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采油中心的动力特性分析及结构优化改进 摘要 抽油机是油田有杆泵抽油系统的重要地面抽油设备，是构成“三抽 系统的主要组 成部分。在有杆泵抽油系统中，由于游梁式抽油机存在载荷波动大，载荷变化的不均匀 性使抽油机传动性能不稳定。因此，研究区域集中采油的采油中心，具有重要的现实意 义。 本文分析了大庆油田部分油井分布形式及抽油机悬点载荷呈现简谐运动的特点，利 用抽油机系统载荷的相位变化规律，揭示了采油中心的工作原理，针对一机带偶数为6 的井口数，设计了采油中心的总体方案。 针对抽油机系统存在的节能降耗问题，运用动力学分析理论和方法，建立了采油中 心动力传动系统的运动学模型和动力学模型，对采油中心在不同冲程、冲次、机构尺寸 及悬点载荷下的运动和动力特性进行了深入的理论分析。为提高采油中心系统性能，优 化改进设计采油中心的结构提供了理论依据。为了降低采油中心电机输出轴角速度的波 动幅度，在电机输出轴上设计了飞轮储能调节装置，使电机运行工况与采油工况相匹配， 改善了动力传动系统的运行性能。 最后，结合机构优化设计理论，对采油中心进行结构尺寸优化设计，并对优化前后 运动学和动力学性能参数进行了仿真对比分析，改善了系统的运动和动力性能。 关键词：采油中心；动力特性：飞轮；优化设计；节能 a b sl j k a c i p u m p i n gu n i t sa rei m p o r t a n td r i v e so nt h eg r o u n do fp u m p i n gs y s t e m i no i lf i e l d ，a r et h e m a i nc o m p o n e n to f t h r e es m o k e ”s y s t e m i nt h er o dp u m p i n gs y s t e m b e c a u s et h e r ee x i s ti n t h ep u m p i n gu n i t s ，s u c ha sl a r g ef l u c t u a t eo fl o a d s ，t h ei n h o m o g e n e i t yo f t h ea l t e r n a t i n gl o a d s o ft h ep u m p i n gu n i t s w i l li n e v i t a b l yl e a dt oi n s t a b i l i t yo ft h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ， t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fam a c h i n eo fr e g i o n a lc o n c e n t r a t i o no ft h ep u m p i n gc e n t e ru n i t ，h a s i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i st h e s i sa n a l y z e st h ed i s t r i b u t i o no fs o m eo i lw e l l si nd a q i n go i lf i e l da n d t h ef o r mo f r o dp u m p i n gl o a d ss h o w i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l eh a r m o n i cm o t i o n , u s e st h ep h a s e c h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ep u m p i n gs y s t e ml o a d sv a r i a t i o n ，r e v e a l st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ep u m p i n gc e n t eu n i t s ，t h eg e n e r a lp l a ni sd e s i g e n e da c c o r d i n gt ot h em a c h i n ew i t ht h es i x o i lw e l l s t os o l v et h ep o w e r - s a v i n ga n dc o n s u m p t i o n - r e d u c i n gi nt h ep u m p i n gs y s t e m ，t h e p u m p i n gc e n t eu n i t sm a d et h ek i n e m a t i c s a n dd y n a m i c sp e r f o r m a n c em o