（机械工程专业论文）新型小型抽油机的优化设计.pdf

新型小型抽油机的优化设计 杨民( 机械设计及理论) 指导教师：綦耀光教授沈中华高级工程师 摘要 本文在对国内外抽油机市场和技术水平进行分析的基础上，对新 型小型抽油机选型和优化设计进行了研究，给出了一种冲程较大，冲 数较低的新型小型抽油机的设计方案。完成的主要工作有： 1 、对小型抽油机的选型设计进行了分析。给出了冲程为1 8 m ， 2 1 m ，2 5 m ，3 o m 几种小型抽油机的新传动与结构型式。 2 、建立了小型抽油机主参数优化设计的数学模型和优化方法，用 该方法对一种6 型3 米冲程的小型抽油机进行了优化设计。对该抽油 机进行了运动分析、动力分析和主要零部件的选择与强度设计。 3 、对目前油田现场使用的几种6 型2 5 米冲程的小型抽油机的主 参数进行了对比分析，找出其存在的不足，并给出了选择小型抽油机 的建议。 4 、理论分析表明：小型抽油机可以选择较大的游梁摆角、较低的 支架高度、较小的减速箱扭矩等与大型机不同的设计要求。 关键词小型抽油机，优化设计，选型分析 o p t i m i z a t i o nd e s i g n o ft h es m a l ln e w t y p e b e a m p u m p i n g u n i t y a n g m i n ( m e c h a n i c a ld e s i g n a n d t h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq 1y a o g u a n ga n ds e n i o re n g i n e e rs h e n z h o n g h u a a b s t r a c t t h e p a p e rm a d e r e s e a r c h e so nt h et y p ec h o i c ea n do p t i m i z a t i o nd e s i g n o ft h es m a l ln e w t y p eb e a mp u m p i n g u n i tb a s e do n a n a l y z i n gt h em a r k e t a n d t e c h n o l o g yl e v e lo f b e a mp u m p i n gu n i t ，a n dg a v ean e w d e s i g np r o j e c to f a l o n gs t r o k ea n dl o ws t r o k e ss m a l ln e wt y p eb e a mp u m p i n gu n i t t h em a i n a c c o m p l i s h e dw o r k i n e l u d e d ： 1 a n a l y z e dt h et y p ec h o i c ea n dt y p ed e s i g no f t h es m a l lb e a m p u m p i n g u n i t g a v et h en e t r a n s m i s s i o na n ds t r u c t u r ef o f i l lo fs e v e r a ls m a l lb e a m p u m p i n g u n i tw h i c hs t r o k ew a s1 8 ，2 1 ，2 5 ，3 0m e t e r 2 b u i l tt h em a t h e m a t i c sm o d e la n d o p t i m i z a t i o n m e t h o dw h i c h e m p l o y e di nt h em a i np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h es m a l lb e a m p u m p i n gu n i t ，d e s i g n e das m a l lt y p eb e a mp u m p i n gu n i tw h i c h6m o d e l3 m e t e ro fs t r o k e b yu s e dt h em e t h o d ；m a d ead y n a m i ca n dk i n e m a t i c a l a n a l y s i so ft h ed e s i g n e db e a mp u m p i n gu n i t ，a n dc h o o s et h em a i np a r t sa n d d e s i g n e d i t ss t r e n g t h 3 a n a l y z e dt h em a i np a r a m e t e rb yc o n t r a s ts e v e r a ls m a l l6m o d e l2 5 m e t e ro fs t r o k eb