（机械电子工程专业论文）碳纤维连续抽油杆专用超长冲程抽油机优化设计与仿真试验.pdf

中文摘要 论文题目； 专业： 硕士生： 指导教师： 碳纤维连续抽油杆专用超长冲程抽油机优化设计与仿真试验 机械电子工程 南树歧( 签名) 闫文辉( 签名) 摘要 随着我国碳纤维抽油杆制造技术的日益成熟以及国内主要油田中后期开发的需要， 有必要进行碳纤维连续抽油杆专用超长冲程抽油机及其配套设备的研发，本文在调研国 内外大量文献资料的基础上，提出了一种碳纤维连续抽油杆专用超长冲程抽油机的设计 方案，并对抽油机的机械换向和电机换向进行了对比分析。 为了提高碳纤维杆专用超长冲程抽油系统的效率，对系统的效率组成进行了分析， 同时分析了影响系统效率的主要因素。考虑到优化目标的多样性、影响因素的相互关联 性，最终把把泵效( 抽油泵功率排量系数) 最高和载荷波动的平稳性作为优化目标，对抽 汲参数( 泵径、冲程、冲次) 进行了优选，给出一组针对超长冲程抽油机的合理抽汲参数。 本文从电动机转速波动出发，建立了地面抽油机的等效动力学模型和碳纤维抽油杆 柱的纵向振动数学模型；由于抽油杆柱和液柱的振动与地面抽油机运动规律之间是相互 联系、相互制约的高度耦合问题，因此把二者联合起来进行了迭代求解，给出了相应的 精确数值解。 关键词：碳纤维抽油杆；超长冲程；优化设计；耦合求解 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：o p t i m i z a t i o na n ds i m u l a t i o no fs p e c i a lu l t r a l o n gs t r o k eo i lp u m p i n g u n i t u s e dc a r b o nf i b e rc o n t i n u o u s s u c k e rr o d s p e c i a l i t y ：m n a m e ： l n s t r u c t o r ： a b s 。i 。r a c i 。 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo ft h ec a r b o nf i b e rs u c k e rr o da n d t h er e q u i r e m e n t so fl a t e rd e v e l o p m e n to ft h em a i no i l f i e l d i no u rc o u n t r y , i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o ps p e c i a lu l t r a l o n gs t r o k eo i lp u m p i n gu n i tu s e dc a r b o nf i b e rc o n t i n u o u ss u c k e rr o d b a s e do nr e a d i n gm a n yr e f e r e n c e sh o m ea n da b r o a d ， i t p u t sf o r w a r dap r o j e c tf o rs p e c i a l u l t r a l o n gs t r o k eo i lp u m p i n gu n i tu s e dc a r b o nf i b e rc o n t i n u o u ss u c k e rr o da n dt h ec o m p a r a t i v e a n a l y s i so fb o t hm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i cd i r e c t i o nc h a n g ei sa l s om a d e i nt h i sp a p e r i no r d e rt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft h es p e c i a lu l t r a l o n gs t r o k eo i lp u m p i n gu n i tu s e d c a r b o nf i b e rs u c k e rr o d ，t h ec o m p o s i t i o na n dm a i ni n f l u e n t i a lf a c t o r so ft h ee f f i c i e n c yo ft h e s y s t e ma r ea n a l y z e d d u et ot h ed i v e r s i t yo ft h eo p t i m i z i n gg o a l ，r e l e v a n c yo ft h ei n f l u e n t i a l f a c t