d e l sa p p l i e db y d y n a m i ca n a l y s i st h e o r i e sa n dm e t h o d s ，i n f l u e n c eo nt h ep u m p i n gc e n t eu n i t s k i n e m a t i ca n d d y n a m i cf e a t u r e sw h i c hc a u s e db yd i f f e r e n ts t r o k e s t r o k ec h a n g e s i n s t i t u t i o ns i z ea n d t h er o d l o a d sa r ea l a l y z e d t oi m p r o v et h eo i lc e n t e rs y s t e mp e r f o r m a n c e ，o p t i m i z et h es t r u c t u r a l d e s i g na n di m p r o v e m e n ti sp r o v i d e da t h e o r e t i c a lb a s i s i no r d e rt or e d u c et h em o t o ro u t p u t s h a f ta n g u l a rv e l o c i t yf l u c t u a t i o n s ，a ne q u i p m e n ti sd e s i g n e do nt h es h a f to fm o t o rt oa d du p t h em o m e n to fi n e r t i a , t h e r e f o r et h ea s y n c h r o n o u sm o t o rm a t c h e sw i t ht h ep u m p i n gw o r k i n g ， a n dm o t o rw o r k i n gc o n d i t i o ni si m p r o v e d f i n a l l y ，c o m b i n e dw i t hm e c h a n i c a lo p t i m i z a t i o nd e s i g nt h e o r y , t h ep u m p i n g c e n t eu n i t s m a d es t r u c t u r es i z eo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，a n dt h eo p t i m u mb e f o r ea n da f t e rt h ek i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ea n a l y s e d a n dc o m p a r e d ，i m p r o v e dk i n e m a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h ep u m p i n gc e n t e ru n i t ss y s t e m k e y w o r d s ：p u m p i n gc e n t e r ；d y n a m i c s p e r f o r m a n c e ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n ；f l y w h e e l ； p o w e r - s a v m g 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究课题的背景及意义 进入新世纪以来，随着国际能源供应形势日趋紧张，中国原油进口量逐年增多，国 民经济的发展对能源能耗提出了更高的要求，在要求石油工业提供能源的同时，更要求 采油工艺朝着节能、安全、环保、高效的方向发展。 目前油田的生产方法主要有自喷采油法和人工举升采油法两大类。全世界油田内， 除中东地区多数是自喷井外，油田开采石油主要采用人工举升采油法。人工举升采油法 包括有杆泵、水力泵、电潜泵、气举等。有杆泵抽油工艺是将地面动力传递到井下抽油 泵完成采油的人工举升技术。随着有杆泵抽油工艺技术的不断发展和完善，仍然是目前 应用最为广泛的人工举升采油法，在采油工程中占据主导地位。 目前，我国陆地上大约有9 0 0 0 0 万口油井，其中9 0 以上的油井使用有杆泵抽油工 艺，其耗电量占到油田生产耗电量的3 0 左右。据统计，我国的有杆泵抽油系统的总体 效率较低，一般油田平均只有2 0 0 0 , , 2 3 ，高产油田仅仅只能达到3 0 左右，长期以来 普遍存在“大马拉小车 的现象，用电耗能在采油成本中占有相当大的比重，以电换油 是我国油田生产的基本现状。随着油田的中后期资源开发和电价的不断上调，采油成本 不断提高，如何挖掘抽油机潜力来进行节能增效，已成为众多石油机械工程师的共识。 