e a m p u m p i n g u n i tw h i c h a p p l yi no i lf i e l dn o w ，p o i n t e do u t t h e i r s h o r t c o m i n g s ，a n dm a d et h es u g g e s t i o n so fc h o i c et h es m a l lb e a m p u m p i n g u n i t 4 g a i n e dac o n c l u s i o nf r o mt h et h e o r ya n a l y s i s ，w h i c hi s ，w h e nw e d e s i g n e dt h es m a l lt y p eb e a mp u m p i n gt l a i t ，w ec a l lc h o i c et h eb i g g e rb e a m p e n d u l u ma n g l e ，l o w e rh e i g h to f s u p p o r t e r ，a n dl e s s e rt o r q u eo fr e d u c t i o n b o xw h i c hw a sd i f f e r e n tf r o m b i gt y p eb e a mp u m p i n g u n i t k e yw o r d s ：s m a l lt y p eb e a mp u m p i n gu n i t ，o p t i m i z a t i o n d e s i g n ，t y p e c h o i c e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：纽&m 忙j 月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 加毕年ff 月侈日 j 夕一噼l t 旯i r 甚 一p了一矗鸳， 虹衅 为一燃平l耘一坪 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 抽油机的研究开发与应用已有l o o 多年历史。近2 0 年来，抽油机 技术发展较快，先后研究开发了多种新型抽油机。其特点是：增强了 抽油机的适应性、可靠性、经济性和先进性；改善了抽油性能，降低 了抽油机载荷与载荷变化范围，提高了抽油效率，减少了动力消耗： 提高了抽油机平衡效果，改善了抽油机的运动特性、动力特性与平衡 特性：增大了抽油机的使用范围，减小了抽油机体积和质量，强化了 抽油机自动化与智能化程度。 由于各油田地质储油构造、石油成分和伴生物不同，再加上技术 基础与技术水平不同，采用的机械采油装备也不一样，研制与应用的 新型抽油机也具有各自的特点。主要有： ( 1 ) 为了适应各种地质油藏条件和含砂、含气( h ，s 、c o ，、0 ) 、含 水、含蜡、含胶质、含石膏等石油以及稠油和低渗透油层采油的工况， 研制与应用了不同冲程和悬点负荷、减速箱扭矩的抽油机。 ( 2 ) 为了满足油田不同地面状况和复杂油区抽油的需要，研制与应 用了各种特殊用途的抽油机。 ( 3 ) 为了满足稠油和深井开采的需要，研制与应用了各种大型抽油 机。 ( 4 ) 为了提高抽油系统效率，减少抽油机动载荷与振动载荷，研制 了长冲程抽油机。 ( 5 ) 为了节约成本，提高采油经济效益，降低能源消耗，减少抽油 成本，研制了节能抽油机和节能部件。 目前，从事抽油机研究的科技工作者普遍对大型抽油机的研究比 较关注。但是，从油田的实际需求来看，小型抽油机也有其固定的市 石油大学( 华东) 工程硕士论文第一章绪论 场。而目前的小型抽油机的研制，主要是从大型抽油机缩小尺寸得出， 这样研制出的抽油机存在能耗较大的问题，难以满足市场的需要。本 文关注小型抽油机的设计特点，并分析小型抽油机的设计规律。 1 2 有杆抽油系统概述 目前，我国各大油田从地层中开采石油的方法主要可分为两大类： 一类是利用地层本身的能量来举升原油，称为自喷采油法；另类则 由于地层本身能量不足，需要利用机械设备给井内液体补充能量，从 而将原油举升到地面，这种方法称为人工举升采油法或机械采油法。 目前，有各种各样的人工举升采油方法，如图l 一1 所示。 机械采油掊 广油杆传递能量t 抽油杆旋转驱动单螺杆泵 扣能量 i 制l 雠锚漫j - 蚴黼商源 l 电动潜油单螺杆泵 其它方法 图卜1 机械采油法种类 凡是不利用抽油杆柱将能量给井下泵的采油设备统称为无杆抽油设 备；凡是利用抽油杆柱上、下往复运动驱动井下泵的抽油设备统称为 有杆抽油设备。 2 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 有杆抽油方法是应用最早、最广泛的一种人工举升采油法，它基本 上与石油工业的发展有着同样悠久的历史。随着科学技术的不断发展， 有杆抽油设备也不断完善和提高，以适应石油工业发展的需要。目前 在各种机械采油方法中，有杆抽油仍居于重要地位。