具有用于桿柱的主動控制的氣動平衡的低輪廓桿式泵送單元的制作方法
【專利摘要】描述了一種用于地面泵送單元的自適應(yīng)系統(tǒng)，其包括具有氣動平衡組件的低慣性泵送單元機(jī)構(gòu)，以及用于地下流體回收的此類系統(tǒng)的使用方法。該系統(tǒng)能夠與井管理自動化系統(tǒng)整合，從而允許對主動控制命令的響應(yīng)，且通過在與泵送單元相關(guān)聯(lián)的容納容器中加入或除去氣體質(zhì)量來自動地改變和/或維持泵送單元中的平衡力。
【專利說明】具有用于桿柱的主動控制的氣動平衡的低輪廓桿式泵送單元
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
本專利申請主張2011年11月8日提交的美國臨時專利申請第61/557，269號的優(yōu)先權(quán)，該專利申請以其整體通過弓I用并入本文中。
[0002]關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明不適用。
[0003]參考附錄不適用。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本文中公開和教導(dǎo)的本發(fā)明大體上涉及機(jī)械平衡，并且更具體地涉及適用于機(jī)械如線性桿式泵送單元中的氣動平衡。

【背景技術(shù)】
[0005]梁式泵送單元及其上游的驅(qū)動構(gòu)件經(jīng)歷較寬范圍的負(fù)載條件。這些按井應(yīng)用、泵送單元的連桿機(jī)構(gòu)的類型和比例、以及平衡匹配來變化。泵送單元的主要功能在于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動從原動件(引擎或電動馬達(dá))轉(zhuǎn)換成井口上方的往復(fù)運(yùn)動。該運(yùn)動繼而用于經(jīng)由通過抽油桿柱的連接來驅(qū)動往復(fù)的井下泵。常規(guī)泵送單元布置的實(shí)例大體上在圖1中示出，且將在本文中更詳細(xì)地論述。
[0006]包括鉸接梁、連接桿(pitman)、曲柄和連接軸承的“四桿連桿機(jī)構(gòu)”將井的光桿負(fù)載處理成齒輪箱扭矩(井扭矩)的一個分量。其它分量(平衡扭矩)在泵送單元上被調(diào)整以在齒輪箱上產(chǎn)生最低的凈扭矩。平衡扭矩可相對于井負(fù)載扭矩在大小上但通常未在相(時間)上調(diào)整。在曲柄平衡機(jī)器中，平衡扭矩將看起來是正弦曲線形，因?yàn)橛行У馁|(zhì)量通過重力來作用，同時圍繞固定的水平軸線旋轉(zhuǎn)。泵送單元的曲軸扭矩的基本計算為:
Tnet = Twell - Tebalo
[0007]平衡可以以多種形式提供，形式的范圍從安裝在梁上的配重到安裝在曲柄上的配重到安裝在步進(jìn)梁與底座結(jié)構(gòu)之間的壓縮氣壓彈簧，等等。并入平衡的主要目標(biāo)在于使井負(fù)載的一部分偏移，該部分大致等于泵送循環(huán)中遇到的最高和最低的光桿負(fù)載的平均值。該技術(shù)通常最大限度地減小了在上游傳動系構(gòu)件上做功的扭矩和力，從而減少了其負(fù)載能力要求且最大限度地提高了能量效率。
[0008]在光桿處的井負(fù)載由四桿連桿機(jī)構(gòu)以取決于四桿連桿機(jī)構(gòu)部件的相對角(即，行程位置)的變化比率處理成曲軸扭矩。同時，由以上各種方法中的一者產(chǎn)生的平衡扭矩與井負(fù)載扭矩相互作用，抵消了其較大比例。曲軸經(jīng)歷的所得凈扭矩通常僅為原來的井負(fù)載扭矩的小部分。注意，在右側(cè)的圖中，井扭矩(由光桿負(fù)載引起的井扭矩的分量)在大小和相角(時間)兩者中劇烈變化。相反，平衡扭矩平穩(wěn)且為正弦曲線形。其相角建立成為其最寬適用性選擇的泵送單元設(shè)計的性質(zhì)，且大體上是不可調(diào)整的。井與平衡扭矩曲線之間的大小和相角失配是傳輸穿過齒輪減速器和上游傳動系元件的凈扭矩中的“結(jié)塊性” dumpiness)的來源。這些元件必須選擇成具有充足的能力以在泵送循環(huán)期間遇到的最高負(fù)載狀態(tài)下無損。給定循環(huán)期間執(zhí)行的實(shí)際泵功(work)等于:
WORK = f Tnet ?θ。
[0009]很明顯，井扭矩曲線中的“結(jié)塊性”導(dǎo)致這些傳動系元件的能力的低效使用。實(shí)際上，以上實(shí)例中的凈扭矩曲線在循環(huán)期間進(jìn)入多個位置中的負(fù)(再生)值，進(jìn)一步減小了執(zhí)行的凈功。
[0010]井扭矩曲線中的變化性的首要來源為抽油桿柱對通過其從井下泵和地面泵送單元傳輸?shù)膭討B(tài)負(fù)載的彈性響應(yīng)。有時幾英里長的桿柱在較長距離上行為類似于彈簧。其在經(jīng)歷拉伸應(yīng)力時伸長，且當(dāng)應(yīng)力可變時，響應(yīng)通常在性質(zhì)上振蕩。系統(tǒng)由于其淹沒在粘性流體(水和油)中而略微被阻尼，但與泵的階梯函數(shù)負(fù)載組合的驅(qū)動泵送單元的運(yùn)動輪廓大體上在遇到下次擾動之前留下了短時間來用于振蕩衰減。
[0011]圖3中的圖表大體上示出了典型桿式泵鏈中工作的其中一些相互作用。地面泵送單元將連續(xù)地變化的運(yùn)動給予光桿上。模制為一系列彈簧、質(zhì)量體和阻尼器的連接抽油桿柱響應(yīng)于音速下的加速度，將可變應(yīng)力波沿其長度向下發(fā)送以改變其自身運(yùn)動。它也在其形成移動井下泵和流體所需的力時伸展。脫離摩擦和流體慣性的效果，泵趨于在彈力下從抽油桿反彈，從而開始柱內(nèi)的附加振蕩響應(yīng)。來自多個來源的行進(jìn)的應(yīng)力波在它們橫穿其長度時沿桿柱干擾彼此(一些是建設(shè)性地，其它是破壞性地)，且將負(fù)載振動反射回地面泵送單元，在該處，它們可被測量且繪制為地面示功圖(dynamometer card)的一部分。所得的地面示功圖(如圖4中的一般實(shí)例)示出了所有取決于井應(yīng)用和泵送單元幾何形狀而為變化量的大規(guī)模桿伸長、阻尼振蕩、摩擦以及慣性效果的疊加指示。
[0012]解決的問題:在典型梁式泵送單元中發(fā)現(xiàn)的固定比例四桿連桿機(jī)構(gòu)幾何形狀呈現(xiàn)出對相對較窄的操作條件帶的應(yīng)用偏好(即，向上傾斜示功圖的常規(guī)單元、向下傾斜圖的Mark I1、水平圖的Reverse Mark,等)。這些偏好對于特定的連桿幾何形狀是基礎(chǔ)的,且難以改變。這并不是說Mark II泵送單元(Lufkin Industries, Inc)不可利用向上傾斜的圖來操作，而僅是說最佳效率偏好存在，且在它們不被遵循時產(chǎn)生性能結(jié)果。圖5和圖6中的圖表示出了該點(diǎn)的一些圖示。用于類似尺寸和平衡的常規(guī)泵送單元和Mark II (LufkinIndustries, Lufkin, TX)泵送單元的容許負(fù)載圖表(PLD)連同地面示功圖示出以用于在圖5中比較。容許負(fù)載圖表顯示出光桿負(fù)載，將需要光桿負(fù)載來產(chǎn)生與用于給定泵送單元設(shè)計和平衡設(shè)置的齒輪減速器扭矩額定值相當(dāng)?shù)那S扭矩?？蓮膱D5中的容許負(fù)載圖表的形狀中看到的是，常規(guī)泵送單元呈現(xiàn)出對具有向上傾斜趨勢(從左側(cè)移動至右側(cè))的示功圖的偏好。相反，如圖5和圖6兩者中所示，Mark II單元示出對向下傾斜的圖的偏好。在此情況下，示功圖還示出略微向上的趨勢，引起其略微更好地符合常規(guī)單元的PLD。注意，給定最高和最低光桿負(fù)載到其相應(yīng)的PLD的相對接近，兩個泵送單元將在接近其上游傳動系能力下操作。然而，Mark II單元PLD的面積顯著大于常規(guī)單元的面積，指出了其能夠在其泵送循環(huán)期間執(zhí)行更多功。Mark II泵送單元的額外可用功能力將在該特定應(yīng)用中利用不足。
