本發(fā)明涉及一種游梁式油田抽油機(jī)的節(jié)能控制方法，屬于油田采油機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，油田所使用的抽油機(jī)絕大多數(shù)是游梁式抽油機(jī)，游梁式抽油機(jī)--有桿抽油油泵，全系統(tǒng)的總效率在國內(nèi)一般地區(qū)平均只有12%~23%，先進(jìn)地區(qū)至今也不到30%。美國的常規(guī)型抽油機(jī)系統(tǒng)效率較高，但也僅有46%。系統(tǒng)效率低下，能耗大，耗電就多，因此，節(jié)能成為有桿抽油系統(tǒng)的一個(gè)急需解決的問題。

此外，隨著老油田油井的注水開發(fā)，油田已經(jīng)開始進(jìn)入高含水采油期。不斷提高產(chǎn)液量，以液保油，這是注水開采油田保證原油穩(wěn)產(chǎn)的必要趨勢。這種開采特點(diǎn)要求抽油機(jī)的沖程越長越好，而在役的常規(guī)型游梁式抽油機(jī)機(jī)型偏小，在一定程度上已經(jīng)不能滿足長沖程、低沖次生產(chǎn)的要求。

另外，游梁式抽油機(jī)是由電動(dòng)機(jī)、地面?zhèn)鲃?dòng)設(shè)備及井下抽油設(shè)備組成，工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)經(jīng)變速箱、曲柄連桿機(jī)構(gòu)變成驢頭的上下運(yùn)動(dòng)，驢頭經(jīng)光桿、抽油桿帶動(dòng)井下抽油泵的柱塞作上下運(yùn)動(dòng)，從而不斷地把井中的原油抽出井筒。游梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)效率是各部分效率的連乘積，任何一環(huán)的效率變低，都會(huì)使總效率變低，因此要提高抽油系統(tǒng)的總效率實(shí)現(xiàn)節(jié)能是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。

游梁式抽油機(jī)是油田的耗電大戶，其用電量約占油田總用電量的40%，油田抽油機(jī)高耗能的主要原因有以下幾個(gè)：

1） 游梁式抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷為周期性變載荷，懸點(diǎn)載荷在減速器曲柄軸上的扭矩曲線與曲柄平衡的正弦曲線差別很大，使曲柄上的凈扭矩曲線波動(dòng)很大，甚至出現(xiàn)負(fù)值。而普通的三相異步電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩基本上恒定不變，為滿足峰值扭矩的要求，抽油機(jī)不得不配用較大功率的電動(dòng)機(jī)，這就造成了運(yùn)行過程中大多數(shù)情況下電動(dòng)機(jī)處于輕載狀態(tài)，運(yùn)行效率和功率因素都很低。因此，游梁式抽油機(jī)工作效率不高的主要原因是其載荷特性與所用的普通三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性不匹配。

2） 游梁式抽油機(jī)在運(yùn)行過程中，曲柄的角度是時(shí)刻變化的，不同的角度平衡效果是不同的。當(dāng)相位角大于90度的情況下，有功電流為負(fù)，這就是發(fā)電狀態(tài)，平衡效果越差，發(fā)電越多。但是從電動(dòng)機(jī)原理上看，在電動(dòng)和發(fā)電的轉(zhuǎn)換過程中電動(dòng)機(jī)正好處在效率最低段，整個(gè)過程中能量轉(zhuǎn)換效率特別低。

3） 游梁式抽油機(jī)在換向過程中，懸點(diǎn)加速度比較大。在整個(gè)機(jī)、桿、泵系統(tǒng)中，通常抽油桿達(dá)到1000m以上，這樣長的抽油桿在運(yùn)行過程中彈性形變已經(jīng)很明顯，在換向加速度大時(shí)抽油桿變形更大。這種變形使光桿與泵中活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生了很大的差異。在大多數(shù)情況下，抽油桿的彈性變形減少了活塞的實(shí)際行程，即降低了抽油泵的充滿系數(shù)。游梁式抽油機(jī)主要通過調(diào)節(jié)曲柄來使抽油機(jī)的儲(chǔ)能利用率提高，但未能改變其載荷周期性變化的特點(diǎn)，上下死點(diǎn)的加速度比較大，另外游梁式抽油機(jī)所需的啟動(dòng)力矩比較大，實(shí)現(xiàn)長沖程較為困難，沖次也不能過低，增大機(jī)型會(huì)造成抽油機(jī)體積和重量過大。

以上這些原因造成抽油機(jī)能耗過大，油井開采的電費(fèi)消耗居高不下。因此，對現(xiàn)今使用的常規(guī)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造并降低抽油機(jī)的能耗已成為非常迫切的任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決技術(shù)問題是：克服上述技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種可降低游梁式油田抽油機(jī)抽油時(shí)能耗的節(jié)能控制方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是：一種游梁式抽油機(jī)的節(jié)能控制方法，首先根據(jù)所述游梁式油田抽油機(jī)的幾何參數(shù)以及油田油層的壓力找出電動(dòng)機(jī)的耗能函數(shù)；在每日采油量確定的前提下，找出所述耗能函數(shù)處于最小值時(shí)在所述游梁式油田抽油機(jī)的抽油桿的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)所述電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與曲柄轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系；然后在游梁式油田抽油機(jī)的曲柄上設(shè)置一個(gè)起點(diǎn)，將所述抽油桿的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的曲柄轉(zhuǎn)角分成若干等分，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與所述曲柄轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出在每一曲柄轉(zhuǎn)角等分點(diǎn)處所述電動(dòng)機(jī)的理論瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；最后通過變頻器為游梁式油田抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)供電，根據(jù)計(jì)算出的電動(dòng)機(jī)理論瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，控制變頻器的實(shí)時(shí)輸出頻率。

