风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统的制作方法

1.本实用新型涉及石油机械技术领域，特别是涉及到一种风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统。


背景技术：

2.对于油田偏远油井以及海洋平台采油井，由于距离偏远存在电网建设成本高问题或无电网。同时偏远油井常通过消耗化石能源发电，这对环境造成了破坏且费用昂贵。因此提供环保有效的能源显得尤为重要。对此设计风光互补发电来提供环保、充足的能源是必须提早的。而数控往复式潜油电泵的设计又极大的减少了电量的消耗，这为高强度的采油提供了可能。
3.风能和太阳能是洁净且储量极为丰富的可再生能源。它们分布广泛，用于发电对环境无害且储量极为丰富。偏远油井有丰富的风能和太阳能资源，通过风光互补发电有效的为油井提供充足的能源，去部分替代现有化石能源有很大的便利和优势。
4.在申请号：cn202020199052.7的中国专利申请中，涉及到一种新的风光互补离线发电驱动区块采油系统，包括风力发电模块、槽式太阳能集热发电模块、控制器、蓄能模块、储油罐加热系统，风力发电模块通过第一整流器与控制器相连；槽式太阳能集热发电模块，包括依次相连的槽式太阳能集热板、蒸汽发生器、小型汽轮机发电系统，小型汽轮机发电系统电力输出端通过第二整流器与控制器相连；蓄能模块电力输入端与控制器相连，电力输出端通过控制器与逆变器和抽油设备依次相连；储油罐加热系统，包括热交换器和直流辅助加热装置，热交换器进口与小型汽轮机发电系统相连，出口通过冷凝器后与蒸汽发生器相连，蓄能模块电力输出端通过控制器与直流辅助热装置电力输入端相连。
5.在申请号：cn201811438199.0的中国专利申请中，涉及到一种用于井口安全控制系统的风光互补供电装置，包含：风力发电机，将风能转换为电能输出；太阳能电池板，通过吸收太阳光，将光能转换为电能输出；风光互补控制器，分别与风力发电机和太阳能电池板通过电路连接；蓄电池，分别与风光互补控制器和井口安全控制系统通过电路连接，根据蓄电池的剩余电量，风光互补控制器控制风力发电机和/或太阳能电池板向蓄电池充电或停止充电，始终为井口安全控制系统提供电能。
6.在申请号：cn201710431865.7的中国专利申请中，涉及到一种用于油田的供电系统，包括：燃气收集装置，用于采集在油井抽油时伴生的天然气；燃气发电机组，用于将燃气收集装置所采集的天然气作为燃烧物产生交流电；新能源发电装置，用于采用新能源产生电能；柴油发电机组，用于以柴油作为燃烧物产生交流电；切换装置，包括由至少三个并联的可控开关组成的第一可控开关组件；所述第一可控开关组件，用于控制负载分别与燃气发电机组、新能源发电装置、柴油发电机组之间的供电回路导通或断开。
7.以上现有技术均与本实用新型有较大区别，未能解决我们想要解决的技术问题，为此我们发明了一种风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统。


技术实现要素：

8.本发明涉及石油机械技术领域，特别是涉及到一种风光互补独立微网发电驱动直线电机潜油电泵采油系统，实现驱动直线电机潜油电泵不间断工作，其中直线电机潜油电泵采用直线电机直驱专用井下泵设计，相对传统抽油机能耗大幅降低，具备实施独立微网发电条件。
