可根据油井产量变化实时提高抽油机系统效率的方法及装置 所属技术领域
本发明涉及油田抽油机节能传动机构，特别涉及可根据油井产量变化实时提高抽油机系统效率的方法及其装置。
背景技术
从全世界所有油田统计数据来看，大约有80％的油井是采用有杆泵抽油机来生产的，中国更是有92％的油井使用有杆泵抽油机。然而目前有杆泵抽油机系统效率普遍很低，从国外统计数据来看抽油机系统效率只有28％～29％，而中国7万多口井的抽油机系统效率只有25.96％，有的油田抽油机系统效率平均只有20％左右，更为严重的是部分油井的抽油机系统效率不到10％。如何在满足油田产量需求的前提下实现节能和提高有杆泵抽油机系统效率是摆在工程技术人员面前的重大课题。
为此人们先后在有杆泵抽油机改进、电机改进和电控节能装置研究方面作了大量的工作，并取得了一定效果，抽油机系统效率也有所提高。美国加利福尼亚州1065口油井应用新技术后抽油机系统效率提高到29.4％；我国大庆油田69口油井应用新技术后抽油机系统效率提高到28.74％。
中国专利ZL99109780.7或其同族的美国专利US6640896 B1公开了一种有杆泵机械采油工艺参数确定方法，它首次提出了抽油机全系统各种功率计算方法，它可以计算出各种井况条件下各种采油工艺参数组合下的抽油机系统效率，从而可以优选出系统效率最高或较高的采油工艺参数组合，从而可以大幅度地提高有杆泵抽油机系统效率。从该专利实施数千口井次来看，可将抽油机系统效率平均提高10个百分点，如抽油机系统效率原为25％，则可提高到35％，部分油井抽油机系统效率可提高20个百分点以上。到目前为止，该发明是提高抽油机系统效率效果最为显著的方法。
分析该专利ZL99109780.7可以看出，抽油机各种工艺参数，如冲程、冲次、泵径、泵挂、管径、抽油杆及其组合、抽油机型号、电机机型对抽油机系统效率都有影响，其中抽油机冲次对抽油机系统效率影响最大。在推广实施专利ZL99109780.7时，最常用的措施之一就是采用更高级数(如12级)的电机更换原来低级数(如6级)的电机，以降低抽油机冲次，从而达到提高抽油机系统效率的目的。从现场实施情况来看，实施该专利ZL99109780.7后大部分油井仍能保持住原来的产量，但由于冲次降低导致了一些油井产量下降或者动液面上升，这对专利ZL99109780.7使用单位(采油厂)是无法接受的事实。
该专利ZL99109780.7计算结果还表明抽油机冲程对抽油机系统效率影响较大，在实施专利ZL99109780.7时的前提是想保持油井产量不变，所以在降低冲次的情况下通过增大冲程来提高抽油机的理论排量。冲程具体调多大可以通过专利ZL99109780.7计算出来。因此该专利实施时要求增大抽油机的冲程，当然一般抽油机有冲程调节功能，如果原抽油机的最大冲程仍不能满足要求，则在必要的情况下，可以通过抽油机的改造来增大抽油机的冲程。
值得注意的是专利ZL99109780.7计算是在给定产量前提条件下，按当前产量优选的工艺参数组合，这只能满足当前产量的需求。但是在油田开发过程中，油井产量是不断变化的，尽管该专利ZL99109780.7仍可优选出变化后的产量下的最佳或较佳工艺参数，但是现场并不能及时实施变化了的最佳或较佳工艺参数，致使抽油机系统效率下降或产量不能满足油田开发的需求。更为严重的是更换高级数电机后无法满足开发后期产液量不断增长的需要，尤其是我国大多数油田进入开发中后期后，含水率不断上升，为了保持稳产或延缓产量下降速度，必须加大采液量，这将大大限制该专利ZL99109780.7的推广使用。