据统计，我国的 机械采油井约占油井总数的9 0 以上，其中，有杆抽油井占8 0 左右， 产量占7 5 以上，在美国，大约有8 0 的油井采用有杆采油方式e 2 。2 0 0 2 年胜利油田有杆抽油井数占机械采油井数9 0 以上，产油量占机械采 油量的7 7 以上( 3 。 有杆抽油设备，按照其作用可分成三个主要组成部分：一是地面驱 动设备，即抽油机。目前应用最为广泛的是游梁式抽油机；二是井下 的抽油泵，它悬挂在油管的下端：三是抽油杆柱，它把地面设备的运 动和动力传给井下抽油泵。作为有杆抽油系统，除以上三个主要组成 部分外，还应包括用于悬挂抽油泵并作为液体通道的油管柱，油套管 环形空间以及井口装置等。 目前我国各大油田每年要有几千口新井投入生产，连同已有装备的 更新，每年需要新增数千台抽油机，上万台抽油泵，上万米抽油杆和 相应的辅助工具。而这些新增加的抽油设备绝大部分是组成了有杆抽 油装置，有杆抽油技术在石油开采中占有非常重要的地位“- 。 抽油机是构成“三抽”系统的主要设备，是有杆式抽油的地面动 力设备。 任何一种抽油机都是由传动一换向系统、支撑系统和平衡系统三 大部分组成，而支撑系统又受到传动一换向系统和平衡系统约束。 ( 1 ) 传动一换向系统配有减速机等，它将原动机的旋转变成悬点的 上、下往复运动。具有减速功能的部分，般选用常规减速、传动机 构。因此，换向功能是抽油机特有的机构功能。( 2 ) 平衡系统它是针 对抽油机特殊的载荷情况用来调节原动机的负荷，以保证原动机的正 常运转的系统。 由此抽油机可以根据这两大系统特征来分类。通常，可以以换向 机构特征为主，以平衡系统特征为辅进行抽油机的分类。 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 按照上述观点，我国油田现场在用或正在试验的抽油机大概可以 分成五大类，包括： ( 1 ) 常规游梁抽油机或改进抽油机( 换向机构为曲柄摇杆机构) ( 2 ) 采用其他四连杆传动机构的抽油机 ( 3 ) 多连杆机构的抽油机 ( 4 ) 滚筒式抽油机 ( 5 ) 链条式抽油机等。 1 3 国内、外抽油机设计与研究的发展现状 1 3 1 抽油机理论的研究 目前，主要进行的研究工作有如下9 个方面： 1 抽油机工作状态和负荷特性的研究【7 j 抽油机所承受的负荷，是设计、评价抽油机的依据，是进行抽油 机研究、设计、分析所必须首先解决的问题。抽油机的工作状况为：2 4 小时野外连续运转，无人看守，工作环境恶劣。为此研究人员对抽油 机的工作环境、抽油机的使用寿命和主要构件的可靠性等指标进行深 入细致的研究，对抽油机的平均无故障时间和平均维修周期进行了分 析，此外，还提出了把克服抽油机减速器漏油和减少曲柄销事故作为 抽油机可靠性设计的重点等观点，这些对提高抽油机的总体设计水平 具有重要的意义。 在研究普通意义上抽油机载荷和工作特性的基础上，人们对某些 专用抽油机工作特性的研究也取得了长足的进展并已经逐渐认识到： 不同的油藏和开采条件，应该采用具有不同特点的抽油机。这些认识， 对于按照油层的特性和开采工艺选择抽油机具有指导意义。 设计或分析抽油机的性能和对抽油机的优劣进行评价时，需要给 定抽油机悬点所承受的载荷，即给定抽油机的悬点示功图。现在已由 传统的设计方法发展到模型示功图。模型示功图是对油田某种油藏特 征进于于统计得出的，反映抽油枧在该油藏特征下主要工况在载荷变化 石油大学( 华东) ： j 飘页士论文第一章绪论 下的规律。用它可以进行抽油机主参数的优化设计和抽油机的性能评 价及对比分析，对规范抽油机的设计方法，提高抽油机的设计水平具 有重要意义。 由于抽油机设计模型示功图的提出和对抽油机工作状况、工作载 荷的新认识，使人们逐步改变了抽油机设计盲目无序的局面，使新型 抽油机和新设计抽油机的成功率有了不同程度的增加。目前，不同抽 油机机型适用于不同油层条件和开采方式的观点，正在逐步为油田工 程师和抽油机制造商所认识。 2 抽油机选型评价方法研究 从机械的功能原理分析，抽油机的基本功能是将动力( 电动机或 内燃机) 的旋转运动变成悬点的往复直线运动。各种结构形式的抽油 机主要有如下三部分组成，即传动换向系统、平衡系统和支撑系统。 由于支撑系统结构形式往往是由传动换向系统和平衡系统决定的，因 此，抽油机的优劣可以从传动换向系统和平衡系统的研究中得到。 对于油田使用的抽油机，希望其传动换向系统简单，效率高，对 抽油杆、电网等相邻系统友好等，可按照以下标准评价新抽油机的优 劣。 1 ) 传动系统的转速变化 2 ) 整机重量和结构尺寸 3 ) 运动机构的可靠性 4 ) 费用指标 5 ) 运动和动力性能 3 游梁式抽油机优化设计数学模型的研究 经过2 0 多年的研究，特别是近1 0 多年的研究，人们对抽油机优化 设计的数学模型已经有了较清楚的认识，这对促进抽油机设计水平的 提高具有重要意义。在进行抽油机优化设计时应该取抽油机的主参数 作为优化设计变量，在选取寻优目标函数时，除考虑运动参数的优选 外，必须进行动力参数的优化。般应按照“以能耗要小、重量要轻、 综合性能指标要合理”的多目标函数寻优准则进行。