加强研究抽油机的节能降耗技术，不仅能显著提高经济效益，而且具有重要的社会意义。 随着国家提出自主创新战略，若能创新开发出效率高、能耗小、重量轻及多功能的新型 抽油机系统，从理论上、工程应用上以及经济、社会效益方面，论文的选题都具有重要 的应用价值和研究意义口刀。 1 2 抽油机的技术发展现状及问题 我国使用有杆泵抽油设备进行采油生产，已有半个世纪的历史。在2 0 世纪7 0 年代 以前，技术发展较为缓慢。8 0 年代以后，随着各个油f f l 对有杆抽油设备的需求量大幅 度增加，有杆泵抽油设备制造技术也得到了迅猛发展，其中新型抽油机系统研制已达到 了世界先进水平”1 。 在世界范围内，研究开发和应用抽油机已有1 0 0 多年的历史。在这百余年采油生产 实践中，抽油机发生了很大的变化。随着石油工业的迅速发展，抽油机已由常规型游梁 式抽油机发展成无游梁、多功能型、满足不同领域的新型抽油机。 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 以研发时间为序，将抽油机大体可分为3 代，据不完全统计，有4 0 多种典型的抽 油机在油田使用。第l 代以保持游梁和曲柄主体结构的游梁式抽油机，包括常规型、变 型、退化游梁型和斜直井型等，其中，变型抽油机是在对常规型游梁式抽油机不同结构、 平衡方式和传动方式上进行改造的基础上分为变驴头、变曲柄、变平衡、变传动和变游 梁等类型。第2 代为以无游梁和塔架长冲程为主体结构的无游梁式型抽油机，包括高架 曲柄型、电机换向型和机械换向型和其它无游梁型等类型。第3 代则为以柔性抽油、作 业、测试一体化等特点创新开发出多功能型柔性抽油机。包括单曲柄柔性抽油机、直接 平衡型抽油机和采油中心等类型p 1 。 1 2 1 常规型游梁式抽油机 图1 1 常规型游梁式抽油机结构图 1 、悬绳器；2 、驴头；3 、游梁；4 、横梁：5 、横梁轴；6 、连杆； 7 、支架轴；8 、支架；9 、曲柄平衡块；1 0 、曲柄；l l 、曲柄销轴承； 1 2 、二级减速器；1 3 、带轮；1 4 、动力机；1 5 、刹车装置；1 6 、配电箱 常规型游梁式抽油机是游梁式抽油机的基本型式之一。它主要由电机、减速器、曲 柄、横梁、连杆、支架、驴头、刹车装置、底座、悬绳器及平衡重等部分组成如图1 1 所示。其结构特点是：分别位于支架前后两边的是曲柄连杆机构和驴头，曲柄轴中心基 本上位于游梁尾轴承的正下方。其工作原理是：常规型游梁式抽油机利用电机和传动带 带动减速器旋转，使曲柄轴做圆周运动，通过连杆、横梁、驴头将曲柄轴的圆周运动转 换成抽油杆泵的上下往复运动1 。 常规型游梁式抽油机是油f 开生产中最常用抽油设备，它适应于各类油井，包括深度、 采油速度和产量不同的油井。其优点为：结构简单、易损件少、可靠性强、操作简便、 2 第1 章绪论 维修方便，维护费用低等特点哺1 。由于这种采油方式发展时间长，工艺配套，技术成熟， 故障率低，设备装置耐用，况且排量和抽深又能覆盖大多数油井，一直占据有杆泵抽油 地面设备主导地位。但同时伴随有传递环节多、系统效率低，能耗高、体积和质量较大、 投资比较大、功能单一，并且随着曲柄转角的变化，具有悬点载荷波动变化波动幅度大 等缺点p 1 。 从目前使用情况来看，常规型游梁式抽油机本身存在主要有以下几个问题： ( 1 ) 系统效率低的问题弘1 常规型游梁式抽油机传递环节多，这是系统效率低的主要原因之一。常规型游梁式 抽油机系统的每一环节都会影响系统的总效率，要想提高抽油机系统的总效率，需要采 用系统工程的思想来提高总体效率的目的。 ( 2 ) 系统能耗大的问题 1 ) 冲程增大后带来的问趔2 垤叼 冲程增大后常规型游梁式抽油机的减速器输出轴扭矩波动幅度增大。由于受游梁 摆角限制，曲柄摇杆机构尺寸必然增大，从而引起抽油机体积和重量大幅度增大。由于 常规型游梁式抽油机冲程增大后，容易导致抽油机运行的悬点加速度和悬点速度的峰值 过大，影响了悬点载荷的大小，进而影响系统能耗。 ， 2 ) 惯性载荷过大的问题m 由于油井深度较大，常规型游梁式抽油机杆液重量较大，使抽油机承受载荷过大， 减速器扭矩波动峰值和幅度增大，增加了系统冲击，降低了抽油机系统的使用寿命。 3 ) 功率不匹配问趔2 嗣 由于油井比较深，加上需要直接启动，常规型游梁式抽油机所需启动力矩大，因 而所需电机功率也比较大。而在正常抽油时，由于系统负载变轻，减速器输出轴扭矩和 电机功率较小，导致了动力传动系统的运行特性与油田井况不匹配的问题，使电机功率 利用率较低，造成对电网的波动冲击，增加了系统能耗。 为了解决常规型游梁式抽油机的这些问题，国内外抽油机生产厂家先后对常规型游 梁式抽油机进行改造设计，研制出了多种新型游梁式抽油机，改变了常规游梁式抽油机 的部分缺陷，但仍摆脱不了利用四连杆机构的传动方式m 1 。在常规型游梁式抽油机基础 上进行的改进措施，根本没有彻底解决问题，对提高效率的幅度不大。通过改进动力传 动装置及其控制方式的途径，使节能降耗等问题有所改善，但由于成本高致使应用面不 广，也不能根本性解决问题。通过改变结构设计新型抽油机才是未来的发展方向拍“引。 