一种节能高效抽油机运行姿态的调控方法与流程

1.本发明涉及抽油机技术领域，具体涉及一种节能高效抽油机运行姿态的调控方法。


背景技术：

2.目前，抽油机是石油开采的主要地面设备，是使用最早、最普遍的抽油机，其工作原理是电动机通过皮带轮和减速箱减速后，由一个曲柄摇杆机构将减速箱输出轴的旋转运动转换为游梁驴头的往复运动，从而带动抽油杠杆作上下往复的直线运动，再通过抽油杠杆将这个运动传递给井下的抽油泵的柱塞，使之工作抽油。
3.尽管抽油机技术经过长期发展，研制出了大载荷、长冲程、低冲次节能抽油机，开展了变频调速电动机、电磁调速电机、永磁同步电机等各种节能电机的试验应用，但是抽油杠杆在上止点和下止点之间的运行姿态同样影响抽油机的载荷和冲程，目前对抽油机的运行姿态调整方式大多为人工经验所做的处理，且调整方式唯一，无法通过对比多种调整方式的冲程和载荷来对抽油机运行姿态进行优化。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种节能高效抽油机运行姿态的调控方法，以解决现有技术中对抽油机的运行姿态调整方式大多为人工经验所做的处理，且调整方式唯一，无法通过对比多种调整方式的冲程和载荷来对抽油机运行姿态进行优化的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：一种节能高效抽油机运行姿态的调控方法，包括以下步骤：步骤100、确定抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的单程距离，获取抽油杠杆在上止点至下止点之间的转动角度，并将所述抽油杠杆的转动范围划分为上止点临界段、中间变频段和下止点临界段，根据抽油杠杆在上止点至下止点之间的转动角度，初步确定所述抽油杠杆在所述上止点临界段、中间变频段以及下止点临界段的转动角度，获取抽油杠杆在所述上止点临界段、中间变频段以及下止点临界段受到的冲击力；步骤200、多次更改电机转速进行试验操作，且在每次试验操作时保证所述抽油杠杆在所述上止点临界段和下止点临界段的角度变化率不变；步骤300、计算所述抽油杠杆在上止点临界段、下止点临界段以及中间变频段的角度变化率，建立上止点临界段和下止点临界段的角度变化率与冲击力之间的上下止点函数关系式，建立中间变频段的角度变化率与冲击力之间的中间函数关系式，统计每次电机试验操作的上止点与下止点的单程移动的电机转速，建立电机转速与中间变频段、上止点临界段和下止点临界段的角度变化率之间的匹配关系式；步骤400、以所述抽油杠杆的冲击载荷阈值为基准，根据所述上下止点函数关系式确定所述上止点临界段和下止点临界段的角度变化率，并依据所述匹配关系式匹配所述上止点临界段和下止点临界段的第一电机转速，根据所述中间函数关系式确定所述中间变频
段的角度变化率，并依据所述匹配关系式匹配所述中间变频段的第二电机转速；步骤500、建立电机转速
‑
时间曲线，标记所述上止点临界段和下止点临界段的第一电机转速以及所述中间变频段的第二电机转速，对电机转速
‑
时间曲线积分处理以优化调整所述抽油泵柱塞在所述上止点与下止点的运行姿态变化。
6.作为本发明的优选方案，在步骤100中，所述抽油杠杆在所述上止点和下止点之间的转动角度为（
‑
a
°
，a
°
），初步划分所述抽油杠杆在下止点临界段对应的转动角度为（
‑
a
°
，
‑
b
°
），所述抽油杠杆在上止点临界段对应的转动角度为（b
°
，a
°
），所述抽油杠杆在中间变频段对应的转动角度为（
‑
b
°
，b
°
）。
7.作为本发明的优选方案，步骤300中，建立所述上止点临界段和下止点临界段的角度变化率与冲击力之间的上下止点函数关系式的实现方式为：多次调控电机转速并依次增加所述抽油杠杆的角度变化率，且单次调控电机转速时，所述抽油杠杆在上止点与下止点的转动角度按照均匀变化的方式驱动；确定所述上止点临界段和所述下止点临界段在多次调控且不同角度变化率对应的冲击力，并基于多次调控试验对应的所述上止点临界段和所述下止点临界段的角度变化率和冲击力建立上下止点函数关系式；以所述抽油杠杆的冲击载荷阈值为基准，根据所述上下止点函数关系式匹配所述上止点临界段和下止点临界段的角度变化率，并根据所述上下止点函数关系式确定电机在所述上止点临界段和下止点临界段对应的第一电机转速。