[0013]令人遺憾的事實(shí)是，桿式泵送示功圖幾乎從未為模糊的沙漏形，其將最大限度地增大大多數(shù)梁式泵送單元的功潛力，至少不是在接近恒定的轉(zhuǎn)速條件下，它們設(shè)計成在此條件下操作。
[0014]用于桿式泵送應(yīng)用的自動化技術(shù)存在了多年。操作的井可通過收集地面上的負(fù)載和運(yùn)動信息的方法分類來監(jiān)測，然后通過計算機(jī)模擬將這些情況診斷為過載狀態(tài)、或范圍從泵停機(jī)(不完全的泵填充)到桿彎折到設(shè)備磨損或受損的井下問題的開始。由這些桿式泵控制(RPC)系統(tǒng)中的許多執(zhí)行的預(yù)測性模擬能夠以相對最少的程序數(shù)據(jù)輸入來準(zhǔn)確地對桿式泵送鏈(泵、桿和泵送單元)的彈性動態(tài)行為建模。
[0015]最近，變速驅(qū)動器(VSD)已經(jīng)與桿式泵送單元應(yīng)用整合，且連同RPC技術(shù)使許多桿式泵送系統(tǒng)顯著地改善壽命和效率。現(xiàn)今，相對常見的是操作由RPC監(jiān)測的泵送單元，該RPC可感測系統(tǒng)異常，且將校正動作命令發(fā)送至VSD，例如，以響應(yīng)于檢測到的泵停機(jī)狀態(tài)來下調(diào)泵速度，或可能響應(yīng)于過載而關(guān)閉。如果連同監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)技術(shù)使用，則井和桿式泵送系統(tǒng)可被遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，使得有可能從幾英里外或許其它大洲外的控制中心來識別和響應(yīng)潛在的設(shè)備維護(hù)問題，或改變生產(chǎn)目標(biāo)。
[0016]以上情形中描繪的相對較差的泵送單元能力利用可至少部分地通過主動速度控制來補(bǔ)救。泵送單元示功圖趨于從循環(huán)到循環(huán)完全重復(fù)，且在循環(huán)內(nèi)的策略點(diǎn)處的加速或減速可影響示功圖的形狀，以截斷負(fù)載尖峰、改善傳動系能力利用、增加產(chǎn)量或改善系統(tǒng)效率。泵送單元的力/運(yùn)動輪廓的主動控制還產(chǎn)生了桿、管路和井下泵壽命方面的顯著利益。在某些情況下，例如利用玻璃纖維抽油桿、PRC和VSD技術(shù)可連同目標(biāo)探索算法使用，從而主動地控制運(yùn)動輪廓以產(chǎn)生較大的井下泵排量，同時保護(hù)桿柱免于例如開始彎折。
[0017]令人遺憾的是，由泵送單元內(nèi)的大型旋轉(zhuǎn)構(gòu)件產(chǎn)生的飛輪效應(yīng)反抗速度的快速變化。系統(tǒng)中的曲柄、配重、齒輪、滑輪、制動鼓和其它旋轉(zhuǎn)構(gòu)件貢獻(xiàn)了總體飛輪效應(yīng)，且需要施加較大扭矩來改變其轉(zhuǎn)速。這對主動控制方案(如上文提到的那些)提出了較大障礙。迄今利用VSD在泵送循環(huán)內(nèi)大大改變速度的嘗試大體上消耗了不成比例的較多功率，這不利地影響操作成本。具有大大減小的質(zhì)量慣性矩的泵送單元設(shè)計看來對于桿式泵送中完全實(shí)施主動速度控制是必要的。
[0018]基于質(zhì)量的平衡系統(tǒng)呈現(xiàn)了在井條件變化時繼續(xù)維持最佳平衡中的問題。井的套管環(huán)空中的流體水平趨于在一定時間內(nèi)隨著生產(chǎn)衰減。當(dāng)流體水平降低時，桿式泵送系統(tǒng)必須將流體從較大深度升高，從而增加所需的平衡量。相反，如果井在延長的時間段內(nèi)關(guān)閉，則流體表面通常將上升，從而成比例地減少所需的平衡。不能維持適當(dāng)?shù)钠胶饪勺罴褜?dǎo)致低效功率使用，且最壞是歸因于過載的上游設(shè)備故障。大體上，現(xiàn)有梁式單元設(shè)計的平衡調(diào)整通過在設(shè)備中重新定位、添加或除去配重來人工地調(diào)整，且勞動密集型過程需要單元停機(jī)和約束、進(jìn)入危險區(qū)域中、使用昂貴的起重機(jī)和設(shè)備、以及操作者產(chǎn)量的暫時損失。
[0019]改變行程長度也是人工過程，其涉及與以上那些相同的步驟(單元必須在行程變化之后再平衡)，其中顯著的添加是，泵送單元必須與井負(fù)載分開，曲柄銷必須被抽出且轉(zhuǎn)移到曲柄臂中的另一個孔中，曲柄臂必須在再行程期間由起重機(jī)再定位，且井下泵必須在恢復(fù)工作之前也由起重機(jī)再間隔開。
[0020]井下泵閥測試(閥檢查)大體上通過停止向上行程或向下行程的泵送單元運(yùn)動且測量光桿負(fù)載衰減或升高的速率作為評定泵的閥調(diào)的泄漏速率的手段來實(shí)現(xiàn)。測試方法通常需要使用便攜式測功器且將校準(zhǔn)的負(fù)載單元插入承載梁與桿夾持器之間。
[0021]在地面水平附近的較大和較重的移動部分需要相對大量的安全防護(hù)，以在泵送單元運(yùn)動的同時防止與人員的意外接觸。
[0022]本文公開和教導(dǎo)的本發(fā)明針對自適應(yīng)地面泵送單元，其包括且組合自動化技術(shù)與低慣性泵送單元機(jī)構(gòu)，低慣性泵送單元機(jī)構(gòu)能夠響應(yīng)來自井管理自動化系統(tǒng)的主動控制命令，從而允許地面泵送單元改變對改變的井條件的反應(yīng)，泵送單元能夠自我優(yōu)化、自我保護(hù)且防護(hù)昂貴的井下設(shè)備，同時呈現(xiàn)出較小的環(huán)境覆蓋區(qū)域，其設(shè)計成使得典型的安全危險被消除或減少，最大限度地減小對警告標(biāo)識的需要。此類泵送單元系統(tǒng)可通過控制來自與泵送單元相關(guān)聯(lián)的容納容器的流體(例如，空氣)質(zhì)量的添加或消除來進(jìn)一步自動地改變和維持平衡力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]上文所述的目的及本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征并入如本文闡述的應(yīng)用中，以及關(guān)于用于與烴開采井一起使用的改進(jìn)的泵送單元的系統(tǒng)和方法的相關(guān)聯(lián)的附錄和附圖，其中泵送單元包括組件，其用于在操作期間自動地改變和保持單元內(nèi)的平衡力，以便主動地控制桿柱運(yùn)動和/或力，其中系統(tǒng)呈現(xiàn)出低慣性。
