专利名称：自动控制抽油机载荷与油井供液量平衡装置的制作方法
本装置属于采油设备自动化控制技术，是专用于自动调节抽油机井冲次的一种自动化控制装置。具体来说，是根据抽油机井泵功图所反映的抽油泵的工作状态，来自动调节电机转速，实现自动控制抽油机井冲次的目的。也就是说，在油层供液能力较强，泵的充满程度较好时，自动加快电机转速，增加抽油机井的冲次(增加产液量)；当油井供液不足即泵充满程度变差时，自动降低电机转速，减少抽油机井的冲次，使地层的供液能力与抽油机井的生产能力形成一种动态平衡。
在油田开发生产过程中，尤其在油田进入特高含水的开发后期，油层供液能力变化大，抽油机的生产能力与油层供液能力不适应、不平衡的矛盾是普遍和长期存在的。如何解决这一矛盾？以往采取的办法是人工调节抽油机井参数，与地层供液能力相匹配。这种办法费时费力，而且很难保证对抽油机井进行有效的控制，即使人工调节参数一时达到平衡，也很难保持平衡，因而往往使抽油机井处于不合理的工作状态。经检索，至今未发现在此方面相近的技术。综上所述，为了适应抽油机井现代化生产管理的需要，急需一种专用于抽油机井参数自动调节的控制装置。
本装置的目的是针对上述问题提供一种自动控制抽油机载荷与油井供液量平衡装置，最终实现抽油机井生产过程的自动控制。
本装置是由以下技术方案实现的由载荷传感器(1)、位移传感器(2)、放大电路(3)、多路开关(4)、模/数转换电路(5)、单片机判断处理电路(6)、数/模转换电路(7)、控制信号放大电路(8)、调速电机(9)、显示通讯电路(10)、电源电路(11)及其它辅助电路等部分组成。其特征是载荷传感器(1)及位移传感器(2)输出与其相对应的模拟电信号，分别输入至放大电路(3)，经放大后输出至多路开关(4)的输入端；模/数转换电路(5)的输入端与多路开关(4)的输出端相连，它将分时取得的载荷、位移信号转换成数字信号后送往单片机电路(6)；单片机电路处理后的信号输入至数/模转换电路(7)，经数/模转换电路(7)转换成的模拟信号送至控制信号放大电路(8)的输入端，控制信号放大电路(8)的输出端与调速电机(9)相连，用于控制电机转速的变化；此外，单片机电路还和显示、通讯电路(10)相连，提供一些辅助功能，电源电路(11)为上述电路供电。其特征是采用角位移传感器；其特征在于采用电磁调速电机；其特征是采用变频调速电机。
该装置的载荷传感器(1)是一种电阻应变式传感器，由弹性元件、电阻应变片桥路、受力支点和保护外壳组成。其作用是将载荷信号转换成相应的模拟电信号。
该装置的位移传感器由高精度单圈电位器、传动臂及外壳等部分组成。其用途是将角度变化转换为相应的模拟电信号。
该装置中的放大电路(3)、多路开关(4)及模/数转换电路(5)主要由信号放大电路、8选1电子模拟开关和A/D转换器组成，其中放大电路(3)将来自载荷传感器(1)、位移传感器(2)的信号放大后，连接至多路开关(4)的输入端，多路开关(4)的输出端与A/D转换器(5)的输入端相连，A/D转换器(5)的输出端与单片机电路(6)的输入端相连。
该装置中的单片机电路(6)是其重要组成部分之一，由它完成对载荷、位移信号的分析、处理和判断，以及完成各种控制功能。单片机电路主要由8位单片机、EPROM(紫外光可擦除可编程只读存储器)、E2PROM(电可擦除可编程只读存储器)，地址锁存器和时钟电路等组成。EPROM用来存放已经调试完毕的监测程序和应用程序。E2PROM用来存放监测数据、中间结果及用户程序，其存储内容不受断电影响。地址锁存器的输入端与单片机相连，其输出端分别与EPROM、E2PROM的输入端相连。时钟电路由时钟发生器，振荡晶体及外围电路组成，其作用在于为以上各部分电路及A/D转换电路、D/A转换电路提供时钟信号。其中来自模/数转换电路(5)的信号，输出端与单片机电路(6)输入端相连，单片机电路(6)的输出端分别与D/A转换电路(7)及通讯、显示电路(10)的输入端相连。