9.本实用新型的目的可通过如下技术措施来实现：风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统，风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统包括风力发电系统、光伏太阳能发电板、蓄电池组、控制单元、多个逆变器和多个直线电机潜油电泵，风力发电系统连接于控制单元，将风能转换为电能，并传输给控制单元，光伏太阳能发电板连接于控制单元，将太阳能转换为电能，并传输给控制单元，控制单元连接于蓄电池组，采用传输过来的电能给蓄电池组充电，所述多个逆变器与所述多个直线电机潜油电泵一一对应连接，所述多个逆变器通过控制单元连接于蓄电池组，以将蓄电池组传输过来的直流电转换为三相交流电提供给所述多个直线电机潜油电泵。
10.本实用新型的目的可通过如下技术措施来实现：
11.风力发电系统包括永磁变桨距风力发电机和整流器，整流器连接于永磁变桨距风力发电机，并将永磁变桨距风力发电机发出的频率和幅值都不稳定的交流电，转换成稳定的直流电。
12.风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统还包括多个直线电机潜油泵控制器，所述多个直线电机潜油泵控制器与所述多个直线电机潜油电泵一一对应连接，以控制所述多个直线电机潜油电泵的抽油过程。
13.风力发电系统、太阳能光伏板和蓄电池组位于油井口的同侧，以井口为基准点由远及近分别布置永磁变桨距风力发电机、太阳能光伏板、蓄电池组和所述直线电机潜油泵控制器。
14.永磁变桨距风力发电机配置三相永磁无刷交流发电机，采用24v蓄电池组驱动偏航直流电机经蜗轮蜗杆驱动实现偏航控制，随风速改变攻角。
15.太阳能光伏板采用平单轴随动系统，平单轴随动设计利用蜗轮蜗杆结构和步进电机让太阳能光伏板终跟随太阳的方向。
16.直线电机潜油电泵包括上活动凡尔、中活动凡尔、下活动凡尔、柱塞、直线电机动子推杆、割缝筛管，上活动凡尔和中活动凡尔固定，下活动凡尔为活动凡尔，直线电机的动子通过直线电机动子推杆与柱塞直接相连，直线电机动子推杆外面为割缝筛管。
17.直线电机潜油电泵还包括上抽油杆、固定阀座支承接头、阀座和上阀座，自上而下由上抽油杆、固定阀座支承接头、阀座、上活动凡尔和上阀座组成上游动阀，上抽油杆与固定阀座支承接头连接，固定阀座支承接头安装在阀座上，上活动凡尔安装在上阀座内。
18.直线电机潜油电泵还包括中阀座、柱塞接头、下阀座、下活动凡尔、柱塞阀罩、厚壁泵筒连接和接箍，自上而下由中活动凡尔、中阀座、柱塞、柱塞接头、下阀座、下活动凡尔、柱塞阀罩、厚壁泵筒连接组成中间油液流动的中间腔体，上抽油杆带动固定阀座支承接头做往复运动使中间腔体产生压力差进而保证油液可以输出至地面指定位置。
19.中阀座上安装有中活动凡尔，中阀座上端与安装有上活动凡尔的上阀座连接，上活动凡尔、上阀座组成中间腔体的油液流出端，柱塞上端连接安装有中活动凡尔的中阀座，
下端安装有柱塞接头以形成密闭空腔，下阀座内安装有下活动凡尔，上端与柱塞接头连接，下端与柱塞阀罩连接，是中间腔体的油液流入端，厚壁泵筒连接下端安装有接箍，上端与下阀座连接。
20.本实用新型的风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统，由风力发电机、太阳能发电板、储能系统和直线电机潜油电泵及控制系统等组成独立微电网，该系统通过使用小型风力发电机、太阳能光伏发电板以及通过储能系统合理配置，确保风力和光伏独立微网发电实现驱动直线电机潜油电泵不间断工作，其中，直线电机潜油电泵采用直线电机直驱专用井下泵设计，相对传统抽油机能耗大幅降低，具备实施独立微网发电条件。该系统具有节能环保的双重优势，可广泛应用于风能资源充足的石油矿场，对无网电边际油田和海上平台节能采油有重要意义。
21.风光互补独立微网发电驱动直线电机潜油电泵采油系统，实现驱动直线电机潜油电泵不间断工作，其中直线电机潜油电泵采用直线电机直驱专用井下泵设计，相对传统抽油机能耗大幅降低，具备实施独立微网发电条件。
