專(zhuān)利名稱：自動(dòng)控制抽油機(jī)載荷與油井供液量平衡裝置的制作方法
本裝置屬于采油設(shè)備自動(dòng)化控制技術(shù)，是專(zhuān)用于自動(dòng)調(diào)節(jié)抽油機(jī)井沖次的一種自動(dòng)化控制裝置。具體來(lái)說(shuō)，是根據(jù)抽油機(jī)井泵功圖所反映的抽油泵的工作狀態(tài)，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制抽油機(jī)井沖次的目的。也就是說(shuō)，在油層供液能力較強(qiáng)，泵的充滿程度較好時(shí)，自動(dòng)加快電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加抽油機(jī)井的沖次(增加產(chǎn)液量)；當(dāng)油井供液不足即泵充滿程度變差時(shí)，自動(dòng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少抽油機(jī)井的沖次，使地層的供液能力與抽油機(jī)井的生產(chǎn)能力形成一種動(dòng)態(tài)平衡。
在油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，尤其在油田進(jìn)入特高含水的開(kāi)發(fā)后期，油層供液能力變化大，抽油機(jī)的生產(chǎn)能力與油層供液能力不適應(yīng)、不平衡的矛盾是普遍和長(zhǎng)期存在的。如何解決這一矛盾？以往采取的辦法是人工調(diào)節(jié)抽油機(jī)井參數(shù)，與地層供液能力相匹配。這種辦法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且很難保證對(duì)抽油機(jī)井進(jìn)行有效的控制，即使人工調(diào)節(jié)參數(shù)一時(shí)達(dá)到平衡，也很難保持平衡，因而往往使抽油機(jī)井處于不合理的工作狀態(tài)。經(jīng)檢索，至今未發(fā)現(xiàn)在此方面相近的技術(shù)。綜上所述，為了適應(yīng)抽油機(jī)井現(xiàn)代化生產(chǎn)管理的需要，急需一種專(zhuān)用于抽油機(jī)井參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制裝置。
本裝置的目的是針對(duì)上述問(wèn)題提供一種自動(dòng)控制抽油機(jī)載荷與油井供液量平衡裝置，最終實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。
本裝置是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的由載荷傳感器(1)、位移傳感器(2)、放大電路(3)、多路開(kāi)關(guān)(4)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(5)、單片機(jī)判斷處理電路(6)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路(7)、控制信號(hào)放大電路(8)、調(diào)速電機(jī)(9)、顯示通訊電路(10)、電源電路(11)及其它輔助電路等部分組成。其特征是載荷傳感器(1)及位移傳感器(2)輸出與其相對(duì)應(yīng)的模擬電信號(hào)，分別輸入至放大電路(3)，經(jīng)放大后輸出至多路開(kāi)關(guān)(4)的輸入端；模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(5)的輸入端與多路開(kāi)關(guān)(4)的輸出端相連，它將分時(shí)取得的載荷、位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送往單片機(jī)電路(6)；單片機(jī)電路處理后的信號(hào)輸入至數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路(7)，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路(7)轉(zhuǎn)換成的模擬信號(hào)送至控制信號(hào)放大電路(8)的輸入端，控制信號(hào)放大電路(8)的輸出端與調(diào)速電機(jī)(9)相連，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化；此外，單片機(jī)電路還和顯示、通訊電路(10)相連，提供一些輔助功能，電源電路(11)為上述電路供電。其特征是采用角位移傳感器；其特征在于采用電磁調(diào)速電機(jī)；其特征是采用變頻調(diào)速電機(jī)。
該裝置的載荷傳感器(1)是一種電阻應(yīng)變式傳感器，由彈性元件、電阻應(yīng)變片橋路、受力支點(diǎn)和保護(hù)外殼組成。其作用是將載荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電信號(hào)。
該裝置的位移傳感器由高精度單圈電位器、傳動(dòng)臂及外殼等部分組成。其用途是將角度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電信號(hào)。
