（石油与天然气工程专业论文）探井连续试油排液配套技术研究.pdf

r e s e a r c ho hc o n t i n u o u s t e s t i n ga n dd r a i n i n g t e c h n o l o g yi ne x p l o r a t i o nw e i i 。 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h e d e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：y a n gd e x i n g c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 磐鹕 札蹦 h 舳l 埝 胁一 裂 n 衙墨 埘 刚 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 物德芸 日期：多口年月7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：物缝孟 指导教师签名：一立冬一吞 日期：；z o l l 年石月7 日 日期：，年月7 日 摘要 在试油过程中，排液是落实地层产能、液体性质的一个重要手段。主要试油排液手 段有：利用试油抽子进行提捞排液、气举排液、螺杆泵排液、水力泵排液等。目前，国 内试油的方法有替喷、抽汲、气举，其中，最常用的是抽汲。利用试油抽子抽汲排液， 由于工艺简单，易于操作而被广泛使用。但是用抽子抽汲主要存在几个问题：一是由造 成环境污染；二是生产效率低，生产成本增高；三是工人劳动强度；四是取得的某些数 据不准确，不能准确计算产能。因此本文开发探井试油连续排液装置地面机电一体 化撬装式连续驱动装置，用以有效的避免上述问题。本文开发的探井试油连续排液装置 采用油井j 下常的采油方式，地面采用撬装式可无人值守的连续运转的动力设备；井下抽 吸系统采用有杆泵系统，不过抽油杆采用实心钢制杆，最上部采用光杆，实现井口的密 封；泵采用常规的钢制抽油泵，实现试油时连续抽吸。在成功开发探井试油连续排液装 置的基础上，对该装置进行了中间型式试验和现场试验。试验结果表明：探井试油连续 排液装置达到了设计要求，装置整体布局合理、适用，各系统技术参数选择合理，运转 平稳，变载及控制适应能力强；制动可靠；整体装置运转无冲击、无振动及异常声响； 噪音复合户外作业控制标准。成功的实现了压裂酸化一体化，节省了一次起下钻时间， 解决了试油试采井液泄漏、试采工作不能连续运行、试油时数据取不准和环境污染等问 题，降低了工人的劳动强度和试油时的生产成本，提高了生产效率。 关键词：连续试油，排液，装置，试验 r e s e a r c ho nc o n t i n u o u s t e s t i n ga n dd r a i n i n g t e c h n o l o g yi ne x p l o r a t i o nw e l l y a n gd e x i n g ( p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c e p r o lf a nl i n ga n ds e n i o r - e n g i n e e rg a o z e l i n g a b s t r a c t i nt h et e s t i n gp r o c e s s ，d r a i n i n gi sa l li m p o r t a n tm e a n st oi m p l e m e n tt h ef o r m a t i o nf l u i d c a p a c i t y t h em a j o rt e s ti n s t r u m e n t si n c l u d e s ：t h eu s eo fo i l - p u m p i n gt e s tc o n d u c t e db a i l i n g s u b r o wl i q u i d ，g a s - l i f tl i q u i dd i s c h a r g e ，s c r e wp u m pl i q u i dd i s c h a r g e ，w a t e rp u m pl i q u i d d i s c h a r g e a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i ct e s t i n gm e t h o di n c l u d e ss p r a y , p u m p i n g ，g a sl i f t ，i nw h i c h t h em o s tc o m m o n l