（机械工程专业论文）煤层气用多井单驱动小型采机的研究.pdf

摘要 煤层气作为一种开发前景广阔的新能源，近年来越发受到国内外的关注。在煤层气 井开发中以丛式井居多，多井单驱动小型排采机的研究满足煤层气开采的实际，适应我 国煤层气的开采特点，是实现排采设备节能降耗的- 7 0 t , 新途径，可以提升煤层气的开采 经济效益。本文依托国家重大科技专项大型油气田及煤层气开发第3 8 专项煤层气 井排采工艺、设备优化及修井技术开展研究。 首先，本文针对煤层气排采的特点，分析了有杆泵排采设备悬点载荷的变化规律， 建立抽油机设计模型示功图，按照该示功图，对小型游梁式排采机进行运动、动力学分 析，得到单井主要性能参数曲线；在此基础上，分别考虑抽水机的单独平衡和统一平衡 条件，对各抽水机在相同冲次、不同冲次条件下工作时，双井、三井、四井统一驱动性 能进行了比较分析，对不同冲次、井数组合方式进行了优选对比，并分析了一井修井其 他井正常工作情况下抽水机的动力性能和对驱动机的要求。 其次，给出了一台燃气机驱动多台游梁式抽水机的两种可行的传动方案及方案设计 要求，对游梁式多井机传动系统各部件进行设计计算，给出了两种方案的三维总装图， 并对两者与现场煤层气排采设备相比，说明了其可行性与优缺点。 第三，建立了一台燃气机驱动多台链条式排采机的运动、动力学特性公式，得到在 相同冲次、不同冲次条件下链条式多井机的工作件能；给出了链条式多井机可行的传动 方案及方案设计，对链条式多井机的传动系统各部件进行设计计算，给出了该方案的三 维总装图，并将其与现场煤层气排采设备、游梁式多井机对比，说明了其可行性与优缺 点。 本文研究的目的在于给出可行的两种多井机的传动方案，为现场应用提供参考，以 改善煤层气排采中单台燃气机驱动单台排采机效率低、可靠性低、故障率高的缺点，实 现煤层气的低成本、经济排采。 关键词：煤层气，排采机，一机多井 s t u d yo no n e - e n g i n em u l t i - - w e l ls m a l l - - s i z ep u m p i n g u n i tf o rc b m 胁l l s l vh a o j i e ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f q iy a o g u a n g a b s t r a c t a san e we n e r g yh a sd e v e l o p m e n to fp r o m i s i n g ，c b mw a sc o n c e m e da b o u tm o r ea n d m o r ea td o m e s t i ca n df o r e i g n t h em a j o r i t yo fc l u s t e rw e l l si nt h ed e v e l o p m e n to fc o a l - b e d m e t h a n ew e l l s ，m u l t i - w e l ls i n g l e - d r i v es m a l lr o wo ft h em i n i n gm a c h i n et om e e tt h ea c t u a lo f c b m ，a d a p tt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i n a sc o a l - b e dm e t h a n ee x p l o i t a t i o n , i san e we n e r g y s a v i n gw a yo fr o wo fm i n i n ge q u i p m e n t i tc a ne n h a n c et h ee c o n o m i cb e n e f i t so fc o a lb e d m e t h a n ee x t r a c t i o n i nt h i sp a p e rr e l yo nam a j o rn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t s - l a r g e - s c a l eo i la n dg a sf i e l d sa n dc o a lb e dm e t h a n ed e v e l o p m e n to fc o a l - b e dm e t h a n ew e l l so f t h ef i r s t38s p e c i a ld r a i n a g ep r o c e s sa n de q u i p m e n to p t i m i z a t i o na n dw o r ko v e rt e c h n o l o g y r e s e a