本發(fā)明的全自動采油機另一實施例起動、沖程、沖次、回程泵載運行關系結構圖；圖11是本發(fā)明的全自動采油機另一實施例控制電路框圖；圖12是本發(fā)明的全自動采油機另一實施例自動控制原理框圖。
本發(fā)明的具體實施例之一圖1、圖2、圖3、圖4對本采油機的結構進行了描述，其工作原理是電源14通過電路連接變頻器18，再與變頻電機17相連接。打開開關后，使得電機能夠正向、反向旋轉(zhuǎn)，電機17通過軸連接減速器5，減速器5通過軸連接驅(qū)動轂7A帶動傳動皮帶10A、10B通過隨動轂7B與懸繩器9連接后，接通抽油桿8，帶動抽油泵24。電機正轉(zhuǎn)為抽油，反轉(zhuǎn)為回程。正轉(zhuǎn)的行程距離叫沖程，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)一個周期叫1個抽油沖次，同時完成一個抽油過程。
驅(qū)動轂7A在帶動傳動皮帶10A、10B的同時，也帶動傳動皮帶11，傳動皮帶11另一端連接有配重箱12。在電機驅(qū)抽油泵正。反向運動時，配重箱12也同步隨之運動，起到平衡作用。所述的傳動皮帶10A、10B也可由鏈條或鋼纜替代。
可編程序控制器20通過絕對值編碼器16接收驅(qū)動轂輸出軸6旋轉(zhuǎn)的精確角度位置信息。編碼器16將接收的位置信號通過電路傳輸給可編程控制器20，可編程控制器20通過電腦軟件程序?qū)⒅噶顐鬏斀o變頻器18驅(qū)動變頻電機17完成抽油機的沖程定位與調(diào)正動能。
本采油機還包括機座1、機架2、上平臺3、配重滑道4、配電柜13、原油流量計、出油管線21和油井管柱油23。圖中22為井口。
抽油機皮帶10A、10B，懸繩器9，抽油桿8，抽油泵24，油管柱油23，(油管柱油在抽吸時摩擦力構成抽油機負載總和)配重皮帶11，配重箱總成12構成抽油機配重總和。
抽油機在運行時，電機17通過減速機5變速轉(zhuǎn)動帶動抽油機負載皮帶10A、10B，懸繩器9，抽油桿8，抽油泵24，管柱內(nèi)油23向上運動，實施抽油機的抽油過程，此時電機17作功，為了減少電機作功功率降低能耗，電機17連接減速機5，通過驅(qū)動轂7A連接10A、10B的同時反方向連接配重皮帶18，連接配重總成12，構成抽油機抽油時的配重平衡負載關系，達到減少電機運行功率，節(jié)約電能的目的。
變頻器18通過電路聯(lián)接變頻電機17，收集電機在負載運行的頻率、電流變化信號并傳輸給PLC進行處理，計算出抽油機運行時不同位置的負荷數(shù)值，根據(jù)這些數(shù)值反向計算，所需配重數(shù)值，通過人工改變配重，使抽油機負載運行時的平衡力達到85-100％，節(jié)約能源在80％以上，最大限度的實現(xiàn)了低耗能采油。
矢量編碼器15收集電機17中的軸8旋轉(zhuǎn)位置轉(zhuǎn)速信號；PLC20收集變頻器18中的電機35運行的轉(zhuǎn)速、頻率、電流、信號；PLC20收集出油流量計19的抽油機出油量信號；PLC根據(jù)收集到的上述信號，經(jīng)過掃描信息，儲存信息，處理信息后生成新的抽油機運行程序指令。
功能1.抽油機負荷的精確測定與配重的測定與調(diào)整；2.抽油機帶載起動速度參數(shù)的測定；3.抽油機帶載運行的沖程參數(shù)的測定；4.抽油機帶載運行的沖次參數(shù)的測定；5.抽油機帶載運行的回程參數(shù)的測定；6.抽油機帶載運行的泵載參數(shù)的測定。
并將新的抽油機運行的指令傳輸給變頻器36驅(qū)動變頻電機35旋轉(zhuǎn)完成抽油機的抽油功能。
電路原理如下1.絕對值編碼器16的功能是檢測抽油機的行程，它直接從抽油機驅(qū)動軸的編碼條紋測得角度位置，并將它轉(zhuǎn)化成代碼信號，代碼信號經(jīng)可編程序控制器20程序處理后，生成“控制”命令，輸入給變頻器18。變頻器按照可編程序控制器輸入的指令，驅(qū)動變頻電機17旋轉(zhuǎn)，使抽油機運行。實現(xiàn)抽油機懸點9的位置檢測和運行精確定位的要求。