該裝置中的放大電路(3)、多路開(kāi)關(guān)(4)及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(5)主要由信號(hào)放大電路、8選1電子模擬開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器組成，其中放大電路(3)將來(lái)自載荷傳感器(1)、位移傳感器(2)的信號(hào)放大后，連接至多路開(kāi)關(guān)(4)的輸入端，多路開(kāi)關(guān)(4)的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(5)的輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換器(5)的輸出端與單片機(jī)電路(6)的輸入端相連。
該裝置中的單片機(jī)電路(6)是其重要組成部分之一，由它完成對(duì)載荷、位移信號(hào)的分析、處理和判斷，以及完成各種控制功能。單片機(jī)電路主要由8位單片機(jī)、EPROM(紫外光可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)、E2PROM(電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)，地址鎖存器和時(shí)鐘電路等組成。EPROM用來(lái)存放已經(jīng)調(diào)試完畢的監(jiān)測(cè)程序和應(yīng)用程序。E2PROM用來(lái)存放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及用戶程序，其存儲(chǔ)內(nèi)容不受斷電影響。地址鎖存器的輸入端與單片機(jī)相連，其輸出端分別與EPROM、E2PROM的輸入端相連。時(shí)鐘電路由時(shí)鐘發(fā)生器，振蕩晶體及外圍電路組成，其作用在于為以上各部分電路及A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路提供時(shí)鐘信號(hào)。其中來(lái)自模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(5)的信號(hào)，輸出端與單片機(jī)電路(6)輸入端相連，單片機(jī)電路(6)的輸出端分別與D/A轉(zhuǎn)換電路(7)及通訊、顯示電路(10)的輸入端相連。
該裝置中的D/A轉(zhuǎn)換電路(7)、控制信號(hào)放大電路(8)及調(diào)速電機(jī)(9)主要由鎖存器、D/A轉(zhuǎn)換器、放大電路及調(diào)速電機(jī)組成。來(lái)自單片機(jī)的信號(hào)經(jīng)鎖存器后與D/A轉(zhuǎn)換器(7)的輸入端相連，其輸出的模擬電信號(hào)經(jīng)放大電路(8)放大后，輸入至調(diào)速電機(jī)(9)，用來(lái)控制電磁調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該裝置中的顯示、通訊電路(10)與單片機(jī)電路相連，其作用在于提供一些輔助功能。
由上述各各部分電路組成的自動(dòng)控制抽油機(jī)載荷與油井供液量平衡裝置的工作原理是首先由載荷傳感器(1)及位移傳感器(2)將抽油機(jī)井光桿所受的載荷及位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由信號(hào)放大電路(3)放大后，經(jīng)多路開(kāi)關(guān)(4)送入A/D轉(zhuǎn)換電路(5)，把與載荷信號(hào)成線性關(guān)系的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成周期性變化的數(shù)字信號(hào)后，送往單片機(jī)電路進(jìn)行分析和處理，然后與已存儲(chǔ)的正常載荷信號(hào)或圖形相比較，判斷出抽油機(jī)井泵的工作狀況。此判斷信號(hào)經(jīng)D/A電路轉(zhuǎn)換及放大后，控制調(diào)速電機(jī)相應(yīng)地加速、減速、不變或停機(jī)，而最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)抽油機(jī)井沖次，使之相應(yīng)增加、降低或停抽的目的。
本裝置電路的主要優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)新穎合理，采用了數(shù)字化和程控化等高新技術(shù)，集成化程度高，功能完善、精確靈敏、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)各種惡劣的井場(chǎng)環(huán)境，適合各類(lèi)抽油機(jī)井使用，尤其適用于供液不足、產(chǎn)能較低的井。
本裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是1.″挖潛增油″，即挖掘地層潛力，使抽油機(jī)井的生產(chǎn)能力達(dá)到最大，從而起到增油的目的。具體來(lái)說(shuō)，在抽油機(jī)井的生產(chǎn)過(guò)程中，抽油機(jī)井一般以固定的沖次工作(如3次，6次，9次，12次等)，那么對(duì)于一口供液能力不是十分充足的抽油機(jī)井來(lái)說(shuō)，若它沖次為8次時(shí)與地層供液能力構(gòu)成平衡，為了避免抽空后產(chǎn)生的損壞泵等不利影響，普通抽油機(jī)井只能工作于沖次為6時(shí)，而利用本系統(tǒng)，則可使抽油機(jī)井工作于8次，即增加2次的產(chǎn)液量，從而起到挖掘地層潛力，增加抽油機(jī)井產(chǎn)量的目的。