o r sa n dc a p a c i t yo fc o m p u t e rc a l c u l a t i o n ，m a x i m u mo fp u m pe f f i c i e n c ya n dm i n i m u mo f f l u c t u a t i n gl o a da r eu s e da st h eo b j e c t i v eo ft h eo p t i m i z a t i o n as e to fa p p r o p r i a t eo i lp u m p i n g p a r a m e t e r sw h i c hi s s u i t a b l ef o rt h ep u m p i n gu n i ti sg i v e nb yo p t i m i z i n go i lp u m p i n g p a r a m e t e r ss u c ha sp u m pd i a m e t e r , s t r o k ea n df r e q u e n c yi nt h i sp a p e r b a s e do nc o n s i d e r i n gt h ev a r i a t i o no fr o t a t i n gs p e e do fe l e c t r i c m o t o r , t h ee q u i v a l e n t d y n a m i c sm o d e lo fo i lp u m p i n gu n i ta n dt h el o n g i t u d ev i b r a t i o nm o d e lo ft h ec a r b o nf i b e r s u c k e rr o da r ee s t a b l i s h e di n t h i sp a p e r b e c a u s eo ft h es u p e rc o u p l i n go ft h et w om o d e l s ， e q u a t i o n sm u s tb eu n i t e da n dd e r i v e dt h ec o r r e c ts o l u t i o nb yi t e r a t i n g k e y w o r d s ：c a r b o nf i b e rs u c k e rr o d ；u l t r a l o n gs t r o k e ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ； c o u p l i n gc a l c u l a t i o n t h e s i s ： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：奋茎鳢圭墨 日期：坠1 6 1 生! ! 上 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 自塑垡 j 朱陬 卜_ 卜十 日期：b 16 161i 日期：型i 、 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的目的、意义和影响 在国内外，机械采油方式都是主要的采油方式，在机械采油中，有杆泵采油占据着 绝对优势，因此研究提高抽油机井系统效率的措施和方法是十分重要的。目前，机械采 油在国内外的油田开发中约占油井总数的9 0 左右，其中又以有杆泵机械采油所占比重 最大。在我国各大油田，有近9 0 生产油井使用有杆泵抽油技术，抽油机井能耗占油田 生产总能耗的3 5 - - 4 0 ，因此机采系统效率的高低就成为影响采油成本的一个重要因 素。从近年中石化总公司节能监测结果看，大约有三分之一的耗能设备在低效下运行。 目前机采系统效率国内一般水平为2 6 2 9 ；全国有机采井6 0 0 0 0 多口，每口井电机装机 功率按l o k w 计算，如果系统效率提高5 ，那么每年将节电6 8 亿k w - h ，折合人民币2 亿元。由此可见机采井系统效率研究意义的重要性1 1 l 。 目前，国内外各大油田普遍使用的是常规型游梁式抽油机、前置型游梁式抽油机和 气平衡游梁抽油机，随着我国各主要油田大多己进入中后期开发阶段，原油含水上升， 动液面下降，井下介质腐蚀加剧，深井与超深井所占油井比例的加大，我国需要积极谨 慎地研制与实验各种类型的无游梁抽油机，特别是超长冲程抽油机，并致力于提高其可 靠性；进一步研制超高强度和耐腐蚀的抽油杆；进一步增加抽油泵的品种，提高泵筒 柱塞副和阀组件的耐久性，以适应各种复杂开采条件【羽。对于常规油井来说，上述研究 对于提高其采油效率也具有普遍的指导意义。 作者考虑了电动机转速的波动，建立了超长冲程抽油机系统的等效动力学模型，分 析了该等效动力学模型和抽油杆柱振动的力学模型之间的高度耦合关系，采用迭代法较 好地解决了二者之间的相互耦合求解问题。 