[0024]根據(jù)本公開的選擇方面，一種自適應(yīng)地面泵送單元使自動化技術(shù)與低慣性泵送單元機(jī)構(gòu)組合，低慣性泵送單元機(jī)構(gòu)能夠響應(yīng)來自井管理自動化系統(tǒng)的主動控制命令，從而適于改變的井條件。此泵送單元能夠自動優(yōu)化、自我保護(hù)且防護(hù)昂貴的井下設(shè)備。此外，此泵送單元具有較小環(huán)境覆蓋面積，其中其以一種方式設(shè)計成使得將安全危險消除或減小到防護(hù)和警告標(biāo)識要求最小化的程度。
[0025]還描述了一種用于通過從泵送單元的容納容器添加或除去空氣質(zhì)量來自動地改變和保持平衡力的裝置和相關(guān)聯(lián)的操作方法。用于形成目標(biāo)平衡空氣壓力的方法基于測得的井負(fù)載和位置數(shù)據(jù)連同平均最高和最低井負(fù)載的線性回歸分析。此方法還可包括用于通過比較目標(biāo)空氣壓力值和測得的空氣壓力值的遞歸誤差減小方法來校正空氣平衡壓力的系統(tǒng)和方法。用于通過遞歸誤差校正來校正空氣平衡壓力的方法的備選但同樣可行的變型可包括比較最高大小向上行程和向下行程馬達(dá)扭矩和電流值，且使它們平衡。
[0026]根據(jù)本公開的其它方面，描述了一種用于自動地改變氣動壓力容器內(nèi)的可壓縮體積來平衡泵送單元的裝置和方法，該方法包括以不可壓縮物質(zhì)(或不可壓縮物質(zhì)的混合物)替換一部分可壓縮體積，從而改變泵送單元的容許負(fù)載包跡(envelop)的形狀。適用的此不可壓縮物質(zhì)包括非腐蝕性液體和流體，此不可壓縮的物質(zhì)容納在囊袋、隔膜或自立儲槽組件中。進(jìn)一步根據(jù)該方面，描述了在儲存器與壓縮容器之間傳遞不可壓縮流體的方法，該方法包括使用自動地響應(yīng)由桿式泵控制器(RPC)發(fā)出的命令的泵和/或電動閥。
[0027]根據(jù)本公開的其它方面，描述了一種用于自動地改變氣動壓力容器內(nèi)的可壓縮體積來平衡泵送單元的裝置和方法，該方法包括以可動活塞轉(zhuǎn)移一部分可壓縮體積，從而改變泵送單元的容許負(fù)載包跡的形狀。
[0028]在本公開的又一個方面中，一種系統(tǒng)和方法用于主動地控制桿式泵送單元的運(yùn)動，以通過逐漸地增加在泵送循環(huán)內(nèi)執(zhí)行的功來改善流體產(chǎn)生體積，其中該方法包括分析井測功器數(shù)據(jù)、將測功器數(shù)據(jù)與一個或多個泵送單元允許負(fù)載包跡比較，以及改變穿過測功器的區(qū)域的桿式泵送單元的泵送速度，以在所需的位置減小負(fù)載和扭矩，和/或通過容許負(fù)載包跡的不足利用的區(qū)段來擴(kuò)張示功圖中的垂直負(fù)載范圍以最大限度地增大循環(huán)功(生產(chǎn))，從而保護(hù)桿柱免于開始諸如彎折或過大應(yīng)力水平的情況。
[0029]根據(jù)本公開的第一實(shí)施例，描述了用于從地層獲得流體的地面泵送單元，以及用于其使用的方法，單元包括與泵送單元操作連通(communicat1n，亦稱“通信”、“聯(lián)系”)的氣動壓力容器，壓力容器能夠通過以不可壓縮的物質(zhì)替換一部分可壓縮體積來自動地改變壓力容器內(nèi)的可壓縮體積來平衡泵送單元。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]以下附圖形成了本說明書的一部分，且包括在內(nèi)以進(jìn)一步展示本發(fā)明的某些方面?？赏ㄟ^參照與本文提供的具體實(shí)施例的詳細(xì)描述組合的這些圖中的一個或多個來更好地理解。
[0031]圖1示出了示例性抽油機(jī)(pumpjack)單元的圖解側(cè)立面圖。
[0032]圖2A示出了井下和地面的總體示意性泵圖。
[0033]圖2B示出了井負(fù)載扭矩對曲柄角的示意圖示。
[0034]圖3示出了桿式泵送預(yù)測分析過程的總體示意圖。
[0035]圖4示出了泵送循環(huán)中的不同位置的示意性泵圖，且示出了典型泵送系統(tǒng)中的閥調(diào)的操作。
[0036]圖5示出了常規(guī)泵送單元和Mark II泵送單元的容許負(fù)載和相關(guān)聯(lián)示功圖的總體示意圖。
[0037]圖6示出了圖5的數(shù)據(jù)的備選呈現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了兩個泵送單元的未使用工作區(qū)域。
[0038]圖7示出了根據(jù)本公開的方面的示例性系統(tǒng)的局部斷面透視圖。
[0039]圖8示出了圖7的組件的前部截面視圖。
[0040]圖9示出了圖7的組件的自頂向下的截面視圖。
[0041]圖1OA和圖1OB示出了處于完全收縮(1A)和完全延伸(1B)位置的圖7的示例性系統(tǒng)。
[0042]圖11示出了根據(jù)本公開的系統(tǒng)的示例性容許負(fù)載圖表和示功圖(dynagraph)。
[0043]圖12示出了根據(jù)本公開的壓力促動組件的示意圖。
[0044]圖13示出了呈現(xiàn)由部分地填充有不可壓縮流體的輔助壓力容器引起的示例性容許負(fù)載和平衡效果斜率變化的圖表。
[0045]圖14示出了與本公開的系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的源于桿式泵控制器的初始示功圖。
[0046]圖15示出了根據(jù)本公開的方面的示功圖數(shù)據(jù)的示例性線性回歸模型。
[0047]圖16示出了根據(jù)本公開的初始系統(tǒng)平衡序列之后的示例性示功圖。
[0048]圖17示出了根據(jù)本公開的方面的匹配PLD(容許斜率圖表)斜率與目標(biāo)值的總體圖表。
[0049]圖18示出了根據(jù)本公開的示例性循環(huán)時間間隔。
[0050]圖19示出了使用本公開的系統(tǒng)來控制桿柱運(yùn)動和/或力的方法的步驟的總體流程圖。
[0051]盡管僅通過舉例的方式在附圖中示出且在下文中詳細(xì)描述了一些特定實(shí)施例，但本文所述的發(fā)明易于產(chǎn)生各種改型和備選方式。這些特定實(shí)施例的附圖和詳細(xì)描述并不旨在以任何方式限制發(fā)明構(gòu)想或所附權(quán)利要求的寬度或范圍。而是，附圖和詳細(xì)的書面描述供以向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員示出發(fā)明構(gòu)想，且使這些人能夠制作和使用本發(fā)明構(gòu)想。

【具體實(shí)施方式】