yu s e di st h es w a b b i n g t h eu s eo ft e s ts u b - s w a b b i n go i lp u m pl i q u i d d i s c h a r g eh a sb e e nw i d e l yu s e dd u et op r o c e s si ss i m p l e h o w e v e r t h e r e a r es e v e r a l s u b - p r o b l e m s ：f i r s t ，t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ；s e c o n d ，t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sl o wa n d p r o d u c t i o nc o s t sa r eh i g h e r ；m i r do fw o r k e r sl a b o ri n t e n s i t y ；f o u ro fa c q u i r i n gs o m eo ft h e d a t ai sn o ta c c u r a t ea n dc a nn o ta c c u r a t e l yc a l c u l a t ec a p a c i t y t h e r e f o r e ，a r t i c l ed e v e l o p m e n t t h et e s t i n ga n dd r a i n i n gd e v i c et oe f f e c t i v e l ya v o i dt h ea b o v ep r o b l e m s t h i sd e v i c eu s i n gt h e n o r m a le x t r a c t i o nm e t h o d s ，t h eg r o u n dc a l lb eu s e ds k i d - m o u n t e dc o n t i n u o u su n a r e n d e d o p e r a t i o no fp o w e re q u i p m e n t ；d o w nh o l ep u m p i n gs y s t e mu s e sar o dp u m ps y s t e m ：u s eo f s o l i ds t e e lr o d ，t h em o s tu s eo ft h eu p p e rr o dt oa c h i e v ew e l l h e a ds c a l i n g ；p u m pu s i n g c o n v e n t i o n a ls t e e lp u m p ，w h e nt h et e s to i lt oa c h i e v eac o n t i n u o u ss u c t i o n ，n ol o n g e rn e e dt o r e p l a c et h ep u m p a f t e rs u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h ed e v i c e ，m a k eam i d d l et y p et e s ta n d f i e l dt e s t t h et e s ts h o w e dt h a t ：d e v i c em e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，i n s t a l l a t i o no ft h e o v e r a l ll a y o u ti sr e a s o n a b l e ，a p p l i c a b l et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fv a r i o u ss y s t e m si sr e a s o n a b l e ， s t a b l eo p e r a t i o n ，v a r i a b l es e ta n dc o n t r o la d a p t a b l e ；b r a k i n ga n dr e l i a b l e ；n oi m p a c to nt h e o v e r a l ld e v i c eo p e r a t i o n ，n ov i b r a t i o na n da b n o r m a ln o i s e ；n o i s ec o