智能曲柄式皮带抽油机

技术领域

本发明属于石油开发采油设备技术领域，特别涉及一种智能曲柄式皮带抽油机。

背景技术

目前，国内油田采用的抽油机大多是游梁式抽油机，也就是有杆泵抽油系统。此设备存在的不足是：能耗高、零部件寿命短、自动化程度低。能耗高是当前游梁式抽油机面临的主要问题，据统计，当前油田游梁式抽油机工作效率只有12％-23％，其中70％的电能消耗都与抽油无直接的联系，在抽油机机械运转过程中会消耗更多的电能。另外，游梁式抽油机主要部件负载过大，平衡性差还会产生负扭矩，使抽油机的减速机齿轮经常受到反向载荷，缩短了减速机等部件使用寿命。也是当今油田游梁式抽油机所面临的问题之一。其次，目前游梁式抽油机自动化程度偏低，还停留在粗放采油生产阶段。抽油机运行过程中，需要及时调整运行参数，来保证油井稳定高效生产，当前游梁式抽油机调整参数，需要停机人工调整，不能根据油井出液情况实时自动调整，这样既浪费人力物力，又耽误油井正常生产，调参精准度也无法保证。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种智能曲柄式皮带抽油机，以解决现有游梁式抽油机能耗高，自动化程度低，减速机寿命短的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种智能曲柄式皮带抽油机，包括：

抽汲系统，设置于采油井内且通过上下冲程实现地下采油；

动力系统，包括动力装置、配重装置及皮带牵引组件，其中皮带牵引组件用于连接动力装置和抽汲系统，动力装置为抽汲系统的上下冲程提供动力，配重装置与动力装置连接，配重装置用于平衡抽汲系统的载荷；

电控柜，通过电缆与配重装置和动力装置连接，电控柜用于控制动力系统的工作；

抽油机底座，用于承载电控柜和动力系统。

所述动力装置包括动力源、减速机及曲柄滑块机构，其中动力源和减速机均设置于所述抽油机底座上，动力源的输出端与减速机的输入端连接，减速机的输出端与曲柄滑块机构连接，曲柄滑块机构沿竖直方向输出动力。

所述曲柄滑块机构包括曲柄、连杆、曲柄滑块机构支架、曲柄滑块及曲柄滑块导轨，其中曲柄滑块机构支架设置于所述抽油机底座上，曲柄滑块导轨沿竖直方向设置于曲柄滑块机构支架上，曲柄滑块与曲柄滑块导轨滑动连接；曲柄的一端与所述减速机的输出端垂直连接，曲柄的另一端通过连杆与曲柄滑块铰接；所述配重装置和所述皮带牵引组件的拉力作用在曲柄滑块的上下两端且方向相反。

所述曲柄滑块的左右两侧设有导向轮组件，导向轮组件沿所述曲柄滑块导轨上下滚动。

所述的智能曲柄式皮带抽油机还包括设置于所述抽油机底座上的支撑框架，支撑框架为所述配重装置和所述皮带牵引组件提供支撑。

所述配重装置包括载荷传感器Ⅰ、配重吊篮、配重块、钢丝皮带Ⅰ、定滑轮组、动滑轮Ⅰ及配重吊篮滑道，其中配重吊篮滑道沿竖直方向设置于所述抽油机底座上，配重吊篮与配重吊篮滑道滑动配合，配重吊篮内放置有配重块；载荷传感器Ⅰ和定滑轮组均设置于所述支撑框架的顶部，动滑轮Ⅰ设置于所述曲柄滑块机构上；钢丝皮带Ⅰ的一端与载荷传感器Ⅰ连接，钢丝皮带Ⅰ的另一端依次经过动滑轮Ⅰ和定滑轮组后与配重吊篮连接。

所述皮带牵引组件包括定滑轮Ⅲ、定滑轮Ⅳ、动滑轮Ⅱ及钢丝皮带Ⅱ，其中定滑轮Ⅲ设置于所述抽油机底座上，定滑轮Ⅳ与所述支撑框架的顶部连接，动滑轮Ⅱ设置于所述曲柄滑块机构上，钢丝皮带Ⅱ的一端与所述抽油机底座连接，另一端依次经过动滑轮Ⅱ、定滑轮Ⅲ及定滑轮Ⅳ后与所述抽汲系统连接。