本论文的理论研究证明，碳纤维抽油杆用专用超长冲程抽油机的使用，并配以优化 的抽汲参数，能够有效地解决深井、超深井的开采问题；同时可提高油井机采效率，同 时也给碳纤维抽油杆的推广应用提供了理论依据，促进油田机械采油装置的更新换代。 1 2 国i 为j b 发展现状与趋势 国外提高抽油机一深井泵装置系统效率的方法主要有3 种： ( 1 ) 使用较为先进的设备：如特殊形状的抽油机、超高转差电动机、低摩擦的杆导 向器等。 ( 2 ) 对机一杆一泵进行优化设计：一般来说，在保证泵的吸入情况下，尽量减小下泵 的深度，同时在保证产量的前提下，为了降低能耗，应选择较大泵径，增加冲程并降低 冲次。 ( 3 ) 加强管理，保证抽油机的平衡度：国外对抽油机平衡度的要求一般要大于9 0 西安石油大学硕士学位论文 ，抽油机的平衡度影响甚大，但达到1 0 0 的平衡度是较为困难的【3 1 。 从国内外提高机采系统效率的方法来看，主要是从设备及采油工艺两方面来进行优 化考虑的。 对于机采设备的研究，包括电动机、抽油机、抽油杆、抽抽泵及井下生产工具，对 这些设备，有从生产工艺方面进行的，还有从工作原理以及现场使用方面进行的。 ( 1 ) 电动机 目前油田电动机节能主要分为三个方面：( 1 ) 、人为改变电动机的机械特性，以实现 负荷特性的柔性配合，从而提高系统效率，实现节能。这种方法主要是改变电源频率。 ( 2 ) 、从设计上改变电动机的机械特性，从而改善电动机与抽油机的配合，提高系统运行 效率，达到节能。( 3 ) 、通过提高电动机的负荷率、功率因数，实现节能。 ( 2 ) 抽油机 我国抽油机的种类主要有常规式、前置式、偏置式、链条式和增矩式五种。针对提 高系统效率和降低能耗方面，也进行了大量的研究工作。在抽油机皮带、减速箱和平衡 方式等方面都作了细致的研究，研究出了以大载荷、长冲程、低冲次、精平衡、高效节 能、高适应性、自动化、智能化、通用化和系列化为代表的较为先进的抽油机。国外， 俄罗斯和瑞典分别研制了钢带式超长冲程抽油机，采用了钢带抽油杆，在抽油机滚筒上 面缠绕着这种抽油杆，在钢带抽抽杆的另一端直接连接着井下具有特殊结构的抽油泵活 塞，采用特殊的可换向电机提供动力，增大了冲程，增加了采油量，系统效率也得到了 提高。 ( 3 ) 抽油泵 有杆泵不仅具有结构简单、工作可靠、经济耐用、维修方便、检测容易等优点，而 且一直在不断完善，因而有杆泵采油也一直在机械采油方式中占有绝对优势。对于抽油 泵的研究，己经开发出适应各个油田不同生产阶段的一系列抽油泵。同时，结合提高机 采井系统效率方面的趋势和要求，也进行了许多研究工作。从生产工艺和制造方面，对 抽抽泵的主要结构部分进行了研制；在提高泵效方面，进行了一系列的结构改进和开发。 与此同时，为了适应油井地下复杂工作状况，也对井下工具进行了研制，如气锚、砂锚、 油管锚、泄油器和脱接器等。先进的抽抽泵以适应出砂、高油气比、长冲程、稠油和斜 井为代表。 ( 4 ) 抽油杆 抽油杆的发展和改进也是提高系统效率的一大措施。由于新材料抽油杆和连续抽油 杆有了很大发展，出现了多种形式的抽油杆，大大地提高了抽油杆的适应性、经济性、 可靠性和先进性。美国为了强化采油，采用a i s i4 3 1 不锈钢材料，制造了不锈钢抽油杆， 具有较好的使用效果：美国m e g a 工业公司研究开发了铝合金抽油杆，由于这种抽油杆重 量只有钢质抽油杆质量的三分之一，可以减少抽油机载荷，或者可以下入更深井的抽油 泵；美国研究开发了玻璃钢抽油杆，这种抽油杆质量较轻，其质量只是钢质抽油杆的三 第一章绪论 分之一，抽油系统质量减轻2 4 7 ，抽油机载荷可减少5 0 ，动力消耗减少3 0 1 4 j 。近 年来国内也先后研制出了碳纤维抽油杆，在国内油田的应用获得了初步的成功。由于其 在自重和强度上的明显优点，在常规油井中有很大的应用潜力。我国胜利油田某机械总 厂已经可以制造先进的碳纤维拙油杆，实验证明，碳纤维连续抽油杆有重量轻、强度高、 耐腐蚀性、耐磨耗性、摩擦系数低、高疲劳强度等优点【6 m t i8 1 。由于碳纤维抽油杆的以 上特点，油井越深，采用碳纤维抽油杆采油系统的采油量及效率越高，引起的事故几率 将比传统杆大为减少，碳纤维抽油杆采油系统的广泛使用将会显著增加采油效益。 作者采用新型碳纤维连续抽油杆为核心的新型碳纤维杆专用超长冲程抽油系统的特 点是：用连续长度可达5 0 0 0 m 的碳纤维杆代替抽油杆柱作为抽油泵柱塞的传动构件；采用 专用抽油机，抽油泵的冲程长度从1 5 m 到5 0 m ( 甚至可以更大，达到l o o m ) ：可用自身的 抽油机和常规修井机进行换泵等日常修井作业，停产时间大大减女。由于碳纤维杆高抗 拉强度( 1 2 m p a ) 的特点，这种超长冲程抽油系统同时具有向深井、超深井采油方向进 一步发展的巨大潜力。这种新型抽油系统与传统的采油系统比较具有三个“大幅度”的 明显优点，即：大幅度提高系统的提液能力( 超长冲程) 、大幅度降低采油成本( 杆质轻、 耗电少、机泵投入小、泵效高) ，大幅度提高下泵深度( 杆低密度、杆高抗拉强度、小泵 径、起下作业速度快) 。 