m p o s i t eo u t d o o r o p e r a t i o n s c o n t r o ls t a n d a r d s t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ed e v i c es u c c e s s f u ls o l v e ss o m e p r o b l e m s ，r e d u c i n gt r i pt i m e ，r e d u c i n gl a b o ri n t e n s i t ya n dt h ep r o d u c t i o nc o s t s ，i m p r o v i n gt h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：t e s t i n g ，d r a i n i n g ，f a c i l i t y , e q u i p m e n t 录 1 1 1 8 8 11 2 1 电机及调速方式选择1 1 2 2 开关磁阻电机设计15 2 3 减速器设计18 2 4 滚筒设计19 2 5 刹车系统设计2 0 2 6 控制系统设计2 2 2 7 冲程、冲次调节设计2 4 2 8 撬装式基座设计2 4 2 9 设计计算2 4 ， 第3 章井下酸化、压裂管柱的研究2 9 3 1 管柱锚定密封设计2 9 。， 3 2 杆式抽油泵设计2 9 3 3 杆式泵锁紧密封装置设计2 9 ，3 4 管柱设计计算3 0 、 3 5 杆式抽油泵设计计算3 3 l 第4 章地面装置型式试验3 7 l | 4 1 实验目的3 7 i i 4 2 试验规程3 8 。4 3 载荷性能试验3 8 、4 4 刹车制动性能试验3 9 i4 5 电机换向性能试验3 9 i4 6 各项技术指标检测3 9 4 0 4 1 41 4 7 4 9 4 9 4 9 参考文献、5 0 j 致谢5 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第l 章前言 1 1 研究目的与意义 目前，国内试油【1 1 4 1 的方法有替喷、抽汲、气举，其中，最常用的是抽汲。抽汲杆 柱是抽油杆柱下部带有橡胶皮碗抽子，抽油杆上部连接钢丝绳；地面动力用通井机作动 力源，通过通井机上的滚筒旋转，钢丝绳在滚筒上缠绕，带动井下的钢丝绳、抽油杆及 抽子进行运动，从而，将油管内的液体举升到地面。抽汲用抽子有两瓣抽子和凡尔抽子 两种，抽子通常下放到液面以下1 5 0 - 2 5 0 米左右，这样在井底可造成1 5 2 5 m p a 的 压降。用抽子抽汲主要存在几个问题：一是由于钢丝绳的结构导致抽汲工作时，井口密 封不住，部分井液流到地面，泄漏的井液不能进储油罐或密闭流程，造成环境污染；二 是抽子的密封均有胶皮密封，抽子在连续使用几天后，胶皮磨损严重，抽汲时，液体漏 失严重，甚至不能将液体举升到地面，不得不重新起出井下抽子，使生产效率大大降低， 生产成本增高；三是采用通井机作动力，要想使试油工作连续运行，司钻必须一刻不定 的在工作，工人劳动强度大，这种方式运行，在现实工作中是行不通的，通常采用抽几 个小时，停一段时间这种工作制度；四是试油采液不能连续运行，只有连续抽吸时，井 内的动液面、压力等参数才是油井的真实数据，如取得的某些数据就不准确，就会为储 量的计算带来不良的影响。 通过对国内外相关文献的检索和对比分析，未见到关于探井试油连续排液装置 地面机电一体化撬装式连续驱动装置的研究。 探井试油连续排液配套技术的研究立足采用油井正常的采油方式，地面采用撬装式 可无人值守的连续运转的动力设备；井下抽吸系统采用有杆泵系统：抽油杆采用实心钢 制杆，最上部采用光杆，实现井口的密封；泵采用常规的钢制抽油泵，实现试油时连续 抽吸，不用再更换泵；压裂或酸化管柱实现压裂酸化一体化管柱。此研究的成功，可以 解决试油试采井液泄漏、试采工作不能连续运行、试油时数据取不准等问题，解决了环 境污染问题，降低工人的劳动强度，压裂酸化实现一体化管柱的实现，降低了试油时的 生产成本，提高了生产效率。 1 2 研究现状 在探井试油过程中，经常遇到非自喷油层，为了落实油层产出液体的性质、产量， 就必须首先解除钻井过程中的泥浆对地层造成的污染及射孔过程中其它压井液体对地 层的污染问题。在我国，解决这一问题的方法是从井筒中排出一定数量的液体。这一过 第1 章前言 程被称为试油排液，而试油排液技术则为与之对应的各种排液方法。 目前，我国已经将陆上油气勘探领域逐渐向外围扩展。非自喷井和非自喷层在扩大 的领域中所占的比重不断增大，它们的主要特征是三低：即低渗、低压、低孔，从而造 成了试油排液工作量的逐年加大。排液制约着试油效率，也是试油过程中工作量最大的 一道工序。同时，通过排液这一过程，可以对储层有准确认识，得到更可靠的试油结论。 