采油机抽程抽油杆伸缩变形影响泵效的识别和控制方法

摘要

本发明涉及数码控制采油技术领域。它是通过载荷传感器、电流传感器、位置传感器和时间计算器采集抽油杆上行程中加载伸长、卸载缩短的变形过程数据信号。并识别出抽油杆的变形与运行电流、运行载荷、运行时间、运行距离、泵筒效率和采油机的运行平衡比关系。通过改变运行动态平衡、动态载荷、动态速度、动态行程,充分合理利用抽油杆运动过程中的弹性变形,有效地提高深井泵泵筒效率。

说明书

本发明涉及数码控制采油技术领域。

采油机在抽采的上冲程运动中，抽油杆带动着活塞向上运动。活塞上的游动凡尔受管内液柱压力而关闭。此时，泵内(活塞下面的)压力降低，固定凡尔在环行空间液柱压力(沉没压力)的作用下被打开。此冲程是泵内吸入液体，而井口排出液体的过程。它的排出程度直接影响泵的效率。我国目前采油机的泵效平均只有30％左右，所以，提高泵的效率是增加采出效率的重要因素。

本发明的目的是提供一种采油机抽程抽油杆伸缩变形影响泵效的识别和控制方法。

本发明实现上述目的所采用的方法如下：

通过位置传感器采集采油机上冲程地面悬绳器运行的精确位置、地下深井泵活塞运行的精确位置；通过载荷传感器、电流传感器、位置传感器、时间计算器采集抽油杆柱上行程中加载伸长，卸载缩短的变形过程数据信号；通过抽油机的实际运行，识别出抽油杆柱的变形与运行电流、运行载荷、运行时间、运行距离和泵筒效率运行平衡比关系；通过调整改变抽油机的动态平衡、动态载荷、动态速度和动态行程，满足抽油杆柱自由震动与悬点摆动引起的强迫震动的最佳相位配合；在抽程启动加速、运行、减速停止、再启动过程中，读出的抽油杆加载变形伸长的距离与时间点应≤设定的地面悬点的启动加速的距离与时间点；地面悬点的减速停止换相点与回程启动点之间的停止时间应≥抽油杆弹性收缩的时间，实际运行值与设定值相比较，符合与接近阈值为正常运行，否则重新修正设定的参数，直至符合上述阈值正常运行。

本发明具有如下优点：

①实现了自动识别、控制抽油杆弹性变形与活塞位移的匹配，及抽油杆变形后杆柱自由振动与悬点摆动引起的强迫振动的位相匹配。

②有效地提高泵效、降低采油成本、提高采出效率。

③延长机、杆、泵的使用寿命。

本发明所述采油机抽程抽油杆伸缩变形影响泵效的识别和控制方法的原理和具体识别和控制方法如下：

采油机在抽采的上冲程运动中，抽油杆带动着活塞向上运动。活塞上的游动凡尔受管内液柱压力而关闭，此时，泵内压力降低，固定凡尔在环行空间液柱压力的作用下被打开。如果油管内已逐渐被液体所充满，在井口将排出相当于活塞冲程长度的一段液体。原来作用在固定凡尔上的油管内的液柱压力将从油管转移到活塞上，从而引起抽油杆柱的伸长和油管的缩短。悬点上承受的静载荷为抽油杆重量加活塞以上的液柱重量。

上冲程是泵内吸入液体，而井口排出液体的过程。造成泵吸入的条件是泵内(吸入压力)低于沉没压力。

上冲程承受的载荷为：

①抽油杆的重力载荷：悬点在上下运动时，带着抽油杆做往复运动，所以，抽油杆重量始终作用在悬点上。在上冲程中，游动凡尔关闭，抽油杆不受管内液体浮力的作用。作用在悬点上的抽油杆柱的重力，既它在空气中的重量。

②作用在活塞上的液柱载荷：在上冲程中，由于游动凡尔关闭，活塞上的液柱重量作用在悬点上。

③惯性载荷：抽油机运转时，悬点带着抽油杆和液柱做变速运动，因而产生抽油杆和液体的惯性力。惯性载荷的大小取决于抽油杆的质量、悬点加速度及其在杆柱上的分布。悬点加速度在上、下冲程中，大小和方向是变化的。因而，作用在悬点的惯性载荷的大小和方向也将随悬点加速度而变化。上冲程中，抽油杆柱、液柱引起悬点惯性载荷。上冲程中，前半程加速度方向与运动相同，即加速度向上，则惯性力向下，从而增加悬点载荷，后半程中加速度方向与运动方向相反，即加速度向下，则惯性力向上，从而减少悬点载荷。