工艺方面提高采油效率，主要是指油井的优化设计，首先必须分析抽油系统各个部 分的相对重要参数范围和一般参数范围。有杆泵抽油系统主要是电机效率、地面机械效 率、举升效率。地面机械效率和电机效率的可能数值都只会在一个狭窄的范围内发生变 化，而且这些数值难以修正。所以认为机械效率和电机效率并不会对系统效率产生明显 的影响。 另一方面就举升效率而言，由于它与所选择的抽油泵模式有关，其变化范围较大， 因此举升效率可被视为是可控制因素。也就是说，只有通过最大限度的提高举升效率， 方可实现系统效率的提高。 总之，为取得最大的机采系统效率，关键是提高举升效率。由于举升效率主要取决 于所选择的抽油泵模式( 如活塞长度、尺寸、冲程和抽油杆柱等的综合效应) ，所以针对 有杆泵抽油系统，必须强调对泵抽模式进行合适的选择。对抽油系统进行模式选择时， 泵抽模式是泵尺寸、光杆冲程长度、冲程数和杆柱设计的综合效应。最佳的系统效率值， 应该是举升效率值最大的，因而从多种可供选择的泵抽方式中要选取具有最大举升效率 的那种设计方案。 对于抽油杆柱的设计，应能保证抽油系统达到长期无故障作业，优化目标是：预置 最小钢杆类型尺寸和最大碳纤维抽油杆长度，以求方案的经济性和节能性，而后按先增 加钢杆长度、后增大钢杆杆径，直到达到优化目标。碳纤维抽油杆在杆柱组合中所占比 例为( 2 5 8 0 ) 。同时要考虑两个问题：如何计算抽油杆承受载荷的大小和确定不同 直径抽油杆长度应遵循哪些原则；早期的抽抽杆柱设计方法，都假设抽油杆柱受简单的 西安石油大学硕士学位论文 张力载荷作用，然而对整个泵抽循环期间的抽油杆载荷进行的研究表明，抽油杆柱处于 循环载荷作用之下。由于整个抽抽杆柱在任何时候都处于张力作用之下，所以载荷的特 性表现为脉动张力，但是抽油杆的应力值在上冲程和下冲程时是变化的，因此抽油杆柱 的设计应当还要考虑疲劳破坏的因素，即抽油杆上的载荷波动要尽量减小。 1 3 论文的主要研究内容 本文以胜利油田某油井数据为例，分析和研究了碳纤维抽油杆用超长冲程抽油机采 油系统的组成及影响采油效率的因素，在此基础上开展与其配套的优化设计及运动仿真。 本文主要的研究内容包括： 1 提出了碳纤维杆超长冲程抽油机的方案设计； 2 以系统效率最高及系统的平稳性为目标函数优化抽汲参数； 3 建立抽油机等效动力学模型和抽油杆柱振动的力学模型，并进行耦台求解； 1 4 论文的来源及受助情况 本论文所依托的项目为胜利石油管理局2 0 0 5 年重点科研项目“碳纤维杆专用超长冲 程抽油系统研制”的部分内容，西安石油大学机械工程学院为合作单位。 目前，作者所在导师的课题组在总结了其多年开展“有杆泵采油系统优化设计与故 障诊断技术应用研究”的研究成果的基础上，通过大量的调研，已收集到有关碳纤维抽 油杆采油系统的优化设计的资料和文献，并已经做了一些基础的工作。因此通过本论文 的研究，可以促进纤维抽油杆用超长冲程采油系统在油田的广泛应用。 4 第二章碳纤维抽油杆超长冲程抽油机的方案设计 第二章碳纤维抽油杆超长冲程抽油机的方案设计 2 1 碳纤维抽油杆超长冲程抽油机采油系统的组成 图2 - 1 碳纤维抽油杆超长冲程抽油系统示意图 1 换向电机2 缠绕轮3 过轮4 碳纤维抽油杆 5 盘根盒6 平衡重7 油管8 套管9 抽油泵1 0 油层 碳纤维抽油杆用超长冲程抽油机采油系统主要是指地面集输系统、抽油机一抽油杆一 抽油泵系统，主要包括电动机、抽油机、抽油杆、抽油泵、井下管柱和井口装置( 如图 2 - 1 ) 。抽油机是新型碳纤维连续抽油杆超长冲程抽油机，冲程最高可达l o o m 。抽油杆是 指抽油杆柱，它是把地面设备的运动和动力传给井下抽油泵，抽油泵则悬挂在油管的下 端。 2 2 碳纤维杆超长冲程抽油机的结构与组成 碳纤维抽油杆用超长冲程抽油机参照前苏联奥伦堡石油联合公司设计的钢带式超长 冲程抽油机的设计结构【9 o 】， 1 1 2 1 。抽油机主要由电动机、减速器、缠绕轮、过轮、平 衡重组成( 见图2 2 ) ，它的工作原理是：由电动机输出的扭矩通过皮带传递到减速箱， 减速箱带动缠绕轮转动，缠绕轮上绕有连续的碳纤维杆，而碳纤维杆的另一端直接连接 井下具有特殊结构的抽油泵柱塞。碳纤维杆在缠绕轮上的卷绕和退绕，使柱塞以一定的 速度和运动范围进行上下往复运动。从上冲程到下冲程的换向，通过电动机的反转实现。 柱塞的冲程长度和冲次由电机的控制器控制时间间隔来调节。 西安石油大学硕士学位论文 2 3 超长冲程抽油机换向机构的对比分析 任何一种抽油机都由传动一换向系统、支撑系统和平衡系统三大部分组成，而支撑系 统又受到传动换向系统和平衡系统的约束，传动换向系统配有减速机。它将原动机的 旋转运动变成悬点的上、下往复运动。具有减速功能的部分，一般选用常规减速、传动 机构。因此，换向功能是抽油机特有的功能。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。常规游梁式抽油机是油田 生产的主力机型，其换向机理是靠曲柄杆机构的运动来实现的，由于受机械结构尺寸的 限制，最大冲程只能达6 8 m 。 