因此，高质量的排液不仅可以提高试油速度、缩短试油周期，而且可以获取真实的储层 资料，进而获得更高的油田勘探区域整体经济效益。因此将常用的试油排液工艺技术加 以分析比较是很有必要的。 目前我国在试油排液方面有许多种工型1 5 。2 0 】，它们无论在适应性能还是在工作原理 等方面都有较大的差异，分析情况如下： 1 2 1 提捞排液法 这种方法是我国石油工业刚起步时最早使用的方法。是以通井机为主要动力设备， 利用钢丝绳将提捞筒送入井内，当提捞筒内灌满液体后，将液体提出井筒。这种往复工 作把井内液体排出井外的方法，就称为提捞排液法。 ( 1 ) 优点 所需设备简单； 操作方便； 单班费用低； 对油层无伤害； 用人少，最少每班只需2 人即可完成。 ( 2 ) 缺点 排液速度慢，每次排量最大为7 8 5l 。单班排量最大为1 2 5 m 3 。 效率低； 易污染地面环境； 提捞深度因受滚筒容量限制而较浅。 ( 3 ) 适用范围 产量小于3 5 m 3 d 的水层、油水同层； 油水同层的油水比为1 ：1 5 。 1 2 2 抽汲排液工艺 这种排液工艺动力源是通井机，将抽子和加重杆用钢丝绳连接起来，抽子上的胶皮 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 与油管间形成间隙密封，这样井内的液体通过间隙密封排出到地面。在我国目前陆上油 田试油排液方法中，这种方法是应用的最多的一种抽汲排液技术。 该方法的特点： ( 1 ) 优点 需要的设备非常简单，只需要动力设备通井机一台； 操作方便，需要人力资源比较少； 整个过程中所需的配套工具比较简单，由钢丝绳、加重杆、抽子总成、井口防 喷盒等组成； 对储层伤害性小。 ( 2 ) 缺点 抽汲排液深度较浅，一般油汲深度小于1 8 0 0 m 。出现这种状况主要有两个原因： a 设备限制。通井机滚筒容量在理论上为2 6 0 0 m ，而实际缠绕一般为2 2 0 0 , 、, 2 3 0 0 m 。 b 漏失影响，制约了抽汲深度。当抽子以上液体体积一定以后，抽子的漏失速度基本 不变了。此时漏失量与时间成正比例的线性关系，当漏失的时间达到某一值时，抽子以 上液体的体积与液体漏失量相等，这一时间值应是临界值，抽汲时间达到临界值或超过 临界值，其工作效率为零。当抽子在井筒内上行速度一定以后，抽汲深度与抽汲时间形 成正比线性关系。这样抽汲深度就必须控制在一定的范围之内。漏失速度越大，抽汲深 度越浅； 工作效率较低。主要因为以下两个因素：a 漏失比较严重由油管内壁与抽子胶 皮间的密封间隙变化大引起的，这样在理论排量与实际地面获得的排量之间就会存在一 个较大的差值，造成低抽汲效率。b 由于该工艺中缺少自动记录跟踪系统，对现场缺 乏必要的监督手段，从而长期形成一种贴工、误工的不良习惯，造成工作效率的降低； 受产出液性质的限制。对于含气量较大的油井，抽汲时会出现顶抽子的危险； 对于原油粘度较大的油井，抽汲时会出现抽子在井内下放困难的情况； 缺乏必要的监测手段。对抽子磨损情况，即漏失状况的监测手段，抽子的抽汲 沉没度不能够定量地分析； 对动液面深度和抽汲深度的测试手段缺乏。目前现场上，操作者通过通井机刹 把在抽子接触液面的瞬产间生的负荷变化而测得的动液面深度，其精确程度完全取决于 操作者的经验。这样就造成了不同操作者出现不同的数据误差，这样直接影响到了录取 资料的准确程度。同样目前现场上，主要是通过通并机滚筒上的钢丝绳下井层数来计算 3 第1 章前言 抽汲深度。但是在实际工作中经常会出现查错和计算错的问题。 严重污染地面环境。现在虽然多种防喷盘在抽汲过程中都被使用过，但都没能 够较好地解决抽汲过程中的防污染问题，主要原因是密封橡胶与钢丝绳间的磨擦作用非 常大，这样密封件很快磨损从而使其失去了密封作用。 需要工人连续操作通井机，对工人的依赖度较高，而自动化程度低。 ( 3 ) 适用范围 油井产出液为稀油和水，原油粘度要小于1 5 0 m p a s 抽汲深度一般小于18 0 0 m 。 1 2 3 汽化水( 混气水) 排液工艺 这种工艺首先将空气利用空气压缩机注入井内，等到压力达到1 2 - - 1 3 m p a 左右时， 再将水和空气一起注入井内；在高压下，当井筒内原有液体由于井筒内的水与压缩空气 发生汽化被排出后，压缩的空气还能将注入的水返排出来，这一过程就是汽化水排液工 艺。 ( 1 ) 优点 油井的产量可在排液的同时测得； 最大掏空深度可达3 0 0 0 m ，这样排液就彻底； 可以获得较高的排液速度。 ( 2 ) 缺点 容易造成地面环境的污染； 注入井内的空气要与天然气隔离，否则很容易发生爆炸； 成本较高； 对地层会产生一定的伤害：一是层堵塞性伤害，由井筒掏空时井内液柱压力的 急剧下降造成的，二是排液过程中的井底回压造成的伤害。 ( 3 ) 适用范围 井内没有油气的常规试油井； 套管小于7 i n ，井深小于3 0 0 0 m 的油井； 低产量油井。 