该装置中的D/A转换电路(7)、控制信号放大电路(8)及调速电机(9)主要由锁存器、D/A转换器、放大电路及调速电机组成。来自单片机的信号经锁存器后与D/A转换器(7)的输入端相连，其输出的模拟电信号经放大电路(8)放大后，输入至调速电机(9)，用来控制电磁调速电机的转速。该装置中的显示、通讯电路(10)与单片机电路相连，其作用在于提供一些辅助功能。
由上述各各部分电路组成的自动控制抽油机载荷与油井供液量平衡装置的工作原理是首先由载荷传感器(1)及位移传感器(2)将抽油机井光杆所受的载荷及位移信号转换成电信号，再由信号放大电路(3)放大后，经多路开关(4)送入A/D转换电路(5)，把与载荷信号成线性关系的模拟电信号转换成周期性变化的数字信号后，送往单片机电路进行分析和处理，然后与已存储的正常载荷信号或图形相比较，判断出抽油机井泵的工作状况。此判断信号经D/A电路转换及放大后，控制调速电机相应地加速、减速、不变或停机，而最终实现自动调节抽油机井冲次，使之相应增加、降低或停抽的目的。
本装置电路的主要优点是电路设计新颖合理，采用了数字化和程控化等高新技术，集成化程度高，功能完善、精确灵敏、性能可靠、抗干扰能力强，适应各种恶劣的井场环境，适合各类抽油机井使用，尤其适用于供液不足、产能较低的井。
本装置的主要优点是1.″挖潜增油″，即挖掘地层潜力，使抽油机井的生产能力达到最大，从而起到增油的目的。具体来说，在抽油机井的生产过程中，抽油机井一般以固定的冲次工作(如3次，6次，9次，12次等)，那么对于一口供液能力不是十分充足的抽油机井来说，若它冲次为8次时与地层供液能力构成平衡，为了避免抽空后产生的损坏泵等不利影响，普通抽油机井只能工作于冲次为6时，而利用本系统，则可使抽油机井工作于8次，即增加2次的产液量，从而起到挖掘地层潜力，增加抽油机井产量的目的。2.提高抽油机井的泵效及系统效率，达到节能的目的。由于本技术能使泵的生产能力与地层供液能力保持平衡，它可使抽油泵一直处于较好的工作状态，保持较高的系统效率；同时，本技术使用了电磁调速电机，避免了目前油田生产中普遍存在的″大马拉小车″的问题(由于抽油机井起动力矩较大，抽油机井的电机一般比所需容量大10～20KW，如某口井需用35KW电机，在实际生产中则安装55KW电机)。因此，其节能效果是十分可观的。3.降低设备损耗率。本技术的使用可使抽油机井处于合理的工作状态，同时由于调速电机的使用，减少了普通电机频繁启动、超负荷及欠载运行时对电网、抽油机井电机、抽油泵等设备的不利影响，从而可降低设备故障率，增加抽油机及电机寿命，延长检泵周期。4.自动判断处理异外情况。如在抽油机井遇到砂卡、光杆断脱及严重漏失等异外情况时，进行自动判断处理(如停机、报警等)，减少不必要的损失。
附图
一是本装置的电路构成方框图。
附图二是本装置的信号放大及模/数转换电路。
附图三是本装置的单片机电路。
附图四是本装置的控制输出电路。
附图五是本装置的RS232接口电路。
结合附图对本装置的实施例详述如下附图一中，1为载荷传感器，2为位移传感器，3为放大电路，4为多路开关，5为A/D转换电路，6为单片机电路，7为D/A转换电路，8为控制信号放大电路，9为调速电机，10为显示、通讯电路，11为电源电路。
附图二中，R3、R4、R5、R6、R7、R8及U12A(LM358)组成载荷信号放大电路，其中J5-3，J5-4为载荷传感器桥路的电源输入端，变化的载荷信号经J5-1，J5-2输出后，再经U12A(LM358)放大后进入多路开关输入端。J7-1、J7-2为位移信号的交流电源输入端，J6-1、J6-2及J6-3、J6-4分别为位移信号输入及激励端。位移信号经U11A(LM358)、U12B(LM358)放大后送至多路开关U10(AD7501)输入端。多路开关为8选1电子模拟开关，所输入的载荷、位移信号分时分别送至A/D转换器U9(AD574)的输入端，A/D转换器将此信号转换为数字信号后送至CPU。