在进行抽油机的 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 优化设计前，有必要先对所设计抽油机的应用场合进行调研，按照其 主要应用油田的示功图特性，选择合理的设计模型示功图，进行抽油 机参数的优选。在抽油机优化设计中，一般应该包括1 5 类5 0 多个约 束条件。这些对优化设计数学模型的建立有重要意义。 对于抽油机优化设计算法的选取，普遍认为，选用在非劣解中寻 优解的算法较为合适。利用上述方法和理论建立的优化算法所设计的 抽油机，一般比采用常规技术设计的抽油机，总重量可减少5 ，能耗 下降1 0 左右，有显著的社会、经济效益。 4 驱动抽油机电动机特性的研究 为了研究什么样的电动机驱动抽油机更为合理，必须建立考虑抽 油泵工作状态、抽油杆系统振动和抽油机构件惯性的机器系统动力学 方程，并求解该动力学方程，目前，已经有这方面的专用分析和计算 程序。另外，驱动抽油机的电动机，应该具有以下特点：在低负载 率时效率要比较高：电动机的机械特性应该与抽油机的工作要求相 匹配，一般认为特性较软对三抽系统有利；要有一定的过载能力； 启动力矩要大；适合于野外工作；能防止油田周围居民从电动 机上窃电。 5 抽油机分类方式的研究 近几年，在抽油机分类方式的研究也有了较大的进展。 抽油机由三部分组成，其中，传动一换向系统和平衡系统是抽油机 的主要部分，因此，抽油机的分类和命名，应该按照这两部分的特征 进行，同时，应该符合油圈的命名和分类习惯。目前油田使用的抽油 机，就平衡形式，可分成重块平衡和气体平衡( 少数液压机除外) 两 大类。重块平衡按平衡靠近换向机构中的原动机侧与否，又可分成曲 柄平衡类、游梁平衡类和复台平衡类3 种，气平衡一般采用游梁平衡 形式，这样，我们以换向机构特征为主，以平衡系统特征为辅进行抽 油机的分类。 6 ，抽油机型式试验方法研究 由于抽油机的载荷、工作条件特殊，如何对抽油机加载进行型式 6 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 试验，就成为人们研究的一个问题a 的方法，这对于常规游梁式抽油机， 水平的目的。 先前，各厂大都是采用吊重试验 基本上可以达到验证设计、制造 但是，对于近几年新研制的多种游梁平衡或滚筒式抽油机，一般 采用靠近悬点的平衡方式，在进行吊重型式试验时，只要平衡满足， 除可能对支架等少数部件的强度进行了考验外，对关键系统如抉向系 统、传动系统、平衡系统的可靠性和满足油田要求的适应性基本没有 得到考验。这类抽油机，在厂家做了相当长的型式试验，投放油田后， 仍然故障频繁，不能适应油田对抽油机的要求。 通过几年的实践，人们逐渐认识到，对于采用靠近悬点平衡方式 的抽油机，必须建立有能耗，悬点载荷具有油田抽油机示功图类似规 律的试验方法进行型式试验，才能达到考核抽油机的目的。 7 抽油机的模块化设计 在国外，抽油机的生产已经基本上被几家大的机械制造公司所垄 断。他们采用先进的部件优化技术，将各型抽油机分解成若干模块， 按照系列化、系统最优化、标准化的方式，组织模块化生产，企业管 理水平高。他们可以以较少的生产模块，最大限度地满足不同用户多 种型号、规格抽油机的需要，给企业带来了较高的经济效益。 在国内，抽油机模块化设计的理论研究已经开展了多年，初步进 行了抽油机模块的划分和组合研究，但是，由于我国抽油机生产企业 规模较小，分布过于分散，生产量较小，模块化设计的开展还很少， 随着市场的不断发育，抽油机的需求已经向多品种小批量化发展，且 油田从提出计划到需要的周期大大缩短，生产企业要想满足油田的要 求和更快、更好地占领市场，必须按照模块化组织生产，按照油田的 需要，通过模块装配得到新机型。可见，抽油机按照模块化进行设计 和制造，必将是生产企业的发展重点。 8 新设计理论在抽油机设计选型中的应用 机械优化设计、模块化设计、机器动力分析等新的设计理论，在 抽油机设计中已经得到广泛的应用。近几年来，抽油机在选型和结构 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 设计方面，主要有如下几种新的设计思想： ( 1 ) 用设计方法学指导设计过程和实施设计方案。运用这一理论， 实现了一种新型增程式抽油机机构的选型，较好地体现了设计过程描 述模型在机械产品设计中的应用。 ( 2 ) 采用平面连杆系统的综合方法和机构创新原理，将常规游梁 式抽油机与辅助连杆综合，构成多种增程式游梁式抽油机的设计方案 及相应的平面连杆系统。用以增加常规游梁式抽油机的冲程。采用该 方法在保留常规游梁式抽油机的优点和保持其结构、尺寸基本不变的 前提下，可有效地增加游梁式抽油机的冲程。 ( 3 ) 基于遗传算法的石油机械优化设计方法。遗传算法是新近发 展起来的一种模拟生命进化机制的搜索和优化方法，全局优化和隐含 并行性使得遗传算法适合于大规模的复杂优化问题。 9 抽油机平衡最佳条件的研究 国内、外的理论研究和测试实践表明，如果以抽油机的能耗最小 为抽油机平衡最佳的判断准则，则上、下冲程的峰值扭矩不一定相等， 需要按照该原则，通过计算机或测试得出最佳平衡重的调整点。实践 证明，通过合理的调整平衡，每口油井可节约有功功率o 3 1 5 k w ， 平均节电0 5 k w ，节电效果显著。每口并都有节电的平衡度最佳点，一 般调在9 0 为最经济。 