8.作为本发明的优选方案，在步骤300中，建立中间变频段的角度变化率与冲击力之间的中间函数关系式的实现方式为：基于所述中间变频段在所述多次调控试验对应的角度变化率和冲击力建立中间函数关系式，确定所述抽油杠杆在所述中间变频段达到冲击载荷阈值时对应的角度变化率；基于所述电机转速与角度变化率之间的匹配关系式，确定电机在所述中间变频段的第二电机转速。
9.作为本发明的优选方案，所述抽油杠杆与电机连接的一端在所述上止点临界段时处于最低点，所述抽油杠杆与所述电机连接的一端在所述下止点临界段时处于最高点，所述抽油杠杆与所述电机连接的一端在所述中间变频段处于从最低点向最高点的转移过程或处于最高点向最低点的转移过程；所述角度变化率为所述抽油杠杆在单位时间内的转动角度，所述电机转速与所述角度变化率正相关，所述角度变化率与电机转速同频增大或减小；所述上止点临界段和所述下止点临界段在同一角度变化率对应的冲击力相同，且所述中间变频段和所述上止点临界段在同一角度变化率对应的冲击力不同。
10.作为本发明的优选方案，在步骤500中，建立电机转速
‑
时间曲线的实现方式为：根据抽油泵柱塞在所述上止点临界段和下止点临界段对应的第一电机转速，以及电机转速与角度变化率之间的匹配关系式，计算所述抽油泵柱塞在下止点临界段对应的转动角度为（
‑
a
°
，
‑
b
°
）的转动时间t1，以及所述抽油泵柱塞在上止点临界段对应的转动角度为（b
°
，a
°
）的转动时间t1；根据所述抽油泵柱塞在所述中间变频段的第二电机转速，建立抽油泵柱塞在下止
点临界段对应的匀速曲线、在上止点临界段对应的匀速曲线，以及在中间变频段的加速曲线和降速曲线；分别对四段曲线进行积分，确定积分处理后的抽油泵柱塞垂向距离值；对比所述抽油泵柱塞垂向距离值与所述抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的距离，以调整所述抽油泵柱塞在下止点临界段和上止点临界段的转动时间和转动角度；重新对电机转速
‑
时间曲线进行积分，直至抽油泵柱塞垂向距离值与所述抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的距离相同。
11.作为本发明的优选方案，所述加速曲线和降速曲线为镜像对称曲线，确定加速曲线和降速曲线的加速时长和降速时长的实现方式相同，具体为：根据所述抽油泵柱塞在下止点临界段对应的匀速曲线，以及抽油泵柱塞在上止点临界段对应的匀速曲线，确定所述抽油泵柱塞在所述下止点临界段和所述上止点临界段的两段移动距离；根据抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的单向距离，以及所述抽油泵柱塞在所述下止点临界段和所述上止点临界段的两段移动距离，计算所述抽油泵柱塞在所述中间变频段的变速距离；对所述加速曲线和降速曲线进行积分直至与所述变速距离相同，以计算所述中间变频段的转动时间t2，其中，对应加速曲线和降速曲线的转动时间分别为t2/2。
12.作为本发明的优选方案，计算所述加速曲线从第一电机转速转变至第二电机转速的加速度以及所述降速曲线从第二电机转速转变至的第一电机转速的加速度，并将计算得到的加速度与电机的稳定运行加速度进行对比，以调整所述抽油杠杆在中间变频段的转动时间为t2'，转动时间的调控值为
∆
t=t2'
‑
t2。
13.作为本发明的优选方案，二次调控所述抽油泵柱塞在下止点临界段内转动角度为（
‑
a1
°
，
‑
b
°
），以及所述抽油泵柱塞在上止点临界段对应的转动角度为（b1
°
，a
°
）；以电机的稳定运行加速度确定从第一电机转速加速至第二电机转速以及从第二电机转速降速至第一电机转速对应的转动时间t2'，将电机保持第二电机转速的持续时间设为零，以确定抽油泵柱塞在上止点临界段和下止点临界段的转动时间t1'=t1
‑∆
t。
14.作为本发明的优选方案，选择保持第二电机转速的时间段t3生成高速匀速曲线，抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的单向移动过程分为，建立抽油泵柱塞在下止点临界段对应的匀速曲线、在上止点临界段对应的匀速曲线，以及在中间变频段的加速曲线、高速匀速曲线和降速曲线，重新对五段曲线进行积分，直至抽油泵柱塞垂向距离值与所述抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的距离相同，且调控下止点临界段和上止点临界段的转动时间t1''=t1
