[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本文中公开和教导的本发明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。

背景技术

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：

T_net = T_well - T_ebal。

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(dynamometer card)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。