22.本实用新型的有益效果是：风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统应用于对偏远油井的采油中，该套系统中风光互补发电部分解决了偏远地区用电不足的状况，潜油电泵采油系统更是大大节约了用电量，提高了工作效率，帮助偏远油井更好的进行采油工作。
附图说明
23.图1为风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统的结构示意图；
24.图2为直线电机潜油电泵驱动专用抽油泵结构图；
25.图3为风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统地面地下布置图；
26.图中：上抽油杆1、固定阀座支承接头2、阀座3、上活动凡尔4、上阀座5、中活动凡尔6、中阀座7、柱塞8、柱塞接头9、下阀座10、下活动凡尔11、柱塞阀罩12、厚壁泵筒连接13、接箍14、直线电机动子推杆15、割缝筛管16、直线电机潜油电泵定子17、控制器18、逆变器19、直线电机潜油泵控制器20、直线电机潜油电泵21、蓄电池组22、太阳能光伏板23、整流器24、永磁变桨距风力发电机25。
具体实施方式
27.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
29.本实用新型中的风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统，由风力发电机、光伏太阳能发电板、储能系统和直线电机潜油电泵及控制系统等组成。该系统通过使用小型风力发电机、太阳能光伏发电板以及通过储能系统合理配置，确保风力和光伏独立
微网发电实现驱动直线电机潜油电泵不间断工作，具体为光伏直流电经过控制器，风能发电输出的是频率和幅值都在不断地变化的不稳定交流电，需要先经过整流变成直流电，为蓄能系统充电，蓄能系统经过逆变器，变为三相交流电驱动直线电机潜油电泵，其中储能系统合理配置应满足一定时间直线电机潜油电泵采油系统工作。
30.为实施上述风光互补独立微网发电驱动直线电机潜油电泵采油系统，设计开发专用抽油泵，直线电机潜油电泵采用直线电机直驱专用井下泵设计，相对传统抽油机能耗大幅降低，约为传统抽油机能耗三分之一，具备实施独立微网发电条件。
31.直线电机潜油电泵采油系统包括直线电机动力模块和专用抽油泵两部分组成，直线电机动力模块由太阳能发电系统、风力发电系统、储能系统(其中包括整流器、蓄电池及其附属部件、控制器、逆变器等)组成，自井口由远及近安装风力发电系统、太阳能发电系统和储能系统，由风力发电系统和太阳能发电系统发出的电经过储能系统的转化后给油井供能，在油井电能供应充足时在储能系统内存储，在油田电能供应不足时，由两个发电系统和储能系统一起给油田供电；专用抽油泵自上而下由上抽油杆、固定阀座支承接头、阀座、上活动凡尔、上阀座、中活动凡尔、中阀座、柱塞、柱塞接头、下阀座、下活动凡尔、柱塞阀罩、厚壁泵筒连接、接箍、直线电机动子推杆、割缝筛管、直线电机潜油电泵定子组成，专用抽油泵为改进抽油泵，上面2个固定凡尔，下面为1个活动凡尔，直线电机动子带动抽油泵上下运动，实现采油作业。直线电机与抽油杆之间用割缝筛管连接。在潜油电泵系统中，通过直线电机的往复运动与管式泵柱塞运动方向一致的特点，将直线电机的动子通过直线电机动子推杆直接与管式泵柱塞相连，并将其潜入到地下油层中。之后由直线电机驱动抽油泵柱塞做周期往复运动，将油液举升至地面。