哈尔滨一l ：程大学硕十学位论文 1 2 2 无游梁式抽油机 我国油田开发中后期采用注水方式，随着油井含水后液量不断提高，要求抽油机的 冲程和承载越来越大，造成抽油机体积增大，整机重量迅速上升。无游梁式抽油机的显 著特点是无游梁，放弃了四杆机构，容易实现长冲程，相对冲程损失小，有效冲程较长。 由于长冲程、低冲次，降低了运动系统的悬点加速度，除上下死点有短时间加减速运动 外，大部分时间是匀速运动，使惯性载荷大幅度减小，抽油机系统性能得到较大改善。 但同样存在结构复杂、运动件多、成本高等缺点h 1 。 螺杆泵是典型的无游梁式类型的抽油机之一。螺杆泵又叫渐进容积式泵，主要由驱 动装置、传动轴、定子泵和转子四大部分组成。其结构特点是：由驱动装置为泵提供动 力源；通过传动轴把地面的动力传递给井下的泵转子；泵转子是截面为圆形的单头螺杆； 泵定子是具有双螺旋线的内腔；在螺旋转子和定子之间有多个“s 打形封闭空腔。其工 作原理是：工作时驱动装置通过传动轴带动井下抽油泵的转子在定子衬套内作行星运动， 转子和定子之间的“s 形空腔随转子的旋转面不间断地螺旋上升，由泵下面新形成的 空腔完成液体的吸入，经转子的螺旋举升在泵上端排出，从而达到不问断连续抽油的目 的1 0 1 。 目前，井下采油螺杆泵大致可分为以下两种n u n 2 1 ： 一是地面驱动采油螺杆泵，其系统结构图如图1 2 ( a ) 所示。它是井下采油螺杆泵 中最简单的结构形式，也是国内外井下采油螺杆泵采用的主要结构形式，其主要结构特 点是：螺杆泵在井下，而提供动力的装置在地面之上，二者之问由抽油杆联系起来。其 工作原理是：驱动头是为地面驱动单螺杆泵提供动力的装置。驱动头所需的动力主要由 电动机或者液压马达提供。由电动机作动力的驱动头，采用变频调速、利用减速器调速 或者利用传送带和减速器来共同调速。利用液压马达作动力来调节螺杆泵的转速非常方 便。 二是电动潜油单螺杆泵，如图1 2 ( b ) 所示。电动潜油螺杆泵由螺杆泵、柔性轴、 齿轮减速器和潜油电动机、及装有轴承的密封短节等组成。其结构特点是螺杆泵和驱动 其工作的电机都处于地下，因而不需要抽油杆传递动力，特别适合于深井、斜井和水平 井等特殊井采油作业。前苏联和法国较早开展螺杆泵研究工作，但近年来美国等发达国 家也开始重视电动潜油螺杆泵的研制丌发，并在多砂、高粘深井、定向井、水平井等油 井中采用，取得了良好的效果。在某些情况下，电动潜油螺杆泵的使用寿命比电动潜油 离心泵高达5 倍。电动潜油螺卡泵使用寿命的提高，大大降低了采油成本，使一些原来 4 第1 章绪论 经济上无开采价值的油井有了良好的效益。 5 幽1 2 地面驱动米油螺杆采系统和潜油螺杆泵结构幽 1 、电控箱；2 、电机；3 、皮带；4 、方卡子；5 、光杆；6 、减速箱： 7 、专用井口：8 、抽油杆；9 、抽油杆扶正器；1 0 、抽油杆扶正器： 1 1 、油管；1 2 、螺杆泵：1 3 、套管；1 4 、定位销；1 5 、防脱装置； 1 6 、筛管：1 7 、螺杆泵定子：1 8 、螺杆泵转子；1 9 、齿轮减速器；2 0 、潜油电机 螺杆泵作为一种新型的人工举升采油方式，具有结构简单、操作方便、适应性强及 节能效果明显等特点。其能够有效降低采油成本以提高经济效益的优点而倍受国内外油 田重视，并有望成为油田生产主要的机采方式之一。 螺杆泵具有如下的优点引4 1 ： ( 1 ) 地面装置结构简单、操作方便、体积小、重量轻。 ( 2 ) 适用范围广，特别可以开采稠油的较好的机械。 ( 3 ) 输出流量均匀，易于调节。通过改变地面驱动装置转速，很容易调节流量。 ( 4 ) 螺杆泵较为适用斜井、含砂井、含气井等特殊油井生产。 螺杆泵也有它自身的缺点捌： ( 1 ) 容易出现定子脱胶的问题，由于高速旋转摩擦使橡胶在高温下老化而与钢管 脱离，要求橡胶具有良好的耐磨、耐腐蚀和耐热等物理化学性质和较好的机械性能。 ( 2 ) 螺杆泵的排量低，螺杆泵在大排量情况下很难实现深井采油。 ；习凄蘧罐鬟缓|圃湖懑灞。，飘羁麴嬲绷期瀚鬻豸缮爹 哈尔滨l ：程人学硕士学位论文 1 2 3 多功能型柔性抽油机 多功能型柔性抽油机的特点是充分结合柔性能量传递系统，利用结构的滑轮组体 系，实现抽油、作业、测试、调整等综合功能。第3 代抽油机的优点为结构紧凑、体积 较小、载荷交变相互平衡，系统效率高，低投入、高产出等。但同时具有系统平衡性很 敏感，应用时间短，理论和实践待验证等缺点。 单曲柄柔性抽油机是在常规型游梁式抽油机和无游梁式抽油机的基础上创新开发 出的一种新型多功能抽油机。 - 。7 图1 3 单曲柄柔性抽油机结构幽 1 、支井口结构：2 、可伸缩横梁；3 、定滑轮： 4 、钢丝绳：5 、输出轴；6 、支架；7 、曲柄及平衡系统 单曲柄柔性抽油机主要由电机、减速器、滑轮组、曲柄、钢丝绳等结构所组成如图 1 3 所示。单曲柄柔性抽油机以钢丝绳为主线，代替原刚性能量传递结构，钢丝绳贯穿 整个动力传递系统，钢丝绳传递从抽油机固定点绕过三个滑轮，穿过上密封井口，直到 动力传递终点井下抽油泵，使地面机器部分、中间光杆过渡部分、井下杆柱三部分动力 传递系统连为一体。单曲柄柔性抽油机采用单曲柄输出的形式，利用滑轮组机构来实现 增程，钢丝绳通过曲柄上的动滑轮和架体上的2 个定滑轮与抽油杆相连。