所述定滑轮Ⅲ圆周左侧和所述动滑轮Ⅱ圆周右侧的切线共线，且与所述曲柄滑块机构上下运行的轨迹线平行。

所述皮带牵引组件包括定滑轮Ⅲ、定滑轮Ⅳ及钢丝皮带Ⅱ，其中定滑轮Ⅲ设置于所述抽油机底座上，定滑轮Ⅳ设置于所述支撑框架的顶部，钢丝皮带Ⅱ的一端与所述曲柄滑块机构连接，另一端依次经过定滑轮Ⅲ和定滑轮Ⅳ后与所述抽汲系统连接。

所述定滑轮Ⅳ通过载荷传感器Ⅱ与所述支撑框架的顶部连接；所述定滑轮Ⅳ上设有位移传感器。

本发明的优点及有益效果是：本发明提供的智能曲柄式皮带抽油机，结构简单，故障率低，维护保养成本低，提高了抽油机的机械效率及采油井的生产效率，降低电能消耗及延长减速机等部件使用寿命；本发明取消笨重的游梁部件，节省钢材用量。配重块垂直上下运动，配重块的势能和抽汲系统的势能可以全部相互转化，匹配的减速机扭矩和动力源功率均可大幅减少，进一步节能。

本发明加入智能芯片和关键部位传感器，可以精准反应采油井井下泵效、产量、动液面位置，根据井下供液数据自动调节抽油速度，也可间歇抽油，达到高效运行，实现节能采油、智能优化采油、智能控制，增加油井产量。延长修井和更换管杆泵周期、远程数字化控制管理，延长抽油机各部件使用寿命，进一步降低维护成本。

附图说明

图1为本发明实施例一中智能曲柄式皮带抽油机的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的右视图；

图4为本发明中曲柄滑块机构的结构示意图；

图5为图4的A-A剖视图；

图6为本发明实施例二中智能曲柄式皮带抽油机的结构示意图。

图中：1、电控柜，2、动力系统，3、抽油机底座，4、抽汲系统，5、动力源，6、传动带，7、减速机皮带轮，8、减速机底座，9、减速机，10、曲柄，11、曲柄销，12、连杆，13、曲柄滑块机构，14、曲柄滑块销，15、曲柄滑块，16、滚轮，17、曲柄滑块导轨，18、配重吊篮滑道，19、配重块，20、配重吊篮，21、定滑轮Ⅰ，22、钢丝皮带Ⅰ，23、横梁，24、定滑轮Ⅱ，25、载荷传感器Ⅰ，26、动滑轮Ⅰ，27、动滑轮Ⅱ，28、载荷传感器Ⅱ，29、定滑轮Ⅳ，30、位移传感器，31、钢丝皮带Ⅱ，32、定滑轮Ⅲ，33、光杆吊卡，34、光杆，35、井口采油树，36、抽油杆，37、抽油泵，38、支架，39、曲柄滑块机构支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例一

参见图1至图3所示，本发明实施例一提供一种智能曲柄式皮带抽油机，包括电控柜1、动力系统2、抽油机底座3及抽汲系统4，其中抽汲系统4设置于采油井内且通过上下冲程实现地下采油；电控柜1和动力系统2均设置于抽油机底座3上，抽油机底座3用于承载电控柜1和动力系统2。动力系统2包括动力装置、配重装置及皮带牵引组件，其中皮带牵引组件用于连接动力装置和抽汲系统4，动力装置为抽汲系统4的上下冲程提供动力，配重装置与动力装置连接，配重装置用于平衡抽汲系统4的载荷；电控柜1通过电缆与配重装置和动力装置连接，电控柜1用于控制动力系统2的工作。本发明提高抽油机自动化运行程度，实现抽油机配重动态平衡，该设备既保留了游梁式抽油机上下冲程的变速运动优势，又减轻了设备各运动部件重量，配重与抽汲系统载荷之间的动能和势能完全转化，进一步节能。

参见图1、图3所示，本发明的实施例中，抽汲系统4包括光杆吊卡33、抽油杆36及抽油泵37，抽油泵37设置于采油井内，抽油杆36的下端与抽油泵37的活塞连接，抽油杆36的上端与光杆34的一端连接，光杆34的另一端由井口采油树35穿出且与光杆吊卡33连接，光杆吊卡33用于与动力系统2连接。通过动力系统2带动光杆吊卡33上下往复运动，使活塞在抽油泵37的泵筒内随光杆吊卡33的上下运动抽汲油液，从而使抽油泵37完成抽汲油液的工作。

参见图1所示，本发明的实施例中，动力装置包括动力源5、减速机9及曲柄滑块机构13，其中动力源5和减速机9均设置于抽油机底座3上，动力源5的输出端通过传动机构与减速机9的输入端连接，减速机9的输出端与曲柄滑块机构13连接，曲柄滑块机构13沿竖直方向输出动力，曲柄滑块机构13与配重装置和皮带牵引组件连接。