‑∆
t
‑
t3。
15.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：本发明通过有限次的模拟实验对抽油机进行匀速运行试验，并划分抽油机在上止点和下止点之间的工作时段，确定电机在上止点临界段、下止点临界段和中间变频段的最大转动速度，从而根据最大转动速度的差别调控抽油机电机的运行姿态，通过拆分转动角度变化率、冲击力以及电机转速之间的三相关系，从而试验电机转速在上止点和下止点的运行姿态变化的实现方式简单，通过对上止点至下止点的抽油运行姿态的多种优化方式，减小对抽油杠杆的冲击载荷，降低冲程损失，延长抽油杠杆的使用寿命。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
17.图1为本发明实施例提供的抽油机的结构示意图；图2为本发明实施例提供的调控方法的流程示意图；图3为本发明实施例提供的与抽油泵柱塞状态匹配的电机转动一周的运行姿态图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.如图1所示，本实施方式提供了一种抽油机的结构特征，包括电机，由电机和曲柄摇杆机构驱动的抽油杠杆，以及设置在地下进行抽油工作的抽油泵柱塞，电机驱动抽油杠杆绕支点做往复式的转动，且抽油泵柱塞完成一次下止点
‑
上止点
‑
下止点的工作为一次抽油动作，由于从下止点到上止点，以及由上止点到下止点为镜像的动作，因此本发明仅研究抽油泵柱塞在上止点到下止点之间的单向运行姿态即可，而由下止点到上止点的动作完全镜像对称。
20.如图2所示，本发明提供了一种节能高效抽油机运行姿态的调控方法，本实施方式通过有限次的模拟实验对抽油机进行匀速运行试验，并划分抽油机在上止点和下止点之间的工作时段，分别为上止点临界段、下止点临界段和中间变频段，通过多次试验确定上止点临界段、下止点临界段和中间变频段的抽油杠杆冲击力与抽油杠杆角度变化率之间的关系，以抽油杠杆承受的最大冲击载荷阈值确定抽油杠杆在上止点临界段、下止点临界段和中间变频段的最大角度变化率，再建立最大角度变化率与电机转速之间的关系，来确定电机在上止点临界段、下止点临界段和中间变频段的最大转动速度，从而根据最大转动速度的差别调控抽油机电机的运行姿态，实现方式简单，且容易实现，并拆分转动角度变化率、冲击力以及电机转速之间的三相关系。
21.具体包括以下步骤：步骤100、确定抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的单程距离，获取抽油杠杆在上止点至下止点之间的转动角度，并将抽油杠杆的转动范围划分为上止点临界段、中间变频段和下止点临界段，根据抽油杠杆在上止点至下止点之间的转动角度，初步确定抽油杠杆在上止点临界段、中间变频段以及下止点临界段的转动角度，获取抽油杠杆在上止点临界段、中间变频段以及下止点临界段受到的冲击力。
22.在步骤100中，抽油杠杆在上止点和下止点之间的转动角度为（
‑
a
°
，a
°
），初步划分抽油杠杆在下止点临界段对应的转动角度为（
‑
a
°
，
‑
b
°
），抽油杠杆在上止点临界段对应的转动角度为（b
°
，a
°
），抽油杠杆在中间变频段对应的转动角度为（
‑
b
°
，b
°
）。
23.抽油机的整个结构包括安装在立桩上的抽油杠杆，抽油杠杆的一端连接有悬绳，悬绳带动抽油泵柱塞在上止点与下止点往复式的上下垂向移动，抽油杠杆的另一端通过传动结构连接有驱动组件（电机），抽油杠杆在驱动组件的带动下绕立桩的上端做往复式的杠杆运动，因此在抽油杠杆上安装角度传感器，可以监测到抽油杠杆往复式转动的转动角度为（
‑
a
°
，a
°
）。
24.初步划分抽油杠杆在下止点临界段、上止点临界段的转动角度，通过电机转速调制多次试验，来确定抽油杠杆在下止点临界段、上止点临界段受到的冲击力大小与下止点临界段、上止点临界段的运行速度大小之间的函数关系，以及抽油杠杆在中间变频段时的运行速度与抽油杠杆受到的冲击力之间的函数关系，来确定满足抽油杠杆的冲击载荷阈值时对应的下止点临界段、上止点临界段和中间变频段的最大运行速度。
25.步骤200、多次更改电机转速进行试验操作，且在每次试验操作时保证抽油杠杆在上止点临界段和下止点临界段的角度变化率不变。
