本發(fā)明屬于機(jī)采系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

目前應(yīng)用的游梁式抽油機(jī)有桿泵采油方式雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)耐用、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但也存在桿管偏磨、傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)效率提升空間小等固有難題。由于抽油機(jī)的負(fù)載是一種帶有沖擊性的交變負(fù)載，而目前抽油機(jī)拖動(dòng)電機(jī)主要是采用三相異步電機(jī)，該電機(jī)適應(yīng)于負(fù)載不變的工況，這就造成了電機(jī)與負(fù)載的不匹配。導(dǎo)致電機(jī)長(zhǎng)期處于低負(fù)荷下運(yùn)行，無(wú)法達(dá)到額定效率范圍，電機(jī)能量損耗高，從而影響油井整體的系統(tǒng)效率水平。

針對(duì)上述問(wèn)題，長(zhǎng)慶油田研發(fā)并推廣應(yīng)用了大量的數(shù)字化抽油機(jī)，主要由抽油機(jī)本體、智能控制柜、傳感器、平衡調(diào)節(jié)裝置等組成，就是在常規(guī)游梁式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上，具備功圖和電參數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡、自動(dòng)調(diào)節(jié)沖次（沖次的高低直接影響電能消耗的多少）、自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速并能遠(yuǎn)程控制等功能，但仍然不能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需要，對(duì)于低液量、間歇出液井還缺乏很好的適應(yīng)性，同時(shí)根據(jù)實(shí)際地層出液情況自適應(yīng)控制但電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是以一個(gè)沖程周期（抽吸周期）為最小單元進(jìn)行控制，而未做到一個(gè)沖程周期的每一個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)速都進(jìn)行控制匹配，還沒(méi)完全實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)合理、高效運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述問(wèn)題，通過(guò)在每一個(gè)抽吸周期的每一個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行電機(jī)與負(fù)載的控制匹配，實(shí)現(xiàn)機(jī)采系統(tǒng)效率的提升、及能耗降低的目標(biāo)。

為此，本發(fā)明提供了一種游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，包括控制器和變頻器、設(shè)于井口懸繩器上的載荷傳感器、設(shè)于游梁下方的位移傳感器、設(shè)于電機(jī)軸輸出端的轉(zhuǎn)速傳感器、設(shè)于抽油機(jī)上的電參采集模塊；

所述控制器包括井口采集器、rtu控制單元、顯示模塊、操作單元，所述電參采集模塊用于獲取抽油機(jī)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并將所述實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)發(fā)送至rtu控制單元所述井口采集器、顯示模塊、操作單元均與rtu控制單元電連接，所述載荷傳感器和位移傳感器均與井口采集器輸入端電連接，所述井口采集器用于采集載荷電信號(hào)和位移電信號(hào)，所述電參采集模塊輸出端和轉(zhuǎn)速傳感器輸出端均與rtu控制單元輸入端連接，所述rtu控制單元輸出端與變頻器電連接，所述變頻器與電機(jī)電連接。

所述轉(zhuǎn)速傳感器輸出端與rtu控制單元輸入端無(wú)線連接。

所述實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)包括功率、電流值、電壓值。

本發(fā)明還提供了一種游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制方法，使用游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，包括以下步驟：

步驟1）載荷傳感器和位移傳感器分別對(duì)抽油機(jī)抽油桿載荷、位移進(jìn)行采集，并以一個(gè)抽吸周期內(nèi)位移為橫坐標(biāo)、載荷為縱坐標(biāo)，得到光桿示功圖；

載荷和位移電信號(hào)通過(guò)電纜線傳至井口采集器，之后上傳至rtu控制單元進(jìn)行運(yùn)算求解得到抽油泵示功圖；

步驟2）轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速電信號(hào)發(fā)送至rtu控制單元，電參采集模塊對(duì)油機(jī)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，將電機(jī)功率上傳至rtu控制單元；

步驟3）rtu控制單元根據(jù)光桿示功圖判斷油井工況、抽油泵示功圖得出的有效沖程、一個(gè)抽吸周期電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率的狀態(tài)曲線，判定油井適合以下哪種控制策略進(jìn)行油井節(jié)能控制：調(diào)整沖次和隨動(dòng)控制還是間抽和隨動(dòng)控制，通過(guò)操作單元調(diào)整沖次或啟停抽油機(jī)，同時(shí)rtu控制單元運(yùn)算得出電機(jī)轉(zhuǎn)速分布和電流頻率f分布，發(fā)送給變頻器，控制電機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

所述調(diào)整沖次具體過(guò)程為：由抽油泵示功圖得出的有效沖程小于油井工況的對(duì)應(yīng)量時(shí)，沖次調(diào)小，反之則調(diào)大，沖次調(diào)整幅度1%~5%，將調(diào)整后3-4小時(shí)內(nèi)的平均有效沖程與調(diào)整前的等時(shí)間段內(nèi)平均有效沖程進(jìn)行比較，如果平均有效沖程不變化，可繼續(xù)調(diào)小或調(diào)大沖次，直到產(chǎn)液量趨于平穩(wěn)。