具体地，减速机9设置于减速机底座8上，减速机底座8的底部与抽油机底座3连接。传动机构包括主动带轮、传动带6及减速机皮带轮7，其中主动带轮设置于动力源5的输出端，减速机皮带轮7设置于减速机9的输入端且通过传动带6与主动带轮传动连接。

参见图1至图3所示，本发明的实施例中，曲柄滑块机构13包括曲柄10、连杆12、曲柄滑块机构支架39、曲柄滑块15及曲柄滑块导轨17，其中曲柄滑块机构支架39的下端与抽油机底座3连接，曲柄滑块导轨17沿竖直方向设置于曲柄滑块机构支架39上，曲柄滑块15与曲柄滑块导轨17滑动连接；曲柄10的一端与减速机9的输出端垂直连接，曲柄10的另一端通过曲柄销11与连杆12的一端铰接，连杆12的另一端通过曲柄滑块销14与曲柄滑块15铰接，配重装置和皮带牵引组件的拉力作用在曲柄滑块15的上下两端且方向相反。在抽油机工作中，曲柄10转动，带动曲柄滑块15上下往复运动，曲柄滑块机构13带动配重吊篮20和光杆吊卡33保持相同速率，且方向相反的上下往复位移运动。

进一步地，参见图4、图5所示，曲柄滑块15的左右两侧设有导向轮组件，导向轮组件沿曲柄滑块导轨17上下来回滚动。

本实施例中，曲柄滑块导轨17包括相对设置的两个T型轨道，曲柄滑块15的横截面大致为工字型结构，且位于两个T型轨道之间。曲柄滑块15的上、下端左右两侧均对称设有两组导向轮组件，每组导向轮组件均包括四个滚轮16，其中两个滚轮16位于曲柄滑块15的内侧，且夹持于T型轨道的两侧；另外两个滚轮16设置于曲柄滑块15的外侧，且均与T型轨道的端面内侧接触；四个滚轮16完成曲柄滑块15在水平方向的限位，保证曲柄滑块15的精确定位。也就是说，曲柄滑块15上一共设有16个滚轮，提高曲柄滑块15的升降稳定性。

进一步地，本发明实施例一提供的智能曲柄式皮带抽油机，还包括设置于抽油机底座3上的支撑框架，支撑框架为配重装置和皮带牵引组件提供支撑。具体地，支撑框架包括横梁23和支架38，其中支架38的底部与抽油机底座3连接，支架38的顶部与横梁23连接。

参见图1所示，本发明的实施例中，配重装置包括载荷传感器Ⅰ25、配重吊篮20、配重块19、钢丝皮带Ⅰ22、定滑轮组、动滑轮Ⅰ26及配重吊篮滑道18，其中配重吊篮滑道18沿竖直方向设置于抽油机底座3上，配重吊篮20与配重吊篮滑道18滑动配合，配重吊篮20内放置有配重块19，用于平衡抽汲系统4的载荷。配重吊篮滑道18对配重吊篮20的升降进行导向，避免配重吊篮20横向摆动。载荷传感器Ⅰ25和定滑轮组均设置于支撑框架的横梁23上，动滑轮Ⅰ26设置于曲柄滑块15的上端。钢丝皮带Ⅰ22的一端与载荷传感器Ⅰ25连接，另一端依次经过动滑轮Ⅰ26和定滑轮组后与配重吊篮20连接。具体地，定滑轮组包括设置于横梁23上的定滑轮Ⅰ21和定滑轮Ⅱ24，钢丝皮带Ⅰ22依次经过动滑轮Ⅰ26、定滑轮Ⅱ24和定滑轮Ⅰ21。

载荷传感器Ⅰ25用于测量、显示及调节配重，以便增减配重块19，达到系统配重平衡。

参见图1所示，本发明的实施例中，皮带牵引组件包括定滑轮Ⅲ32、定滑轮Ⅳ29、动滑轮Ⅱ27及钢丝皮带Ⅱ31，其中定滑轮Ⅲ32设置于抽油机底座3上，定滑轮Ⅳ29与支撑框架的横梁23连接，动滑轮Ⅱ27设置于曲柄滑块15的下端；钢丝皮带Ⅱ31的一端与抽油机底座3连接，另一端依次经过动滑轮Ⅱ27、定滑轮Ⅲ32及定滑轮Ⅳ29后与抽汲系统4的光杆吊卡33连接。曲柄10转动，带动曲柄滑块15上下往复运动，曲柄滑块15通过钢丝皮带Ⅱ31带动光杆吊卡33做上下往复运动。