④摩擦载荷：上冲程中作用在悬点上的摩擦载荷有：

a.抽油杆柱与油管的摩擦力；b.柱塞与衬套之间的摩擦力；c.液柱与油管之间的摩擦力。其方向向下，故增加悬点载荷。沉没压力及井口回压对悬点载荷的影响：上冲程中，在沉没压力作用下，井内液体克服泵的入口设备的阻力进入泵内，此时液流所具有的压力叫吸入压力。此压力作用在活塞底部而产生向上的载荷。液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压对悬点将产生附加的载荷。其性质与油管内液体产生的载荷相同。上冲程中增加悬点载荷。

⑤振动载荷：抽油杆柱本身是一弹性体，由于抽油杆柱做变速运动和液柱载荷周期性地作用于抽油杆柱，从而引起抽油杆柱的弹性振动，他所产生的振动载荷亦作用于悬点上。其数值与抽油杆柱的长度、载荷变化周期及抽油机结构有关。采油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕(初期变形)之后，抽油杆柱带着活塞随悬点做变速运动。在此过程中，除了液柱和抽油杆柱产生的静载荷之外，还会在抽油杆柱上引起动载荷。这种动载荷基本由两部分组成：初期变形末抽油杆柱运动引起的自由纵振产生的振动载荷和抽油杆柱做变速运动所产生的惯性载荷。

当悬点上升到上始点时，速度趋于零，但抽油杆有向下的(负的)最大加速度和向上的最大惯性载荷，使抽油杆柱减载而缩短。所以，悬点到达上始点后，抽油杆在惯性力的作用下还会带着活塞继续上行，使活塞比静载变形时间上多移动一段距离。

液柱载荷周期性地作用在抽油杆柱上，在上冲程静变型结束后，液柱开始随抽油杆柱做变速运动，于是引起抽油杆的振动。由于抽油杆本身的振动而产生的附加载荷，使抽油杆在运动过程中发生周期性的伸长和缩短，从而影响泵效。如果在上冲程末抽油杆柱本身的振动恰好使抽油杆发生缩短时，将使活塞有效冲程增加。相反则减小活塞冲程。

抽油杆本身振动的相位在上下冲程中几乎是对称的。

抽油杆振动引起的伸缩对活塞的冲程影响都是一致的，既要增加都增加，要减小都减小。抽油杆在井下工作时，受力情况是相当复杂的至于究竟是增加还是减小，将取决于抽油杆柱自由震动与悬点摆动引起的强迫震动的位相配合。

识别的过程如下：

(1)由位置传感器、载荷传感器、识别由于上冲程载荷的变化过程引起抽油杆柱的弹性伸缩变化，及抽油杆位移带动活塞冲程位移的变化过程。

(2)由位置传感器、电流传感器、识别由于上冲程抽油杆的弹性伸缩变化过程引起电流的变化，及抽油杆位移带动活塞冲程位移的电流变化过程。

(3)由位置传感器、载荷传感器、电流传感器、时间计算器识别上冲程杆柱受力变形伸缩，导致活塞位移与地面悬绳器位移不一致的几种原因。

(4)精确计算出上冲程杆柱伸缩变形，导致活塞位移的差、即是有效冲程的差。也就是泵效的减低量。

(5)由位置传感器、载荷传感器、电流传感器、时间计算器识别上冲程抽油杆柱受力变形后期，抽油杆柱自由振动与悬点摆动引起的强迫振动的位相配合时间点、位置点、载荷点、电流点。

(6)识别和控制上冲程抽油杆柱自由振动与悬点摆动引起的强迫振动的位相配合时间点、位置点、载荷点、电流点。使理论泵效≥实际泵效，理论冲程≥实际冲程，有效地降低采油成本，提高采出效率，延长机、杆、泵的使用寿命。

控制过程如下：本发明实施例如下：

①设定启动时间为3秒、启动系统额定加速频率为0-35Hz。开机。

②采油机运行抽程启动过程中，程序通过载荷传感器、冲程位置传感器、读出地面采油机悬绳器位移距离与使抽油杆变形伸长受力载荷变化的二维曲线值图形。例：启动载荷3600kg在启动时间3秒时间内逐渐增加到5100kg的加载曲线(既为采油杆弹性伸长的过程)。其中：曲线起点3600kg为抽油杆弹性变形的开始点，曲线的5100kg点是抽油杆最大载荷弹性振动点，同时是活塞开始位移采油的开始点，也是抽油杆弹性加载伸长终点。加载起点3600kg逐渐增至加载终点5100kg形成的加载曲线过程，采油机悬绳器相应产生位移距离(例：600mm)既是抽油杆受力弹性伸长的距离。