2.矢量型編碼器15的功能是檢測變頻電機17的轉(zhuǎn)速和功率，它直接從變頻電機17軸測得轉(zhuǎn)速。并將它轉(zhuǎn)化成代碼信號，代碼信號經(jīng)可編程序控制器20程序處理后，生成“控制”命令，輸入給變頻器18。變頻器按照可編程序控制器的輸入指令，驅(qū)動變頻電機17旋轉(zhuǎn)，使抽油機運行。實現(xiàn)抽油機懸點負荷對變頻電機的圓滑正反轉(zhuǎn)，方便、平衡、準確地實現(xiàn)電機換向，設定和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的要求。
3.油量流量計19的功能是檢測抽油機通過每個沖次運行，所采出的油量。它直接從井口出油管中測得出油量，并將它轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)可編程序控制器20程序處理后，生成“控制”命令輸入給變頻器18。變頻器按照可編程序控制器輸入的指令，驅(qū)動變頻電機17旋轉(zhuǎn)，使抽油機運行，實現(xiàn)抽油機最大采油量對沖程、沖次及電機轉(zhuǎn)速的精確要求。
4.可編程序控制器20采用了CPU模塊，I/O模塊，LCD液晶顯示器，在與變頻器連接通訊方面具有獨到的優(yōu)勢。具有速度高、內(nèi)存大、輸入輸出點多并集成了許多特殊功能，它主要工作原理是1.程序存儲器，程序存儲器中存放用戶程序。2.處理器，處理器周期性的掃描程序；掃描周期開始，處理器讀所有輸入端信號的狀態(tài)，并存儲在過程輸入映象區(qū)中(PII)。然后，處理器在內(nèi)部計數(shù)器、位存儲器和定時器的控制下逐步掃描程序。處理器將新的信號狀態(tài)存在過程輸出映象區(qū)中(PIQ)。在周期的最后，新的信息狀態(tài)被送到輸出端。
絕對值編碼器16矢量編碼器15油量流量計19做為抽油機運行狀態(tài)的傳感裝置將感知的信息輸入到可編程序控制器的程序存儲器中，經(jīng)過處理器掃描程序處理后，將新信號狀態(tài)輸送到變頻器，驅(qū)動變頻電機運行抽油機。可編程序控制器能夠完成對抽油機的運行控制、狀態(tài)監(jiān)視與顯示、運行參數(shù)、平衡參數(shù)、起動(負載)參數(shù)、抽程參數(shù)、抽次參數(shù)、回程參數(shù)、泵載參數(shù)的修改等精密任務，并提供密碼保護功能等。
5.變頻器18是抽油機的主驅(qū)動裝置，它可以準確的實現(xiàn)電機17換向，圓滑正、反轉(zhuǎn)，以適應抽油機抽程(正轉(zhuǎn))回程(反轉(zhuǎn))的要求，同時能迅速改變頻率，使電機精確的改變轉(zhuǎn)速，包括超低速與超高速。也具備基本參數(shù)可設定，工作狀態(tài)可監(jiān)視等多種功能。適應了油井懸點提升的變化。能較好的滿足采油工藝要求，達到了針對不同井況進行高效、經(jīng)濟采油的目的。
變頻器接受可編程序控制器38的“控制”指令，按照可編程序控制器的指令驅(qū)動變頻電機35運轉(zhuǎn)使抽油機工作。
抽油機工作的電路運行程序見圖5。
1．設定抽油機運行的起動參數(shù)、抽程參數(shù)、抽次參數(shù)、回程參數(shù)、轉(zhuǎn)速電源、使抽油機運行。
2．運行過程中；絕對值編碼器16、矢量編碼器15、油量流量計19、變頻器18、變頻電機17將抽油機運行的各種信號狀態(tài)測得感知后輸送給可編程序控制器20，根據(jù)抽油機的具體運行要求，油井工況條件，運算出最佳出油率的抽油機運轉(zhuǎn)參數(shù)。并將新的信號狀態(tài)輸送到變頻器18，驅(qū)動變頻電機17運轉(zhuǎn)。
3．抽油機自動按照新的信號狀態(tài)程序運行后，應實現(xiàn)抽油機根據(jù)自身的工作要求和具體油井工況條件下的最大采油效率。
如果由于井況的變化，采油效率發(fā)生變化，電路應起動第二程序，重新生成新的信號狀態(tài)程序參數(shù)，使抽油機始終保持最佳的采油效率，最大限度的節(jié)約能源的工作運行狀態(tài)。
制動單元18.1、制動電阻18.2的功能是在電機換向及行程定位控制時用于制動及消耗電能。