1 3 2 新型抽油机的设计 1 游粱抽油机改进机型 常规游梁式抽油机由于四杆机构的限制，游梁摆角不能过大，导 致整机体积过大，重量偏重，为了克服这种抽油机的缺点，研制了摆 轮式抽油机和双驴头式抽油机。这两种抽油机的共同特点是将刚性连 杆换成了柔性连杆，这样，无论游梁摆角多大，其柔性连杆可始终与 游梁保持较大( 大约9 0 度) 的传动角，改善了动力性能。但也由于增 加了柔性连秆，其可靠性均大大降低。 在前置式抽油机的基础上，发展的气平衡前置式抽油机和游梁重 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 块平衡前置式抽油机，是最近几年发展较快的新型抽油机。 2 多连杆机构的抽油机 为了克服四杆机构抽油机的缺点，近几年研制了数种采用六连杆 传动机构的抽油机。其中有代表性的是旋转驴头抽油机和六连杆抽油 机，这些机型，部分克服了四连杆机构的缺点，如游粱摆角相对可以 稍大，结构比较紧凑，保留了常规四连杆抽油机全转动副的优点，和 常规机一样，管理比较方便，寿命长。同时也带有常规机的一般缺点。 如减速箱上的扭矩波动较大等。一般认为可作为常规四连杆抽油机和 滚筒、链条式抽油机之间的补充机型。 3 滚筒式抽油机 滚筒式抽油机是指利用换向机构驱动滚筒正、反转，并带动柔性 件绕过天轮驱动悬点做上、下往复运动的抽油机。这类抽油机按换向 原理可以分成电机换向、机械换向及液压换向3 类。按换向时动力流 方向，又可分为切换式和无切换式两类。目前，常用滚筒有心形滚筒、 主回零扭矩换向滚筒和普通滚筒等几种形式，平衡方式一般采用吊笼 式重块平衡。 4 链条式抽油机 链条式抽油机( 链条机) 是指利用轨迹链条上的特殊链节，带动 往复运动，从而驱动悬点上，下运动的抽油机。这类机型有代表性的 是胜利油田设计的气平衡式链条机，其往返架采用正弦机构型。优点： 平衡性能好，且调平衡方便，换向和工作时往返架受到侧向力小，重 量轻。但移动副较多，气平衡系统有密封和失载保护问题等，因此故 障率较高，为了克服气平衡系统的缺点，人们试验了多种重块平衡式 链条机。它们虽然克服了气平衡系统密封可靠性差的缺点，但增加了 惯性载荷，使链条和特殊链节的受力恶化f 6 】。 5 液压抽油机 国外液压抽油机的研究和试制时间较长，大多在海洋采油平台、大 型丛式油井的采油中应用。 法国m a p e 公司生产的系列长冲程抽油机，最大冲程长度为l o r e ， 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 冲次为0 - 5 m i n 。采用液压驱动。除具有长冲程抽油机优点之外，该抽 油机可利用本身动力以每小时1 5 0 次的速度起下油管和抽油杆，不需 要专门修井机进行起下作业，实现了作业和采油共用一台机器。 美国w g c o 公司研究的长冲程抽油机采用液压驱动系统，可手动 操作、微动操作和自动操作，还具有8 种保护和报警功能，具有泵效 高、功率小、寿命长等优点。 美国研制的液压驱动双井平衡抽油机，在丛式井的两口相近油井上 面，分别悬挂着两个链轮，链轮上挂有一条链条，链条两端分别与两 口并的光杆相连，再利用液压系统驱动链条往返运动，进行抽油。这 种抽油机结构简单，抽油机零部件少，成本低，占地面积小，所配驱 动功率很小，具有较高的节约能耗效果。但合适的双井选择，在工艺 上较为困难，在油田难以大面积推广。 美国w f l a r s o n 公司研制的l a r s o n s 0 0 型液压驱动双驴头抽油机， 也是利用两口油井的载荷相互平衡，利用两个装在支架上的液缸驱动 游梁上、下运动，使两口油井同时抽油。两口油持用台抽油机抽油， 具有较好的经济效益。 6 数控抽油机 数控抽油机是指采用计算机或具有存储、分析功能的芯片作为控制 系统的智能式抽油机，它的基本特征是能够通过传感器测出悬点载荷 和产出液的变化情况，利用这些数据，分析井下泵的工作状态，据此， 调整抽油机的冲程和冲次及急回性( 视配套的换向机构不同) 等参数， 使抽油泵处在最佳工作状态。数控式抽浊机和普通抽油机的区剐仅仅 是该抽油机的控制系统采用了智能控制方式。 美国b a k e r 公司开发的自动化抽油机具有多种保护功能，旦某些 运行参数超过允许值时，会自动报警停车。此外，还配有泵抽空控制 器，利用它来监测光杆载荷，以便及时发现抽油机在抽油过程中井下 抽油泵的工作状况，如液击或抽空等 2 1 。 美国a p s 公司生产的自动化抽油机系统分析控制器，可以监测、 记录与分析抽油机的以下参数：电动机的输入、输出电流，输入、输 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 出功率及输出扭矩，带传动效率，减速器传动效率及输出扭矩，连杆、 游梁的应力，悬点位移、速度和加速度，电动机、曲柄的瞬时和平均 转速。这种系统分析控制器具有各种诊断和自动反馈调解功能，使抽 油机处于最优抽汲工况口1 。 美国n s c o 公司研制的世界上第一台智能抽油机，结构紧凑，总高 度不超过2 4 4 m ，最大冲程长度为1 2 1 9 m ，节约电机功率达1 0 - - 3 0 ，具有防抽空和防液力和气体冲击功能，具有诊断、报警和各种保 护功能，采用微处理机和自适应电子控制器，对抽油机和抽油系统进 行监测和控制，具有较高的抽油安全可靠性1 9 1 。 