r c h f i r s to fa l l ，i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s c h a r g ea n dm i n i n go f c o a l b e dg a s ，t h ec h a n g er e g u l a r i t yo ft h ed r a i n a g ed e v i c eo fs u c k e rr o dp u m pr o dl o a dw a s a n a l y z e d ，a n dt h e nt h ep u m p i n gd e s i g nm o d e lo fi n d i c a t o rd i a g r a mw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot h ei n d i c a t o rd i a g r a m ，t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fs m a l l - s i z eb e a mp u m p i n gu n i tw e r e a n a l y z e da n dt h es i n g l ew e l lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc u r v e sw e r ef o u n d e d o nt h i sb a s i s ， c o n s i d e r i n gt h es e p a r a t e b a l a n c ea n du n i t yo ft h ee q u i l i b r i u mc o n d i t i o no ft h ep u m p ， p e r f o r m a n c e s o ft h es a m es t r o k ea n dd i f f e r e n ts t r o k e a m o n go n e m o t o rs i n g l ew e l l ， d o u b l e w e l l ，a n df o u r - w e l lw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h ec o m b i n a t i o no fm u l t i w e l l s u n d e rd i f f e r e n ts t r o k ew a sc o m p a r e da n do p t i m i z e d a n d ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f p u m p i n gu n i tw a sa n a l y z e dw h e na w e l lw o r k o v e ra n do t h e rw 宅l l si nn o r m a lo p e r a t i o n a n d t h er e q u i r e m e n t so fp o w e rw e r eg i v e n s e c o n d ，t h ed e s i g ng o a l so ft h em u l t i - w e l lb e a mw e r eg i v e n ，a c c o r d i n gt ow h i c ht w o p o s s i b l et r a n s m i s s i o ns c h e m eo f t h em u l t ib e a mp u m p i n gu n i t sd r i v e db yo n eg a se n g i n e w e r ep r o p o s e d b a s e do nt h i s ，d e s i g na n dc a l c u l m i o no ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h eb e a m m u l t i w e l ld r i v es y s t e mw e r ec o m p l e t e d t h e n ，t h r e e d i m e n s i o n a la s s e m b l yd i a g r a mo ft h e t w os c h e m e sw e r eg i v e n ，a tl a s t ，c o m p a r i n gt h e mw i t ho n - s i t ee o a l b e dm e t h a n ed r a i n a g e e q u i p m e n t ，t h ef e a s i b i l i t ya n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et w os c h e m e sw e r e e x p l a i n e d t h i d l y , t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c sf o r m u l ao fm u t ic h a i np u m p i n gu n i t s d f i v e db yo n eg a se n g i n ew e r ef o u n d e d b a s e do nt h i s ，w o r k i n gp e r f o r m a n c eo fm u l t i - w e l l c h a i np u m p i n gu n i t sw a se x p l a i n e du n d e rs a m es t r o k ea n dd i f f e r e n ts t r o k e t h e no n ep o s s i b l e t r a n s m i s s i o ns c h e m eo ft h em u l t ic h a i np u m p i n ga n dd e s i g ng o a l sw e r ep r o p o s e d b a s e do n t h i s ，d e s i g na n dc a l c u l a t i o no ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h eb e a mm u l t i w e l ld r i v es y s t e m w e r ec o m p l e t e d t h e n ，t h r e e d i m e n s i o n a la s s e m b l yd i a g r a mo ft h es c h e m ew a sg i v e n a tl a s t ， c o m p a r i n gi tw i t ho n - - s i t ec o a l b e dm e t h a n ed r a i n a g ee q u i p m e n ta n dm u l t i - w e l lb e a mp u m p i n g u n i t ，t h ef e a s i b i l i t ya n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et w os c h e m e sw e r ee x p l a i n e d t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st op r o p o s et w of e a s i b l et r a n s m i s s i o ns c h e m eo fav i a b l et w o k i n d so fm u l t i - w e l lp u m p i n gu n i t ，w h i c hc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o rf i e l da p p l i c a t i o na n d i m p r o v es h o r t c o m i n g so fs i n g l er o wo ft h em i n i n gm a c h i n ed r i v e nb ys i n g l eg a se n g i n ei n c b md r a i n a g e ，s u c ha sl o we f f i c i e n c y , l o wr e l i a b i l i t y , h i g hf a i l u r er a t ea n da c h i e v eg o a lo ft h e l o wc o s ta n de c o n o m i cd r a i n a g eo fc o a l b e dm e t h a n e k e yw o r d s ：c o a l b e dm e t h a n e ( c b m ) ，p u m p i n gu n i t ，o n e e n g i n em u l t i - w e l l 叶l 圜打油大学( 华东) t 程硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 课题来源于国家重大科技专项：国家大型油气田及煤层气开发第3 8 专项煤层气井 排采工艺设备优化及修井技术子专项，编号为：2 0 11 z x 0 5 0 3 8 0 0 2 。 