32.风光互补独立微网发电驱动直线电机潜油电泵采油系统布置方式：太阳能发电系统、风力发电系统、储能系统位于油井口的同侧，以井口为基准点由远及近分别布置有永磁变桨距风力发电机、太阳能光伏板、蓄电池组和潜油泵控制器。具体工作过程：通过使用小型风力发电机与太阳能光伏发电板合理有效配置，确保风力发电实现驱动直线电机潜油电泵不间断工作，具体为光伏直流电经过控制器，为储能系统充电，风能发电输出的是频率和幅值都在不断地变化的不稳定交流电，需要先经过整流变成直流电，为蓄能系统充电。蓄能系统经过逆变器，变为三相交流电驱动直线电机潜油电泵。
33.在应用本发明的具体实施例1中，图1为风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统的结构示意图，该系统由太阳能发电系统、风力发电系统、储能系统(其中包括整流器(24)、蓄电池组(22)及其附属部件、控制器(18)、逆变器(19)等)、直线电机潜油电泵(21)及控制系统等组成。直线电机驱动的数控往复式潜油电泵是采油系统的直接执行部件，是一种利用潜油直线电机作为电力拖动装置，直接驱动往复式潜油电泵进行采油的采油机械。直线电机潜油电泵(21)耗电低，适合排量不大 (一般小于20m3/d)油井生产，也正因为相对于常规抽油机耗电少，适合与风光互补发电配合使用。直线电机潜油电泵系统包括采油井口、铠装电缆和油管，以及防砂设施等部件，它与潜油电泵组成井下采油系统。本实用新型选用数控往复式潜油电泵的特点是可直接驱动、间歇工作、无启动电流、根据供液能力在线调整冲次。
34.永磁变桨距风力发电机(25)发电，发出的是频率和幅值都不稳定的交流电，需要通过整流器(24)变成稳定的直流电，太阳能光伏板(23) 发电为直流，两者均输入控制器
(18)。控制器(18)为蓄电池(22)和逆变器(19)供电。蓄电池(22)输出直流电，必须再经过逆变器(19) 逆变，将电能变换成用户所需要的恒频(50hz)稳压三相交流电，逆变器 (19)的功能就是在系统中实现将直流电变成三相交流电，即将直流电源转化为380v交流输出。
35.在应用本发明的具体实施例2中，图2为直线电机驱动专用抽油泵结构图，为改进抽油泵，主要有上抽油杆(1)、固定阀座支承接头(2)、阀座 (3)、上活动凡尔(4)、上阀座(5)、中活动凡尔(6)、中阀座(7)、柱塞(8)、柱塞接头(9)、下阀座(10)、下活动凡尔(11)、柱塞阀罩(12)、厚壁泵筒连接(13)、接箍(14)、直线电机动子推杆(15)、割缝筛管(16) 和直线电机潜油电泵定子(17)等部件。上抽油杆(1)、固定阀座支承接头(2)、阀座(3)、上活动凡尔(4)、上阀座(5)组成上游动阀。上抽油杆(1)与固定阀座支承接头(2)连接，固定阀座支承接头(2)安装在阀座(3)上，上活动凡尔(4)安装在上阀座(5)内。上抽油杆(1) 带动固定阀座支承接头(2)做往复运动使中活动凡尔(6)、中阀座(7)、柱塞(8)、柱塞接头(9)、下阀座(10)、下活动凡尔(11)、柱塞阀罩(12)、厚壁泵筒连接(13)组成的中间空腔产生压力差进而保证油液可以输出至地面指定位置。中活动凡尔(6)、中阀座(7)、柱塞(8)、柱塞接头(9)、下阀座(10)、下活动凡尔(11)、柱塞阀罩(12)、厚壁泵筒连接(13) 组成中间油液流动的空腔。中阀座(7)上安装有中活动凡尔(6)，中阀座(7)上端与安装有上活动凡尔(4)的上阀座(5)连接，上活动凡尔 (4)、上阀座(5)组成中间腔体的油液流出端。柱塞(8)和柱塞接头(9) 为中间腔体的主要组成部分，柱塞(8)上端连接安装有中活动凡尔(6) 的中阀座(7)，下端安装有柱塞接头(9)以形成密闭空腔。下阀座(10) 内安装有下活动凡尔(11)，上端与柱塞接头(9)连接，下端与柱塞阀罩 (12)连接，是中间腔体的油液流入端。厚壁泵筒连接(13)下端安装有接箍(14)，上端与下阀座(10)连接。