当单曲柄柔性 抽油机的曲柄旋转一周时，单曲柄柔性抽油机的冲程长度为曲柄半径的4 倍。实现了由 滑轮组体系和柔性传动体替代原四连杆、杠杆和悬吊三部分组成的抽油系统6 1 7 1 。 单曲柄柔性抽油机实现由刚性变成柔性，减少能量传递环节，提高了传动性能，提 高了系统效率，使结构紧凑、外形美观，井、机力学平衡、实现靠自身动力起、下泵作 业、测试等多功能，降低维护费用。 第1 章绪论 1 3 抽油机的节能途径 抽油机的节能途径归纳起来可分为以下四种： ( 1 ) 从结构上改进抽油机。通过对抽油机进行结构尺寸优化设计，来减小减速器输 出轴扭矩和电机功率的波动峰值和幅度，提高系统抽油效率，达到节能降耗的目的。 2 ) 从平衡方式上改变抽油机。通过改变抽油机的平衡方式，以降低减速器输出轴 扭矩和电机功率的峰值和波动，达到节能降耗的目的。 ( 3 ) 采用节能驱动设备。改进抽油机的动力驱动装置，以降低抽油机的启动能耗。 ( 4 ) 采用节能控制装置。利用节能控制装置来提高抽油机系统的运行性能，使系统的 运行工况与采油井况相匹配，达到节能降耗的目的【限姗。 1 4 抽油机的发展趋势 随着开发条件的不断变化和采油设备制造技术的不断发展，抽油机的发展趋势主要 有以下几个方向： ( 1 ) 朝着大型化、长冲程、差异化方向发展 随着世界油气资源的开采油层深度的不断增加，石油含水量不断增加，要求采用大 泵提液抽油工艺和开采稠油等大型抽油机。采用长冲程抽油机具有动载荷小，排量稳定， 抽油效率高，寿命长，较高的经济效益等特点。随着油价的不断攀升，油田低产油层的 经济效益有效开发被提上日程，由于低产油层的含量低，现在的抽油机类型不能满足节 能要求，差异化的抽油机需求增加。 ( 2 ) 朝着低能耗方向发展 解决油田普遍存在的“大马拉小车的现象，实现节能降耗以提高经济效益，开 发节能型抽油机是有能源产业永恒的目标。 ( 3 ) 朝着多功能型方向发展 多功能型抽油机整合油井作业、测试等功能，缩短作业和测试时间，提高抽油机 系统的运行效率，抽油机未来发展方向的显著标志是自动化和智能化。 ( 4 ) 朝着精确平衡发展 近年来国内外很重视改进抽油机的精确平衡来提高平衡效果。 ( 5 ) 朝着高适应性方向发展 随着抽油机技术的发展和油罔开发条件的变化，抽油机应具备较高的适应性，以便 拓宽适应采油范围。 哈尔滨t ：程犬学硕十学何论文 总而言之，抽油机将朝着大型化、长冲程、差异化、低能耗、多功能型、精确平衡、 高适应性等方向发展p 1 。 1 5 论文的主要内容 本文根据大庆油田部分油井分布形式及抽油机悬点载荷呈现简谐运动的特点。利用 抽油系统载荷的相位变化规律，揭示了采油中心的工作原理，设计了采油中心的总体方 案。建立了采油中心动力传动系统的运动学模型和动力学模型，分析了在不同的冲程、 冲次、机构尺寸及悬点载荷下对采油中心的运动和动力特性能的影响。在采油中心电机 输出轴上设计了飞轮储能调节装置，降低了电机输出轴角速度的波动幅度，改善了动力 传动系统的运行性能。最后对采油中心进行了结构尺寸优化设计，改善了系统的运动和 动力性能。主要包括以下四个方面的工作： 1 分析了大庆油田部分油井分布形式及油井之间抽油系统载荷相位变化特点，揭 示了采油中心的工作原理，设计了采油中心的总体方案。 2 建立了采油中心动力传动系统的运动学模型和动力学模型，分析了在不同冲程、 冲次、机构尺寸及悬点载荷下对采油中心的运动和动力性能的影响。 3 在采油中心电机输出轴上设计了飞轮储能调节装置，降低了电机输出轴角速度 的波动幅度，改善了动力传动系统的运行性能。 4 对采油中心进行了结构尺寸优化设计，并对优化前后运动学和动力学性能参数 进行了仿真结果对比分析，改善了系统的运动和动力性能。 第2 章采油中心的总体方案设计 第2 章采油中心静总体方案设计 随着我国油田多进入开发后期，油井油液产量逐年下降，油田的生产开发成本逐年 提高。针对现有常规抽油机，单机单井设备利用率低，载荷波动大、平衡效果差、系统 能耗大等问题，在单曲柄柔性抽油机的基础上，设计了采油中心的总体方案。采油中心 实现了区域集中采油，使载荷交变均匀化且相互平衡，达到节能降耗的目的滞1 。 2 1 油田油井的分布特点 从调研和分析大庆油田部分油井分布规律上可以发现：大庆油田初期油井分布没有 规律可言，造成了资源浪费和开发成本的增加。随着油田生产管理的科学化，大庆油田 油井呈现一定的规律性：大庆油田油井基本上是矩阵型和线性一字型分布如图2 1 所示。 由于油田油井具有很大的相似性和悬点载荷呈现简谐运动的变化规律，利用系统载荷相 位变化特点，设计了一机带多井、区域集中采油的采油中心总体方案。 i 2 2 采油中心的工作原理 图2 1 油田油井分布特点图 誓霍 彦 车 彦 i 歹 鬣 之 = = 隼 巴一一， t惑 ： 二 k 黾 二 】i ，、 j 一 ；， _品l - 竺竺一!目 = 。一 一 c - i ie io 一 - i 一j 【 j 冬j22 震；mr ，一亡、f j 勺j f 1 j ! ；ij ：i | i l 冬j 1 、拙油泉：2 、连续舢j 【i j ；3 、导i 旬滑轮：4 、l i 衡重：5 、儿u 支架； 6 、井口滑轮：7 、曲柄连链器：8 、分井链轮：9 、钢丝绳：1 0 、抽油光杆 哈尔滨一l ：程人学硕士学位论文 采油中心的工作原理如图2 2 所示：电机和减速器无需皮带传动，利用轴直接连接， 一同卧置于架体内，架体前端垂直圆形轨道内均匀分稚多个分井链轮。