描述了一种用于地面泵送单元的自适应系统，其包括具有气动平衡组件的低惯性泵送单元机构，以及用于地下流体回收的此类系统的使用方法。该系统能够与井管理自动化系统整合，从而允许对主动控制命令的响应，且通过在与泵送单元相关联的容纳容器中加入或除去气体质量来自动地改变和/或维持泵送单元中的平衡力。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有用于杆柱的主动控制的气动平衡的低轮廓杆式泵送单元相关申请的交叉引用本专利申请主张2011年11月8日提交的美国临时专利申请第61/557,269号的优先权，该专利申请以其整体通过引用并入本文中。关于联邦政府资助的研究或开发的声明不适用。参考附录不适用。
本文中公开和教导的本专利技术大体上涉及机械平衡，并且更具体地涉及适用于机械如线性杆式泵送单元中的气动平衡。
技术介绍
梁式泵送单元及其上游的驱动构件经历较宽范围的负载条件。这些按井应用、泵送单元的连杆机构的类型和比例、以及平衡匹配来变化。泵送单元的主要功能在于将旋转运动从原动件(引擎或电动马达)转换成井口上方的往复运动。该运动继而用于经由通过抽油杆柱的连接来驱动往复的井下泵。常规泵送单元布置的实例大体上在图1中示出，且将在本文中更详细地论述。包括铰接梁、连接杆(pitman)、曲柄和连接轴承的“四杆连杆机构”将井的光杆负载处理成齿轮箱扭矩(井扭矩)的一个分量。其它分量(平衡扭矩)在泵送单元上被调整以在齿轮箱上产生最低的净扭矩。平衡扭矩可相对于井负载扭矩在大小上但通常未在相(时间)上调整。在曲柄平衡机器中，平衡扭矩将看起来是正弦曲线形，因为有效的质量通过重力来作用，同时围绕固定的水平轴线旋转。泵送单元的曲轴扭矩的基本计算为：Tnet=Twell-Tebal。平衡可以以多种形式提供，形式的范围从安装在梁上的配重到安装在曲柄上的配重到安装在步进梁与底座结构之间的压缩气压弹簧，等等。并入平衡的主要目标在于使井负载的一部分偏移，该部分大致等于泵送循环中遇到的最高和最低的光杆负载的平均值。该技术通常最大限度地减小了在上游传动系构件上做功的扭矩和力，从而减少了其负载能力要求且最大限度地提高了能量效率。在光杆处的井负载由四杆连杆机构以取决于四杆连杆机构部件的相对角(即，行程位置)的变化比率处理成曲轴扭矩。同时，由以上各种方法中的一者产生的平衡扭矩与井负载扭矩相互作用，抵消了其较大比例。曲轴经历的所得净扭矩通常仅为原来的井负载扭矩的小部分。注意，在右侧的图中，井扭矩(由光杆负载引起的井扭矩的分量)在大小和相角(时间)两者中剧烈变化。相反，平衡扭矩平稳且为正弦曲线形。其相角建立成为其最宽适用性选择的泵送单元设计的性质，且大体上是不可调整的。井与平衡扭矩曲线之间的大小和相角失配是传输穿过齿轮减速器和上游传动系元件的净扭矩中的“结块性”(lumpiness)的来源。这些元件必须选择成具有充足的能力以在泵送循环期间遇到的最高负载状态下无损。给定循环期间执行的实际泵功(work)等于：。很明显，井扭矩曲线中的“结块性”导致这些传动系元件的能力的低效使用。实际上，以上实例中的净扭矩曲线在循环期间进入多个位置中的负(再生)值，进一步减小了执行的净功。井扭矩曲线中的变化性的首要来源为抽油杆柱对通过其从井下泵和地面泵送单元传输的动态负载的弹性响应。有时几英里长的杆柱在较长距离上行为类似于弹簧。其在经历拉伸应力时伸长，且当应力可变时，响应通常在性质上振荡。系统由于其淹没在粘性流体(水和油)中而略微被阻尼，但与泵的阶梯函数负载组合的驱动泵送单元的运动轮廓大体上在遇到下次扰动之前留下了短时间来用于振荡衰减。图3中的图表大体上示出了典型杆式泵链中工作的其中一些相互作用。地面泵送单元将连续地变化的运动给予光杆上。模制为一系列弹簧、质量体和阻尼器的连接抽油杆柱响应于音速下的加速度，将可变应力波沿其长度向下发送以改变其自身运动。它也在其形成移动井下泵和流体所需的力时伸展。脱离摩擦和流体惯性的效果，泵趋于在弹力下从抽油杆反弹，从而开始柱内的附加振荡响应。来自多个来源的行进的应力波在它们横穿其长度时沿杆柱干扰彼此(一些是建设性地，其它是破坏性地)，且将负载振动反射回地面泵送单元，在该处，它们可被测量且绘制为地面示功图(dynamometercard)的一部分。所得的地面示功图(如图4中的一般实例)示出了所有取决于井应用和泵送单元几何形状而为变化量的大规模杆伸长、阻尼振荡、摩擦以及惯性效果的叠加指示。解决的问题：在典型梁式泵送单元中发现的固定比例四杆连杆机构几何形状呈现出对相对较窄的操作条件带的应用偏好(即，向上倾斜示功图的常规单元、向下倾斜图的MarkⅡ、水平图的ReverseMark，等)。这些偏好对于特定的连杆几何形状是基础的，且难以改变。这并不是说MarkⅡ泵送单元(LufkinIndustries,Inc)不可利用向上倾斜的图来操作，而仅是说最佳效率偏好存在，且在它们不被遵循时产生性能结果。图5和图6中的图表示出了该点的一些图示。用于类似尺寸和平衡的常规泵送单元和MarkⅡ(LufkinIndustries,Lufkin,TX)泵送单元的容许负载图表(PLD)连同地面示功图示出以用于在图5中比较。容许负载图表显示出光杆负载，将需要光杆负载来产生与用于给定泵送单元设计和平衡设置的齿轮减速器扭矩额定值相当的曲轴扭矩。可从图5中的容许负载图表的形状中看到的是，常规泵送单元呈现出对具有向上倾斜趋势(从左侧移动至右侧)的示功图的偏好。相反，如图5和图6两者中所示，MarkⅡ单元示出对向下倾斜的图的偏好。