[0052]以上描述的附圖和以下特定結(jié)構(gòu)和功能的書面描述并非為了限制 申請人:所發(fā)明的范圍或所附權(quán)利要求的范圍而提出。而是，附圖和書面描述提供成教導(dǎo)本領(lǐng)域任何技術(shù)人員制作和使用尋求專利保護(hù)的本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，為了清楚和理解，并未描述或示出本發(fā)明的商用實(shí)施例的所有特征。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將認(rèn)識到，并入本發(fā)明的方面的實(shí)際商用實(shí)施例的開發(fā)將需要許多實(shí)施方式特有的決定來實(shí)現(xiàn)開發(fā)者對于商用實(shí)施例的最終目標(biāo)。此類實(shí)施方式特有的決定可包括且可能不限于符合系統(tǒng)相關(guān)、商業(yè)相關(guān)、政府相關(guān)和其它的約束，其可通過特定實(shí)施方式、位置且不時地變化。盡管開發(fā)者的努力可能在絕對意義上很復(fù)雜和耗時，然而此努力是受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員的常規(guī)工作。必須理解，本文公開和教導(dǎo)的發(fā)明易于產(chǎn)生許多和各種改型和備選方式。最后，單數(shù)形式例如但不限于“一個”的使用不旨在限制物品的數(shù)目。另外，相關(guān)用語例如但不限于“頂部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“側(cè)部”等的使用在書面描述中使用，以在對附圖具體參照中清楚，且不旨在限制本發(fā)明或所附權(quán)利要求的范圍。
[0053]下文可參照方法的框圖和/或操作圖示來描述本發(fā)明的特定實(shí)施例。將理解，框圖和/或操作圖示的各個框和框圖和/或操作圖示中的框的組合可通過模擬和/或數(shù)字硬件和/或計算機(jī)程序指令來實(shí)施。此類計算機(jī)程序指令可提供至通用計算機(jī)、專用計算機(jī)、ASIC和/或其它可編程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的處理器。執(zhí)行指令可產(chǎn)生用于實(shí)施框圖和/或操作圖示中指定的動作的結(jié)構(gòu)和功能。在一些備選實(shí)施例中，圖中提到的功能/動作/結(jié)構(gòu)可不按框圖和/或操作圖示中提到的順序發(fā)生。例如，示出為相繼發(fā)生的兩個操作實(shí)際上可大致同時執(zhí)行，或者操作可以以相反順序執(zhí)行，這取決于涉及的功能性/動作/結(jié)構(gòu)。
[0054] 申請人:已經(jīng)創(chuàng)造出在使用時展現(xiàn)低慣性的泵送單元系統(tǒng)及其使用方法，其能夠與主動控制對接且響應(yīng)于主動控制，且命令形成井管理自動化系統(tǒng)，以便在單元操作期間適應(yīng)變化的井條件。此類泵送單元系統(tǒng)包括與彼此和泵送單元流體壓力連通的一個或多個流體壓力容器，以允許泵送單元的平衡力的自動改變和維持，例如，通過將流體質(zhì)量加入一個或多個壓力容器或從中除去。
[0055]為了可最佳地理解本發(fā)明的泵送單元系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、操作和優(yōu)點(diǎn)，圖1中示出了典型的泵送單元系統(tǒng)10。根據(jù)繪出的實(shí)施例，系統(tǒng)10為用于從地表面9下方回收流體的油井回收泵。泵送單元大體上在10處指出，且包括置于井的井孔附近的地基上的底座11。在本領(lǐng)域均稱為起重柱(Samson post)的多個整體式支承柱14安裝在底座11上，且向上延伸至中心軸承或樞軸連接件20。步進(jìn)梁18安裝在中心軸承20上，使得該中心軸承為用于梁的振蕩的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)。馬頭(horse head) 16附接到步進(jìn)梁18的前端，且線纜22附接到馬頭和承載梁15且在它們之間延伸。承載梁15繼而附接到桿柱26，桿柱26通過井口 12(備選地稱為盤根、三通等)延伸到井中。如上文所述，線纜22在步進(jìn)梁18的前端升高和降低時遵循馬頭20的彎曲，這使泵送單元10能夠提供桿柱26的豎直行程。系統(tǒng)10包括定位在步進(jìn)梁18的一端處的馬頭16，其在第一位置(例如，上死點(diǎn)(TDC))與第二位置(例如，下死點(diǎn)(BDC))之間被促動，作為從地層回收流體的系統(tǒng)10的操作的一部分。為此，當(dāng)步進(jìn)梁18在其頂部位置與底部位置之間被促動時，馬頭16經(jīng)歷向上和向下的運(yùn)動。因此，在馬頭16與光桿24之間延伸的控制纜線19引起光桿24在井口 12內(nèi)往復(fù)移動。該動作最終引起流體被泵送至地面。
[0056]如上文所述,原動件或驅(qū)動單元22驅(qū)動步進(jìn)梁18圍繞中心軸承或樞軸連接件20的振蕩。驅(qū)動單元30通常為電動馬達(dá)或內(nèi)燃機(jī)，且在此出于方便目的而示出為電動馬達(dá)。馬達(dá)30通過帶(如V形帶32)和滑輪(未示出)連接到齒輪減速器34。齒輪減速器34位于一個或多個曲柄臂36之間且樞轉(zhuǎn)地連接到它們，并且曲柄臂中的各個繼而樞轉(zhuǎn)地連接到一對轉(zhuǎn)向臂38中的相應(yīng)一個上。各個轉(zhuǎn)向臂38繼而連接到在轉(zhuǎn)向臂之間延伸的平衡桿(未示出)。
[0057]馬達(dá)30到齒輪減速器34、曲柄臂36、轉(zhuǎn)向臂38和步進(jìn)梁18的連接使得步進(jìn)梁能夠以振蕩方式圍繞中心軸承20被驅(qū)動。兩個曲柄臂36和兩個轉(zhuǎn)向臂38的使用稱為四桿杠桿系統(tǒng)，其將來自馬達(dá)30的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成馬頭16處的往復(fù)運(yùn)動。如本領(lǐng)域中已知的，當(dāng)馬達(dá)30關(guān)閉且期望停止步進(jìn)梁18的運(yùn)動時，制動杠桿由操作者促動。
[0058]圖1中的系統(tǒng)10優(yōu)選地配備有控制器40，其經(jīng)由通信通路44聯(lián)接到變頻驅(qū)動器(VFD)42。有時稱為相當(dāng)于現(xiàn)場井管理器的控制器40優(yōu)選地包括微處理器和控制器軟件。VFD 42還包括微處理器，且具有其自身的VFD軟件。VFD 42根據(jù)來自控制器40的控制信號來控制原動件30的速度。來自原動件30的旋轉(zhuǎn)功率輸出由帶32傳送至齒輪箱單元。齒輪箱單元34降低由原動件30生成的轉(zhuǎn)速，且將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動給予曲柄軸端部、曲柄臂36和泵送單元配重28。曲柄臂36的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動借助于步進(jìn)梁18轉(zhuǎn)換成往復(fù)運(yùn)動。