另一个专利ZL 02268408.5公开了一种抽油机节能减速器，它可以实现减速的目的并且可以通过更换电机皮带轮来实现冲次调节，如图1所示，包括电机皮带轮1、大皮带轮2(又称为主动轮)、小皮带3、小皮带轮4(又称为从动轮)、抽油机皮带5、黄油嘴6、电机7、轴承支座8、固定螺栓9、抽油机皮带轮10。专利ZL 02268408.5公开的抽油机节能减速器是这样实现减速的：电机皮带轮1通过小皮带3将动力传送到节能减速器大皮带轮2，而大皮带轮2和小皮带轮4通过轴和轴承连接在一起，从而大皮带轮2通过轴将动力传给小皮带轮4，由于大皮带轮2的直径大于电机皮带轮1，从而大皮带轮2的转速低于电机皮带轮1的转速，由于大皮带轮2和小皮带轮4具有相同的转速，从而小皮带轮4的转速也低于电机皮带轮1的转速，转速降低了的小皮带轮4通过抽油机皮带5将动力传送到抽油机皮带轮10，由于小皮带轮4的直径小于抽油机皮带轮10，从而抽油机转速进一步降低。
专利ZL 02268408.5公开的抽油机节能减速器本身没有调速和冲次调节功能，调速和冲次调节需要通过电机上的大小皮带轮来实现。因为电机上只有大小组合2个皮带轮，只能实现2级变速，意味着抽油机只有2个冲次可以选择。
专利ZL 02268408.5公开的抽油机节能减速器现场实施后，通过冲次的降低实现了节能的目的，但有时因冲次下降过大可能导致油井产量下降，这对于采油厂和油田公司是无法接受的事实。如果产量下降2吨/天，则全年损失产量730吨，这将导致采油厂损失操作费用几十万元、油田公司损失产值超过百万元，从而该专利ZL 02268408.5无法大面积推广。
专利ZL 02268408.5公开的抽油机节能减速器应用到油井后也同样无法满足开发后期产液量增长的需要，无法实现让抽油机在最佳冲次状态下工作，而每口井的最佳冲次随着油井产量变化而变化，可以通过发明专利99109780.7计算优化出最佳冲次，但该专利ZL 02268408.5无法实现冲次的灵活调节。
【发明内容】
本发明提出了可根据油井产量变化实时提高抽油机系统效率的方法及其装置，装置为抽油机多级冲次调节器，抽油机多级冲次调节器可随时实施调整抽油机冲次，使抽油机在满足油井产量要求的前提下实现抽油机节能和抽油机系统效率的提高。
本发明是这样实现的：在抽油机的电机和变速箱之间增加一个冲次调节器，该冲次调节器由一个轴、一个轴承、一个轴承支座、多个不同直径的皮带轮构成的主动轮和多个直径不同的皮带轮构成的从动轮组成，主动轮和从动轮通过轴和轴承固定在轴承支座上，轴承支座与冲次调节器的基座相连，冲次调节器基座通过螺栓与抽油机底座相连；为使冲次调节范围更广，电机上的皮带轮也是多个直径不同的皮带轮组合。电机皮带轮通过小皮带将动力传送到冲次调节器主动轮，主动轮通过轴将动力传给从动轮，由于主动轮直径大于电机皮带轮，从而主动轮转速低于电机皮带轮的转速，由于主动轮和从动轮有相同的转速，从而从动轮的转速也低于电机皮带轮的转速，转速降低了的从动轮通过抽油机皮带将动力传送到抽油机皮带轮，由于从动轮直径小于抽油机皮带轮，抽油机转速进一步降低，从而实现抽油机冲次的降低。由于电机、主动轮和从动轮均有多个直径不同的皮带轮，因此可以实现多级冲次调节。例如电机有2个皮带轮、主动轮有3个皮带轮、从动轮有2个皮带轮，则可实现抽油机12级调速，也就是说有12个冲次允许选择。这样专利ZL99109780.7计算出来的最佳冲次可以随时实施，从而达到在满足产量需求的前提下实现抽油机节能和抽油机系统效率的提高。
【附图说明】
图1为ZL02268408.5展示的抽油机节能减速器结构示意图；
图2为本发明抽油机多级冲次调节器传动的第一实施方式主视图；
图3为图2所示的抽油机多级冲次调节器传动的俯视图；