图2 2 抽油机结构组成图 1 缠绕轮2 过轮3 平衡重4 减速箱5 皮带6 换向电机 滚筒式抽油机和链条式抽油机是我国发展超长冲程( 大于6 m ) 抽油机的两种机型。滚 筒式抽油机是一种新型的长冲程抽油机，目前没能在油田大面积推广，主要原因是换向 系统的可靠性和寿命较低。油田要求无故障运行时间超3 年( 换向次数在7 x 1 0 5 2 x 1 0 7 次) ，距要求相差甚远。分析其原因，主要是这些换向装置换向时必须改变动力流的方向， 属切换式换向系统【1 3 】。换向时，由于动力的切换，引起较大的冲击( 机械冲击和电冲击) ， 大大缩短了换向机构的可靠性和寿命：同时换向噪音也很难解决。西南石油学院曾研制 轮式换向机构，它属于无切换类换向系统；但本身噪声大，平衡困难，没能推广 1 3 j 。可 见，要使滚筒式抽油机能在油田站住脚，必须下大力气，研制适合我国油田情况，并且 第二章碳纤维抽油杆超长冲程抽油机的方案设计 可靠性高、寿命长的换向系统。困挠链条式抽油机机发展的主要问题是链条的质量问题， 困扰滚筒机发展的主要问题是换向机构可靠性问题。因此，换向机构是制约发展长冲程 抽油机的一个瓶颈。 换向机构主要有液压换向、机械换向和电机换向三种形式。 液压换向是采用液压换向阀以操纵执行机构的动作，由于抽油机是在处于连续工作 状态，换向阀的内泄漏不仅会降低液压系统的效率并引起发热从而造成能源耗损，而且 会影向执行机构的正常工作。尤其是采用定量泵系统，执行元件低速动作时，泄漏量造 成的能源耗损比例更大。 对于机械换向的方法，主要包括两种，一种为切换式换向，另一种为无切换式换向。 由于抽油机是在连续工作的状态工作，而且换向十分频繁。切换换向所引起的瞬间冲击 力加速了换向机构的疲劳破坏。因此，从提高使用寿命的角度来说，对于长冲程抽油机 最好选用一种机械式无切换换向机构。在无切换换向机构中，现在在油田应用的基本有 四杆机构换向、链条式换向，对于链条式无切换换向机构，链条的寿命制约了其发展， 使抽油机的检修周期大大缩短，提高了使用成本。 鉴于上述分析，作者曾考虑一种曲柄连杆一齿轮增程换向机构，此结构的特点是：( 1 ) 采用传统的曲柄摇杆机构换向，换向可靠。( 2 ) 通过设计不同机构尺寸及齿轮传动比，可 使增程齿轮获得到较大的摆角。再通过一级齿轮增程，使起杆器上的链轮在一个周期内 获得较大的转动角。 以下分析了一个冲程内，小齿轮转过的角度： 日= 以一统 吼：。，c 。【旦j 兰二堡二堕】。 2 c k 1 眈酬生铲】 口一小齿轮转过的角度 吼，吃一四杆机构的两个极限位置时的l c o , 0 最终，通过二级增程，驱动链轮在一个冲程内可以起升的长度为望；蓦乎 取r = 0 8 1 2 m ，p = 5 5 0 1 m ，c = 1 6 8 m ，k = 5 9 5 1 m ，a = i 3 1 m ，j = 2 5 m ，一级增程传动比为 2 1 ，二级增程传动比取4 0 ，得出抽油机的冲程可达1 6 m 。 从以上数据来看，这种换向机构的尺寸过于庞大，而且所得到的冲程长度也没有达 到预期的设计目的( 1 0 - 5 0 m ) 。 7 西安石油大学硕士学位论文 b 图2 3 机械换向方粟图 1 扇形齿轮2 小齿轮3 增程大齿轮4 增程小齿轮5 链轮6 曲柄轴7 连杆8 摇杆 电机的正、反转来实现往复运动的换向，是最简便的方式。因为采用电机换向，机 器的运动链最短，系统的惯性量小，惯性载荷小，时间常数小，能量损耗少。但是在换 向时，通常是靠电机空载时正、反转来实现的，这在普通电动机中是常见的情况。但是 在长冲程抽油机中，其工艺载荷是由抽油杆自重和提的油液重力组成，而主要是抽油杆 的自重。因此，在电动机带动其往复的行程( 上冲、下冲) 中始终是满负荷。如果仅依靠 普通y 系列电动机的正、反转来实现上、下冲之间的换向，其过渡过程中的启、制动电 流将超过电动机的额定电流的4 7 倍，这是不允许的。 近几年，北京中纺锐力机电公司开发了一种开关磁阻电机，该产品的启动转矩为额 定转矩的1 5 0 ( 特殊设计可达3 0 0 ) ，启动电流仅为额定的3 0 ，这样就解决了普通 电机启、制动时的电流冲击。该系列产品的功率范围为7 5 3 1 5 k w ，电源电压有 3 8 0 v 6 6 0 v 1 1 4 0 v 三种，可以在正反转频繁的工况下工作。其主要性能指标如下表： 第二章碳纤维抽油杆超长冲程抽油机的方案设计 表2 - 1 电机性能指标 额定功率( k w ) 7 5 4 0 0 额定转速( r m p )7 5 0 、1 0 0 0 、1 5 0 0 转速范围( r m p )5 0 1 0 0 0 ，5 0 一1 3 5 0 ，5 0 2 0 0 0 额定转矩( n m )9 5 4 9 额定功率( k w ) 额定转速( r m p ) 输出特性额定速以下为恒转矩，额定速以上为恒功率 过载能力 1 2 0 启动转矩 1 5 0 ( 额定转矩) ，2 0 0 ( 额定转矩) 目前，这种开关磁阻电机已经运用在新型摩擦换向式抽油机的起升系统上，实践 检验表明，以开关磁阻电机作为起升动力源，比普通电机有以下优势： 1 1 转速连续可调，调节范围大( 可达1 ：2 0 ) ，调节十分方便，只需调节电位器即可完 成，因此能改变抽油机的冲程、冲次，适应各种井况。 