[0059]圖1還示出了具有從地面9延伸至其底部的常見井管50的標(biāo)稱豎直的井。具有位于下端處的泵52的生產(chǎn)管路51定位在井管50內(nèi)。泵筒53包括固定閥54和柱塞或活塞55，其繼而包括游動閥56。柱塞55由連結(jié)的抽油桿57促動，抽油桿57從活塞55向上延伸穿過生產(chǎn)管路到地面，且在其上端處由聯(lián)接件58連接到光桿24，光桿24延伸穿過井口中的填料接頭59。
[0060]圖1繪出的實(shí)施例提供了優(yōu)于本領(lǐng)域中已知的其它系統(tǒng)的若干優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)由一些子系統(tǒng)提供，獨(dú)立且與彼此組合工作的子系統(tǒng)允許系統(tǒng)10尤其提供低操作扭矩、高操作效率、低慣性、受控的桿柱運(yùn)動和/或力、以及較少的所需工作能量。如現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述的，這些子系統(tǒng)將大體上稱為平衡子系統(tǒng)。
[0061]平衡子系統(tǒng)
根據(jù)圖1繪出的優(yōu)選實(shí)施例，平衡方法的組合用于提供在本文中有時稱為平衡效果(CBE)的效果，其用于減小或有效地平衡施加到系統(tǒng)上的井扭矩。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，井扭矩大體上是指置于系統(tǒng)上的扭矩，其源于回收期間由系統(tǒng)升高的回收流體和工作構(gòu)件的力。該平衡效果最大限度地增大了能量效率。又參看圖1，配重28定位于在中心軸承/樞軸連接件20與馬頭16相對的一側(cè)上的轉(zhuǎn)向臂38的端部處。在系統(tǒng)10的操作期間，由配重施加在起重軸承中心20處的梁18上的扭矩用于通過回收的流體結(jié)合從馬頭16延伸的工作構(gòu)件(例如，光桿14和控制線纜19)來平衡施加在軸承中心20處的梁18上的扭矩。該扭矩可被認(rèn)為是“相反扭矩”。根據(jù)本公開的實(shí)施例，由配重28施加的扭矩響應(yīng)于施加到梁18上的相反扭矩而變化。例如，通常期望CBE隨相反扭矩增大而增大，例如在向上行程期間，且隨相反扭矩減小而減小，例如在向下行程期間。
[0062]本發(fā)明:
在本公開的一個實(shí)施例中，本發(fā)明包括豎直定向的桿式泵送單元，其具有位于井口附近的線性運(yùn)動矢量100，以用于經(jīng)由通過抽油桿柱的連接而使井下泵往復(fù)移動。本發(fā)明的一個目的在于便于將液體從地下井提升。在該實(shí)施例中且參照圖7、圖8和圖9，本發(fā)明包括靜態(tài)地連接到安裝底座結(jié)構(gòu)126的壓力容器101。該底座結(jié)構(gòu)可錨定到位于流體生產(chǎn)地下井附近的穩(wěn)定地基上。壓力容器101可包括由成型板和鑄件或加工的端部凸緣構(gòu)成的圓柱形或其它適當(dāng)形狀的殼體148。上壓頭150和下壓頭130分別附接到端部凸緣。靜態(tài)密封件132并入頭部/凸緣接頭中，以用于將內(nèi)部空氣壓力容納在容器101內(nèi)。
[0063]線性促動器組件170穿透上壓力容器頭部和下壓力容器頭部。該促動器組件包括豎直定向的螺桿118、行星滾柱螺母122、沖頭管109中的沖頭(forcer ram) 108、推力軸承組件141、螺桿定心器軸承151、導(dǎo)管146、沖頭引導(dǎo)軸承、抗旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)160、制動組件、馬達(dá)134、以及用于壓力流體容納在壓力容器內(nèi)的密封件132和O形環(huán)(133，143)。
[0064]滾柱螺桿118支承在推力軸承組件上，推力軸承組件安裝到下壓力容器頭部130的內(nèi)表面。螺桿的下部分加工成在其穿過下壓力容器頭部130時與推力軸承145和旋轉(zhuǎn)密封件132對接。滾柱螺桿的軸延伸部在壓力容器頭部下方繼續(xù)，與制動機(jī)構(gòu)對接，且然后與馬達(dá)134的壓縮聯(lián)接件連接。通過馬達(dá)的殼體與下壓力容器頭部130之間的凸緣安裝連接來提供馬達(dá)134的扭矩反應(yīng)。馬達(dá)連接到構(gòu)造成使得其轉(zhuǎn)速可連續(xù)地調(diào)整的變速驅(qū)動器(VSD) 204。參看圖12，VSD 204還可使馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向反向，使得其扭矩和速度的范圍可有效地加倍。因此，螺桿可以以順時針方向操作以用于向上行程，且以逆時針方向操作以用于向下行程。
[0065]在壓力容器內(nèi)，螺桿的螺紋部分與行星滾柱螺母組件122對接。螺母組件122固定地附接到?jīng)_頭108的下節(jié)段，使得當(dāng)螺桿沿順時針方向旋轉(zhuǎn)時，沖頭向上移動。在逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，沖頭108向下移動。這大體上在圖1OA和圖1OB中示出。沖頭108在其通過引導(dǎo)軸承147(例如，斜撐帶)的軸向移動期間沿徑向受支承，引導(dǎo)軸承147位于沖頭108與導(dǎo)管146之間的環(huán)形區(qū)域中。導(dǎo)管146同軸地圍繞沖頭管109定位，且靜態(tài)地安裝到下壓頭。其向上延伸穿過殼，以滑入上壓力容器頭部150中的收納器沉孔特征中。徑向支承件通過導(dǎo)管與上壓力容器頭部沉孔壁之間的隔離環(huán)提供至上導(dǎo)管。
[0066]需要抗旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)160來防止沖頭108連同由螺桿118提供的扭矩旋轉(zhuǎn)。本實(shí)施例要求抗旋轉(zhuǎn)扎鉤構(gòu)件160’固定地附接到?jīng)_頭108的側(cè)部111，且定位成使得其在導(dǎo)管146的側(cè)壁中的加工槽內(nèi)滑動?？剐D(zhuǎn)扎鉤160’與導(dǎo)管146之間的對接提供沖頭108的旋轉(zhuǎn)約束，同時仍允許其沿豎直軸向方向自由平移。
[0067]潤滑提供成經(jīng)由電動油泵162使部分在機(jī)構(gòu)內(nèi)移動，電動油泵162位于下壓力容器頭部130的上表面上。下壓力容器頭部130還充當(dāng)油槽區(qū)域，其中過濾泵入口被淹沒，允許清潔油再循環(huán)穿過泵和分配系統(tǒng)。沖頭、螺桿、螺母和抗旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均優(yōu)選為從導(dǎo)管中的抗旋轉(zhuǎn)槽的頂部處的點(diǎn)潤滑。
[0068]上沖頭和線纜鼓組件固定地附接和密封到?jīng)_頭的上端。兩個線纜鼓附連到輪軸的端部，輪軸沿側(cè)向穿過上沖頭的頂部區(qū)段中的開孔。輪軸支承在密封于上沖頭開孔的內(nèi)部中的徑向軸承上。線纜越過擱置于在其外徑中加工的凹槽中的鼓。線纜在壓力容器后部處的安裝底座上固定到錨定件。在壓力容器的前側(cè)處，線纜附接到承載梁，承載梁繼而聯(lián)接到從井口延伸的光桿。
[0069]本發(fā)明的工作原理