1 2 4 液氮排液工艺技术 通过液态氮从液态变化为气态间转化时体积变化来排除井筒内液体一种排液工艺 技术称为液氮排液工艺技术。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 1 ) 优点 掏空深度较大，可达3 0 0 0 m 以上； 排液速度较快，效率较高； 任何尺寸的套管的井筒都能适应。 ( 2 ) 缺点 设备吨位重、越野性差，不适应边远探井； 施工成本高； 对地层具有一定的伤害作用：一是回压伤害，二是低温伤害，三是激动伤害。 容易造成环境的污染； 对下封隔器的油井不适应。 ( 3 ) 适应范围 低产量油井； 要求掏空深度大的井况； 稀油、水层、含气。 1 2 5 连续油管+ 氮气排液技术 连续油管+ 氮气排液技术，其原理和气举比较相似，由连续油管与制氮车配套形成 的一种试油排液工艺技术。这项技术即使在井下有封隔器的井况也可以应用，不仅能够 单点气举，而且能够多点气举逐段掏空。 ( 1 ) 优点 掏空深度一般能够达3 0 0 0 m 以上； 对地层伤害较小； 速度快、排液方便、效率高。 ( 2 ) 缺点 对稠油井不适用； 设备重、移动性差，不适应于边远探井； 高施工成本。 ( 3 ) 适应范围 低产量油井； 要求掏空深度大的井况； 稀油、水层、含气。 5 第1 章前言 1 2 6 地面驱动单螺杆泵排液工艺技术 这种工艺技术在井下安装了单螺杆泵，井筒内流体由地面的驱动装置带动进行工作 而排出。这种工艺主要应用于压裂后排液井等排液总量较大的井、试采井。 ( 1 ) 优点 设备简单，容易操作； 对原油粘度较高、出砂井均有较强的适应性； 井口密封可靠，有利于自然环境的保护； 排液连续，工作制度能调节。 ( 2 ) 缺点 工序多，前期准备所需时间长； 对泵体耐磨性要求较高； 排液周期长，效率低； 投入成本高； 故障率较高； 泵体耐温性差； ( 3 ) 适用范围 长期连续性排液的井； 稠油出砂井； 排液深度小于1 5 0 0 m 的井。 1 2 7 纳维泵排液工艺技术 纳维泵源于定向钻井的纳维钻，经改造而成的。为了保持纳维泵稳定不动，将纳维 泵的下端销于封隔器中，通过转盘带动管柱转动的。属于容积式排出泵，泵的转速越高， 泵出口的液量越大。纳维泵可以起到排液泵和测试阀的双重作用，因为当转子不转时， 泵成密封状态，实现了井下关井。 ( 1 ) 优点 通过转盘驱动，容易操作，并且工作制度能够调节； 对出砂井、原油粘度较高井均有较强的适应性； 井口密封可靠，有利于自然环境的保护。 ( 2 ) 缺点 高故障率。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 对泵体耐温耐磨性要求较高。 ( 3 ) 适用范围 海上试油排液； 排液深度小于1 5 0 0 m ； 稠油出砂井。 1 2 8 水力泵排液工艺技术 水力泵排液工艺技术，一系统流程和一台高压动力泵为地面设备。水力泵举升是利 用射流原理将高压动力液传递给井下产出液，然后掺合后一起排到地面。鉴于这些特性， 使水力泵应用于试油排液具有很多优势。如：在酸化压裂中，需要将大量的压裂液、酸 化液连续大排量的泵入地层；其设备相对简单，并可应用于多种工艺措施，不仅能减少 作业费用，还能缩短施工周期；动力液可加温与产出混掺，提高了地层流体的温度，降 低流体粘度，这一特点适用于稠油井；在不动管柱的前提实现工作制度的改变，使工作 制度的改变更简单，这样就可以录取油层不同流压下的产能。 ( 1 ) 优点 对原油粘度较高、出气井有较强的适应性； 可以实现连续排液，有利于保护储层； 设备简单，容易操作； 可测流温、流压，实现泵下高压取样： 可与多种工艺措施联作； 井口密封可靠，有利于自然环境的保护； 排液能力强，掏空深度比较大。 ( 2 ) 缺点 动力液与产出液混掺，使获得地层液原始属性更加困难。 ( 3 ) 适用范围 稠油井； 可长时间连续性排液； 排液深度可达4 0 0 0 m ： 从上述现状可以看出，我国目前常用的几种排液工艺技术都有一定的局限性，有不 少问题需要解决。 7 第l 章前言 1 3 研究内容 本文主要对撬装式地面驱动装置、控制技术、安全防护技术和压裂、酸化、排液一 体化管柱技术进行研究。具体研究内容如下： ( 1 ) 撬装式地面驱动装置研究 井架、换向系统、控制系统、驱动系统、传动系统五位一体设计研究； 传动与传力机构研究； 钢丝绳缠绕系统控制系统研究。 ( 2 ) 控制技术研究 非接触式传感技术研究； 数字智能控制技术研究； 行程控制技术研究。 ( 3 ) 安全防护技术研究 钢丝绳断脱防护技术研究； 故障自检及自动保护技术研究。 ( 4 ) 压裂、酸化、排液一体化管柱研究 管柱结构优化研究； 新型锚定抽油泵设计研究。 