2 1 起动电流小、转矩大，适合频繁换向。 3 1 效率高，节能明显，可比游梁式抽油机节能3 0 以上。 4 ) 电机免维护，适用野外恶劣环境。 。 以上对比分析可以看出，对于碳纤维连续抽油杆超长冲程抽油机换向系统来说，用 开关磁阻电机作为动力源并采用电机换向是一种可行的换向方案。 2 4 换向电机起动特性对超长冲程抽油系统的影响 游梁式抽油机是靠四连杆机构的作用实现换向，电动机则在一个方向转动。由于超 长冲程抽油系统是在换向电机频繁正反转的工况下实现换向：上冲程开始时，电机起动， 经过短暂的过渡时间达到额定转速，上冲程结束时，再经过过渡时间使转速达到零。然 后电机反转，加速到恒定转速，又减速为零。作者经分析认为，过渡时间长短的设置， 对预测的悬点最大载荷有一定的影响。 在启动的开始间断，由零转速到恒定转速的过渡时间( t ) 的大小的不同，对系统 的悬点载荷最大值的影响是不同，为了寻求一个合理的过渡时间，假设电机启动后按匀 加速到达恒定转速，同样假定电机由匀速降到零值也是经过了过渡时间( t ) 。图2 4 是电 机一个周期的速度随时间的变化曲线。 9 硒安石油大学硕士学位论文 图2 4 电机速度特性 在预测悬点最大载荷时，本文用的是求解波动方程的数学方法，有关解波动方程的 数学方法预测泵功图和地面功图的内容详见第五章。不同的电枫过渡时间，对应不同的 上边界条件，因此计算出了不同的预测悬点最大载荷以及泵的行程。根据胜利油田井号 为s 1 0 2 井的一组油井数据，假设冲程2 0 m ，冲次为2 次m i n 。如程序见面所示( 单位均 为国际单位) ，将启动时间从变化范围为o 0 0 5 、o 0 0 8 1 2 、1 5 秒，在启动时间内， 速度呈线性变化时计算出对应的悬点最大载荷以及泵功图。图2 5 所示为计算对应启动 时间最大悬点载荷和泵行程的程序运行截图，图2 - 6 所示为井号s 1 0 2 井的启动时间与悬 点最大载荷关系图，图2 7 所示为井号s 1 0 2 井的启动时间与泵行程关系图。 图2 - 5 启动时间最大悬点载荷和泵行程的程序运行截图 1 0 第二章碳纤维抽油杆超长冲程抽油机的方案设计 泵行程 ( 米) 飘 _ 。劈。每_ ? 壤 ，： - 譬 、 j k _ 一，精 一 尊赫“掣 i 一一 一 j o o 。0 2 。0 3o o 。e 一一一o s o e - 一启誓驸 图2 - 6 启动时间与悬点最大载荷关系图 誊j ， f _ ； - _ j i 誊蔓j _ ： 善； 量 誊i j r 薹 。； 囊j = ：i 餐璺“目 口 i i 藜肇i 鬻 辫麓i j f ，蚌- it 露t 黥 o0 0 5o 0 1o 0 2o0 3o 。5o 0 8olo 2o3o5o 81 1 启2 动时1 间5 ( 秒) 图2 7 启动时间与泵行程关系图 从上图可以看出：电机启动时间在0 0 3 之前悬点最大载荷变化不是很大，而在o 0 5 秒悬点载荷也变化不大，在o 0 3 秒到0 0 5 秒之间悬点载荷有一个突然变小。而对于泵的 行程来说，在o 0 1 秒到0 0 2 之间泵的行程突然增大。对于一定的油井参数来说，当然希 望悬点最大载荷越小越好，而且，泵的行程长度越大越好，因此，对于s 1 0 2 井来说，启 动时间最好大于0 0 5 秒，这样将尽可能小地减少碳纤维杆的疲劳破坏。 上述讨论是假设电机启动时间段里面电机的速度呈线性变化，现假设电机的启动时 间段里面的电机的速度变化曲线是二次曲线，即在固定的启动时间内( 0 0 5 ，0 0 8 o 1 5 ) 秒，设定不同的电机凹凸程度，可以得到一组在固定时间内的不同凹凸程度的电 0 0 0 o 0 0 i 荷，啪 啪 呦 妻|帮一一淼三 锋 西安石油大学硕士学位论文 机启动速度特性，见图2 - 8 ： r 图2 - 8 不同凹凸程度的电机启动速度特性 由于三点确定( a 、b 、c 点横坐标、纵坐标) ，可以确定一个二次曲线，由于a 点是 固定原点，b 点是启动时间结束点，同样也是固定点( 横坐标和纵坐标不变) 。c 点的横 坐标等于启动时间的一半，纵坐标等于电机恒定转速乘以权，这里权是指图2 8 里0 1 、 0 2 、0 3 0 8 、0 9 ；显然，权大于0 5 ，则曲线向上凸起，权小于0 5 ，则曲线向下 凹。以下各表表示一定的启动时间不同权时得出的最大悬点载荷以及泵行程和悬点位移 之比( 本文中简称冲程比) 。 