进一步地，定滑轮Ⅳ29通过载荷传感器Ⅱ28与支撑框架的横梁23连接，载荷传感器Ⅱ28用来测量显示抽油机运行时上下冲程载荷变化数值，同时计算出产量、泵效、示功图、采油井下动液面位置等参数，为设备高效运行提供数据支撑。定滑轮Ⅳ29的尾轴上设有位移传感器30。位移传感器30用于检测抽汲系统4中光杆吊卡33的上下冲程位移量，从而精确测量光杆吊卡33运行位置、冲程幅度大小及冲次速度，位移传感器30可以选用角位移传感器或编码器。

参见图1所示，本发明的实施例中，减速机9对称设有两个输出端，减速机9的两个输出端分别与两个曲柄滑块机构13连接，参见图2、图3所示。相对应地，配重装置和皮带牵引组件均为两组，两个曲柄滑块机构13分别通过两个钢丝皮带Ⅰ22与配重吊篮20连接，从而提高配重吊篮20上升的平稳性，参见图2所示。两个曲柄滑块机构13分别通过两个钢丝皮带Ⅱ31与光杆吊卡33连接，从而提高抽汲系统4的上升平稳性，参见图3所示。钢丝皮带Ⅰ22的拉力和钢丝皮带Ⅱ31与的拉力作用在曲柄滑块机构13的上下两端且方向相反。

本实施例中，钢丝皮带Ⅰ22和钢丝皮带Ⅱ31均由钢丝绳和具有耐磨耐酸碱、耐高低温、韧性特性的非金属材料复合构成。具体地，钢丝皮带Ⅰ22和钢丝皮带Ⅱ31也可替换为链条或钢丝绳。

具体地，定滑轮Ⅱ24和载荷传感器Ⅰ25安装位置：定滑轮Ⅱ24圆周右侧和动滑轮Ⅰ26圆周左侧的切线延长线与载荷传感器Ⅰ25和动滑轮Ⅰ26圆周右侧的切线延长线在动滑轮Ⅰ26下端相交，曲柄滑块15在上止点时切线夹角最大，配重吊篮20对于曲柄滑块15的拉力最小，有利于曲柄10带动曲柄滑块15下行。曲柄滑块15在下止点时切线夹角最小，配重吊篮20对于曲柄滑块15的拉力最大，有利于曲柄10带动曲柄滑块15上行，从而配重吊篮20对于抽汲系统4端的拉力处于动态变化平衡中，有助于精准平衡抽汲系统4端的载荷变化。定滑轮Ⅲ32的安装位置：定滑轮Ⅲ32圆周左侧和动滑轮Ⅱ27圆周右侧的切线共线，且与曲柄滑块15上下运行的轨迹线平行，从而曲柄滑块15运行上下止点距离的2倍即是光杆吊卡33冲程幅度的大小。

本实施例中，动力源5为永磁电机、异步电机、燃气发动机或燃油发动机。电控柜1内部安装有智能化控制器、变频器，能显示产量、泵效、示功图、载荷、用电量、泵挂深度、动液面位置等各项参数，随时调整抽油机运行参数，实现自动化控制管理目标。智能控制主要体现在软件编制功能智能化，本发明安装完，已知数据有抽油杆、泵挂深度、静液面深度、油液含水量、初次配重量、冲程、冲次等参数，从而计算出油井内管杆环空单位深度体积、抽油泵没入静液面深度、杆泵载荷等参数。调试时，抽油泵37的活塞向上提升油液时，油井内油套环空静液面下降，当油管内静液面超过油套环空液面的位置时，向上提升载荷逐渐加大，变化数据均被控制系统记录，根据程序算法计算出相应的液面深度，通过光杆吊卡33上升载荷和下降载荷及相应光杆吊卡33的位置变化可自动显示出示功图，从示功图形可以判断抽油泵运行状况及抽油机平衡状态，进而自动计算出相应的产量、泵效、配重、用电量等数据。通过调试设置最佳配重量，调试完成抽油机开始运行。当出现动液面下降或示功图显示井下供液不足时，设备自动调整抽油参数，降低冲次或间歇抽油，当动液面远高于设定的深度时，自动提高冲次，提高产液量。相应参数均显示在触摸操作屏上，可使用移动通信卡或wifi等，无线远程控制管理。