1 4 技术路线与指标 ( 1 ) 技术路线 在进行广泛调研的基础上，借鉴常用试油排液工艺技术的经验，对撬装式地面驱动 装置、控制技术、安全防护技术和压裂、酸化、排液一体化管柱技术进行研究，研制探 井试油连续排液装置地面机电一体化撬装式连续驱动装置，并进行中间型式试验和 现场试验。 ( 2 ) 研究目标 完成撬装式地面装置研究 地面撬桩式连续抽汲装置系统( 见图1 1 ) 由作业井架、连接钢丝绳、地面定滑轮、 钢丝绳滚筒、减速器、开关磁阻电机、电机控制柜、动力电源、行程位置传感系统、刹 车系统等组成。 8 图1 - 1 撬装式地面装置构成示意图 f i 9 1 - 1 s c h e m a t i cm a po fs k i d - t y p eg r o u n di n s t a l l a t i o nc o n s t i t u t i o n 完成压裂、酸化一体化管柱研究 f 1 抒式一履馈素蕞 _ io ； i 水力俺。 球”学1 罂 毒毛 丫2 i l 升 i _ e ；囊强 函陋= 二锄 图l - 2 压裂、酸化一体化管柱示意图 f i g l - 2 s c h e m a t i cm a po fi n t e g r a t e dp i p es t r i n gf o rf r a c t u r i n ga n da c i d i z i n g 井下酸化、压裂管柱( 管柱图见1 - 2 ) 采用酸化、压裂管柱与试油试采一套管柱， 即实施酸化、压裂管柱时，首先下入酸化、压裂管柱，此管柱上同时下入杆式泵固定配 9 1 0 ；酸化或压裂后，原 现酸化、压裂与试抽 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章地面撬装式设备的研制 2 1 电机及调速方式选择 探井连续试油地面抽汲装置采用作业井架作为提升抽油杆的机架设备，没有像抽 油机一样的运动换向系统，所以，随着大钩的上下运动，要求电机在运行时必须频繁的 换向，电机运行状态：启动加速匀速减速停i 匕换向；并且，根据 探井液面的不同，要求悬点的运动速度要经常更换。 目前，应用于现场实际的电机【2 l 】调速系统有滑差电机调速、直流电机调速、交流 感应电机调速及开关磁阻电机调速等几种系统，针对每种电机的特点，按照功率为 7 5 k w 电机，转速1 5 0 0 r m i n 时进行了对比，调速系统对比表见表2 1 。 表2 - 1电机调速系统的对比表 滑差调速直流交流感虑开关磁阻 类别 电动机电动机电动机电动机 效 1 0 0 t 和1 0 0 n7 57 67 78 3 率 1 0 0 t 和5 0 n 3 86 56 58 0 价格 o 81 o1 51 2 单位体积功率 0 81 oo 9 1 0 控制复杂性 o 21 01 81 2 可靠性及可维护性 1 61 00 91 1 噪声( d b ) 6 96 57 47 4 表示该项性能指标以直流电动机调速时为1 作为比较基准 首先做3 7 k w 开关磁阻电动机调速系统与三相交流异步电动机、交流变频调速系统 的效率特性试验，接着绘制了它们的特性曲线对比图，见图2 1 、2 2 、2 3 、2 4 。 图2 - 1 变频器、异步电机、开关磁阻电机转速1 5 0 0r m i n 不同负载下效率图 f i 9 2 - 1e f f i c i e n c yu n d e rd i f f e r e n tl o a df o rf r e q u e n c yc o n v e r t e r , a s y n c h r o n o u sm a c h i n e ，s w i t c h e d m a g n e t i cm o t o r , r o t a t es p e e d = 1 5 0 0 r m i n 024681 01 21 41 61 82 0 挖硝萄翘3 0 翌3 4 输出功率( k w ) 图2 - 2 变频器、开关磁阻电动机1 0 0 0r m i n 时不同负载下效率比较图 f i 9 2 - 2e f f i c i e n c yu n d e rd i f f e r e n tl o a df o rf r e q u e n c yc o n v e r t e r , s w i t c h e dm a g n e t i cm o t o r , r o t a t e s p e e d = l o o o r m i n 8乃刀弱衢弱衢扣竹5 0 永v 瓣狡 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 一一岛m l - - o - - 变频黯 1 0 0 9 5 ：； ! ； 9 0 ：| ! ；著量篓善善：| j i ! 8 5 8 0 7 5 集翟i 0 ；等 i v 一 - 二 瓣嚣： 较磊： 。 7 0 。