表2 2 启动时间为o0 2 秒时不同权的计算结果 冲程 冲次启动时间权泵行程最大载荷冲程比 2 0 22o 0 20 11 8 1 33 0 4 0 6 2 5o 9 2 0 220 0 20 31 8 1 3 3 0 4 0 6 2 5 o 9 2 0 22o 0 20 51 8 1 33 0 4 0 6 2 50 9 2 0 22o 0 20 7 1 8 1 33 0 4 0 6 2 5o 9 2 0 22 o 0 20 91 8 1 33 0 4 0 6 2 5o 9 表2 3 启动时间为0 0 5 秒时不同权的计算结果 冲程冲次启动时间速度权泵行程最大载荷冲程比 2 0 1 l2o 0 50 11 8 1 93 0 2 7 1 7 30 9 2 0 1 120 0 5o 31 8 1 9 3 0 2 5 0 5 30 9 2 0 1 320 0 50 51 8 1 9 3 0 2 4 4 0 30 9 2 0 1 520 0 50 7 1 8 1 73 0 2 0 8 9 5o 9 2 0 1 62 o 0 50 91 8 1 73 0 2 7 8 3 80 9 表2 _ 4 启动时间为o 0 8 秒时不同权的计算结果 冲程冲次启动时间速度权泵行程 最大载荷 冲程比 2 0 0 420 0 8o 11 8 0 3 3 0 0 5 5 4 3 0 9 2 0 0 720 0 8 o 31 8 0 33 0 0 5 0 6 2o 9 2 0 0 92 o 0 8o 51 8 0 43 0 0 1 7 4 6o 9 2 0 1 2 2o 0 80 71 8 0 43 0 0 5 9 8 60 9 2 0 1 52o 0 8o 91 8 2 03 0 1 3 4 2 3o 9 第二章碳纤维抽油杆超长冲程抽油机的方案设计 表2 - 5 启动时间为0 1 5 秒时不同权的计算结果 冲程冲次启动时间速度权 泵行程 最大载荷冲程比 1 9 9 42o 1 5o 11 8 0 12 9 9 8 3 7 2o 9 1 9 9 42o 1 5o 31 8 0 12 9 9 3 8 0 20 9 1 9 9 32o 1 5o 51 8 0 42 9 9 8 8 9 9o 9 1 9 9 320 1 50 7 1 8 0 4 2 9 9 4 5 3 40 9 1 9 9 4 20 1 50 91 8 0 32 9 9 0 1 3 lo 9 从上面的表可以看出，在固定的启动时间内，权的大小对于最大载荷和冲程比来说 影响不是很大，但是，对于不同的启动时间，最大的悬点载荷还是有一定的影响，可以 看出，启动时问在0 0 5 秒之后最大载荷有所减少。 对于其他的几口井也同样得到了类似的结论，只是对应于不同的井来说，启动时间 的长短的选择有所不同。这对于超长冲程抽油系统所配备的开关磁阻电机启动特性控制 来说具有一定的意义。 西安石油大学硕士学位论文 第三章碳纤维抽油杆超长冲程抽油机采油系统的效率分析 3 1 系统效率的组成 有杆抽油系统由电动机、抽油机、抽油杆、抽油泵、井下管柱和井口装置组成。其 中，拖动抽油机的电动机的输入功率即抽油机的输入功率( 只) ，抽油机井的有效功率 即抽油机井的水功率( b ) 抽油机井系统效率，7 的定义如下： p ”= 卫1 0 0 ( 3 - 1 ) p 入 由公式( 3 - 1 ) 可以看出，提高抽油机井的系统效率可以从提高有杆抽油系统水功率 或降低输入功率两方面考虑。 有杆抽油系统的水功率为： 只：! ：望：丝：旦笪 ( 3 2 ) 。1 、8 6 4 0 0 式中：q 一油井理论产液量，m 3 d p 一油井液体密度，t m 3 g 重力加速度， h 一有效扬程 口一泵效， 由公式( 3 - 2 ) 可以看出，抽汲参数一定时，水功率主要受有效扬程和泵效的影响， 一般而言，随着有效扬程的提高和泵效的提高，水功率随之提高，系统效率也相应提高。 根据抽油机的工作特点及能量守恒定律，抽油机井的输入功率等于水功率斥与损失 功率( a p ) 之和，其关系为p 入= 咏+ a p 。同样的观点，要提高有杆抽油系统的效率， 就要努力减少有杆抽油系统各组成部分的功率损失【1 4 l ，【1 5 】， 1 6 1 ，1 1 7 1 。 根据有杆抽油系统的组成情况，可以把有杆抽油系统的功率损失分为8 部分； 1 ) 电机部分损失：包括热损失和机械损失，用只 2 ) 皮带传动部分损失：主要是传动中的摩擦损失，a 只 3 ) 减速箱部分损失：主要是传动中的摩擦损失，只 4 ) 地面碳纤维杆损失：主要是碳纤维杆的弯曲和摩擦损失，足 5 ) 盘根盒损失：主要是摩擦损失，只 6 ) 抽油杆部分的损失：主要是摩擦损失与弹性变形损失，只 7 ) 抽油泵损失：包括机械损失、容积损失与水力损失，只 8 ) 管柱部分损失：主要为水力损失，a p o a 只只构成抽油机系统的全部损失，因此有 a p = 峨+ 蝎+ 峨+ 蝎+ 蛾+ 嵋+ 蝎+ 蝇 ( 3 3 ) 如果把有杆抽油系统的有效功率( 即输出功率) 攻记作e ，显然，则有杆抽油 系统的效率： 1 4 第三章碳纤维抽油杆超艮冲程抽油系统的效率分析 叼：堡1 0 0 ：( 1 一竺) 1 0 0 ( 3 4 ) 反叹 3 2 系统的能耗分析 3 2 1 电机损耗分析 由于抽油机的工作特点，抽油机的装载功率一般较大，其功率利用率一般较低( 约 为3 0 左右) ，属于轻载运行。因此为了降低电动机的损耗，提高工作时的工作效率， 应尽量使电机工作时的平均功率向电机的额定功率靠近，如果电机工作时的负载与装机 功率相比较小，则尽量换用额定功率较小的电机。