本发明提供的一种智能曲柄式皮带抽油机，其工作原理是：

动力源5的动力经过传动带6传递到减速机9上，曲柄10安装在减速机9动力输出轴上，减速机9带动曲柄10转动，曲柄销11安装在曲柄10上，连杆12一端铰接在曲柄销11上,另一端铰接在曲柄滑块销14上，曲柄10带动曲柄滑块15上下往复运动，动滑轮Ⅰ26和动滑轮Ⅱ27分别安装在曲柄滑块15上下侧，钢丝皮带Ⅰ22一端连接载荷传感器Ⅰ25，另一端依次绕过动滑轮Ⅰ26、定滑轮Ⅱ24及定滑轮Ⅰ21与配重吊篮20连接。钢丝皮带Ⅱ31一端抽油机底座3，另一端依次绕过动滑轮Ⅱ27、定滑轮Ⅲ32及定滑轮Ⅳ29与光杆吊卡33连接。配重吊篮20的拉力经过钢丝皮带Ⅰ22传递，作用在曲柄滑块15上，抽汲系统4的拉力经过钢丝皮带Ⅱ31传递，也作用在曲柄滑块15上，且抽汲系统4与配重吊篮20的拉力方向相反，配重块19放在配重吊篮20内，起到平衡抽汲系统4载荷的作用。有杆泵采油井特征，上冲程载荷等于抽油杆重力加上井下油水液柱重力，下冲程载荷等于抽油杆重力，所以上冲程载荷大于下冲程载荷，配重吊篮20配重设置为上冲程最大载荷与下冲程最小载荷之和的二分之一。此时，抽油机上冲程时，抽油杆36负载大于配重吊篮20的拉力，曲柄10通过连杆12带动曲柄滑块15上行，从而拉动光杆吊卡33上行，配重吊篮20下行，配重吊篮20势能转化为抽油杆36上行的动能。抽油机下冲程时，抽油杆36负载小于配重吊篮20对光杆吊卡33的拉力，曲柄10通过连杆12带动曲柄滑块15下行，从而拉动配重吊篮20上行，光杆吊卡33下行，抽油杆36的重力转化成配重吊篮20的势能。如此，上下往复运动，抽汲油液。动力系统2提供驱动力带动抽油机运转，配重吊篮20与抽汲系统4之间的动能和势能不断转化，抽油机在上下冲程阶段动力源5都做较小的正功，不会产生负扭矩。进一步，配备动力源5的功率和减速机9的扭矩规格都较小，完全避免了游梁式抽油机平衡性差、能耗高、减速机等部件使用寿命短的问题。本发明可普遍用于油田有杆泵抽油，有利于油井采油作业，可节省电能、降低维保成本、提高工作效率、增加油井产量。另外，位移传感器30随时向电控柜1智能控制器发送位移数据和速度数据，载荷传感器Ⅰ25和载荷传感器Ⅱ28也随时向电控柜智能控制器发送载荷数据，根据这些数据及用电数据，智能控制器计算出各项参数、示功图，随时调整设备运行参数，也可远程操控，检查设备运行状态。

实施例二

参见图6所示，本实施例二与实施一基本相同，不同点在于，皮带牵引组件包括定滑轮Ⅲ32、定滑轮Ⅳ29及钢丝皮带Ⅱ31，其中定滑轮Ⅲ32设置于抽油机底座3上，定滑轮Ⅳ29设置于支撑框架的横梁23上，钢丝皮带Ⅱ31的一端与曲柄滑块机构13中的曲柄滑块15连接，另一端依次经过定滑轮Ⅲ32和定滑轮Ⅳ29后与抽汲系统4的光杆吊卡33连接。

本实施例中，取消了安装在曲柄滑块15下端的动滑轮Ⅱ27，钢丝皮带Ⅱ31一端连接在曲柄滑块15上，另一端连接光杆吊卡32。此方案适合冲程较小的机型，可以减少配重块19用量，进一步降低成本。

综上，本发明提供的一种智能曲柄式皮带抽油机，用于提高采油井的生产效率、降低机械采油电能消耗、延长抽油机使用寿命、提高自动化运行程度，该设备既保留了游梁式抽油机上下冲程的变速运动优势，又减轻了设备各运动部件重量，配重和负载能量相互转化，进一步节能。加入智能芯片和传感器，能及时反应泵效、产量、动液面位置，根据井下供液数据情况自动调节抽油机的抽油速度或间歇抽油，达到高效运行，实现智能控制、自动优化采油、提高产液量、延长更换管杆和检泵周期、远程数控管理之目的，进一步降低运行维护成本。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。