曲柄机构与减速 器输出轴相连，并以减速器输出轴为圆心在垂直面内做圆周运动，曲柄顶端安装有连链 器。系统以钢丝绳为主线，实现了由星型轮替代原四连杆机构，钢丝绳一端固定在连链 器上，另一端绕过固定圆盘的分井链轮，穿过上密封井口，直到光杆与抽油杆和抽油泵 相连接，使采油中心、井架系统、井下杆柱、抽油泵四部分动力传递系统为一体。通过 采油中心实现一台电机带动多口井同时进行抽油，将曲柄的圆周运动转化为抽油杆和抽 油泵的上下往复运动p 。 2 3 采油中心的总体方案设计 采油中心主要由电机、减速器、圆盘总成、活动链轮、曲柄总成、架体、钢丝绳等 部分构成如图2 3 所示。采油中心和常规抽油机一样，包括动力传动系统、运动转换系 统、辅助支撑系统和平衡系统等主要系统，但采油中心与常规抽油机在结构上有很大的 区别 幽2 3 采油中心的结构力案图 采油中心的电机与减速器直接连接作为动力传动系统。采油中心的运动转换系统与 常规抽油机不一样，山星型轮来替代四杆机构。采油中心保留了常规游梁式抽油机的曲 柄结构，取消了常舰抽油机的连杆和游梁，由曲柄连链器牵引钢丝绳做圆周旋转运动。 采油巾心的辅助支撑系统主要就是机架总成，起到辅助和支撑作， j 。采油中心的甲衡系 第2 章采油中心的总体方案设计 统由常规抽油机的曲柄平衡和游梁平衡简化为井口支架平衡，调整各个井口的抽油杆液 静载荷不平衡。本文在采油中心电机输出轴上设计了飞轮储能调节装置。 2 4 采油中心的主要优越性 采油中心主要有以下优越性：由刚性变成柔性，实现一机带多井，区域采油。由常 规抽油机的能量传递环节简化为一绳到泵，简化了能量传递环节，降低了系统能耗。悬 点交变载荷来相互平衡，电机始终做有效功，可实现连续抽油，提高产量，达到节能降 耗的目的。同时系统结构紧凑、外形美观，井、机力学合理平衡，具有自测试，集成性 等多功能性。从优越性上可以发现，采油中心很好的解决了“大马拉小车的现象，实 现了节能降耗的目的【卵1 。 2 5 采油中心生产实践中存在的问题 采油中心在大庆油田生产实践中，根据油田井下工况和测试试验数据表明，随着井 口数的增加，其减速器输出轴扭矩和电机功率并不是成倍的增加，减速器输出轴扭矩和 电机功率的波动变化幅度减小，有可能出现“平峰 现象。但只要存在悬点交变载荷， 波动变化不可能完全消除。采油中心在一台电机带动6 口井进行生产效益和经济效益达 到最优，本论文选取针对一台电机带动6 口井生产运行的总体设计方案进行理论分析。 采油中心采用一机带61 3 井的总体设计方案，由星型轮代替四杆机构，具有区域采 油、载荷交变均匀化且相互平衡等优点。采油中心在理论上是完全可行的，但由于油田 井下工况较为复杂，在大庆等油田测试实验应用过程中存在下面的一些问题： ( 1 ) 采油中心存在对平衡性较为敏感，当各个油井工况差别较大时，会使减速器 输出轴扭矩和电机功率产生大幅度的变化，可能导致采油中心系统不能正常运转。 ( 2 ) 由于采油中心是一机带多井，假如一口井出现故障，会导致整个采油系统停 止工作，从而整机的可靠性不是很稳定。 ( 3 ) 在动力传动系统运行过程中，由于采油中心采用一机带多井，油田井下的抽 油杆液的悬点交变载荷波动变化较大，加上电机输出轴运行过程中的角速度周期性波动 变化，使曲柄机构在圆周运转过程中产生摆动和冲击，有时甚至存在走一步退半步的情 况。 采油中心在工程实践应用中存在的问题可以发现：由于油f f l 井下工况比较复杂，采 油中心的悬点交变载荷的波动变化不均匀，使悬点载荷特性与系统运行工况不相匹配， 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 降低了系统效率和可靠性，影响机构系统的能耗和使用寿命。根据采油中心在悬点交变 载荷变化规律下的运动、动力特性，对机构系统做进一步的优化改进理论分析，降低减 速器输出轴扭矩、电机功率波动变化的峰值，同时使减速器输出轴扭矩、电机功率的波 动幅度变化均匀，改善采油中心的运动、动力性能及平衡性能，将会有效的提高系统效 率和运行可靠性，达到节能降耗的目的。 2 6 本章小结 本章分析了大庆油田部分油井分布特性和抽油机系统载荷相位变化特点，揭示了采 油中心的工作原理，设计了采油中心的总体方案。针对采油中心生产实践中存在的问题。， 提出了需要改善采油中心的运动、动力性能和平衡性能，提高系统的效率和运行可靠性， 达到节能降耗的目的。 第3 章采油中心的运动和动力特性分析 第3 章采油中心的运动和动力特性分析 由于采油中心与常规抽油机结构上存在较大的区别，必然会导致悬点运动学变化规 律较大的不同，因此针对采油中心的运动学性能分析必须建立自己的计算公式。采油中 心的运动学性能参数主要为悬点位移、悬点速度、悬点加速度及扭矩因数。采油中心的 运动学性能分析的主要任务为：建立的动力传动系统的运动学几何模型，计算出悬点位 移、悬点速度、悬点加速度和扭矩因数方程，分析了不同冲程、冲次及机构尺寸对采油 中心悬点位移、悬点速度、悬点加速度及扭矩因数等运动性能参数的影响。