1 3 3 抽油机关键零、部件性能的研究 随着抽油机市场的变化，采油厂对抽油机可靠性的要求越来越高， 生产厂家对成本的控制越来越严。因此，要求设计人员对抽油机的零、 部件进行更加精细的强、刚度分析和设计，以提高零、部件的可靠性， 降低制造成本。进行的主要研究工作如下。 1 减速箱串轴和常见故障的研究 常规游梁式抽油机减速箱的常见故障有：漏油、齿轮损坏、窜轴、 轴承损坏等，都是影响减速箱寿命的重要问题。最常见的漏油是主动、 被动轴头的密封处漏油，尤其是主动轴的密封圈处漏油最为严重。主 要原因为：密封圈的安装和质量问题；润滑油液面过高或润滑油品不 符合要求。可以通过改变密封结构，加强管理等方法解决。 齿轮损坏的主要原因有： ( 1 ) 齿轮本身加工质量不好，如毛坯有缺陷、齿轮啮合精度不够 等。 ( 2 ) 磨损，如减速箱缺油造成磨粒磨损：采用润滑脂润滑时，冬 季润滑脂不能吸附在齿轮啮合面上，形成缺油，造成磨粒磨损，杂物 进入箱内，造成磨损等。 研究表明，减速箱高速级窜轴一般发生在抽油机上、下死点换向的 时候，主要原因为低速轴或中间轴设计时过盈联结不能承受所传递的 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 扭矩。在交变载荷的作用下，发生滚键，中间轴与齿轮产生相对运动， 造成主动轴窜轴。从动轴与齿轮产生相对运动，造成上、下死点换向 时抽油机减速箱内齿轮产生冲击。另外，制造误差，如螺旋角误差、 齿厚偏差等；设计缺陷，如主动轴或中间轴的刚度不足等；使用工况， 如存在负扭矩等也是造成抽油机减速箱窜轴和冲击的原因。 可见，克服减速箱窜轴，提高过盈量，提高加工和安装精度是有效 的措施。 减速箱的轴承损坏，多发生在低速轴上，主要原因为轴承受力过大， 造成强度破坏。另外，轴承间隙调整不当也是主要原因之一。 2 锁块式自让位抽油机驴头 锁块式自让位抽油机驴头让位机构的让位原理是，让位时，前拉驴 头下部，使锁块离开定位板，点动抽油机，向上死点运动，利用抽油 机上、下死点驴头位置的变化，靠驴头本身的重量，驱动驴头绕上挂 销转动，让开井口，复位时，将抽油机点动到下死点附近，前拉驴头 下部，听到类似与用撞锁锁门的声音，即完成驴头复位。该让位机构 结构简单，制造成本低，操作方便可靠，不用上驴头和游梁，让位后 驴头不占用修井作业空间，深受油田和抽油机制造研制厂的欢迎。 3 新的支架拓朴结构 游梁式抽油的支架有桁架( 又称塔架) 式和三腿支架两种，在支架 的有限元计算中，选择合适的有限元计算模型和载荷计算准则，是计 算结果正确与否的关键。考虑抽油机所受的风载和曲柄不同位置的载 荷，把支架简化成刚性桁架，并把支架与地基视为只有垂直方向约束 的计算模型是较为合适的计算模型。 计算和实验表明，对于桁架型抽油机支架，主腿间斜撑的受力较大， 其强、刚度对支架变形和应力的影响较大；直撑对支架变形和应力的 影响较小，可以采用只有斜撑的抽油机桁架拓朴形式。桁架型抽油机 支架的杆件中应力最大点在支架顶部和支架与底座的连接处，为了减 少支架的变形，支架的顶部应该用围焊钢板或其他型材的方法进行加 强。 石油大学( 华东) 工程碛士论文 第一章绪论 对于安装在减速器高底座上的三腿支架，主腿间的直撑对抵抗抽油 机承受的风载有重要作用，特别是上部的直撑，其强度和刚度必须保 证。主腿下方减速器的高底座承受较大的交变载荷，容易引起高底座 的变形进而影响减速器底部的变形，造成减速器底部的开裂，因此， 对支架主腿下方的减速器高底座要进行适当加强。 4 曲柄销损坏原因的研究 曲柄销是抽油机的关键部件也是易损件。研究表明，抽油机曲柄 销的损坏一般具有先松动后疲劳破坏的特征，在较大的接触应力作用 下，抽油机曲柄销套和曲柄体之间出现微动磨损，在大端扩孔，受力 点逐渐向曲柄销的小头过渡，这样，在曲柄销的小端产生较大的弯益 疲劳应力，如果曲柄销还承受扭矩，在扭矩的作用下，曲柄销螺母将 不断自紧，使小端所受的拉应力增加，造成曲柄销在小端的疲劳断裂。 曲柄销是承受交变载荷的关键零件，应该选用抗疲劳性好，性能稳 定，加工和热处理性能好的材料制造。结构上，应选用保证大端接触 的结构。 5 双圆弧齿轮减速器理论的研究 双圆弧齿轮减速器方面的主要理论研究成果有： ( 1 ) 建立了相对完善的双圆弧齿轮设计、制造、标准体系。 ( 2 ) 对减速器的啮合刚度变化规律、振动特性、振动方程等进行了 较系统的研究，基本建立了适合于圆弧齿轮的动力学分析方法。 ( 3 ) 对轮齿修形、阻尼等减振降噪方法进行了理论分析和试验研究， 取得了令人满意的试验结果。 ( 4 ) 对圆弧齿轮减速器的优化设计进行了深入研究，建立了双圆弧 齿轮减速器参数优化设计数学模型及优化方法的选取技术，产生优化 初始点的方法，取得了显著的优化结果。 ( 5 ) 对错齿、短齿等新齿轮工艺在减速器的应用进行了广泛的研究， 取得了较好的研究成果。 ( 6 ) 提出了双向圆弧齿轮等新的圆弧齿轮啮合形式等。 