煤层气的通俗称法叫“瓦斯”，它不同于常规石油或天然气，是介于常规天然气和 煤炭之间的一种新的能源，它是一种热值能量比煤炭、常规石油、天然气高、并且燃烧 不产生或产生很少污染物，和煤炭共生的清洁能源【ij 。有研究表明，煤层气在煤层巾的 存在方式有三种：吸附的形式存在煤层孔隙表面( 主要形式) 、以游离状态存在于煤层 的天然割理或其他孔隙、少量被煤层气水所溶解【z j 。因此，要采出煤层气，就必须抽出 足够的水，降低煤层压力，让其从煤层中解析出来。然后，从煤层中解析出来的煤层气 在井底压力下，从煤层割理、经压裂裂缝，流到井筒，最后，从油套环窄中上升到井u 【3 】 o 煤层气的开发，对于缓解我国燃气供应的紧张状况、预防煤矿开发的瓦斯事故具有 重要意义【4 】。随着国民经济的迅速发展，常规石油天然气逐渐不能满足我国对清洁能源 的大量需求，因此开发煤层气这一新兴能源能够缓解供求矛盾1 5 j ，同时，我国煤矿安伞 生产形势日趋严峻，因此，应大力推进煤层气的开发，充分利用我国丰富的煤层气资源， 并逐渐代替常规石油、天然气成为未来能源的主流资源1 6 j 。大力推进煤层气的大规模开 发既能解决能源不足问题，又能从根本上消除煤炭开采巾瓦斯爆炸、瓦斯突出等灾害， 并且以较少的环境污染产生较大的能量，有利于解决我国未来可能的能源危机问题，具 有重要的战略意义1 7 j 。 目前我国钻煤层气井的排采设备大多为采常规油气时常用的排采机、管、杆和泵设 备为主【8 】，但是，由于煤层气的成藏机制、赋存、运移、产出机理与过程具有自己的特 点，与常规的石油气不同1 7 】，因此，依赖油田经验，直接将油田用抽油机用于煤层气的 开采【10 1 ，存在成本高、设备不配套、设备单一，效率低，使用寿命不长等诸多问题【1 ， 不能满足煤层气排采的实际，大大降低了煤层气的开采效益，不利于煤层气的大规模、 商业化开发。 煤层气排采特点：煤层气的开采丛式井居多，并且各井深度接近，载荷差距不大【1 2 】。 目前，煤层气排采设备采用一台小型内燃机驱动一台排采机，如图1 1 所示，由于内燃 笫章绪论 机具有机型越小，故障率越高、效率越低的特点，因此故障率较高，大大增加了排采成 木。 图1 - 1内燃机驱动排采机 f i g l 一1 b e a mp u m p i n gu n i td r i v e db yi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e 因此，提出用一台较大的燃气机驱动多台排采机设想，实现一机多井排采，利用一 机多井系统互平衡，提高设备可靠性和资源利用率。 该多井单驱动小型排采机的提出，符合煤层气开采实际，能够利用现场资源，效率 高、能耗低，从而为实现煤层气的经济低成本开采起到重要作用： 1 、节能 整个多井排采设备统一平衡，保证动力机受载均匀，提高设备运行的平稳性，降低 排采设备的能量消耗； 2 、降低成本 利用现场资源，并且减少了电机和减速箱，避免了高成本电网的建设和维护，设备 成本和维护成本大大降低； 3 、提高设备可靠性 动力机选用较大的内燃机，故障率低，亦可以使用备机，保证排采设备高的可靠性； 4 、节电、合理利用能源 该多井排采机选用内燃机作为动力机，充分利用现场资源，适用于煤层气井这利难 于供电或供电不足的地区： 5 、占地面积小，便于维护和管理 多井机的使用，使得设备更加密集，维护和管理更加方便，节约了人力和物力，减 少成本。 2 固杆油大学( 华东) 工 ；! l ! 硕士学位论义 1 2 多井排采机的研究现状 随着油田的开发，对排采机提出新的要求，国内外石油装备行业科研、生产厂家以 发展高效、节能、可靠性高的排采机为目标，对现有的游梁式排采机和其他类型排采机 改进和创新，推出了很多新机型【i3 1 。目前，油田油井丛式井开采逐年增加，国内外都进 行了大量的丛式井排采机的试验研列1 4 】。 1 2 1 国外研究现状 美国的丛式井排采机技术处于世界领先地位。w f l a r s o n 公司研制的l a r s o n 8 0 0 型 双驴头游梁式丛式井排采机【l3 1 ，如图1 2 所示，单井利用液压缸驱动驴头悬点完成上下 冲程，一l j 井处于上冲程时，另外一口则处于下冲程，这样，均衡了动力机载荷，这种 抽油机目前有一定的应用范围，并且都显示了较好的经济效益，但是，由于采用了液压 缸，成本高，设备维修等问题，并没有得到推广。 图1 - 2 双驴头游梁式丛式井抽油机 f i g l - 2 d o u b l eh o r s ec l u s t e rw e l lb e a mp u m p i n gu n i t d y n o v a t i o n 公司设计了机械驱动双井平衡排采机，如图1 3 所示，该排采机在两口 油井的支架顶上各装一个导向链轮，链条两端分别与井口光杆相连接，同时两个导向轮 之间的主动链轮两个导向链轮相啮合。