優(yōu)選的，在游梁式油田抽油機(jī)的曲柄上設(shè)置定位傳感器來確定起點(diǎn)位置。

本發(fā)明的原理和有益效果如下：

對于一個(gè)確定的游梁式油田抽油機(jī)來說，它的幾何參數(shù)是確定的，將油層的壓力以及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速當(dāng)作參數(shù)，這樣就可以得到電動(dòng)機(jī)的耗能函數(shù)，在保證每日采油量達(dá)到一定的前提下，得出最少耗能時(shí)電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與曲柄轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系（現(xiàn)有技術(shù)）。

但這個(gè)曲柄的轉(zhuǎn)角是周期性變化的，且是確定的，所以可調(diào)的只有電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而問題就轉(zhuǎn)化成在保證采油量達(dá)到一定值時(shí)，怎樣控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)機(jī)的耗能最少。由于系統(tǒng)的周期性變化的特點(diǎn)，所以只要考慮在一個(gè)周期內(nèi)，怎樣控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)機(jī)的耗能最少就可以了。

從數(shù)學(xué)的角度講，就是將電動(dòng)機(jī)的輸出功率在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行積分，然后將此積分對包含在該積分里面的參數(shù)求極小值，就給出了電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和游梁式油田抽油機(jī)里各部件位置之間的關(guān)系方程，從而就可以這些位置為參數(shù)算出電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。在物理上，就可控制電動(dòng)機(jī)的輸入電壓和輸入電壓的頻率來使電動(dòng)機(jī)達(dá)到該瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)能。

因?yàn)樽冾l器的頻率變化時(shí)，變頻器的反應(yīng)速度較慢，頻率之間的變化需要一定的時(shí)間，再加上系統(tǒng)慣性，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和理論瞬時(shí)轉(zhuǎn)速往往不一致，需要進(jìn)行修正，以達(dá)到最大化的節(jié)能目的,因此上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)是：測量所述抽油桿的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)每個(gè)曲柄轉(zhuǎn)角等分點(diǎn)處的所述電動(dòng)機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和理論瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的差值來修正變頻器的實(shí)時(shí)輸出頻率，使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和理論瞬時(shí)轉(zhuǎn)速相吻合。優(yōu)選的，通過轉(zhuǎn)速傳感器測量所述抽油桿的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)每個(gè)曲柄轉(zhuǎn)角等分點(diǎn)處所述電動(dòng)機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)是：通過能量回收裝置回收所述電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)發(fā)出的電量，所述能量回收裝置聯(lián)合變頻器為電動(dòng)機(jī)供電。這是因?yàn)橥ǔ３橛蜅U達(dá)到1000m以上，這樣長的抽油桿在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速超過變頻器輸出電壓的旋轉(zhuǎn)電磁場的轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，即電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，為了不使這部分能量浪費(fèi)掉，增加一個(gè)能量回收裝置，從而進(jìn)一步提高節(jié)電率。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

本實(shí)施例的游梁式油田抽油機(jī)的節(jié)能控制方法，首先根據(jù)所述游梁式油田抽油機(jī)的幾何參數(shù)以及油田油層的壓力找出電動(dòng)機(jī)的耗能函數(shù)，在每日采油量確定的前提下，找出所述耗能函數(shù)處于最小值（即耗能最少）時(shí)，在所述游梁式油田抽油機(jī)的抽油桿的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)所述電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與曲柄轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系。

本實(shí)施例中根據(jù)所述游梁式油田抽油機(jī)的幾何參數(shù)、油田油層的壓力找出電動(dòng)機(jī)的耗能函數(shù)，以及耗能最少時(shí)確定所述電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與曲柄轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系均為現(xiàn)有技術(shù)，可參考游梁式油田抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)值分析類相關(guān)技術(shù)資料，不再贅述。

然后在游梁式油田抽油機(jī)的曲柄上安裝一個(gè)定位傳感器，以此位置為起點(diǎn)，將所述抽油桿的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的曲柄轉(zhuǎn)角分成若干等分，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與所述曲柄轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出在每一曲柄轉(zhuǎn)角等分點(diǎn)處所述電動(dòng)機(jī)的理論瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

最后通過變頻器為游梁式油田抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)供電，根據(jù)計(jì)算出的電動(dòng)機(jī)理論瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，將相關(guān)參數(shù)輸入到PLC控制器中，通過PLC控制器來控制變頻器的實(shí)時(shí)輸出頻率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

本實(shí)施例還可以作以下改進(jìn)：1）通過轉(zhuǎn)速傳感器測量所述抽油桿的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)每個(gè)曲柄轉(zhuǎn)角等分點(diǎn)處的所述電動(dòng)機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和理論瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的差值來修正變頻器的實(shí)時(shí)輸出頻率，使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和理論瞬時(shí)轉(zhuǎn)速相吻合。因?yàn)樽冾l器的頻率變化時(shí)，變頻器的反應(yīng)速度較慢，頻率之間的變化需要一定的時(shí)間，再加上系統(tǒng)的慣性，因此電動(dòng)機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和理論瞬時(shí)轉(zhuǎn)速往往不一致，需要進(jìn)行修正，以進(jìn)一步節(jié)能。

2）增加一個(gè)用于回收所述電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)發(fā)出的電量的能量回收裝置，所述能量回收裝置聯(lián)合變頻器為電動(dòng)機(jī)供電。

本實(shí)施例在實(shí)體上，可以做成一個(gè)電控柜，將PLC控制器、變頻器和能量回收裝置以及其它相關(guān)的元器件安裝在里面。

本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例所述的具體技術(shù)方案，除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換形成的技術(shù)方案，均為本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。