6 抽油机用大启动力矩多速电动机和调速电动机的研究 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 新型大启动力矩多速电动机具有以下特点： ( 1 ) 多速可调可控。电动机有二速和三速，可根据特定环境及生产 的需要实现远距离调参、控制，满足生产要求，并使耗电量降到最低。 ( 2 ) 每一速度下均可带动抽油机一次平稳启动并长期可靠运行，具 有大启动力矩和大的输出功率，从根本上解决了“大马拉小车”的难 题。 ( 3 ) 同机座号的电动机外形及安装尺寸与目前国际上通用的普通y 系列电动机相同，用户无需改变安装方式就可方便地以新型电动机替 换原电动机。 这种电动机采用变极调速方法。即利用电动机接线变化来改变电动 机的极对数，达到调速的目的。 抽油机调速电动机实现了抽油机的低冲次和无级可调冲次，可以方 便地实现低产井供排能力平衡，改善抽汲系统的工况和效果。 1 3 4 特种抽油机研究 l 。连续抽油杆抽油机 在国外，连续抽油杆抽油机的研究和应用，已经有多年的历史，并 进行了油田实验。原苏联设计的钢带式连续杆抽油装置，这种地面抽 油机为滚筒式抽油机，在其滚筒上绕有细长的钢带，钢带的一端固定 在滚筒上，而另一端直接连接在井下具有特殊结构的抽油泵柱塞上。 钢带在滚筒上的卷绕和退绕使柱塞以一定的速度和运动范围进行上、 下往复运动。上、下冲程的换向通过动力机的反转来实现。该装置冲 程缀长，一般为4 0 t 5 0 0 m 。 在我国，各油田的生产井中大约有8 0 是使用有杆抽油技术，但 是由于钢抽油杆本身的结构特点，使它存在一些难以克服的弱点： 单根常规抽油杆的杆长约8 m ，下泵越深，接箍越多；由于接箍的多 级活塞效应，将产生较大的摩擦阻力；由于常规抽油杆的起、下作 业是间断进行的，使其作业时间较长；在斜井中抽油杆与油管之间 的摩擦主要集中在接箍上。因此，在一些低渗、中小产量的深抽井和 一些深井、超深井、斜井等特殊条件井。研究新型的连续抽油杆替代 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 普通钢抽油秆，具有十分重要的现实意义。因此，我国需要研制与连 续抽油杆相适应的抽油机。 2 车载抽油机 车载抽油机，又称捞油车、抽油车是开采边远油井、探劳、报 废井、间抽井的专用生产设备。同时。依靠车载抽油机作业时产生的 负压作用，起到清洗油层裂缝中的杂质，替代压裂的作用。 国产捞油车在结构上可以分为有井架式和不带井架式两种形式， 井架式捞油车由绞车、井架、指重指深装置、排绳装置等组成，工作 原理是：绞车钢丝绳通过井架带动井下抽子运动，达到采油目的。其 关键技术为指重指深装置的可靠性。由于井架有足够的高度，一般可 以实现自动排绳可不设计专用的排绳系统。不带井架的捞油车，可 以使车的重量减轻，但需要设计专门的排绳装置，如果手工排绳，则 危险性较大，排绳也难以保证，可见自动排绳系统、指重指深装置的 可靠性是该类捞油车的技术关键。 捞油车的易损件为抽子，提高抽子的质量和排绳装置、指重指深 装置的可靠性和寿命是设计研究的关键。另外，实现抽油过程的自动 化也是一个应该研究的问题。 1 4 油田抽油机应用状况调查分析 目前油田在用抽油机中，冲程在3 m 以上，悬点载荷大于8 型的大 型抽油机为主力机型，例如胜利油田2 0 0 0 年在用的冲程为3 m 、4 2 m 的8 、1 0 型抽油机、冲程为4 2 、4 8m 的1 2 型抽油机约占抽油机总台 数的9 3 5 ( 1 0 】。这种状况由以下几个原因造成： 1 在石油企业改制之前，抽油机是作为装备进入油田市场的，采 油厂的主要任务是生产原油，基本上不考虑设备的成本，因此，许多 油田出现了尽量用新抽油机，尽量用大抽油机的不正常现象，使得我 国抽油机市场出现过“繁荣”，并向大型化发展1 2 】。 2 随着许多油田逐渐进入开发后期，油层压力越来越低，油井动 互塑盔堂! 兰奎! 王矍堕主堕奎 签二兰笪笙 液面也越来越低。旧的注水工艺不能有效保持地层压力或减缓地层压 力下降，为了保持泵的足够沉没度，需要增加下泵深度，而且开发后 期油井产液含水率不断上升，要保持产量不变，就需要提高产液量。 而增加产液量，就必需调整设备，增强设备适应能力，因此，抽油机 的悬点载荷有上升的趋势。 3 按照采油工程产能和生产曲线预测，考虑油层压力将逐渐下降 和递减，抽油机的载荷，应该是随之逐渐增加的。按照在油井的整个 寿命周期内，不换机的观点，生产单位也考虑在油井上安装足够大的 抽油机。 尽管油田大量的使用了较大型的抽油机，现场调研表明，抽油机 的性能参数实际利用率并不高。如胜利油田调研的结果，其悬点负荷 的利用率普遍较低。 2 0 0 0 年胜利油田某采油厂的在用抽油机运行参数调查数据如表1 1 t l o l ： 表1 1 抽油机的冲程、冲次、悬点载荷和扭矩利用率 统计井冲程利冲次利悬点载荷扭矩利用 机型 数用率用率利用率率 6 型 26 9 0 44 3 3 02 4 4 l3 7 8 7 7 型 31 0 03 3 3 33 0 7 l5 1 2 5 8 型 8 29 2 8 l5 3 ，1 06 5 3 64 7 1 4 1 0 型3 2 8 9 2 5 95 1 8 45 4 2 75 4 1 1 1 2 型 3 6 78 9 ，5 45 1 5 85 6 ，5 l4 9 9 4 1 4 型 1 2 39 0 1 26 1 7 75 1 7 76 4 7 0 1 6 型 71 0 04 7 2 25 0 3 l3 4 3 3 从上表可知，所统计的抽油机中，平均冲程利用率为9 0 8 6 ：平 均冲次利用率为5 25 6 ；平均悬点载荷利用率为5 5 5 6 ：平均扭矩 利用率为5 1 4 4 。 