直线电机动子推杆(15)安装在割缝筛管(16)内部，并与直线电机动子推杆(15)连接，割缝筛管(16) 是直线电机与抽油杆直接的连接部分。直线电机动子推杆(15)做周期往复运动带动直线电机动子推杆(15)在竖直方向上做往复运动。具体工作过程：直线电机的往复运动与管式泵柱塞运动方向一致，将直线电机的动子通过直线电机动子推杆(15)直接与柱塞(8)相连，并将其潜入到地下油层中。之后由直线电机驱动抽油泵柱塞做周期往复运动，将油液由地下油层经中间腔体举升至地面。而在地面上的潜油泵控制器(20)控制整个抽油过程，并可对其进行有效调节。
36.在应用本发明的具体实施例3中，图3为风能太阳能独立微网驱动直线电机潜油电泵采油系统地面地下布置图，具体布置的方式：在有井口一侧由远及近安装有永磁变桨距风力发电机(25)、太阳能光伏板(23)、蓄电池组(22)和潜油泵控制器(20)。
37.参照图1和图3，通过使用小型风力发电机与太阳能发电板合理有效的发电分配直线电机潜油电泵(21)工作，光伏发电机、风力发电机通过光伏、风力发电系统为潜油电泵(21)提供动力，潜油电泵(21)根据相应的大部分油井产液量选择额定排量20m3/d，进而选择型号为wfqydb-44抽油泵。其具体过程是：空气中的风力吹动风电机的风轮，风轮转动，风力发电机组带动低速永磁变桨距同步发电机转动，于是开始发电。在风力发电的过程中，需要利用偏航控制系统实时调节风轮叶片旋转平面与空气流动方向相对位置，使风轮正常运转时能一直让风轮对准风向，从而使风力机从空气中获取的能量最大，输出功率最大。而此时发出的是频率和幅值不稳定的交流电，需通过整流器(24)将不稳定的交流电变成稳定的直流电。在风力发电能量充足时，由风力发电机提供的电能作为动力来源，风力发电机为蓄电池组(22)充电，同时，蓄电池组(22)输出的直流电经逆变器(19)转变为恒频稳定的交流
电，以此实现为潜油电泵(14)供电。而当风力发的电能不能满足抽油机电能消耗时，通过系统的控制，系统自动切换电路，此时风力发电机提供的电能只作为部分动力来源，蓄电池组 (22)处于供电状态，为直线电机潜油电泵(21)提供能源。而对于光能来说，太阳能光伏板(23)通过合理有效的分块，一部分进行充电，另一部分进行放电以此来提供潜油电泵(21)电能。利用光能与风能相互弥补，共同进行发电，以此来确保能够24小时不间断的为油田油井输送能源，进行有效的、稳定的持续作业。
38.为了提高光伏电站可靠性和发电效率，光伏发电采用平单轴随动系统，平单轴随动设计利用蜗轮蜗杆结构和步进电机让该装置成为随动光伏装置，该随动系统能够跟踪全过程，相邻系统无阴影遮挡，跟踪系统具有夜间自返功能，根据太阳运行轨迹采用时间控制方式，具有大风与大雪保护功能，安全性能好，具有网络监控功能，实现集中控制，适合大型电站。
39.风力发电采用变浆距风力发电机，配置三相永磁无刷交流发电机，采用24v蓄电池组驱动偏航直流电机经蜗轮蜗杆驱动实现偏航控制，随风速改变攻角。风力发电机输出的是频率和幅值都在不断地变化的不稳定交流电，需要先经过整流变成直流电，为蓄能系统充电。
40.为了保证油井采油作业保持连续的工作状态，使油井采油作业每天24 小时不间断的工作(除了保养和维修情况外)，因此对供电系统有严格的要求，需要保持很高的稳定性。从具体的工作情况来看，风力发电机输出的功率是随风速的变化而变化的，这就会影响设备的平稳运行，因此配置了转化系统，确保系统稳定工作。
41.最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
42.除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。