同时从负载的角度考虑，应尽量减小 单位时间内负载的波动，对于长冲程抽油机来说，其主要特点( 长冲程、低冲次) 决定 了其单位时问内负载波动要比游梁式抽油机小的多。 3 2 2 皮带传动能量损耗分析、 1 ) 皮带传动损失的分类 一类是与载荷无关的损失，它包括绕皮带轮的弯曲损失，它与皮带的结构，种类 及皮带的直径有关；进入与退出轮槽的摩擦损失，它与拉力、皮带轮安装误差、皮带 与轮槽尺寸误差等因素有关：风阻损失；多条皮带传动时，由于皮带长度误差及轮 槽误差过大造成的各条皮带间载荷不均而发展成某些带呈制动状态下的干扰封闭功率损 失。 另一类是与载荷有关的损失，它包括：弹性滑动损失；打滑损失；皮带与轮 槽间径向滑动摩擦损失等。 2 ) 皮带传动损失的计算 一般情况下，皮带传动损失以弯曲损失( 。) 和弹性滑动损失( 己，) 为主。 弯曲损失功率可用下式计算： = 等茄1 0 - 3 ( 3 - 5 ) 峨，一皮带绕轮变曲损失功率，k w ； 取一皮带纵向弯曲弹性模量，m p a ，一皮带截面惯性矩，m m p 一皮带轮半径，m m n 一转速，r m i n 口_ 包角，r a d 弹性滑动损失功率可用下式计算： 蛾= 嚣1 0 - 3 ( 3 - 6 ) a 只。一弹性滑动损失功率，k w ； v 一带速，m s 西安石油大学硕士学位论文 a 一皮带截面积，m m 2 ； e ，一拉伸弹性模量，m p a ； ，一有效拉力，n ； 从式( 3 5 ) 及( 3 6 ) 可知，为了减少皮带传动损失应提高传动效率，应当减少皮 带的纵向弯曲模量( e 。) 和截面惯性矩( ) ，并增加皮带的拉伸弹性模量( e ，) 和皮带 轮的曲率半径( p ) 。 皮带的传动效率可以高达9 8 ，即其传动损失仅2 。所以皮带传动与其它高效率 传动如齿轮传动、链条传动等相比并不逊色。齿形带的滑动损失虽然比窄v 带小，但在 传动带与轮的制造精度不够时，进入与退出轮槽等损失将会大大增加，反到不一定比窄 v 带节能。8 0 年代末在大庆油田进行的一些试验也证明了这一点。因此在我国现有技术 条件下窄v 组带是值得推荐的传动带【2 l o 3 2 3 减速箱能量损耗分析 ( 1 ) 轴承损失只 碳纤维连续抽油杆超长冲程减速箱中有五对轴承，一般为滚动轴承，轴承摩擦损失 一般形式为： 巴= 9 6 2 g v ， ( 3 - 7 ) g 一轴承承受的负荷，n v ，一轴承线速度，m s ，一摩擦系数。 关于r 的取值，可参考下表： 表3 - 1各类轴承的摩擦系数 轴承类型 l 单列向心球轴承 0 0 0 2 2 加0 0 4 2 双列向心球面轴承o 0 0 1 6 加0 0 6 6 单列向心推动轴承 o 0 0 2 加0 0 5 单列向心短圆柱滚子轴承 o 0 0 1 2 加0 0 6 同时，润滑油也对损失有影响，根据提供的数据，一幅轴承损失约为1 ，于是减 速箱五对轴承的损失约为5 1 ”】。 ( 1 ) 齿轮损失( p ) 齿轮在传动时，相啮合的齿面间有相对滑动，因此就要发生摩擦与损失，增加动力 消耗，降低传动效率。 在齿轮啮合面问加注润滑剂可以避免金属直接接触，减少摩擦损失。 根据文献【“蟪供的数据可知，一对齿轮传动功率损失约为2 ，于是抽油机减速箱 的五对齿轮传动共损失1 0 。 3 2 4 地面碳纤维杆能量的损失 1 6 第三章碳纤维抽油杆超长冲程抽油系统的效率分析 地面碳纤维杆的能量损失主要是碳纤维杆通过过轮以及在缠绕轮上的弯曲损失和弹 性滑动损失，计算方法和皮带的弯曲和弹性损失相同，将碳纤维杆相应的参数替换皮带 的参数即可。 3 2 5 盘根盒能量损失 为了防止油气从光杆处漏失，所以在抽油机井口安装盘根盒。抽油机工作时，由于 光杆与盘根盒中填料有相对运动产生摩擦，故会产生功率损失。盘根盒密封属于接触密 封，接触密封的接触力使密封件与被密封面接触处产生摩擦力，一般说束，摩擦力随工 作压力、压缩量、密封材质、胶料硬度、接触面积等增大而增大，随运动速度、温度等 提高而减少。 盘根盒与光杆处摩擦力可按下式计算： f = 9 8 f g 耐h 1 p、 ( 3 - 8 ) f 一摩擦力，n ； ，一摩擦系数，主要受密封圈材质与密封圈型式影响，变化范围较大： k 系数，v 型夹织物圈取k = 1 5 9 ，其它密封圈取k = l ； d 光杆直径，m ； 。 h 一密封有效高度，m ； p 一密封处的工作压力，即井口油管压力，p a 。 式( 3 8 ) 是在正常情况下( 碳纤维杆、盘根盒与井口在同一直线上) 摩擦力的计算 公式，如果抽油机安装不对中，碳纤维杆与盘根盒的摩擦力将成倍增加。另外，公式( 3 8 ) 中的摩擦系数间受多种因素影响，变化范围很大。这里需要特别指出的是，它主要受密 封材质的影响。室内试验表明，不同填料材质( 如橡胶与石墨) ，摩擦力相差近1 0 倍。 根据功率的定义，可得盘根盒功率损失的计算公式如下： 圪= f v 1 0 0 0 ( 3 - 9 ) f 一摩擦力，n v 一光杆运动速度，m s 如上所述，要准确确定摩擦力