，卜一t ： ： 3 5 3 0 - 一0 - ：一0 0o j 2 5 - 2 0 1 5 1 0 ，。_ - - + _ 5 01234567891 01 11 21 31 41 5 1 61 71 8 1 9 2 0 输出功率( k w ) 图2 - 3 变频器、开关磁阻电动机5 0 0r m i n 时不同负载下效率比较图 f i 9 2 - 3e f f i c i e n c yu n d e rd i f f e r e n tl o a df o rf r e q u e n c yc o n v e r t e bs w i t c h e dm a g n e t i cm o t o r , r o t a t e s p e e d f f i 5 0 0 r m i n 一、 冰 、_ ， 褥 较 - | 一 一，- r 一一 ；一 “! 。 y ? ! ? 一。：l ； j i 。 o1 0 0 o3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0t 1 0 01 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 01 5 1 6 0 0 转速( r m i n ) 图2 - 4 交频器、开关磁阻电动机额定功率，不同转速下效率比较图 f i g2 _ 4e f f i c i e n c yu n d e rd i f f e r e n tr o t a t es p e e df o rf r e q u e n c yc o n v e r t e r , s w i t c h e dm a g n e t i cm o t o r 由上可以看出，开关磁阻电机以下特点： ( 1 ) 调速范围广。在低速下s r m 电动机也能够长时间运行。由于其效率高，与额 定工况时温度上升程度相比，其在低速下温度上升程度还要低，这样就可以解决了变频 1 3 ：8两刀f惦弘筋佰竹50 第2 章地面撬装式设备的研制 调速低速运行下电动机发热的问题。此外，交流电动机最高转速受级数限制，而s r m 电动机最高转速不会受级数限制，可以根据实际需要灵活地设定最高转速瞄1 ； ( 2 ) 高效率，高节能。在所允许的功率和调速范围内，s r m 整体效率与交流异 步电动机变频系统相比至少高3 以上，而其效率在低速工作的状态下能够提高1 0 以 上；s r m 节电效果与串级调速、直流调速、电磁调速等系统相比更明型2 3 1 ； ( 3 ) 可频繁正、反转，频繁起动、停止，系统调控性能好( 开关磁阻电动机调速 系统的转矩、功率与效率图见图2 5 ) ，可以灵活控制四象限( 四象限运行图见图2 6 ) 。 所以在螺旋压力机、可逆轧机、龙i - j n 床、油田抽油机等应用场合非常适合。 ( 4 ) 起动转矩大，对那些负载变化明显并且频繁和需要重载起动的场合尤其适合。 要在电动机侧得到较大的起动转矩，而只需要s r m 控制器从电源侧吸收较少的电流； 起动电流仅为额定电流的1 0 时就可以使起动转矩到达额定转矩的2 0 0 ，与交流电动 机的3 0 0 电流获得1 0 0 的转矩的性能相比，具有明显的优势； 岔 弓 瓷 薹 釜 1 5 丑( r r a i n - 9 图2 - 5 开关磁阻电动机调速系统的转矩、功率与效率 f i 9 2 5t h et o r q u ea n dp o w e ra n de f f i c i e n c yo fs w i t c h e dm a g n e t i cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o n s y s t e m 1 4 鼍f - 卜一 一 厂100 2 0 0 3 0 0 n 】- s 图2 - 6 四象限运行图 f i g2 - 6f o u rq u a d r a n tm a p ( 5 ) 对电网具有保护作用。由于起动电流较小在很大程度上避免了对电网的冲击。 s r d 具有软起动特性，不会出现起动电流大于额定电流5 - 7 倍的现象； ( 6 ) 功率因数高，无功补偿装置可有可无，没有特别需求时可以不加就可以满足 要求。在空载和满载两种情况下，普通交流电动机的功率因数分别是0 2 - 0 4 之间， o 8 - 0 9 之间，而开关磁阻电动机调速系统都可以获得大于0 9 5 的功率因数； ( 7 ) 工作性能可靠，能适用于各种恶劣复杂的环境； ( 8 ) 电动机结构简单、制造工艺简单、坚固、成本低； ( 9 ) 缺相与过负载时仍能够可工作，此时s r 电动机输出功率减小，但仍然可以保 持运行顺畅。当系统超过额定负载，相应的转速下降，从而控制器和电动机不容易被烧 毁； ( 1 0 ) 不会出现变频调速系统功率变换器可能出现的直通故障，这得益于控制器中 功率变换器和电动机绕组串联这种特殊的结构，这样就大大提高了其可靠性【2 4 1 。 