动力经发动机再经减速器减速驱动两个导向链轮 之间的主动链轮，链条在主动链轮的驱动下做垂直往返运动，实现抽油机悬点的上下冲 程【1 3 j 。 3 第章绪论 厂、厂、i 、 多 n 孓 川 3 ( ： 器 _ 一g l ? li 。 一 1 l fk 、辽j 人，y ，k 义彤心洳s s y ? ，弋讨l r 讨吣 图i - 3 机械驱动无游梁丛式井抽油机 f i g l - 3 m e c h a n i c a ld r i v ec l u s t e rw e l ln o n b e a mp u m p i n gu n i t 美国专利发明的游梁式双驴头抽油机，两个驴头装在游梁两端，并且驴头间距可以 通过伸缩装置调整，因此，该抽油机可以使两驴头悬点之间的距离根据两l j 井井u 的实 际距离调整，并且当需要修井作业时，游梁缩短使驴头让开井口，方便修井作业，但是 该型号抽油机结构较复杂，效率低，难于推广。美国一家公司研制了无游梁缸式液压驱 动双井平衡丛式井排采机，该抽油机在排采机支架上装有两个链轮，液压缸驱动链条， 从而带动与之连接的光杆。该抽油机的特点是通过移动链轮，保证了悬点井u 的对巾。 该排采机利用两u 井载荷相互平衡，无需额外的平衡重系统。 1 2 2 国内研究现状 我国丛式井技术起步较晚，目前，有关丛式井的采油设备的研究也较少，丛式井的 机械采油技术有待于进一步发展，国内很多专家做了丛式井排采设备的研究，但是，至 今，经过现场试运行，尚未有一利丛式井抽油机有进行大规模推广的价值i l4 1 。 目前，油田用双井机主要有：江汉三机一2 0 0 7 年的游梁式双井排采机【l6 。，如图1 4 所示，这种双井排采机方案具有常规游梁式排采机耐用、可靠性高、整机效率高的优点， 管理经验丰富、成熟，维护较为方便【1 7 l 。但是，由于体积较大，安装运输不方便、冲程 不可调、且调节井口困难，不适用于煤层气的排采。 4 困打油大学( 华东) 上税硕士学位论义 图1 - 4 游梁式双井排采机 f i g l - 4 d o u b l e w e l lb e a mp u m p i n gu n i t 国家专利j p c y j c 型丛式井智能长冲程抽油机，如图1 5 所示，该多井机的动力装 置部分安装在上平台上，动力由调速电机提供，驱动主动轮，主动轮通过传动带驱动每 u 井的导向轮，从而带动光杆上下运动。经过现场的试运行，该多井排采机机械效率超 过了8 0 ，是常规游梁抽油机效率的两倍，比游梁式抽油机耗能低，可实现长冲程工作， 并且，设备部件可靠性高，检泵周期长【1 8 j 。 图1 - 5 丛式井智能抽油机 f i g l - 5 c l u s t e rw e l li n t e l l i g e n tp u m p i n gu n i t 长庆油田研制了小型多井排采机，如图1 - 6 所示，电机正反转带动转盘上链条旋转， 驱动链条两端连接的光杆实现上下冲程，该多井排采机无需平衡，载荷交变均匀化，节 能降耗，结构简单，基础轻便，实现区域多井采油，在小型油井上使用，有一定的意义。 5 第章绪论 图1 6 转盘式小型多井排采机 f i g l 一6r o t a t i n gd i s cb p em u l t i w e l lp u m p i n gu n i t 此外，还有胜利采油院的电机换向滚筒式双井排采机，如图1 7 所示，这种双井排 采机传动部分结构简单，耐用，传动效率较高，并且、巾程冲次均可以实现无极调节，但 是，这利一方案存在双井的工作参数和距离不合适、修井时不能兼顾的问题、平衡的协调 问题等诸多问题，更多甚至不便于投入生产使用。 图1 7电机换向滚筒式双井排采机 f i g l - 7 m o t o rr e v e r s i n gr o l l e rt y p ed o u b l e w e l lp u m p i n gu n i t 综上所述，目前，油田用多井( 双井) 排采机大多以电机作为动力机，并且机型较 6 1 - 围什油大学c 华东) 工剧硕士学位论文 大，冲程较大，而我国煤层气产能区均在不方便供电的山区和边远地区【19 1 ，具有排采载 荷小，煤层气排水具有水量小且不均衡等特点f 2 0 】，因此，油田用排采机不能满足煤层气 排采实际，进而，多井( 双井) 排采机的研究应受到重视，满足排采工艺基础上，进行 实用、可靠、经济的多井排采机的研究和设计迫在眉睫。 1 3 煤层气排采设备的应用现状与不足 1 3 1 应用现状 目前，我国煤层气井排采设备大多数是依赖于开采常规石油天然气时常用的三抽设 备，由于煤层气埋藏浅、与油田采用的开发模式不同，排水具量小且不均衡，排出水中， 煤粉等固性物含量高【2 l 】，排采时载荷小且均匀，存在投资大、设备不配套、重量偏大、 减速箱传动比偏小、不能实现无级调速、平衡系统调节困难、检泵周期短等等问题，是 抑制煤层气连续稳定、高效排采的主要因素，因此，阻碍了煤层气开发的大规模进行【2 2 】。 