本發(fā)明的工作原理基于通過行星滾柱螺桿機(jī)構(gòu)的線性力和運(yùn)動傳送。馬達(dá)可聯(lián)接到行星滾柱螺桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)元件。通過沿順時針方向或逆時針方向旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)行星滾柱螺母(且通過連接，沖頭)沿螺桿部件的長度的平移移動。線性螺桿機(jī)構(gòu)通過空氣彈簧平衡來增大，空氣彈簧平衡整合在滾柱螺桿促動器的機(jī)構(gòu)內(nèi)。空氣通路在策略上定位于導(dǎo)管、沖頭和螺桿部件內(nèi)，使得加壓空氣能夠連續(xù)地在整個系統(tǒng)內(nèi)遷移，且實(shí)現(xiàn)沖頭的突出區(qū)域上的力不平衡。效果在于，除了由移動沖頭支承的任何頭頂構(gòu)件(例如，線纜、承載梁、鼓、軸、軸承和沖頭組件自身)的重量外，相對一致的提升力施加到?jīng)_頭上來使泵送單元遇到的平均井負(fù)載偏移。提升力的大小為包繞的壓力容器內(nèi)的壓力的函數(shù)，其主要根據(jù)由其容納的可壓縮空氣體積的量而變化。
[0070]平衡力的量可通過分別啟動補(bǔ)償空氣壓縮機(jī)或電動泄放閥加入空氣質(zhì)量至容納容器或從容納容器除去空氣質(zhì)量來調(diào)整和控制。此類平衡調(diào)整可在來自桿式泵控制器的命令時自動地進(jìn)行。通過監(jiān)測馬達(dá)扭矩(例如，得自馬達(dá)電流)，最高大小的向上行程和向下行程馬達(dá)扭矩值可通過使用這些方法的遞歸誤差減少計算機(jī)算法來比較和平衡。
[0071]圖1OA和圖1OB中指出了本發(fā)明的一個實(shí)施例。該實(shí)施例推導(dǎo)為產(chǎn)生100英寸的光桿行程。在該實(shí)施例中，線纜組件在壓力容器的后部處錨定到泵送單元結(jié)構(gòu)的固定位置。通過在其附接到井口上方承載梁的路線中使線纜越過安裝在沖頭的頂部處的鼓，光桿的100英寸行程可利用僅50英寸的沖頭移動實(shí)現(xiàn)。這提供了設(shè)計的緊湊性的期望性質(zhì)、以及線性促動裝置的相對低速操作。這證明了在構(gòu)件如密封件、引導(dǎo)件等中減小速度相關(guān)的磨損的優(yōu)點(diǎn)。因此，必須由沖頭傳送的力大致為井口處的那些的兩倍。
[0072]本發(fā)明的線性泵送單元的容許負(fù)載圖表限定為:
rwassy + 2CBE(t) + Fscrew It)
FscREwit)----~- , a(t)
WLperm(t) =---+ CBE(t)
O
[0073]注意，以上容許負(fù)載方程包括慣性項(xiàng)，其通常未報告用于質(zhì)量平衡的梁式泵送單元，但其效果也的確存在于那些機(jī)器中。桿的質(zhì)量、泵和流體負(fù)載特征化為相當(dāng)于:
2CBE(t) + Fscrew (t)
2q
Cf



M/
且代表該系統(tǒng)中對加速度的慣性阻力的大部分。相反，第三慣性項(xiàng)~^代表泵送



29
單元發(fā)明的內(nèi)部慣性，且相比之下很小。在該方程中忽略了主要關(guān)于螺桿和馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)慣性，但它們可被包括在內(nèi)，如果環(huán)境和情形的動力將受益于這種包括的話。這些項(xiàng)又由于螺桿的小直徑(且因此低質(zhì)量慣性矩)而相對較小。由于在沖頭延伸和收縮時經(jīng)歷的平衡效果的內(nèi)在變化(可壓縮體積的變化)，本發(fā)明的泵送單元的容許負(fù)載圖表的總體趨勢略微向下傾斜，從左側(cè)移動到右側(cè)。向下傾斜形態(tài)將趨于引起本發(fā)明顯示出對呈現(xiàn)井下泵柱塞“超程”特性的井應(yīng)用的略微偏好。這大體上在圖11中示出。
[0074]容許負(fù)載圖表符合性
給定泵送單元的平衡效果(CBE)與作用于沖頭上的空氣壓力相關(guān)，且壓力將根據(jù)捕獲在容納容器內(nèi)的可壓縮空氣體積而變化，大體上對于其它桿式泵送單元設(shè)計不可用的本發(fā)明的性能包跡的增強(qiáng)出現(xiàn)。這是改變泵送單元的容許負(fù)載包跡的斜率以改善與測得的測功器負(fù)載數(shù)據(jù)的符合性的裝置和方法。根據(jù)本公開的該示例性實(shí)施例大體上在圖12中示出。
[0075]如可從圖12的泵送組件200看到的，前文所述的發(fā)明的泵送單元201通過輔助壓力容器210加強(qiáng)，輔助壓力容器210布置成以便與泵送單元的主壓力容器220直接地壓力和空氣流連通。不可壓縮流體(例如，類似油或類似的油質(zhì)流體的液體、氣體或液體或氣體的混合物)占據(jù)在環(huán)境條件下經(jīng)由泵207從儲存器208供應(yīng)的輔助壓力容器210的內(nèi)部體積的一部分。流體可在輔助壓力容器210與儲存器208之間由上述泵或由電動閥212 (均由桿式泵控制器(RPC)控制)在輔助壓力容器210與儲存器208之間來回傳遞。液體的目的在于轉(zhuǎn)移壓力容器系統(tǒng)220內(nèi)的一部分內(nèi)部體積，從而使可壓縮體積為可通過自動化來控制的變量。將更多液體加入壓縮容器220中減小了容納在系統(tǒng)內(nèi)的可壓縮體積，且反之亦然。容器系統(tǒng)內(nèi)的壓力根據(jù)作為涉及理想氣體的多變過程的關(guān)系而變化，其中:



/1* ^
頓
P=關(guān)注點(diǎn)處的容器內(nèi)的壓力；
P0=已知條件如行程的底部處的容器內(nèi)的壓力；
V0=已知條件如行程的底部處的容器內(nèi)的可壓縮體積；
V=關(guān)注點(diǎn)處的容器內(nèi)的可壓縮體積；以及
k=所述氣體的比熱比(在空氣的情況下大約1.4 ;否則，大體上是預(yù)定值)。
[0076]如將理解的那樣，氣體，特別是天然氣，不會總是具有相同的分子成分，且因此比熱比k可變化。
[0077]自動地改變泵送單元容許負(fù)載包跡的斜率
以上方程指出了容器系統(tǒng)內(nèi)的壓力將在可壓縮體積上升時下降，如在泵送單元的沖頭延伸時將出現(xiàn)的。比率vyv也表明，改變總體可壓縮體積將在沖頭延伸和收縮時改變壓力變化速率。這將對平衡效果力的等級有影響，且因此改變泵送單元的容許負(fù)載包跡。圖13中所示的圖表示出了由部分地填充有可變量的不可壓縮液體的輔助壓力容器引起的容許負(fù)載圖表的斜率的變化，不可壓縮液體旨在控制容納系統(tǒng)內(nèi)留下的可壓縮體積的量。
[0078]桿式泵控制器讀取測得的井測功器數(shù)據(jù)、將該數(shù)據(jù)與其當(dāng)前構(gòu)造中的泵送單元的容許負(fù)載包跡比較，且然后做出校正命令來控制液體儲存器與輔助壓力容器之間的泵或閥以升高或降低容器中的液面的自動系統(tǒng)具有改善符合性的潛力，且因此改善桿式泵送系統(tǒng)的利用和效率。與連續(xù)維持適當(dāng)?shù)钠胶?將空氣壓力維持在適當(dāng)極限內(nèi))的自動器件配對的這種加強(qiáng)提供了使泵送單元系統(tǒng)適應(yīng)于改變的井條件和保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)件的改善手段。