研究采油中 心的运动学性能分析为动力学性能分析和结构优化改进设计提供理论依据p ”。 3 1 建立采油中心动力传动系统的运动学几何模型 舅 z 图3 1 采油中心的运动学几何模型 采油中心的运动学几何模型如图3 1 所示：假设曲柄半径o a = ，曲柄与分井链轮 的最小距离为，卧垦、色、局、忍、统分别为圆盘上6 个分井链轮的中心位置， 彳骂= 厶，o a 与x 轴的夹角为口，曲柄轴角速度为缈。 口= o t( 3 1 ) 设与x 轴的夹角为谚，尽点的坐标为： 巨= e 髟 = r c 。s 9 rs i n o , 1 = ( 川) c 。s p ( 川) s i n 引 ( 3 3 ) 式中：( o i = x i 3 ；i = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 、，2 ，jl 1 _ j 研n弓；r掰s0cr r l = 1 l - j 口n吼r口soc， -l = 1 1 冬4 pl = ： 彳 为 标 坐的点 彳 哈尔滨丁程人学硕十学位论文 ae 的距离厶为： = ( r c o s a - r c o s 钔2 + ( r os i n a r s i n o i ) 2 = 2 + r 2 - 2 r o r c o s ( c r - 8 i ) ( 3 - 4 ) = r 2 + r 2 - 2 r o r c o s ( a ，t - 8 i ) = ，2 + ( ，+ ，) 2 - 2 r ( r + 1 ) c o s ( o j t - 0 i ) 3 1 1 建立采油中心的悬点位移方程 悬点的位移方程为： s=厶一，=,jr2+(r+1)2-2r(r+)cos(cot-0,)一， 一， ( 3 - 5 ) 式中：，一曲柄半径，m ； z 一一曲柄与分井链轮的最小距离，m 。 口一曲柄转过角度。 根据上面悬点位移公式，可以计算出最小钢丝绳长度和最大钢丝绳长度， 进而得到冲程长度s 为： s = 一。= 2 r ( 3 - 6 ) 3 1 2 建立采油中心的悬点速度方程 悬点位移墨对时间，求一阶导数，得到采油中心的悬点速度方程为： 第3 章采油中心的运动和动力特性分析 d s d s , d a i t = o = 一 d td ad t ：竺竺竺墅丝兰丝一( 3 - 7 ) = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 厂2 + ( 厂+ 矿- 2 r ( r + ) c o s ( r o t - o i ) a j r ( r + 1 ) s i n ( r o t 一2 ) ，2 + ( ，+ f ) 2 - 2 r ( r + 1 ) c o s ( a ，t q ) 3 1 3 建立采油中心的悬点加速度方程 悬点位移s 对时间，求二阶导数，得到采油中心的悬点加速度方程为： d 2 s j r 寸+ 1 ) 0 3 2 ( 2 ( r 2 + ( r + 1 ) 2 ) c o s ( c o t - o , ) - r ( r + 1 ) ( 3 + c o s ( 2 ( r o t - 臼, ) ) ) ) 垆2 可五孑五万而面忑驴广一 3 1 4 建立采油中心的扭矩因数方程 ( 3 8 ) 采油中心的扭矩因数方程为： 一 腰：兰：丝丝丝丝竺丝一 ( 3 9 ) 缈，2 + ( ，+ 矿- 2 r ( r + 1 ) c o s ( r o t - o , ) 式中：v 一悬点速度，m s ； 彩一一曲柄角速度，r a d s 。 3 2 采油中心的运动性能影响分析 研究采油中心的运动性能分析主要是不同冲程、冲次及机构尺寸对悬点位移、悬点 速度、悬点加速度、扭矩因数等运动性能参数的影响。 3 2 1 基本参数的确定 考虑到采油中心的结构尺寸、抽汲参数等因素，选取曲柄半径长度分别为 ，：0 4 8 5 聊0 6 1 聊0 7 3 5 m 0 8 6 m ，冲程分别为s = 0 9 7 m 1 2 2 m 1 4 7 m 1 7 2 m ，曲柄与分 井链轮的最小距离f = 1 1 4 m ，冲次分别取n = 3 m i n 、4 m i n 一、5 m i n 一、6 m i n 一。 哈尔滨鼙人学硕十学位论文 3 2 2 冲程、冲次对采油中心运动性能的影响分析 取采油中心的冲次为6 r a i n 叫恒值不变，冲程分别取0 9 7 m 、1 2 2 m 、1 4 7 m 、1 7 2 m 时，对采油中心的悬点位移、悬点速度、悬点加速度及扭矩因数等运动性能参数进行了 影响分析，通过m a t l a b 语言编程仿真分析所得运动件能参数曲线对比图如图3 2 。