所述間抽適用于沖次已達(dá)到最小值，無(wú)法再往小調(diào)整的情況，所述間抽由rtu控制單元計(jì)算電機(jī)運(yùn)行及停止時(shí)間，通過(guò)操作單元啟停實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

所述隨動(dòng)控制具體過(guò)程為：rtu控制單元根據(jù)電機(jī)功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速初始狀態(tài)曲線，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)功率，使電機(jī)功率趨于平穩(wěn)，所述電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)變頻器控制電流頻率實(shí)現(xiàn)。

所述光桿示功圖和抽油泵示功圖每天采集數(shù)不少于110張，且一個(gè)抽吸周期內(nèi)測(cè)取載荷及位移數(shù)據(jù)不少于200個(gè)。

所述一個(gè)抽吸周期內(nèi)測(cè)取電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)不少于200個(gè)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的這種游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際出液情況給出最合理的控制方法，通過(guò)沖次調(diào)整、間抽及隨動(dòng)控制，滿足了一個(gè)沖程周期內(nèi)油井的精細(xì)化控制，從而實(shí)現(xiàn)油井的節(jié)能降耗以及減少運(yùn)行設(shè)備的損耗。

下面將結(jié)合附圖做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的原理示意圖；

圖2是抽油泵示功圖；

圖3是電機(jī)功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速初始狀態(tài)曲線；

圖4是目標(biāo)狀態(tài)曲線。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

本實(shí)施例提供了一種如圖1所示的游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，包括控制器和變頻器、設(shè)于井口懸繩器上的載荷傳感器、設(shè)于游梁下方的位移傳感器、設(shè)于電機(jī)軸輸出端的轉(zhuǎn)速傳感器、設(shè)于抽油機(jī)上的電參采集模塊；

所述控制器包括井口采集器、rtu控制單元、顯示模塊、操作單元，所述電參采集模塊用于獲取抽油機(jī)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并將所述實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)發(fā)送至rtu控制單元所述井口采集器、顯示模塊、操作單元均與rtu控制單元電連接，所述載荷傳感器和位移傳感器均與井口采集器輸入端電連接，所述井口采集器用于采集載荷電信號(hào)和位移電信號(hào)，所述電參采集模塊輸出端和轉(zhuǎn)速傳感器輸出端均與rtu控制單元輸入端連接，所述rtu控制單元輸出端與變頻器電連接，所述變頻器與電機(jī)電連接。

實(shí)施例2：

在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例提供了一種游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)速傳感器輸出端與rtu控制單元輸入端無(wú)線連接。

所述實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)包括功率、電流值、電壓值。

本發(fā)明原理：通過(guò)安裝在井口懸繩器上的載荷傳感器和游梁下方的位移傳感器，對(duì)抽油機(jī)井抽油桿載荷和位移進(jìn)行測(cè)量，采集載荷與時(shí)間、位移與時(shí)間曲線，獲得光桿示功圖，載荷和位移電信號(hào)通過(guò)電纜線傳至井口采集器，上傳至rtu控制單元進(jìn)行運(yùn)算得抽油泵示功圖，在抽油機(jī)上安裝電參采集模塊，對(duì)抽油機(jī)電機(jī)的三相電流、電壓、電機(jī)功率進(jìn)行同步采集，電參采集模塊將電機(jī)功率上傳至rtu控制單元，在電機(jī)軸輸出端安裝轉(zhuǎn)速傳感器，同步采集電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，電機(jī)軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送至rtu控制單元，rtu控制單元計(jì)算電機(jī)運(yùn)行及停止時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速ω分布和電流頻率f分布，并將參數(shù)發(fā)送給變頻器，變頻器通過(guò)控制電流頻率、工作時(shí)間控制電機(jī)運(yùn)行，達(dá)到抽油機(jī)節(jié)能控制的目的。

其中，操作單元由啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、復(fù)位按鈕、沖次調(diào)節(jié)旋鈕、手動(dòng)沖次調(diào)節(jié)旋鈕、平衡調(diào)節(jié)旋鈕、手動(dòng)平衡調(diào)節(jié)按鈕、方向轉(zhuǎn)換旋鈕組成。其作用是對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，實(shí)現(xiàn)調(diào)整沖次、啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向等功能。顯示模塊是顯示抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、示功圖。

實(shí)施例3：

在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例提供了一種游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制方法，包括以下步驟：

步驟1）載荷傳感器和位移傳感器分別對(duì)抽油機(jī)抽油桿載荷、位移進(jìn)行采集，并以一個(gè)抽吸周期內(nèi)位移為橫坐標(biāo)、載荷為縱坐標(biāo)，得到光桿示功圖；