在此情况下，示功图还示出略微向上的趋势，引起其略微更好地符合常规单元的PLD。注意，给定最高和最低光杆负载到其相应的PLD的相对接近，两个泵送单元将在接近其上游传动系能力下操作。然而，MarkⅡ单元PLD的面积显著大于常规单元的面积，指出了其能够在其泵送循环期间执行更多功。MarkⅡ泵送单元的额外可用功能力将在该特定应用中利用不足。令人遗憾的事实是，杆式泵送示功图几乎从未为模糊的沙漏形，其将最大限度地增大大多数梁式泵送单元的功潜力，至少不是在接近恒定的转速条件下，它们设计成在此条件下操作。用于杆式泵送应用的自动化技术存在了多年。操作的井可通过收集地面上的负载和运动信息的方法分类来监测，然后通过计算机模拟将这些情况诊断为过载状态、或范围从泵停机(不完全的泵填充)到杆弯折到设备磨损或受损的井下问题的开始。由这些杆式泵控制(RPC)系统中的许多执行的预测性模拟能够以相对最少的程序数据输入来准确地对杆式泵送链(泵、杆和泵送单元)的弹性动态行为建模。最近，变速驱动器(VSD)已经与杆式泵送单元应用整合，且连同RPC技术使许多杆式泵送系统显著地改善寿命和效率。现今，相对常见的是操作由RPC监测的泵送单元，该RPC可感测系统异常，且将校正动作命令发送至VSD，例如，以响应于检测到的泵停机状态来下调泵速度，或可能响应于过载而关闭。如果连同监控和数据采集(SCADA)技术使用，则井和杆式泵送系统可被远程监测和控制，使得有可能从几英里外或许其它大洲外的控制中心来识别和响应潜在的设备维护问题，或改变生产目标。以上情形中描绘的相对较差的泵送单元能力利用可至少部分地通过主动速度控制来补救。泵送单元示功图趋于从循环到循环完全重复，且在循环内的策略点处的加速或减速可影响示功图的形状，以截断负载尖峰、改善传动系能力利用、增加产量或改善系统效率。泵送单元的力/运动轮廓的主动控制还产生了杆、管路和井下泵寿命方面的显著利益。在某些情况下，例如利用玻璃纤维抽油杆、PRC和VSD技术可连同目标探索算法使用，从而主动地控制运动轮廓以产本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于从井回收地下流体的泵送单元，所述单元包括：设置在所述井附近的底座；安装在所述底座上的至少一个支承柱，所述支承柱向上延伸且连接到中心轴承；枢转地安装到所述中心轴承上的步进梁；枢转地连接到所述步进梁且从所述步进梁向下延伸的转向臂；安装在所述底座上且可操作地连接到所述转向臂的曲柄组件；安装在所述曲柄组件上且可操作地连接到所述曲柄组件的齿轮减速器；安装在所述底座上且可操作地连接到所述齿轮减速器的驱动单元；以及与所述泵送单元操作连通的气动压力容器，所述压力容器能够通过用不可压缩物质替换可压缩体积的一部分而自动地改变所述压力容器内的所述可压缩体积以平衡所述泵送单元。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.11.08 US 61/5572691.一种用于促动抽油杆泵组件的杆的装置，所述装置包括：马达；连接到所述马达的线性促动器组件，其中，所述线性促动器组件能够调整所述抽油杆泵组件的杆的行程长度并且包括线性螺杆机构；以及平衡组件，其可操作地连接到所述线性促动器组件，能够减轻由所述杆和待泵送的流体柱施加到所述线性促动器组件上的负载，其中，所述平衡组件包括气动压力容器。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线性促动器组件不是固定几何形状连杆系统，所述杆的行程长度不由固定几何形状连杆系统约束。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线性螺杆机构是行星滚柱螺杆机构并且不是固定几何形状连杆系统。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括杆式泵控制器，其可操作地连接到所述平衡组件以用于控制平衡力。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括辅助压力容器，其可操作地连接到所述平衡组件中的所述气动压力容器。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述辅助压力容器能够通过不可压缩物质改变所述气动压力容器中的流体体积。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述马达能够作为变速驱动器被控制。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线性促动器组件大致竖直地定向并且能够自动地或者响应于气体锁的证据或标记来调整所述杆的行程长度。9.一种使用抽油杆组件泵送流体的方法，所述抽油杆组件包括杆、泵送单元和平衡组件，所述方法包括：定位所述泵送单元，使得线性操作轴线与所述杆的移动轴线大致平行；提供所述平衡组件，该平衡组件包括至少一个气动压力容器，其定位成使得所述至少一个气动压力容器大大减轻由所述杆和待泵送的流体柱施加到所述泵...
【专利技术属性】
技术研发人员：D多伊尔，
申请(专利权)人：勒夫金工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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