26.即根据抽油杠杆的转动角度，对抽油杠杆受到的冲击力进行分段接收和分析，将抽油杠杆的冲击力对应划分为下止点临界段、上止点临界段和中间变频段的冲击力。
27.步骤300、计算抽油杠杆在上止点临界段、下止点临界段以及中间变频段的角度变化率，建立上止点临界段和下止点临界段的角度变化率与冲击力之间的上下止点函数关系式，建立中间变频段的角度变化率与冲击力之间的中间函数关系式，统计每次电机试验操作的上止点与下止点的单程移动的电机转速，建立电机转速与中间变频段、上止点临界段和下止点临界段的角度变化率之间的匹配关系式。
28.步骤400、以抽油杠杆的冲击载荷阈值为基准，根据上下止点函数关系式确定上止点临界段和下止点临界段的角度变化率，并依据匹配关系式匹配上止点临界段和下止点临界段的第一电机转速，根据中间函数关系式确定中间变频段的角度变化率，并依据匹配关系式匹配中间变频段的第二电机转速。
29.建立上止点临界段和下止点临界段的角度变化率与冲击力之间的上下止点函数关系式的实现方式为：（1）多次调控电机转速并依次增加抽油杠杆的角度变化率，且单次调控电机转速时，抽油杠杆在上止点与下止点的转动角度按照均匀变化的方式驱动。
30.（2）确定上止点临界段和下止点临界段在多次调控且不同角度变化率对应的冲击力，并基于多次调控试验对应的上止点临界段和下止点临界段的角度变化率和冲击力建立上下止点函数关系式。
31.（3）以抽油杠杆的冲击载荷阈值为基准，根据上下止点函数关系式匹配上止点临界段和下止点临界段的角度变化率，并根据上下止点匹配关系式确定电机在上止点临界段和下止点临界段对应的第一电机转速。
32.建立中间变频段的角度变化率与冲击力之间的中间函数关系式的实现方式为：（1）基于中间变频段在多次调控试验对应的角度变化率和冲击力建立中间函数关系式。
33.（2）确定抽油杠杆在中间变频段达到冲击载荷阈值时对应的角度变化率，基于电机转速与角度变化率之间的匹配关系式，确定电机在中间变频段的第二电机转速。
34.抽油杠杆与电机连接的一端在上止点临界段时处于最低点，抽油杠杆与电机连接
的一端在下止点临界段时处于最高点，抽油杠杆与电机连接的一端在中间变频段处于从最低点向最高点的转移过程或处于最高点向最低点的转移过程，如图3所示，将抽油杠杆在上止点和下止点的单向运行转动范围与电机转动半圈的转动状态进行匹配关联起来，得到电机在转动半圈的运行姿态，另外半圈的运行姿态完全镜像对称分布。
35.角度变化率为抽油杠杆在单位时间内的转动角度，电机转速与角度变化率正相关，角度变化率与电机转速同频增大或减小，上止点临界段和下止点临界段在同一角度变化率对应的冲击力相同，且中间变频段和上止点临界段在同一角度变化率对应的冲击力不同。
36.即在每次匀速试验操作时，抽油杠杆在上止点和下止点之间的角度变化率相同，但是抽油杠杆在上止点临界段和下止点临界段受到的冲击力大于抽油杠杆在中间变频段受到的冲击力。
37.通过多次增大电机转速，根据抽油杠杆在上止点临界段和下止点临界段的角度变化率与抽油杠杆在此阶段受到的冲击力确定上下止点函数关系式，同时可以根据抽油杠杆在中间变频段的角度变化率与抽油杠杆在此阶段受到的冲击力确定中间函数关系式，基于抽油杠杆设定的额定冲击载荷阈值，根据上下止点函数关系式确定抽油杠杆在上止点临界段和下止点临界段的最大角度变化率，并基于抽油杠杆设定的额定冲击载荷阈值，根据中间函数关系式确定抽油杠杆在中间变频段的最大角度变化率。
38.再根据电机转速与角度变化率之间的匹配关系式，确定抽油杠杆在中间变频段的最大角度变化率时，对应的第二电机转速，并确定抽油杠杆在上止点临界段和下止点临界段的最大角度变化率时，对应的第一电机转速，根据实验结果来说，第一电机转速的速度小于第二电机转速的速度，因此在本实施方式中，抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的运行姿态为变频运行姿态，具体的：在上止点临界段和下止点临界段为匀速运行，在中间变频段至少分为加速段和减速段。
39.步骤500、建立电机转速
‑
时间曲线，标记上止点临界段和下止点临界段的第一电机转速以及中间变频段的第二电机转速，对电机转速
‑
时间曲线积分处理以优化调整抽油泵柱塞在上止点与下止点的运行姿态变化。
40.在步骤500中，建立电机转速
‑
时间曲线的实现方式为：根据抽油泵柱塞在上止点临界段和下止点临界段对应的第一电机转速，以及电机转速与角度变化率之间的匹配关系式，计算抽油泵柱塞在下止点临界段对应的转动角度为（