2 0 0 1 年胜利油田某采油厂油井和抽油机利用情况调查数据如下： 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 最大悬点载荷利用率平均为6 0 9 4 ；减速箱最大扭矩利用率为5 3 2 ： 平均负载利用率为2 4 6 4 1 1 1 0 分析以上数据可以发现，采油厂对抽油机参数的应用，有如下规 律：冲程利用率较高，平均达到9 0 以上，在大型抽油机中，基本 达到满冲程运行：冲次普遍较低，主要分布在4 6 冲之间，s r l 在 2 0 左右；悬点载荷利用率较低，平均悬点载荷为6 1k n ，主要集中 在5 0 7 0k n 的范围内。随着新型抽油杆( 如连续抽油杆、碳纤维抽 油杆、钢丝绳抽油杆等) 的推广应用，下泵沉没度的进一步优化，注 水效果进一步提高，油田抽油机的悬点载荷还将有进一步下降的趋势； 减速器上的扭矩利用率不高，其扭矩范围主要在2 0 5 0k n m ，考虑 到减速器上的扭矩主要是和泵径有关，表明原设计抽油机的适应泵径 较实际的使用情况要大。同时，减速器的扭矩变小，冲次降低，表明 所需的电动机功率应有所下降。 从以上分析，可以得出如下预测：油田对抽油机的需求，有向长冲 程、低冲次、低悬点载荷、低减速器扭矩发展的趋势。在抽油机的选 型上，发展长冲程、低冲次、小载荷、小减速器的抽油机，可能更适 应油田抽油机市场的发展需要。 油田抽油机悬点载荷和减速器扭矩利用率较低，还有一个不容忽视 的原因，就是我国抽油机的标准和习惯的定价方式。抽油机型号首先 强调的是悬点载荷，大的悬点载荷，就可以按照大机型向油田供应， 可卖出好的价格。实际上，提高抽油机的悬点载荷，比起提高其冲程 来，要容易得多。所以，抽油机制造厂家，为了产品的销路和价格， 在生产长冲程抽油机时，必然是一个大悬点载荷的抽油机。造成所配 电动机、减速器等均较大的现象。 小型机具有体积小、重量轻、操作方便等特点，从而为运输、安 装及使用带来了一定的方便。采用长冲程、低冲次小型抽油机，不仅 有利于石油的开发，而且可降低抽油过程中的冲程损失，提高抽油泵 的充满系数，因而可以达到增加产液量的目的。设计性能良好的小型 抽油机，可提高抽油性能、提高石油产量、降低采油成本、提高采油 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 经济效益。 1 5 小型长冲程抽油机的优点 采用长冲程低冲次抽油方式，抽油泵的实际冲程长度减少的比率 较小，提高了抽油泵的充满系数和排量系数，有利于提高采油效率， 增加石油产量，降低采油成本，提高经济效益。据报导，采用长冲程 低冲次抽油方式，可以提高抽油泵的泵效达1 0 2 5 ，提高石油产量 达1 0 5 0 ，提高抽吸能力达1 0 2 0 i “1 。 由于冲程较长，冲次较低，可以减少抽油泵的磨损，提高抽油泵 的使用寿命。此外，使用较低的冲次，还可以减少抽油杆与油管之间 的机械磨损，可提高抽油杆使用寿命4 倍5 倍【“。 小型长冲程抽油机体积小、质量轻、造价便宜、成本低，具有较 好的技术经济指标。具有较高的适应性能，由于冲程长度和冲次均可 以调节，可与各种油井工况参数进行合理和经济的匹配，满足采油需 要f 1 “。因此，小型抽油机具有较好的技术经济指标。 目前，6 型抽油机的最大冲程只有2 1 2 5 m 冲程，3 m 冲程的抽 油机，大多为8 型和1 0 型抽油机。而大多数油田在用的1 0 型常规抽油 机，实际只相当于8 型抽油机或更小型抽油机的载荷工况。8 型、1 0 型 抽油机的均是中型，体积大，比较笨重，使用经济效益较低。能实现3 m 冲程的小型常规抽油机在目前市场上较少。如果能用小型抽油机实现3 m 冲程，将占领部分8 型和1 0 型3 m 冲程抽油机市场。而且，长冲程抽 油机具有上述各种优点，所以，小型长冲程抽油机将能在目前市场上 占有一席之地。 1 6 小型抽油机的特点 分析表明，小型机具有以下特征： 1 小型机负荷减小，所以零部件受力显著降低，对强度的要求较 易满足。如1 2 型常规游梁式抽油机连杆拉力3 5 0 k n ；而同样型式的6 石油大学( 华东) 工程硕士论文 第一章绪论 型机连杆拉力 l 平衡率n 是抽油机下冲程和上冲程中减速器输出轴最大净扭矩的比 值，平衡率r i 反映了抽油机的平衡效果。平衡率n 越趋近l ，说明抽油 机的平衡效果越好。 8 ) 上冲程最大扭矩因数t f 。 众所周知，扭矩因数t f 是曲柄扭矩和悬点载荷的比值。以t f 作 为目标函数，是为了使光杆载荷产生的扭矩t 。最大值减小，从而使减 速器输出轴净扭矩t 。曲线平缓，降低减速器峰值扭矩和减速器输出轴 均方根净扭矩。对于一台抽油机来说，具有最小的上冲程最大