2.提高抽油機(jī)井的泵效及系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能的目的。由于本技術(shù)能使泵的生產(chǎn)能力與地層供液能力保持平衡，它可使抽油泵一直處于較好的工作狀態(tài)，保持較高的系統(tǒng)效率；同時(shí)，本技術(shù)使用了電磁調(diào)速電機(jī)，避免了目前油田生產(chǎn)中普遍存在的″大馬拉小車(chē)″的問(wèn)題(由于抽油機(jī)井起動(dòng)力矩較大，抽油機(jī)井的電機(jī)一般比所需容量大10～20KW，如某口井需用35KW電機(jī)，在實(shí)際生產(chǎn)中則安裝55KW電機(jī))。因此，其節(jié)能效果是十分可觀的。3.降低設(shè)備損耗率。本技術(shù)的使用可使抽油機(jī)井處于合理的工作狀態(tài)，同時(shí)由于調(diào)速電機(jī)的使用，減少了普通電機(jī)頻繁啟動(dòng)、超負(fù)荷及欠載運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)、抽油機(jī)井電機(jī)、抽油泵等設(shè)備的不利影響，從而可降低設(shè)備故障率，增加抽油機(jī)及電機(jī)壽命，延長(zhǎng)檢泵周期。4.自動(dòng)判斷處理異外情況。如在抽油機(jī)井遇到砂卡、光桿斷脫及嚴(yán)重漏失等異外情況時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)判斷處理(如停機(jī)、報(bào)警等)，減少不必要的損失。
附圖
一是本裝置的電路構(gòu)成方框圖。
附圖二是本裝置的信號(hào)放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
附圖三是本裝置的單片機(jī)電路。
附圖四是本裝置的控制輸出電路。
附圖五是本裝置的RS232接口電路。
結(jié)合附圖對(duì)本裝置的實(shí)施例詳述如下附圖一中，1為載荷傳感器，2為位移傳感器，3為放大電路，4為多路開(kāi)關(guān)，5為A/D轉(zhuǎn)換電路，6為單片機(jī)電路，7為D/A轉(zhuǎn)換電路，8為控制信號(hào)放大電路，9為調(diào)速電機(jī)，10為顯示、通訊電路，11為電源電路。
附圖二中，R3、R4、R5、R6、R7、R8及U12A(LM358)組成載荷信號(hào)放大電路，其中J5-3，J5-4為載荷傳感器橋路的電源輸入端，變化的載荷信號(hào)經(jīng)J5-1，J5-2輸出后，再經(jīng)U12A(LM358)放大后進(jìn)入多路開(kāi)關(guān)輸入端。J7-1、J7-2為位移信號(hào)的交流電源輸入端，J6-1、J6-2及J6-3、J6-4分別為位移信號(hào)輸入及激勵(lì)端。位移信號(hào)經(jīng)U11A(LM358)、U12B(LM358)放大后送至多路開(kāi)關(guān)U10(AD7501)輸入端。多路開(kāi)關(guān)為8選1電子模擬開(kāi)關(guān)，所輸入的載荷、位移信號(hào)分時(shí)分別送至A/D轉(zhuǎn)換器U9(AD574)的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送至CPU。
附圖三中，C1、C2、X1組成時(shí)鐘振蕩電路。U8(MAX705)為WATCHDOG(看門(mén)狗)，用于程序的復(fù)位。U2(80C31BH)為CPU；U4(27C020)為程序存貯器，用于存貯處理、判斷所用的監(jiān)測(cè)和應(yīng)用程序；U5為數(shù)據(jù)存貯器，用來(lái)存放數(shù)據(jù)和中同結(jié)果；U3(74HC373)為地址鎖存器，由A/D轉(zhuǎn)換器輸入的測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)存貯及CPU、應(yīng)用程序的判斷處理，將控制信號(hào)送至數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。U6為3-8譯碼器74HC138，主要用于控制外圍電路即用于選通模/數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。圖中J2～J4諸接口均為調(diào)試方便所設(shè)。
附圖四為控制輸出電路。來(lái)自CPU的控制信號(hào)，先經(jīng)U14(74HC273)鎖存后，輸入至D/A轉(zhuǎn)換器U13(DAC102D)。J8-1、J8-2為電磁調(diào)速電機(jī)用于控制轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)，經(jīng)U15C(LM358)、U16C(LM358)放大后輸入至D/A轉(zhuǎn)換器U13，D/A轉(zhuǎn)換器將此信號(hào)等分后，按U14所要求的分量輸出，輸出分量經(jīng)U16A(LM358)后，再經(jīng)U15A(LM358)放大，用于控制電磁調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
附圖五為RS232接口電路，用于外接顯示器、鍵盤(pán)或外部控制等用途。