‑
a
°
，
‑
b
°
）的转动时间t1，以及抽油泵柱塞在上止点临界段对应的转动角度为（b
°
，a
°
）的转动时间t1。
41.根据抽油泵柱塞在中间变频段的第二电机转速，建立抽油泵柱塞在下止点临界段对应的匀速曲线、在上止点临界段对应的匀速曲线，以及在中间变频段的加速曲线和降速曲线。
42.分别对四段曲线进行积分，确定积分处理后的抽油泵柱塞垂向距离值。
43.对比抽油泵柱塞垂向距离值与抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的距离，以调整抽油泵柱塞在下止点临界段和上止点临界段的转动时间和转动角度。
44.重新对电机转速
‑
时间曲线进行积分，直至抽油泵柱塞垂向距离值与抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的距离相同。
45.其中，加速曲线和降速曲线为镜像对称曲线，确定加速曲线和降速曲线的加速时长和降速时长的实现方式相同，具体为：根据抽油泵柱塞在下止点临界段对应的匀速曲线，抽油泵柱塞在上止点临界段对应的匀速曲线，确定抽油泵柱塞在下止点临界段和上止点临界段的两段移动距离；根据抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的单向距离，以及抽油泵柱塞在下止点临界段和上止点临界段的两段移动距离，计算抽油泵柱塞在中间变频段的变速距离；对加速曲线和降速曲线进行积分直至与变速距离相同，以计算中间变频段的转动时间t2，其中，对应加速曲线和降速曲线的转动时间分别为t2/2。
46.确定加速曲线和降速曲线的转动时间分别为t2/2，再根据从第一电机转速v1加速至第二电机转速v2计算电机在此阶段的加速度a1=2（v2
‑
v1）/t2，计算加速曲线从第一电机转速转变至第二电机转速的加速度以及降速曲线从第二电机转速转变至的第一电机转速的加速度，并将计算得到的加速度与电机的稳定运行加速度进行对比，如果计算得到的加速度大于电机的稳定运行加速度，则以调整抽油杠杆在中间变频段的转动时间为t2'，转动时间的调控值为
∆
t=t2'
‑
t2。
47.基于转动时间的调控值，二次调控抽油泵柱塞在下止点临界段内的转动角度为（
‑
a1
°
，
‑
b
°
），以及抽油泵柱塞在上止点临界段对应的转动角度为（b1
°
，a
°
）。
48.以电机的稳定运行加速度确定从第一电机转速加速至第二电机转速以及从第二电机转速降速至第一电机转速对应的转动时间t2'，将电机保持第二电机转速的持续时间设为零，以确定抽油泵柱塞在上止点临界段和下止点临界段的转动时间t1'=t1
‑∆
t。
49.上述实现过程为，电机在中间变频段加速至最大速度后立即降速，其实对于电机的调控反应时间和电机运行工作极为理想化，为了进一步的降低电机加速和降速的瞬变过程，还可以选择保持第二电机转速的时间段t3生成高速匀速曲线，抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的单向移动过程分为，建立抽油泵柱塞在下止点临界段对应的匀速曲线、在上止点临界段对应的匀速曲线，以及在中间变频段的加速曲线、高速匀速曲线和降速曲线，重新对五段曲线进行积分，直至抽油泵柱塞垂向距离值与抽油泵柱塞在上止点与下止点之间的距离相同，且调控下止点临界段和上止点临界段的转动时间t1''= t1
‑∆
t
‑
t3。
50.因此，本实施方式通过对抽油机多次逐渐增加电机转速的试验操作，拆分抽油杠杆的三个转动阶段，分别为上止点临界段、中间变频段以及下止点临界段，通过建立电机在上止点临界段和下止点临界段的角度变化率与抽油杠杆受到的冲击力之间的函数关系，以及电机在中间变频段的角度变化率与抽油杠杆受到的冲击力之间的函数关系，确定抽油杠杆在上止点临界段和下止点临界段，以及中间变频段达到额定的冲击载荷阈值时对应的角度变化率，再根据角度变化率与电机转速之间的关系，确定电机在上止点临界段、中间变频段以及下止点临界段的电机转速，根据加速度筛选和电机稳定工作的筛选工作，确定上止点临界段、下止点临界段以及中间变频段的转动角度，以及抽油机柱塞在上止点临界段、下止点临界段以及中间变频段的运行曲线，基于运行曲线调控抽油机的电机运行姿态。
51.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。