图4为本发明抽油机多级冲次调节器传动的第二实施方式示意图。
图5为本发明抽油机多级冲次调节器传动的第三实施方式示意图。
【具体实施方式】
图2为本发明抽油机多级冲次调节器传动的第一实施方式主视图；图3为图2所示的抽油机多级冲次调节器传动的俯视图。
如图2、3所示，本发明抽油机多级冲次调节器包括电机皮带轮11、冲次调节器的主动轮12、小皮带13、冲次调节器的从动轮14、抽油机皮带15、冲次调节器黄油嘴16、电机17、轴承支座18、冲次调节器基座活动螺栓19、抽油机皮带轮20、电机基座活动螺栓21、电机基座22、冲次调节器基座23和抽油机底座24，传动轴25。
参见图2和图3，电机皮带轮11通过小皮带13将动力传送到冲次调节器的主动轮12，而主动轮12和从动轮14通过轴和轴承连接在一起，从而主动轮12通过轴将动力传给从动轮14，由于主动轮12直径大于电机皮带轮11，从而主动轮12的转速低于电机皮带轮11的转速，由于主动轮12和从动轮14具有相同的转速，从而从动轮14的转速也低于电机皮带轮11的转速，转速降低了的从动轮14通过抽油机皮带15将动力传送到抽油机皮带轮20，由于从动轮14的直径小于抽油机皮带轮20，从而抽油机转速进一步降低。主动轮12和从动轮14通过传动轴25和轴承固定在轴承支座18上，轴承支座18和冲次调节器基座23是整体铸造件，但也可采用焊接连接方式。冲次调节器基座23通过冲次调节器基座活动螺栓19与抽油机底座24连接，电机基座22通过电机基座活动螺栓21与抽油机底座24连接。
本发明是这样实现多级冲次调节的：由于主动轮12由多个不同直径的共轴相邻皮带轮12-1，12-2，12-3等构成、从动轮14由多个直径不同的共轴相邻皮带轮14-1，14-2等构成，电机皮带轮11也由多个直径不同的共轴相邻皮带轮11-1，11-2等构成，其抽油机皮带轮20也由2个以上不同直径的共轴相邻皮带轮20-1，20-2等组合，因此通过上述不同直径的皮带轮的组合，就可以实现抽油机多级调速和抽油机多级冲次调节。例如电机有2个皮带轮、主动轮有3个皮带轮、从动轮有2个皮带轮，则可实现抽油机12级调速，也就是说有12个冲次允许选择。这样根据专利ZL99109780.7计算出来的最佳冲次，可以随时实施最佳冲次，从而达到在满足产量需求的前提下实现抽油机节能和抽油机系统效率的提高。
由于抽油机的皮带轮位置是相对固定地，为了实现多级冲次调节和保证皮带正常工作，电机基座22和抽油机底座24之间采用电机基座活动螺栓21连接，电机基座22可以沿轴向或垂直轴向移动；冲次调节器基座23和抽油机底座24之间采用冲次调节器基座活动螺栓19连接，冲次调节器基座23可以沿轴向或垂直轴向移动。
为了减少电机基座22和冲次调节器基座23的移动次数，调整冲次时可采用轴向移动电机皮带轮、主动轮和从动轮并用销钉固定的方法来保证皮带和皮带轮的正常受力状态。
为了不移动电机基座22和冲次调节器基座23，调整冲次时采用轴向移动电机皮带轮、主动轮、从动轮方法和更换尺寸相符的皮带的方法，以保证皮带和皮带轮的正常受力状态。
为了更换皮带方便，主动轮的几个皮带轮的排列方式从里到外轮径依次减小。同样，从动轮的几个皮带轮的排列方式从里到外轮径依次减小，电机皮带轮的几个轮的排列方式也是从里到外轮径依次减小。