本裝置的工作過(guò)程是載荷傳感器、位移傳感器測(cè)得相應(yīng)的載荷、位移信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入至CPU及其外圍電路(程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器等)，轉(zhuǎn)換為本抽油機(jī)井的功圖，再對(duì)此功圖或泵功圖(可由鍵盤(pán)輸入本井的各項(xiàng)參數(shù))進(jìn)行分析、處理，判斷出此井的工作狀態(tài)，若正常則自動(dòng)加快電機(jī)轉(zhuǎn)速即增加抽油機(jī)井沖次，若抽空則根據(jù)泵的充滿程度相應(yīng)降低沖次，最終使抽油機(jī)井的產(chǎn)能與地層供液能力達(dá)到相互平衡的狀態(tài)。若遇到砂卡、嚴(yán)重漏失、斷脫等異外情況時(shí)，則進(jìn)行停機(jī)、報(bào)警或減慢轉(zhuǎn)速等處理，以減少由此所造成的損失。
調(diào)速電機(jī)用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的最大電壓由J8-1、J8-2通過(guò)U15C及U15B進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器U13，U13將此電壓分成256份，再根據(jù)CPU的控制信號(hào)，輸出相應(yīng)的電壓，經(jīng)U16A、U15A放大后控制調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到自動(dòng)控制抽油機(jī)載荷與油井供液量平衡的目的。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)控制抽油機(jī)載荷與油井供液量平衡裝置，由載荷傳感器(1)、位移傳感器(2)、放大電路(3)、多路開(kāi)關(guān)(4)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(5)、單片機(jī)判斷處理電路(6)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路(7)、控制信號(hào)放大電路(8)、調(diào)速電機(jī)(9)、顯示及通訊電路(10)及電源電路(11)組成，其特征是載荷傳感器(1)及位移傳感器(2)輸出與其相對(duì)應(yīng)的模擬電信號(hào)，分別輸入至放大電路(3)，經(jīng)放大后輸出至多路開(kāi)關(guān)(4)的輸入端；模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(5)的輸入端與多路開(kāi)關(guān)(4)的輸出端相連，它將分時(shí)取得的載荷、位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送往單片機(jī)電路(6)；單片機(jī)電路處理后的信號(hào)輸入至數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路(7)，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路(7)所轉(zhuǎn)換成的模擬信號(hào)送至控制信號(hào)放大電路(8)的輸入端，控制信號(hào)放大電路(8)的輸出端與調(diào)速電機(jī)(9)相連，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化；單片機(jī)電路和顯示通訊電路(10)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)控制抽油機(jī)載荷與油井供液量平衡裝置，其特征在于采用角位移傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的自動(dòng)控制抽油機(jī)載荷與油井供液量平衡裝置，其特征在于采用電磁調(diào)速電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的自動(dòng)控制抽油機(jī)載荷與油井供液量平衡裝置，其特征在于采用變頻調(diào)速電機(jī)。
全文摘要
一種自動(dòng)控制抽油機(jī)載荷與油井供液量平衡裝置，由載荷傳感器(1)、位移傳感器(2)、放大電路(3)、多種開(kāi)關(guān)(4)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(5)、單片機(jī)判斷處理電路(6)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路(7)、控制信號(hào)放大電路(8)、調(diào)速電機(jī)(9)、顯示及通訊電路(10)及電源電路(11)等部分組成。載荷傳感器、位移傳感器測(cè)得相應(yīng)的載荷、位移信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入至CPU及其外圍電路，轉(zhuǎn)換為本抽油機(jī)井的功圖，再對(duì)此功圖進(jìn)行分析、處理，判斷出此井的工作狀態(tài)，自動(dòng)控制抽油機(jī)載荷與油井供液量平衡。
文檔編號(hào)F04B49/00GK1167879SQ9610637
公開(kāi)日1997年12月17日 申請(qǐng)日期1996年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月10日
發(fā)明者張長(zhǎng)和, 李吉錫, 李天勇, 初德鵬, 逯連清, 王玲寶 申請(qǐng)人:勝利石油管理局勝利采油廠