一种井下直线电机双作用往复抽油泵采油装置的控制方法与流程

本发明涉及油田采油领域，具体地说是一种井下直线电机双作用往复抽油泵采油装置的控制方法。

背景技术：

井下直线电机往复抽油泵采油系统主要包括直线电机、双作用往复抽油泵、控制系统三部分。由于该采油设备工作在油井深处，其所处环境条件恶劣，无法安装位置传感器等检测装置，因此其运动控制一般采用开环控制的方法。而采用开环控制的方法，难以对井下设备进行检测，因此直线电机的运行容易出现运行不稳定、活动部件（电机动子和抽油泵柱塞）与固定部件发生碰撞等现象，运行不稳定导致的振动冲击会损坏井下设备，对系统的使用耐久性不利。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服现有技术中的不足，提供一种井下直线电机双作用往复抽油泵采油装置的控制方法，在无法安装传感器等检测装置的情况下，结合直线电机双作用往复抽油泵的工作特点与结构特点，通过运动控制的手段降低系统的工作应力，提高运动稳定性从而降低故障概率，提高其使用寿命。

本发明的目的是通过如下技术措施实现。

一种井下直线电机双作用往复抽油泵采油装置的控制方法，井下直线电机双作用往复抽油泵采油装置包括地面控制柜、直线电机和双作用往复抽油泵，该方法包括以下步骤：

（1）设备启动，初始化；

（2）通过向下、向上寻踪碰撞判断活动部件的最大行程L₀，控制活动部件向下运行，直到发生碰撞，记录当前位置，为初始零点；控制活动部件停止t₀时间；控制活动部件向上运行，直到发生碰撞，记录活动部件运动位移，即最大行程L₀（通过电机输入频率/运行速度计算位移）；

（3）设定活动部件的实际运行行程为L，L<L₀，即活动部件在最大行程L₀内部运行，在行程的上、下端点留出一定的行程裕量ΔS；

（4）控制活动部件向下运行L+ΔS，若首次向下运行发生碰撞，则判断双作用往复抽油泵固定单向阀泄漏严重，停机报警；若未发生碰撞，则进入步骤（5）；

（5）控制活动部件停止t₁时间后向上运行L，若未发生碰撞，则进入步骤（6）；若发生碰撞，则记录连续碰撞次数N_上，进入步骤（7）；

（6）控制活动部件停止t₁时间后向下运行L；若未发生碰撞，则返回步骤（5），若发生碰撞，则记录连续碰撞次数N_下，进入步骤（8）；

（7）若N_上<N₀，返回步骤（4）；若N_上≥N₀，则进行上行异常判断处理；

（8）若N_下<N₀，控制活动部件向上运行L+ΔS，进入步骤（6）；若N_上≥N₀，则进行下行异常判断处理。

在上述技术方案中，t₀、N₀是根据电机试验情况直接设置，t₀一般设置在0.5~2秒之间，N₀一般设置在5~20次之间；停止时间t₁根据油井产液量调整，已知直线电机双作用往复抽油泵上下运行一次采油量为Q₀，上下运动时间为2T（T一般设置为2~5秒），上下一周期停止时间为2t₁，则t₁=Q₀/2Q-T。

在上述技术方案中，判断活动部件是否发生碰撞的具体方法是：利用电流传感器检测地面控制柜的输出电流，当直线电机的动子与固定部件发生碰撞时，电机的输入电流将发生畸变，将实时监测的电流周期与控制程序设定的指令周期相对比，如果电机的输入电流发生畸变，则判断活动部件发生碰撞。

在上述技术方案中，步骤（7）中的上行异常原因可能是井下油液抽空，步骤（7）中的上行异常判断处理包括A、停机报警，提醒工作人员手动减小装置运行频率（增大停止时间t₁）；B、地面控制柜自动减少运行频率；C、停机等待液面恢复至正常液位再重启。

在上述技术方案中，步骤（8）中的下行异常原因可能是双作用往复抽油泵固定单向阀泄漏严重，步骤（8）中的下行异常判断处理包括：停机报警。

在上述技术方案中，该控制方法中的井下直线电机双作用往复抽油泵采油装置包括地面控制柜、直线电机、双作用往复抽油泵，所述直线电机外壳通过转接头与双作用往复抽油泵下端相连，直线电机的内部动子与双作用往复抽油泵的抽油泵柱塞相连，直线电机与双作用往复抽油泵组合安装后，由普通平式油管下到设计泵深，所述地面控制柜内设有变频模块，外部电源经升压变压器后接入变频模块，变频模块的输出端通过潜油水密电缆与直线电机相连，所述地面控制柜内设有用于测试控制柜的输出电压和输出电流的电压传感器和电流传感器。

本发明方法利用双作用往复抽油泵依靠油液可以自锁的特点，结合采油装置间歇式的工作性质，可使井下采油装置的活动部件在运行过程中不与固定部件发生碰撞；利用碰撞引起的直线电机输入电流畸变现象，可通过控制程序判断井下采油设备的运行状态并采取相应的保护措施。本发明方法与现有技术相比，具有如下优点：

1、采用双作用往复抽油泵，可降低井下设备活动部件发生碰撞的频次，提高系统的使用寿命。

2、利用直线电机动子碰撞时电流畸变的特点，可在无位置传感器的条件下有效判断电机的运行状态，自动调整电机运行位置，减少系统碰撞。

附图说明

图1为本发明控制方法的流程图。

图2为本发明控制方法中采油装置的整体结构示意图。

图3为本发明控制方法中采油装置的直线电机与双作用往复抽油泵的连接示意图。

其中，1、地面控制柜；2、潜油水密电缆；3、井口；4、平式油管；5、双作用往复抽油泵；6、进油筛管；7、转接头；8、直线电机；9、抽油泵柱塞；10、动子延长杆；11、直线电机内部动子。