采油机运行抽程过程中，程序通过电流传感器、冲程位置传感器，读出地面采油机悬绳器位移距离与使抽油杆受力变形伸长引起的电机运行电流变化的二维曲线值图形。例：启动电流0A在启动时间3秒时间内逐渐增加到9A的电流曲线(既为采油杆弹性伸长的过程)。其中；曲线起点0A为抽油杆弹性变形的开始点，曲线的9A点是抽油杆最大电流弹性振动点，同时是活塞开始位移采油的开始点，也是抽油杆弹性加载伸长终点。电流起点0A逐渐增至终点9A形成的电流加载曲线过程，采油机悬绳器相应产生的位移距离(例：600mm)既是抽油杆受力弹性伸长的距离。

③与启动过程载荷变化(从3600kg至斜坡的最高点5100kg)相对应的地面悬点位移600mm(既为伸长的距离)。

与启动过程电流变化(从最低点0A至斜坡的最高点9A)相对应的地面悬点位移600mm(既为伸长的距离)。

④计算出地下深井泵活塞与抽油机悬绳器位移位移的差3400mm-4000mm＝-600mm(既为抽油杆弹性变形距离，也就是抽油机冲程减少量值)。

⑤设定减速时间为2秒、停止换相时间为1秒，停止系统额定减速频率为35-0Hz。开机。

⑥采油机运行抽程减速至停止过程中，程序通过载荷传感器、冲程位置传感器，读出地面采油机悬绳器位移距离与使抽油杆逐渐卸载缩短变形的二维曲线值图形。例：运行载荷5100kg在减速停止时间3秒时间内，逐渐减少到3600kg的卸载曲线(既为采油杆弹性缩短的过程)。其中；曲线起点5100kg为抽油杆弹性变形缩短的开始点，曲线的3600kg点是抽油杆最小载荷弹性振动点，同时是地面采油机悬绳器停止采油的位移点，也是抽油杆弹性卸载缩短的开始点，卸载起点5100kg逐渐降至卸载终点3600kg形成的卸载曲线过程，抽油杆卸载过程中相应产生的缩短位移距离(例：600mm)既是深井泵活塞在抽油杆缩短带动下产生的抽油运行距离。也是抽油杆弹性卸载缩短终点。

采油机运行抽程减速至停止过程中，程序通过电流传感器、冲程位置传感器，读出地面采油机悬绳器位移距离与使抽油杆逐渐卸载缩短变形引起的电机运行电流变化的二维曲线值图形。例：运行电流18A在减速时间3秒时间内逐渐减少至0A的电流曲线(既为采油杆弹性缩短的过程)。其中；曲线起点18A为抽油杆弹性缩短的开始点，曲线的0A点是抽油杆弹性缩短电流弹性振动点，同时是地面采油机悬绳器停止采油的位移点，也是抽油杆弹性卸载缩短的开始点。卸载电流起点18A逐渐降至终点0A形成的电流卸载曲线过程，抽油杆卸载过程中相应产生的缩短位移距离(例：600mm)既是深井泵活塞在抽油杆缩短带动下产生的抽油运行距离。也是抽油杆弹性卸载缩短终点。

⑦与减速停止过程载荷变化(从5100kg至斜坡的最低点3600kg)相对应的地下深井泵比地面悬绳器多位移600mm(既为抽油杆缩短的距离，也是增加采油冲程的距离)。

与减速停止过程电流变化(从斜坡的最高点18A至最低点0A)相对应的地下深井泵比地面悬绳器多位移600mm(既为抽油杆缩短的距离)。

⑧计算出抽油机悬绳器位移与地下深井泵活塞位移差3400mm-4000mm＝-600mm(既为抽油杆弹性缩短距离，也就是抽油机冲程增加量值)。

⑨在抽程启动加速、运行、减速停止、再启动过程中，系统程序读出的抽油杆加载变形伸长的距离与时间点应≤设定的地面悬点的启动加速的距离与时间点。地面悬点的减速停止换相点与回程启动点之间的停止时间应≥抽油杆弹性收缩的时间。

⑩实际运行值与设定值相比较；符合与接近上述阈值为正常运行，否则返回第一步，重新修正设定的参数，直至符合上述阈值正常运行。