图3 5 所示： 栗油中心悬点位移曲线 时间( s ) 图3 2 采油中一t l , 的悬点他移曲线对比图 采油中心悬点速度由线 图3 3 采油中心的悬点速度曲线对比图 第3 章采油中心的运动和动力特性分析 采油中心悬点加速度曲线 图3 4 采油中心的悬点加速度曲线对比图 采油中心扭矩因数曲线 剀3 5 彳：i i n 中一e l , n 勺十h 1 11 数线时比h 图3 2 图3 5 中： 曲线1 为冲程0 9 7 m 的悬点位移、悬点速度、悬点加速度、扭矩因数曲线 曲线2 为冲程1 2 2 m 的悬点位移、悬点速度、悬点加速度、扭矩因数曲线 曲线3 为冲程1 4 7 m 的悬点位移、悬点速度、悬点加速度、扭矩因数曲线 曲线4 为冲程1 7 2 m 的悬点位移、悬点速度、悬点加速度、扭矩因数曲线 当冲次为6 r a i n ，冲程分别取0 9 7 m 、1 2 2m 、1 4 7 m 、1 7 2 m 时，通过m a t l a b 程序编 程仿真计算，不同冲程下的运动性能数据表如表3 1 所示： 1 7 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 表3 1 不同冲程下的运动性能参数 冲次冲程悬点速度悬点加速度扭矩因数 曲线 ( m )( m s )( e s 2 ) 次序 最大最小 最大最小最大最小 l60 9 7o 3 0 4 7- o 3 0 4 70 2 5 2 8一o 1 5 4 10 2 3 5 22 3 5 2 261 2 20 3 8 3 3- 0 3 8 3 30 。3 4 6 5一o 1 8 4 50 3 7 2 1_ 0 3 7 2 l 3 6 1 4 70 4 6 1 8- 0 4 6 1 80 4 5 8 8 - 0 2 1 2 20 5 4 0 2- o 5 4 0 2 461 7 20 5 4 0 3- 0 5 4 0 30 5 9 5 6旬2 3 7 40 7 3 9 6- o 7 3 9 6 通过上面的仿真曲线对比图和数据表分析表明：当采油中心的冲次不变时，调整冲 程长度的大小，采油中心的悬点位移变化量即冲程的变化量；采油中心的悬点速度随着 冲程的增大而增大，而且变化很明显，当冲程从0 9 7 m 增加到1 7 2 m 时，最大悬点速度 从0 3 0 4 7 m s 增加到0 5 4 0 3 m s ，增加了5 6 4 ；采油中心的最大悬点加速度随着冲程的 增加而增加，变化也较大，当冲程从0 9 7 m 增加到1 7 2 m 时，最大悬点加速度从0 2 5 2 8 m s 2 增加到0 5 9 5 6 m s 2 ，增加了4 2 5 ；最大扭矩因数随着冲程的增加而增加，增加的 幅度也较大，当冲程0 9 7 m 增加到1 7 2 m 时，最大扭矩因数从0 2 3 5 2 增加到0 7 3 9 6 ， 增加了3 1 8 。 仿真结果表明：调整冲程长度的大小，对采油中心运动性能参数的影响较为明显。 通过调整冲程长度的方式，由于采油中心的冲程长度是曲柄半径长度的2 倍，即改 变了采油中心的曲柄半径长度，改变了采油中心的结构尺寸。而调整冲次的方式没有改 变抽油中心的几何结构，只需要调整电机的转速，因此冲次可以通过调节电机的转速来 进行无级调速。 取采油中心的冲程长度为1 7 2 m 恒值不变，冲次分别取3 m i n 、4 m i n 1 、5 m i n 1 、6 m i n 。 时，对采油中心的悬点位移、悬点速度、悬点加速度及扭矩因数等运动性能参数进行了 影响分析，通过m a t l a b 语言编程仿真分析所得运动性能参数曲线对比图如图3 6 图3 9 所示： 第3 章采油中心的运动和动力特性分析 三 饕 趔 嚣 t 倒 刿 矿 之 e 倒 刿 爱 采油中心悬点位移曲线 图3 6 采油中心的悬点化移曲线对比图 采油中心悬点速度曲线 图3 7 采油中心的悬点速度曲线对比图 采油中心悬点加速度曲线 幽3 8 采油中心的悬点加速度 i 线对比图 哈尔滨i i 程入学硕十学位论文 【冬l3 9 彳：i r ，一d 的 “工【! 1 人】数【f | j 线对比【冬j 图3 6 图3 9 中： 曲线1 为冲次3 m i n 。1 的悬点位移、悬点速度、悬点加速度、扭矩因数曲线 曲线2 为冲次4 m i n l 的悬点位移、悬点速度、悬点加速度、扭矩因数曲线 曲线3 为冲次5 m i n 。i 的悬点位移、悬点速度、悬点加速度、扭矩因数曲线 曲线4 为冲次6 r a i n _ 的悬点位移、悬点速度、悬点加速度、扭矩因数曲线 当冲程为1 7 2 m ，冲次分别取3 m i n 、4 m i n 、5 m i n 、6 m i n 。1 时，通过m a t l a b 语言 编程仿真计算，不同冲次下的运动性能数据表如表3 2 所示： 表3 2 不同冲次下的运动性能参数 冲程冲次悬点速度悬点加速度扭矩冈数 曲线 ( m ) ( m s )( m s 2 ) 次序 最人最小最人最小最人最小 l1 7 230 2 7 0 200 1 4 8 90 0 5 9 4o0 7 3 9 6 21 7 240 3 6 0 20 2 4 5 50 2 6 4 70 1 0 5 50 5 0 4 00 7 3 9 6 3 1 7 25 0 4 5 0 10 4 5 0 lo 4 1 3 60 1 “90 7 3 9 40 7 3 9 4 41 7 260 5 4 0 30 5 4 0 30 5 9 5 60 2 3 7 40 7 3 9 60 7 3 9 6 通过上面的仿真曲线对比图和数据表分析表明：当采油中心的冲次增人时，最大悬 点速度随着的冲次增大而增大，而且变化很明显，当冲次从3 m i n 。1 增加到6 m i n