[0079]自動地校正平衡
監(jiān)測馬達(dá)電流(以推斷扭矩)來作為關(guān)于平衡調(diào)整確定校正動作的實(shí)施已經(jīng)在泵送單元維護(hù)中使用了多年。然而，由于在傳統(tǒng)梁式泵送單元上進(jìn)行物理調(diào)整(添加、除去或調(diào)整配重)的大量手動過程，校正動作的自動方法實(shí)現(xiàn)較慢。氣動或氣壓彈簧平衡提供了在空中以自動方式進(jìn)行這些平衡校正的機(jī)會。
[0080]又參看以上圖12，本發(fā)明的泵送單元馬達(dá)可由變速驅(qū)動器(VSD)控制和監(jiān)測，變速驅(qū)動器繼而與桿式泵控制器(RPC)交換數(shù)據(jù)。馬達(dá)電流或扭矩可被監(jiān)測，且比較最高大小的向上行程和向下行程的值，以便確定泵送單元負(fù)載是否在可接受極限內(nèi)平衡。如果向上行程扭矩大小明顯大于向下行程的扭矩大小，例如:
編_IX 100 > 5%

InJ
則單元欠平衡。在此情況下，RPC可啟動補(bǔ)充空氣壓縮機(jī)來將附加空氣質(zhì)量注入壓力容器系統(tǒng)中，直到不平衡情況減輕。如果檢測到相反，即，

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且單元過平衡，則RPC可啟動電動泄放閥且從壓力容器排出空氣質(zhì)量，直到重建適當(dāng)?shù)钠胶狻?br> [0081]基本控制順序
以下且在圖19中示意性示出的實(shí)例示出了潛在的方案，其中連同控制平衡和容許負(fù)載包跡斜率的增強(qiáng)并入本發(fā)明泵送單元的本公開的桿式泵送系統(tǒng)用于主動地控制桿柱運(yùn)動和/或力，其中泵送單元特征為具有低慣性。在此方案中，泵送單元初始設(shè)置為與井應(yīng)用對接的運(yùn)動，且僅僅粗略地調(diào)整以滿足其優(yōu)化需要。通過監(jiān)測扭矩和馬達(dá)旋轉(zhuǎn)位置，或備選地光桿負(fù)載和位置，桿式泵控制器(RPC)可導(dǎo)出如大體上在圖14中所示的示功圖。
[0082]測功器數(shù)據(jù)的直線化趨勢然后可通過線性回歸方法來形成，例如，“最小平方”或類似的數(shù)據(jù)應(yīng)用。該線的斜率然后可采用為泵送單元的平衡效果的斜率的目標(biāo)值。然而，回歸線的“y截線”可能不一致地反映相對于最高和最低光桿負(fù)載進(jìn)行平衡所需的“下死點(diǎn)”平衡效果。校正的y截線可通過將線從最高和最低負(fù)載的平均值沿來自回歸分析的斜率映射到零光桿位置軸線來計算，根據(jù)以下:
1: = PRLsvg - Mr§g- PRPevs = IUSBihf。
[0083]在限定了目標(biāo)平衡效果(CBE)線的情況下，然后可執(zhí)行控制步驟序列以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。這些中的第一個是設(shè)置壓力容器系統(tǒng)內(nèi)的最大壓力。目標(biāo)CBE線中的y截線用于該目的。系統(tǒng)內(nèi)的最大壓力將在沖頭行程的底部處出現(xiàn)，其與零光桿位置一致。根據(jù)以下來使用y截線的值以計算最大系統(tǒng)壓力:

Pmx = -:土； = 333.36 psi

*.^ π'迂oram
桿式泵控制器(RPC)可將測得的最高壓力與新計算的“期望”最高壓力相比較，且啟動系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)或電力控制的泄放閥來使系統(tǒng)壓力在可接受極限內(nèi)。
[0084]調(diào)整系統(tǒng)中的最高壓力，泵送單元的容許負(fù)載包跡的斜率可通過在壓力容器中添加或除去液體來調(diào)整以匹配目標(biāo)估計平衡(ECB)斜率。建立該斜率的輔助箱中所需的可壓縮體積可從以下計算:
/4.1?..,.,.* S.“ S.Mfta..PXPittj ；γ I Z V*' rf,K....2 ,?；..2.3.‘.J..,..|si!.1—Z 2 7J I t i! - K- ?^?Ψ:' - hfisnX -1-E- -1f*., - 2 - λ - dnhe ' 1.:二 ZZ I \ t1-g a,r^/-r^ ^-g-4,…J
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n^7 it-4
其中:
Vb=行程底部處的主壓力容器中的可壓縮體積；
Wassy=由螺釘和平衡力支承的頭頂構(gòu)件如線纜、沖頭、鼓等的重量； b=目標(biāo)ECB (估計的平衡)線的Y截線；
Mreg=目標(biāo)ECB (估計的平衡)線的斜率；
PRP=光桿位置；
td=完成向上行程的時間間隔
Pfflax=容納容器系統(tǒng)中的最大壓力，出現(xiàn)在行程的底部處；
Cloram=沖頭管的外徑； diM=沖頭管的內(nèi)徑;
Iram=沖頭管的長度； digt=導(dǎo)管的內(nèi)徑；
htank=主壓力容器中容納的圓柱體積的豎直高度；
CU=導(dǎo)管的外徑；
Clitank=壓力容器殼體的內(nèi)徑； dscrew=滾柱螺桿螺紋的節(jié)徑； dtb=推力軸承的直徑；
Itb=推力軸承的長度； dnut=滾柱螺母的直徑；
Inut=滾柱螺母的長度；
yb=行程底部處的沖頭位置的下面；
Sl=光桿行程長度。
[0085]取決于主壓力容器內(nèi)的促動器和其它構(gòu)件的移置體積。所需的液體體積可通過從總輔助容器體積減去以上量來計算。
[0086]當(dāng)然，當(dāng)液體在系統(tǒng)中加入或除去時，容器內(nèi)的壓力將與剩余可壓縮體積相反地略微變化。RPC(桿式泵控制器)將連續(xù)地監(jiān)測和控制空氣壓力以在液體加入或除去期間將其維持在極限內(nèi)。
[0087]泵送單元速度的主動控制由一個循環(huán)中的泵送單元執(zhí)行的功可根據(jù)以下由捕獲于示功圖內(nèi)的面積近似地估計:
WOflir = J Fdyno X dPRP。
[0088]即使在適當(dāng)?shù)钠胶夂腿菰S負(fù)載包跡斜率匹配的情況下，在桿式泵送應(yīng)用中產(chǎn)生的示功圖仍很高，力和運(yùn)動的乘積在泵送單元、井下泵和連接抽油桿柱之間相互作用。上文所示的容許負(fù)載圖表可能仍然不使井特別符合示功圖，而不管校正平衡和CBE斜率的努力。應(yīng)當(dāng)注意，用于導(dǎo)出以上PLD的運(yùn)動輪廓很簡單，由循環(huán)時間間隔的大約30%內(nèi)的沖頭光桿加速和減速的恒定加速的兩個周期構(gòu)成。循環(huán)時間間隔的其余70%以恒定速度度過。這解釋了行程的頂部和底部附近的容許負(fù)載的梯級。然而，勻變加速度的持續(xù)時間不必保持為固定時間間隔。它們甚至不必約束為恒定加速周期。低慣性泵送單元機(jī)構(gòu)的利益(如本發(fā)明的)為可在不用盡多余能量的情況下在泵送循環(huán)內(nèi)產(chǎn)生速度變化。緩慢勻變至略微較高的光桿速度可仍然允許循環(huán)在以10SPM(行程每分鐘)下操作機(jī)器所需的6秒內(nèi)完成。