从以上可知，开关磁阻电机性能、维护、效率等几方面优于变频调速，特别是低速 运行时，开关磁阻电机效率不低于8 0 ：又可满足设备对电机频繁正翻转的需求，所以， 开关磁阻电机成为探井连续试油抽汲装置的首选配套电机。 2 2 开关磁阻电机设计 定子、转子双凸极可变磁阻电动机( 如图2 7 所示) 又称为开关磁阻电动机( s r m ) 。 转子、定子均由硅钢片叠压而成，定子极上绕有集中绕组，转子上既没有绕组没有无永 1 5 u 图2 8 开关磁阻电动机工作原理示意图 f i 9 2 - s s w i t c h e dm a g n e t i cm o t o r p r i n c i p l ed i a g r a m 假如以图2 8 中起始位置是定、转子所处的相对位置，依次给d c _ b - a 相通电， 则电动机沿顺时针方向连续转动；反之，依次给a b _ c d 相绕组通电，转子即会沿 逆时针方向逆着励磁顺序进行连续旋转。鼠笼式交流异步电动机的结构已经相对简单 了，但是这种电动机结构比它还要简单。这种电动机具有超越性的优点：定子上只有几 个集中绕组，而转子上没有绕组，制造相对简单，且可以获得较高的机械强度，同时也 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 大大降低了故障率。电动机为定子、转子双凸极结构，转子由硅钢片叠压而成，没有绕 组及永磁体，结构简单可靠，发热小。定子上绕有集中绕组，控制器通过控制绕组电流 的通断进而控制电动机的运行，而与绕组电流的方向无关【2 6 】。 当给定子相绕组通电时，就会在电动机内产生磁场；很明显，如图2 - 9 所示，当两 凸极位置不对齐时，磁力线就会出现弯曲。由于转子受弯曲磁力线的磁拉力作用，就产 生转矩，转子就会自身转动，转子凸极向定子凸极不断趋近。当两凸极位置对齐时，弯 曲的磁力线暂时消失，此时转子达到平衡位置暖7 1 。 转子的相对位置信号的获得相对简便，由安装在电动机内部( 非出力端) 的位置传 感器提供，电动机定子绕组的导通和关断时刻由控制器判断和决定，从而确保电动机的 正常工作。 图2 - 9s r m 磁场示意图 f i 9 2 - 9t h ec h a r to fs r mm a g n e t i cs c h e m e s 电动机可根据需要设计成不同的相数和极数，相数和极数越多，转矩脉动越小，动 态响应越快，调速系统的性能越好，但同时控制器的功率开关使用的增多，成本增加。 电机功率选择： 在额定载荷为1 2 0 k n 的前提下，根据公式 s ，= 一 ， p = f v 式中1 ，悬点运动速度，m s ； s 行程，m ； 丁单行程所用时间，s ； 1 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第2 章地面撬装式设备的研制 f 悬点额定载荷，蝌； p 电机功率，k w 。 计算出在冲程5 3 米、冲次4 2 次分情况下所需电机功率，如表2 2 。根据要求 的技术指标计算，若提升1 2 0 k n 的负荷，实际所需功率为4 0 k w 。同时，考虑电机、减 速器、动滑轮组的效率及过载能力，电机实际选用功率为5 5 k w 。电机转速1 5 0 0 r m i n 。 电机型号：s i u m 2 5 0 m 15 。 表2 - 2 电机功率计算值 t a b l e2 - 2t h er e s u l to fe l e c t r i cm o o rp o w e r 冲程( m )543 冲次( m i n 。1 ) 4 3 2432432 悬点速度( m s ) 0 6 70 50 3 3o 5 60 4 2o 2 8 0 4o 30 2 功率( k w )8 0 4 6 03 9 6 6 7 25 0 43 3 64 83 62 4 设计的开关磁组电机实物照片如图2 1 0 所示。 图2 1 0 开关磁组电机实物照片 f i g2 - 1 0 t h ep i c t u r eo fm a g n e t o r e s i s t i v em o o r 2 3 减速器设计 减速器主要是用来增大转矩，降低转速的，它是原动机和工作机之间的独立的闭式 传动装置。有时也称为增速器，此时主要用来增速的。 减速器的型式、品种、类别非常多，目前已制定为行( 国) 标的减速器有4 0 余 种。根据所采用的齿轮齿形、齿廓曲线划分减速器的类别；根据使用的需要而设计的不 1 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 同结构的减速器；对于减速器的型式主要依据是在基本结构的基础上根据出轴型式、传 动级数、装配型式、齿面硬度、安装型式、联接型式等因素而设计的不同特