为了不轴向移动电机皮带轮、主动轮、从动轮，可以采用更换不同尺寸的电机皮带轮、主动轮、从动轮的方法来实现变速，以保证皮带和皮带轮的正常受力状态。参见图4，图4示出了本实用新型抽油机多级冲次调节器传动的第二种实施方式。为了达到变减速的目的，本发明皮带轮11、主动轮12、小皮带13、从动轮14、抽油机皮带轮20均设计成可更换方式，即皮带轮11、主动轮12、小皮带13、从动轮14、抽油机皮带轮20可采用花键与转轴连接方式，采用定位螺钉将上述皮带轮固定定位于转轴上，上述这些皮带轮分别采用同一匹配的内花键尺寸，诸如此类的连接，定位方式是本领域常用手段，在此不一一赘述。本发明只不过是通过这些方式达到更换具有相同内径而有不同外径的皮带轮的目的，从而达到变减速传动的最终目的。
图5示出了本发明抽油机多级冲次调节器传动的第三实施方式。主动轮12和从动轮14之间还可以采用变速齿轮传动装置26。该变速齿轮传动装置26就象汽车用变速器一样，可以设置直接档和多个减速档。所述的直接档就是主动轮12和从动轮14之间转速完全相同；所述的多个减速档通过该变速齿轮传动装置上的变速操纵杆27来实现主动轮12和从动轮14之间的减速传动。
本发明第三实施方式是这样实现多级冲次调节的：由于主动轮12和从动轮14之间还可以采用变速齿轮传动装置26，在该变速齿轮传动装置26上可以设置直接档和多个减速档，从而可以减少主动轮12、从动轮14、电机皮带轮11、抽油机皮带轮20的共轴相邻皮带轮的数目，同样能达到多级变速的目的；或者通过操纵该变速齿轮传动装置26的变速操纵杆27，而无需通过所述的各活动螺栓19，21调整所述的各皮带轮的轴向相对位置，来达到多级变速的目的，或者既通过操纵该变速齿轮传动装置26的变速操纵杆27，又通过所述的各活动螺栓19，21调整所述的各皮带轮的轴向相对位置，来更加灵活地达到多级变速的目的。通过操纵该变速齿轮传动装置26的变速操纵杆27，可以不用轴向移动皮带轮或不用更换尺寸相符的皮带轮，来实现多级变速的特点。
因此通过上述不同直径的皮带轮的组合和/或操纵该变速齿轮传动装置26的变速操纵杆27，就可以实现抽油机多级调速和抽油机多级冲次调节。例如电机有1个皮带轮、主动轮有2个皮带轮、变速齿轮传动装置26有4个减速档和1个直接档，从动轮有2个皮带轮，抽油机皮带轮20有1个皮带轮，则可实现抽油机20级调速，也就是说有20个冲次允许选择。由于有变速齿轮传动装置26的4个减速档和1个直接档，从而本发明可实现4个变速冲次才需要调整所述的各皮带轮的轴向相对位置，即1～5档无需调整所述的各皮带轮的轴向相对位置，6～10档调整1次所述的各皮带轮的轴向相对位置，10～15档再调整1次所述的各皮带轮的轴向相对位置，15～20又调整1次所述的各皮带轮的轴向相对位置，从而大大减少了调整所述的各皮带轮轴向相对位置的次数。这样根据专利ZL99109780.7计算出来的最佳冲次，可以随时实施最佳冲次，从而达到在满足产量需求的前提下，实现抽油机节能和抽油机系统效率的提高。
本发明并不局限于上述实施方式，上述优选实施方式仅为示例性的，本领域的技术人员可以根据本发明的精神实质，做出各种等同的修改和替换及不同组合，而得到不同的实施方式。
本发明的效果
1、采用本发明后，可以根据油井产量变化实时提高抽油机系统效率，既可满足产量上升的要求，也可满足产量下降的要求。
2、采用本发明后，抽油机冲次调节方便，可随时将冲次调整到根据油田产量变化情况优化出来的参数值。
3、采用本发明后，可避免采用10级、12级电机来降低冲次，从而可以降低节能改造成本。
4、采用本发明后，可以避免在实施专利ZL99109780.7时采用高级数电机时可能出现产量下降现象的发生。
5、采用本发明后，可以避免专利ZL 02268408.5公开的抽油机节能减速器现场实施后可能出现产量下降的情况。
6、本发明可以适合于任何抽油机井，克服了专利ZL 02268408.5公开的抽油机节能减速器只有两个冲次可供选择，对于产量变化幅度大的油井和产液量不断上升的油田无法适应的情况。