[0089]速度操縱也可影響示功圖的形狀。當(dāng)將測功器數(shù)據(jù)與容許負(fù)載圖表相比較時，如果觀察到施加的負(fù)載偏離容許負(fù)載值，使得單元的能力利用不足，則其可展示出RPC通過該區(qū)域命令略微速度增大的利益。這提供了速度增大并未引發(fā)諸如桿彎折的問題或另一問題。許多桿式泵控制器的預(yù)測模擬能力現(xiàn)在允許在實(shí)施它們之前導(dǎo)出和建模的試驗(yàn)方案，使得可避免大多數(shù)此類問題。
[0090]鑒于本公開清楚了本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的利益。即，本發(fā)明的泵送單元的機(jī)構(gòu)將用于平衡的壓縮氣體或氣動彈簧與線性滾柱螺桿組件組合，以產(chǎn)生和控制操作泵送單元的井下泵所需的提升力和運(yùn)動。此外，泵送單元機(jī)構(gòu)的移動部分相比于傳統(tǒng)梁式單元設(shè)計擁有相對較低的質(zhì)量和質(zhì)量慣性移動，且因此，提供了井優(yōu)化所需的對速度變化的極小慣性阻力。利用該低慣性，使用井控制器等，沖頭的運(yùn)動輪廓可很快變化，以減小桿負(fù)載、改善工作能力利用、改善泵填充、或緩解與重油開采相關(guān)聯(lián)的桿下降問題。
[0091]本公開的泵送單元組件還通過行程長度乘法的方法實(shí)現(xiàn)了低豎直高度輪廓，該方法涉及配置在沖頭的端部處的鼓和錨定到一端上的固定地面點(diǎn)的線纜，同時包覆在滑輪上且連接到相對側(cè)上的井光桿(經(jīng)由承載梁)。機(jī)器的現(xiàn)場環(huán)境影響因此很輕微。即，本泵送單元系統(tǒng)相對于具有同等提升能力的傳統(tǒng)梁式泵送單元具有較小尺寸。系統(tǒng)還呈現(xiàn)出大體上“整體的”外觀，具有很少可看到的移動部分，特別是在地面水平，這導(dǎo)致了地面水平安全危險的顯著降低，且可需要除井口周圍外的很少或沒有安全防護(hù)。
[0092]此外，如本文詳細(xì)描述那樣，本發(fā)明的泵送單元系統(tǒng)的平衡由氣壓彈簧類型的組件提供，其提供了優(yōu)于典型的基于質(zhì)量的平衡單元組件的一些優(yōu)點(diǎn)，包括但不限于:允許通過控制氣體壓力自動地調(diào)整平衡；允許桿式泵控制器監(jiān)測泵送單元馬達(dá)扭矩、和取決于所需的優(yōu)化而向氣體壓縮機(jī)或泄放閥提供平衡壓力校正命令；以及允許減少與泵送單元的制造和裝運(yùn)有關(guān)的重量和材料消耗。此外，給定本文所述的泵送單元組件的行程長度不由固定幾何形狀連桿系統(tǒng)約束，例如在典型的梁式泵送單元中發(fā)現(xiàn)那樣，則行程長度可在空中調(diào)整或變化。即，井下泵間距可被監(jiān)測以作為氣體鎖的證據(jù)或標(biāo)記，且可自動地作出校正。系統(tǒng)自我診斷(如閥檢查)也可經(jīng)由桿式泵控制器集成而容易自動地執(zhí)行。
[0093]本發(fā)明使用的泵單元系統(tǒng)和方法的又一利益為自適應(yīng)噪音消除的準(zhǔn)備應(yīng)用。如本領(lǐng)域中良好理解的，在操作期間以一定諧波頻率振蕩的抽油桿導(dǎo)致與噪音直接相關(guān)聯(lián)的桿疲勞問題。利用本文描述的泵單元系統(tǒng)，可包括一個或多個相移，例如在井控制器內(nèi)，以衰減和消除抽油桿振蕩頻率。
[0094]使用上文所述發(fā)明的一個或多個方面的其它和另外的實(shí)施例可在不脫離 申請人:的發(fā)明的精神的情況下做出。例如，與彼此流體連通的一系列輔助壓力容器可根據(jù)本公開在泵送單元中使用。此外，系統(tǒng)的制造和組裝的方法的各種方法和實(shí)施例以及位置規(guī)定可與彼此組合包括在內(nèi)，以產(chǎn)生所公開的方法和實(shí)施例的變型。單數(shù)元件的論述可包括復(fù)數(shù)元件，且反之亦然。
[0095]步驟的順序可以以多種次序發(fā)生，除非另外明確地限制。本文所述的各種步驟可與其它步驟組合、插入所述的步驟和/或分成多個步驟。類似地，已經(jīng)在功能上描述了元件，且元件可體現(xiàn)為單獨(dú)的構(gòu)件，或者可組合成具有多個功能的構(gòu)件。
[0096]本發(fā)明已經(jīng)在優(yōu)選的和其它的實(shí)施例的背景中描述，且并未描述本發(fā)明的每一個實(shí)施例。對所述實(shí)施例的明顯改型和變化可由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員想到。公開和未公開的實(shí)施例并非旨在限制或約束由 申請人:構(gòu)想的本發(fā)明的范圍或適用性，而是，按照專利法， 申請人:旨在完全保護(hù)落入所附權(quán)利要求的等同物的范圍或區(qū)域內(nèi)的所有此類改型和改善。
【權(quán)利要求】
1.一種用于從井回收地下流體的泵送單元，所述單元包括: 設(shè)置在所述井附近的底座； 安裝在所述底座上的至少一個支承柱，所述支承柱向上延伸且連接到中心軸承； 樞轉(zhuǎn)地安裝到所述中心軸承上的步進(jìn)梁； 樞轉(zhuǎn)地連接到所述步進(jìn)梁且從所述步進(jìn)梁向下延伸的轉(zhuǎn)向臂； 安裝在所述底座上且可操作地連接到所述轉(zhuǎn)向臂的曲柄組件； 安裝在所述曲柄組件上且可操作地連接到所述曲柄組件的齒輪減速器； 安裝在所述底座上且可操作地連接到所述齒輪減速器的驅(qū)動單元；以及與所述泵送單元操作連通的氣動壓力容器，所述壓力容器能夠通過用不可壓縮物質(zhì)替換可壓縮體積的一部分而自動地改變所述壓力容器內(nèi)的所述可壓縮體積以平衡所述泵送單元。
2.一種用于促動抽油桿泵組件的桿的裝置，所述裝置包括: 桿； 馬達(dá)；以及 與所述馬達(dá)連通的平衡組件， 其中，所述平衡組件包括氣動容納缸，其能夠通過在所述容納缸中加入或除去流體質(zhì)量而改變和維持平衡力。
3.一種使用抽油桿組件泵送流體的方法，所述抽油桿組件包括桿、馬達(dá)和平衡組件，所述方法包括: 定位所述抽油桿泵組件，使得所述泵接觸流體儲存器； 定位所述線性馬達(dá)，使得其操作軸線與所述抽油桿的移動軸線大致相同； 提供平衡組件，該平衡組件包括至少一個氣動壓力容器，其定位成使得其自動地減輕由所述抽油桿和待泵送的流體柱施加到所述馬達(dá)上的負(fù)載；以及 操作所述馬達(dá)，使得所述泵在其向下行程獲取流體且在其向上行程輸送流體， 其中，至少一個氣動壓力容器包含能夠在單獨(dú)的儲存器與所述壓力容器之間流體連通的不可壓縮物質(zhì)。
【文檔編號】E21B43/12GK104136778SQ201280060583
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月8日
【發(fā)明者】D.多伊爾 申請人:勒夫金工業(yè)有限責(zé)任公司