1 3 2 存在的不足 1 设备不配套 目前，我国还没有专用的煤层气排采设备，煤层气所用排采设备均是从油田设备移 植和改进而来，不符合煤层气排水采气的实际特点，存在设备不配套，大马拉小车的问 题，进一步影响煤层气的排采效益。 2 排采设备单一 由于机、杆、泵设备适用范围广，方便操作，具有可靠的性能，并且几乎不需保养， 因此其成为煤层气排采的常用设备，而，煤层气井随着地区的不同以及地质特征的不同 对排采设备的需求因而不同，因此，常规的三抽设备不能满足煤层气排采的实际。 3 动力装置存在的不足 目前，煤层气排采现场仍然以电机作为动力源，此方式需要架设电网，为电机供电， 但是，我国煤层气资源多分布于偏远的山区，这些地方不方便建设电网，或者建设电网 成本高昂，这样就直接降低了煤层气的开采效益，因此，利用现场的煤层气资源作为动 力源更加适合现场使用【10 1 。 综上所述，我国目前尚没有适合煤层气排采实际的多井排采设备，现有的排采设备 抑制了开采效益的提高和降低了排采设备可靠性，因此，适应我国煤层气排采特点，研 究设计多井单驱动小型排采机，对实现煤层气低成本、高效率开采将起到十分重要的作 7 第章绪论 用。 1 4 本文的主要研究内容 本课题研究的h 的是提出可行的多井排采机的传动系统的方案，适合煤层气排采特 点，降低开采成本，实现煤层气井的经济排采。其包括以下主要研究内容： 第一章：绪论。 简单介绍了煤层气的开发前景、煤层气排采的特点，提出多井单驱动小型排采机设 计的必要性，分析了目前国内外油田用多井( 双井) 抽油机优缺点，最后，指出了进行 本课题研究的意义。 第二章：游梁式多井排采机的理论研究。 研究游梁式排采机悬点所受载荷，给出悬点载荷计算方法，确定动力示功图；建立 游梁式排采机运动动力公式，计算并绘制其主要件能参数曲线；游梁式多井机相同冲次、 不同冲次时性能的研究及优化。 第三章：游梁式多井排采机传动系统结构设计。 提出了游梁式多井排采机传动系统设计目标，给出了两利- 可行的方案，并分析了设 计要求，做了传动系统零部件的设计计算，最终给出了游梁式多井排采机两利，方案的三 维模型，并分析其优越性。 第四章：链条式多井排采机的理论研究。 简要介绍链条式排采机结构及其工作原理，研究链条式排采机悬点所受载荷，给出 悬点载荷计算方法，确定动力示功图；建立链条式排采机运动动力公式，计算并绘制其 主要性能参数曲线；链条式多井机相同冲次、不同冲次时性能的研究及优化。 第五章：链条式多井排采机传动系统结构设计。 提出了链条式多井排采机传动系统设计目标，给出了可行的方案，并分析了设计要 求，做了传动系统零部件的设计计算，最终给出了游梁式多井排采机方案的三维模型， 并分析其可行性和优越性。 第六章：结论 对全文的研究内容进行总结，本文提出的两种多井机的方案结构简单、方便实施、 投入生产，单机驱动多井，效率高，可靠性好，成本低，并且，单井修井作业时，其他 煤层气井可正常工作，应用于煤层气丛式井的排采，具有一定的意义。 8 r f i 固柯油大学( 华东) 工j ：! l ! 硕士学位论文 第二章游梁式多井排采机理论分析 2 1 排采机动力示功模型图的确定 排采机驴头悬点载荷是其在不同的工况条件下工作时，衡量其工作能力的重要参 数，也是煤层气排采设备设计和性能研究的前提和基础【2 3 】。只有掌握了排采机驴头悬点 载荷随悬点位移的变化规律，才能够准确的对排采机各部件进行所受载荷分析，和分析 曲柄轴扭矩变化规律。 2 1 1 悬点载荷计算 有杆泵排采设备在进行抽吸工作时，作用在排采机驴头悬点上的载荷可以分为以下 下三类【2 3 1 ： 静载荷弓：包括抽油杆柱自重之、柱塞上部油管内液柱形成的静油管内液柱载 荷巴，与抽油杆的运动无关1 1 1 ： 动载荷尸d ：包括惯性载荷和振动载荷0 两部分，惯性载荷产生于抽油杆柱和油 管柱内的油管内液柱的变速运动，与排采机的运动有关； 摩擦载荷：主要包括杆管、油管内油管内液柱、柱塞三者之间的相互作用力。 ( 一) 悬点静载荷的计算 1 、上冲程悬点静载荷和下冲程悬点静载荷 在上冲程过程巾，游动阀关闭，抽油泵内油管内液柱的载荷作用于柱塞上，抽油杆 不受浮力作用【2 4 】，因此，此时，驴头悬点静载荷等于抽油杆柱自重和油管内液柱 作用在柱塞上的引起的悬点载荷睨，作用方向向下，其大小为： = + 睨 ( 2 - 1 ) 其中= a ，p 班= g ，班，睨= ( 彳，一a r ) 以班 式中，为杆柱自重，单位：n ； 睨为作用在柱塞上的油管内液柱载荷，单位：n ； 彳，为抽油杆截面积，单位：m 2 ； q 第：i 章游梁式多井排采机传动系统结构设计 彳，为柱塞截面积，单位：m 2 ； g ，为每米抽油杆质量，单位：k g m ； 三为下泵深度，即抽油杆柱总长度，单位：m ； p 为抽油杆的密度，单位：k g m 3 ，一般取p = 7 8 5 0 k g m 3 ； n 为煤层气井巾液体的密度，单位：k g m 3 ，一般取见= 1 0 1 6 k g m 3 ； g 为重力加速度，单位：m s 2 。 