抽油機運行指令如下1.運行的起動速度數(shù)值2.停止速度數(shù)值3.運行的沖程距離數(shù)值4.運行的沖次時間數(shù)值5.運行的回程速度數(shù)值6.運行的泵載數(shù)值7.防抽空保護數(shù)值8.防卡井保護程序指令9.報井指令 10.自我保護指令例抽油機運行指令起動時間1秒，電機轉(zhuǎn)數(shù)在1秒內(nèi)從0轉(zhuǎn)均衡提升至1380轉(zhuǎn)。沖程距離6m，抽油時間3秒。停止時間1秒，電機轉(zhuǎn)數(shù)在1秒內(nèi)從1380轉(zhuǎn)均衡減速到0轉(zhuǎn)?；爻虝r間、距離、速度與抽程相同。運行結果抽油機完成一次抽油過程時間為10秒，抽程為6m，抽次6次/分，采油量每次30kg。
本發(fā)明實施例之二圖8至圖12對本采油機的另一實施例進行了描述，其結構與工作原理大體與實施例一相同，區(qū)別在于本實施例較實施例一省去了矢量型編碼器15和出油流量計19。由于省去了矢量型編碼器15，使控制系統(tǒng)由閉環(huán)控制變成開環(huán)控制。同時省去油量出油流量計后，控制系統(tǒng)就沒有油量計量的參數(shù)。本實施例的特點是節(jié)省元器件，降低成本。缺點是變頻電機運行的精度降低，因此不適應在非常復雜工況的油井，進行精度電機轉(zhuǎn)數(shù)控制。缺點之二是不能精確計算出油量，對起動速度、回程速度、沖程、沖次的精確參數(shù)調(diào)整有影響。
權利要求
1．一種全自動采油機，其特征在于全自動采油機采用軸傳動及柔性皮帶懸掛結構，由變頻電機17通過軸連接減速器5，減速器5通過軸連接驅(qū)動轂7A，帶動傳動皮帶10A、傳動皮帶10B，通過隨動轂7B與懸繩器9連接后，接抽油桿8，帶動抽油泵24工作；電機正轉(zhuǎn)為抽油，反轉(zhuǎn)為回程；驅(qū)動轂7a在帶動傳動皮帶10A、10B同時，也帶動傳動皮帶11，傳動皮帶11另一端連接配重箱12，所述配重箱12隨抽油泵正、反向作同步運動；本采油機還包括機座1、機架2和上平臺3，所述電機17，減速機5、驅(qū)動轂輪7A和隨動轂輪7B均固定于上平臺3上；所述變頻電機17通過一個驅(qū)動變頻器18與可編程控制器20相連接，通過作為主驅(qū)動器的變頻器18接收可編程控制器20發(fā)出的控制指令進行工作；所述可編程控制器20與反應運行狀態(tài)的絕對值編碼器16相連接，收集驅(qū)動轂輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置的信息；由絕對值編碼器16和制動單元組成了行程檢測及制動部分。
2．如權利要求1所述的一種全自動采油機，其特征在于可編程序控制器20由CPU模塊、I/O模塊、LCD液晶顯示器組成。
3．如權利要求1所述的一種全自動采油機，其特征在于全自動采油機中可編程控制器20還分別與矢量編碼器15、油量流量計19相連接，分別收集變頻電機的轉(zhuǎn)速和出油管出油流量的信息；所述矢量編碼器15直接從變頻電機17軸測得角度位置、轉(zhuǎn)速信息，經(jīng)可編程控制器20進行程序控制后，生成控制指令，控制變頻電機17的換向、設定和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
全文摘要
本發(fā)明涉及全自動采油機領域。本裝置采用軸傳動及柔性皮帶懸掛系統(tǒng),由變頻電機通過減速器、連接驅(qū)動轂帶動傳動皮帶,通過隨動轂與懸繩器連接后,接通抽油桿,帶動抽油泵工作。本裝置還包括測量驅(qū)動轂旋轉(zhuǎn)角度的絕對值編碼器、測量變頻電機轉(zhuǎn)速的矢量編碼器和油量計量計。本裝置通過可編程控制器處理采集的信號,并對機、桿、泵系統(tǒng)進行自動控制。本裝置具有節(jié)能、采油效率高和使用壽命長等優(yōu)點。
文檔編號E21B43/00GK1286357SQ9911924
公開日2001年3月7日 申請日期1999年8月27日 優(yōu)先權日1999年8月27日
發(fā)明者盧旭, 李瑩 申請人:盧旭, 李瑩