載荷和位移電信號(hào)通過(guò)電纜線傳至井口采集器，之后上傳至rtu控制單元進(jìn)行運(yùn)算求解得到抽油泵示功圖；

步驟2）轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速電信號(hào)發(fā)送至rtu控制單元，電參采集模塊對(duì)油機(jī)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，將電機(jī)功率上傳至rtu控制單元；

步驟3）rtu控制單元根據(jù)光桿示功圖判斷油井工況、抽油泵示功圖得出的有效沖程、一個(gè)抽吸周期電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率的狀態(tài)曲線，判定油井適合以下哪種控制策略進(jìn)行油井節(jié)能控制：調(diào)整沖次和隨動(dòng)控制還是間抽和隨動(dòng)控制，通過(guò)操作單元調(diào)整沖次或啟停抽油機(jī)，同時(shí)rtu控制單元運(yùn)算得出電機(jī)轉(zhuǎn)速分布和電流頻率f分布，發(fā)送給變頻器，控制電機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

如圖2所示，確定下沖程游動(dòng)閥閉合點(diǎn)和游動(dòng)閥開(kāi)啟點(diǎn)，這兩點(diǎn)的距離即為有效沖程，反應(yīng)了抽油泵的充滿程度，由此可判斷油井供排是否平衡，從而對(duì)沖次進(jìn)行調(diào)整。

其中，調(diào)整沖次具體過(guò)程為：由抽油泵示功圖得出的有效沖程小于油井工況的對(duì)應(yīng)量時(shí)，沖次調(diào)小，反之則調(diào)大，沖次調(diào)整幅度1%~5%，將調(diào)整后3-4小時(shí)內(nèi)的平均有效沖程與調(diào)整前的等時(shí)間段內(nèi)平均有效沖程進(jìn)行比較，如果平均有效沖程不變化，可繼續(xù)調(diào)小或調(diào)大沖次，直到產(chǎn)液量趨于平穩(wěn)。

所述間抽適用于沖次已達(dá)到最小值，無(wú)法再往小調(diào)整的情況，所述間抽由rtu控制單元計(jì)算電機(jī)運(yùn)行及停止時(shí)間，通過(guò)操作單元啟停實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

所述隨動(dòng)控制具體過(guò)程為：rtu控制單元根據(jù)電機(jī)功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速初始狀態(tài)曲線，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)功率，使電機(jī)功率趨于平穩(wěn)，所述電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)變頻器控制電流頻率實(shí)現(xiàn)。如圖3所示為一個(gè)抽吸周期電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的初始狀態(tài)曲線，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出功率，降低高功率區(qū)的轉(zhuǎn)速以降低輸出功率、提高低功率區(qū)的轉(zhuǎn)速以提高輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出功率和輸出扭矩的重新分布，使電機(jī)功率趨于平穩(wěn)，平直且絕對(duì)值低，達(dá)到“削峰填谷”的目的，即實(shí)現(xiàn)目標(biāo)狀態(tài)曲線（見(jiàn)圖4），這是電機(jī)達(dá)到節(jié)能的核心。

當(dāng)連續(xù)三天泵的平均充滿系數(shù)低于50%時(shí)（可進(jìn)行設(shè)置），先進(jìn)行沖次調(diào)整，并優(yōu)化一個(gè)沖程周期內(nèi)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，進(jìn)行功率隨動(dòng)控制，達(dá)到“削峰填谷”的目的，如果沖次已經(jīng)達(dá)到最小值，連續(xù)三天泵的平均充滿系數(shù)仍低于50%，開(kāi)展油井間抽，確定出最佳間開(kāi)時(shí)間，開(kāi)井過(guò)程中優(yōu)化一個(gè)沖程周期內(nèi)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)功率隨動(dòng)控制。

載荷與時(shí)間、位移與時(shí)間的采集頻率根據(jù)油田產(chǎn)量和出液規(guī)律，確定每一口油井巡測(cè)一組示功圖數(shù)據(jù)的頻率，對(duì)低產(chǎn)井宜采用10分鐘的頻率，且一天采集的有效功圖數(shù)不少于110張。一個(gè)抽吸周期內(nèi)測(cè)取數(shù)據(jù)組點(diǎn)數(shù)不少于200個(gè)。一個(gè)抽吸周期內(nèi)測(cè)取電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)不少于200個(gè)。實(shí)現(xiàn)電機(jī)與負(fù)載的控制匹配，實(shí)現(xiàn)機(jī)采系統(tǒng)效率的提升、及能耗降低的目標(biāo)。

本發(fā)明中的rtu控制單元、電參采集模塊均為現(xiàn)有技術(shù)，以上各實(shí)施例沒(méi)有詳細(xì)敘述的方法和結(jié)構(gòu)屬本行業(yè)的公知常識(shí)，這里不一一敘述。

以上例舉僅僅是對(duì)本發(fā)明的舉例說(shuō)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計(jì)均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。