下冲程时，游动阀打开后，油管巾液体的浮力作用在杆柱上，而油管内液柱载荷通 过固定阀作用在油管上，而不再作用在悬点上。所以，下冲程巾，作用在悬点上的静载 荷只有抽油杆柱在液体巾的重量，其大小为： = a ，( p 一所) 牡= q ，班 ( 2 - 2 ) 式巾，为下冲程中作用在悬点上的杆柱载荷，单位：n ； q ，为每米抽油杆柱在井液巾的质量，单位：k g m 。 表2 - 1 抽油杆数据 t a b l e 2 1d a t ao fs u c k e rr o d 2 、抽油杆柱和油管柱的静变形五的大小 ( 1 ) 下死点位置处的变形情况 在抽油机一个完整的工作循环中，下死点是下冲程的结束，上冲程开始的一个转折 点，此时，作用在抽油杆和油管柱上的载荷都发生了变化。 抽油杆柱下死点位置处的静变形【2 4 1 ，下死点时，悬点载荷由下冲程的变为上冲 1 0 圈什油大学( 华尔) _ 1 2 j ! l ! 硕士学位论义 程的，增加载荷a w ，a w = 一，载荷增加使抽油杆伸长，抽油杆柱伸长的 大小无为： 见：a w l ：! 坠二坠些 ( 2 3 ) 尉，尉， 公式( 2 3 ) 中，e 为抽油杆柱的材料弹性系数，单位：p a ，e = 2 0 2 1 0 9 p a ； 五，为在静变形过程巾抽油杆柱的伸长量，单位：m 。 下死点位置处油管柱的静变形：下冲程时，游动阀打开，固定阀关闭，载荷a w 作 用在泵筒和油管的下部，而处于上冲程时，游动阀关闭，载荷a w 作用在柱塞和抽油杆 上，油管柱上就不受到此载荷的作用。因此，下死点时，作用在油管柱上的载荷，卸去 载荷a w ，a w = 一，卸载导致油管缩短，截止到油管柱的载荷伞部卸掉，油管 柱缩短才变形结束，油管柱的静变形量的大小厶为： 元：a w l ：! 监二监些 ( 2 - 4 - ) 几= 一= _ = = _ = 二二一 么， 、 e 允e 丸， uu 式中，以为油管柱静变形量，单位：m ； a 6 为油管管壁的截面积，单位：m 2 。 综上所述，在上冲程过程巾，悬点实际冲程长度为s ，考虑到静变形过程巾，抽油 杆柱和油管柱缩短的总长度五的作用，因此，柱塞的有效冲程长度s ，小于实际冲程长度 s ，两者之差为抽油杆柱和油管柱缩短总长度五，其大：j , s b t 2 5 】： m 怡等+ 等= 等笋b - 4 - 石1 ) 协5 ， ( 2 ) 上死点处的静变形 由于上死点与下死点处于的对称位置，因此，该位置的静变形情况可按照分析下死 点的同样方法进行分析【2 5 1 。该位置，抽油杆柱所承担的载荷由上冲程的形岱减小为下冲 程的，两载荷之差为a w = 一，载荷减小过程中，抽油杆柱受载不断缩短， 直到载荷a w 全部减小完毕，抽油杆柱停止缩短，杆柱的静变形量也为a ，。 在上死点位置，油管柱所受载荷增加了a w ，a w = 一，在载荷增加过程中， 第ji 章游梁式多井排采机传动系统结构设计 油管柱受载不断伸长，直到油管柱伞部承担载荷a w ，油管柱停止伸长，此过程巾，油 管柱的伸长量也为丸。 依据上述分析，在下冲程过程中，悬点实际冲程长度为s ，考虑到静变形过程中， 抽油杆柱和油管柱缩短的总长度五的作用，因此，柱塞的有效冲程长度s ，小于实际冲程 长度s ，两者之差为抽油杆柱和油管柱缩短总长度五，其大小与上冲程过程中元大小相 等。 3 、静力示功图 通过上述计算方法可确定悬点静载荷，将悬点静载荷随位移变化规律绘制成图形， 即为静力示功图。 ( 二) 悬点动载荷的确定 1 、惯性载荷 惯性载荷包括抽油杆柱和油管内油管内液柱两部分，将抽油杆柱和油管内油管内液 柱看作刚性体，则组成杆柱和油管内油管内液柱刚体的各点的运动规律可看作与悬点的 运动规律相吻合2 6 1 。此时，杆柱惯性力岷，和油管内液柱惯性力，分别等于杆柱质量 和油管内液柱质量睨和悬点加速度口。的乘积，而作用方向相反，和分别为： r 弧w z g ( 2 - 6 ) = 占口( t 睨gj 式中，s 为油管过流断面扩大引起油管内液柱加速度降低的系数。 ( 以一a ，) 占= 二上 ( 4 譬一么，) 式巾，a 。为柱塞截面积，单位：c m 2 ： a 。为油管流通断面的面积，单位：c m 2 。 表2 - 2 不同泵径对应的柱塞截面积a k 和系数k t a b l e 2 2p i s t o nc r o s ss e c t i o n a la r e a4a n dc o e f f i c i e n tko fd i f f e r e n tp u m pd i a m e t e r s 1 2 圜什油大学【华东) 上榭硕士学位论文 表2 - 2 不同泵径对应的柱塞截面积4 和系数k ( 续) 上冲程时，柱塞带着油管内液柱运动，惯性载荷的等于： = ，+ = ( 1 + 老孵- ( 1 + g ) 等坼 ( 2 7 ) 式巾，q 为液柱惯性载荷对杆柱惯性载荷的比值。 