附图三中，C1、C2、X1组成时钟振荡电路。U8(MAX705)为WATCHDOG(看门狗)，用于程序的复位。U2(80C31BH)为CPU；U4(27C020)为程序存贮器，用于存贮处理、判断所用的监测和应用程序；U5为数据存贮器，用来存放数据和中同结果；U3(74HC373)为地址锁存器，由A/D转换器输入的测试数据经存贮及CPU、应用程序的判断处理，将控制信号送至数/模转换器。U6为3-8译码器74HC138，主要用于控制外围电路即用于选通模/数转换器或数/模转换器。图中J2～J4诸接口均为调试方便所设。
附图四为控制输出电路。来自CPU的控制信号，先经U14(74HC273)锁存后，输入至D/A转换器U13(DAC102D)。J8-1、J8-2为电磁调速电机用于控制转速的电压信号，经U15C(LM358)、U16C(LM358)放大后输入至D/A转换器U13，D/A转换器将此信号等分后，按U14所要求的分量输出，输出分量经U16A(LM358)后，再经U15A(LM358)放大，用于控制电磁调速电机的转速。
附图五为RS232接口电路，用于外接显示器、键盘或外部控制等用途。
本装置的工作过程是载荷传感器、位移传感器测得相应的载荷、位移信号，经过A/D转换后，输入至CPU及其外围电路(程序存贮器、数据存贮器等)，转换为本抽油机井的功图，再对此功图或泵功图(可由键盘输入本井的各项参数)进行分析、处理，判断出此井的工作状态，若正常则自动加快电机转速即增加抽油机井冲次，若抽空则根据泵的充满程度相应降低冲次，最终使抽油机井的产能与地层供液能力达到相互平衡的状态。若遇到砂卡、严重漏失、断脱等异外情况时，则进行停机、报警或减慢转速等处理，以减少由此所造成的损失。
调速电机用于调节转速的最大电压由J8-1、J8-2通过U15C及U15B进入D/A转换器U13，U13将此电压分成256份，再根据CPU的控制信号，输出相应的电压，经U16A、U15A放大后控制调速电机的转速，达到自动控制抽油机载荷与油井供液量平衡的目的。
权利要求
1.一种自动控制抽油机载荷与油井供液量平衡装置，由载荷传感器(1)、位移传感器(2)、放大电路(3)、多路开关(4)、模/数转换电路(5)、单片机判断处理电路(6)、数/模转换电路(7)、控制信号放大电路(8)、调速电机(9)、显示及通讯电路(10)及电源电路(11)组成，其特征是载荷传感器(1)及位移传感器(2)输出与其相对应的模拟电信号，分别输入至放大电路(3)，经放大后输出至多路开关(4)的输入端；模/数转换电路(5)的输入端与多路开关(4)的输出端相连，它将分时取得的载荷、位移信号转换成数字信号后送往单片机电路(6)；单片机电路处理后的信号输入至数/模转换电路(7)，经数/模转换电路(7)所转换成的模拟信号送至控制信号放大电路(8)的输入端，控制信号放大电路(8)的输出端与调速电机(9)相连，用于控制电机转速的变化；单片机电路和显示通讯电路(10)相连。
2.根据权利要求1所述的自动控制抽油机载荷与油井供液量平衡装置，其特征在于采用角位移传感器。
3.根据权利要求1和2所述的自动控制抽油机载荷与油井供液量平衡装置，其特征在于采用电磁调速电机。
4.根据权利要求1和2所述的自动控制抽油机载荷与油井供液量平衡装置，其特征在于采用变频调速电机。
全文摘要
一种自动控制抽油机载荷与油井供液量平衡装置，由载荷传感器(1)、位移传感器(2)、放大电路(3)、多种开关(4)、模/数转换电路(5)、单片机判断处理电路(6)、数/模转换电路(7)、控制信号放大电路(8)、调速电机(9)、显示及通讯电路(10)及电源电路(11)等部分组成。载荷传感器、位移传感器测得相应的载荷、位移信号，经过A/D转换后，输入至CPU及其外围电路，转换为本抽油机井的功图，再对此功图进行分析、处理，判断出此井的工作状态，自动控制抽油机载荷与油井供液量平衡。
文档编号F04B49/00GK1167879SQ9610637
公开日1997年12月17日 申请日期1996年6月10日 优先权日1996年6月10日
发明者张长和, 李吉锡, 李天勇, 初德鹏, 逯连清, 王玲宝 申请人:胜利石油管理局胜利采油厂