具体实施方式

本发明控制方法的工作原理如下：

直线电机双作用往复抽油泵的工作模式为间歇式工作，双作用往复抽油泵的柱塞在非运动状态时可自锁。井下采油装置在工作时，通过控制设定活动部件的工作行程L小于其最大行程L₀，在行程的上下端点附近留出一定的行程裕量ΔS，即L₀=L+2ΔS，可以保证活动部件始终在最大行程内部运行，因此可保证其不与固定部件发生碰撞。

直线电机的动子与固定部件发生碰撞时，电机的输入电流将发生畸变，电流的周期幅值等特征将与控制程序设定的输出不同。根据这一特点，利用电流传感器检测地面控制柜的输出电流，即电机的输入电流，将实时监测的电流周期与控制程序设定的指令周期相对比，从而判断电机的运行状态，实现重启、报警等功能。

电流畸变判断方法：电机的输入电流在碰撞时发生畸变，检测其周期变化。

下面结合附图对本发明的技术方案做具体描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种井下直线电机双作用往复抽油泵采油装置的控制方法，井下直线电机双作用往复抽油泵采油装置包括地面控制柜、直线电机和双作用往复抽油泵，该方法包括以下步骤：

（1）设备启动，初始化；

（2）通过向下、向上寻踪碰撞判断活动部件的最大行程L₀。控制活动部件向下运行，直到发生碰撞，记录当前位置，为初始零点；控制活动部件停止t₀时间；控制活动部件向上运行，直到发生碰撞，记录活动部件运动位移，即最大行程L₀（通过电机输入频率/运行速度计算位移）；

（3）设定活动部件的实际运行行程为L，L<L₀，即活动部件在最大行程L₀内部运行，在行程的上、下端点留出一定的行程裕量ΔS；

（4）控制活动部件向下运行L+ΔS，若首次向下运行发生碰撞，则判断双作用往复抽油泵固定单向阀泄漏严重，停机报警；若未发生碰撞，则进入步骤（5）；

（5）控制活动部件停止t₁时间后向上运行L，若未发生碰撞，则进入步骤（6）；若发生碰撞，则记录连续碰撞次数N_上，进入步骤（7）；

（6）控制活动部件停止t₁时间后向下运行L；若未发生碰撞，则返回步骤（5），若发生碰撞，则记录连续碰撞次数N_下，进入步骤（8）；

（7）若N_上<N₀，返回步骤（4）；若N_上≥N₀，则进行上行异常判断处理；

（8）若N_下<N₀，控制活动部件向上运行L+ΔS，进入步骤（6）；若N_上≥N₀，则进行下行异常判断处理。

在上述实施例中，t₀、N₀是根据电机试验情况直接设置，t₀一般设置在0.5~2秒之间，N₀一般设置在5~20次之间；停止时间t₁根据油井产液量Q调整，已知直线电机双作用往复抽油泵上下运行一次采油量为Q₀，上下运动时间为2T（T一般设置为2~5秒），上下一周期停止时间为2t₁，则t₁=Q₀/2Q-T；

在上述实施例中，判断活动部件是否发生碰撞的具体方法是：利用电流传感器检测地面控制柜的输出电流，当直线电机的动子与固定部件发生碰撞时，电机的输入电流将发生畸变，将实时监测的电流周期与控制程序设定的指令周期相对比，如果电机的输入电流发生畸变，则判断活动部件发生碰撞。

在上述实施例中，步骤（7）中的上行异常原因可能是井下油液抽空，步骤（7）中的上行异常判断处理包括A、停机报警，提醒工作人员手动减小装置运行频率（增大停止时间t₁）；B、地面控制柜自动减少运行频率；C、停机等待液面恢复至正常液位再重启。

在上述实施例中，步骤（8）中的下行异常原因可能是双作用往复抽油泵固定单向阀泄漏严重，步骤（8）中的下行异常判断处理包括：停机报警。

如图2、3所示，上述控制方法中井下直线电机双作用往复抽油泵采油装置，包括地面控制柜1、直线电机8、双作用往复抽油泵5，所述直线电机8外壳通过转接头7与双作用往复抽油泵5下端的进油筛管6相连，直线电机内部动子11通过动子延长杆10与双作用往复抽油泵5的抽油泵柱塞9相连，直线电机8与双作用往复抽油泵5组合安装后，由普通平式油管4下到设计泵深，井下油液由直线电机8带动双作用往复抽油泵5往复运动，油液由进油筛管6进入，经过油管4到达井口3。所述地面控制柜1通过潜油水密电缆2与直线电机8相连。所述地面控制柜1内设有变频模块，地面控制柜1输入为三相交流电，外部电源经升压变压器后接入变频模块，变频模块的输出端通过潜油水密电缆2与直线电机8相连，通过控制变频模块调节输出电压的频率和大小，则可实现采油装置冲次与运行模式的调节。所述地面控制柜1内设有用于测试控制柜的输出电压和输出电流的电压传感器和电流传感器，利用电压、电流传感器可以监控控制柜的输出电压和输出电流，利用直线电机动子碰撞时电流畸变的特点，可在无位置传感器的条件下有效判断电机的运行状态，自动调整电机运行位置，减少系统碰撞。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。