口：竖：堕s ：! 生二生2 旦照g ：鱼! 生二生2 ： l w 矿w y t t z a rp g lpa r ( a g a j 下冲程时，柱塞不带动油管内液柱运动，惯性载荷彤肼等于： 彬吖= 睨，= q g ( 2 - 8 ) 由公式( 2 8 ) ，惯1 牛载荷的等于杆柱、液柱质量与悬点的加速度的乘积，其中，惯 性载荷和悬点加速度均为矢量，两者方向相反，因此，在上冲程前半过程中，悬点所受 的力静载荷与惯性载荷两者方向同向，两者相加为悬点的总载荷；后半过程巾，悬点所 受的力静载荷与惯性载荷两者方向互为反向，前者减去后者为悬点的总载荷。下冲程过 程中，运用此规律亦可求得其悬点总载荷口7 】。 所以，上冲程时，悬点最大惯性力一： 。- ( 1 + g ) 警- ( 1 + g ) 堕g 垡2 - ( 1 + g ) 堡1 s 璺o o g 枷( 2 - 9 ) 。 g 式中，国为曲柄角速度，单位：r a d s ，缈：丝5 6 0 s 为悬点最大冲程，单位：m ： 1 3 第ji 章游梁式多井排采机佑动系统结构没计 胛为悬点冲次，单位：m i n ； k 为与泵径有关的系数，k = 1 4 4 0 a = 3 6 0 万d 2 ，见表2 2 。 下冲程时，悬点最大惯性载荷。： 。吲g = 螽s ( 2 1 0 ) 式中，x 。为下冲程中悬点最大加速度，单位：m s 2 。 根据上述分析，上死点位置处，由于悬点最大惯性力彬嚣。作用于抽油杆，方向向 上，抽油杆受载缩短，此时，柱塞在原来冲程长度上增加冲程长度 ：下死点位置处， 悬点最大惯性力彬肼。作用于抽油杆，方向向下，抽油杆受载被拉长，此时，柱塞又增 加冲程长度如。由此，得柱塞的有效冲程长度大小等于s r = s 一无+ + 如。其中， 和 以分别为惯性力在上、下死点位置处引起的抽油杆柱的变形量。由于悬点惯性力沿抽油 杆柱均匀分布，因此把它看作作用在杆柱重心的集中力，对单级杆柱来说，杆柱的几何 中心即为其重心，则有： ”厶：! 坠竺竺坠竺竺坚( 2 - 1 1 ) + 丑= _ 竺历半l 在原来的静力示功图的基础上，加上惯性载荷在上下死点处引起的变形量，于是， 便得到动力示功图。 2 1 2 动力模型示功图的确定 给定工况条件：额定悬点载荷彬，= 4 0 k n ，冲程s = 1 5 m ，冲次力= 6 m i n 一。 给定工况条件开采参数的数据：曲柄半径r = 0 4 8 m ，连杆长度p = 1 4 7 m ，游梁前 臂长度a = 1 4 3 m ，游梁后臂长度c = 1 0 0 m ，油管直径d = 5 2 4 m m ，流通断面面积 a g = 1 9 8 7 c m 2 ，管壁壁厚仇= 3 9 6 m m ，管壁截面积a 矗= 8 7 c m 2 ，抽油杆直径 d = 1 9 m m ，截面积a ，= 2 8 4 c m 2 ，泵径d = 4 4 m m ，柱塞截面积a = 1 5 2 1 c m 2 。 1 静载荷的计算 上冲程时，悬点静载荷： 1 4 i i 幽什油大学( 华东) 上利硕士学位论文 查表抽油杆杆柱重= a r p 豇= g ，出油管内液柱重= ( 彳。一彳，) n g ，已知 = 4 0 k n ，可求得下泵深度三= 1 1 0 0 m 。 下冲程时，悬点静载荷形肼： 查表得= = 4 ( p 一见) 班= q ，班= 2 2 k n 。 静变形五= 4 5 c m 。 2 惯性载荷的计算 上冲程时，悬点最大惯性载荷彬芥。： 。戤= ( 1 + g ) 堕g = ( 1 + g ) 堕g 垡2s 。= ( 1 + g ) 窑1 8 0 墨0 9 胛2 s 一 其中q = 0 4 ，k = 1 5 ，有形埘m 双= 1 2 4 0 n 。 下冲程时，悬点最大惯性载荷： 只埘。瓤= 口。戤- 陟2 g = , 7 1 2 陟2 刀2 s 18 0 0 9 = 5 9 0 n 惯性载荷引起的变形量 + 厶= 1 7 5 c m 。 3 动力模型示功图 依据上述数据，绘制动力模型示功图，如图2 - 1 所示。 0 0 己0 , 4 0 60 , 8i 01 己1 41 6 图2 - 14 型排采机动力模型示功图 f i 9 2 1d y n a m o m e t e rd i a g r a mo ft y p e4b e a mp u m p i n gu n i t 1 5 第i 章游梁式多井排采机传动系统结构设计 2 2 游梁式排采机运动动力分析 游梁式排采机运动动力分析包括排采机悬点的运动规律的求解和减速箱曲柄轴扭 矩的大小和变化规律的确定2 8 1 。通过运动动力分析，掌握排采机运动规律，分析工作载 荷，计算减速箱输出轴扭矩，是研究多井排采机工作性能，进行传动部分结构设计计算 的理论基础【2 9 l 。 2 2 1 悬点运动规律 如果把游梁式抽油机的曲柄、连杆、游梁后臂看作活动构件，把游梁支点和曲柄转 动巾心的连线看作固定构件，那么游梁式抽油机就可看作带铰链的四连杆机构，其结构 示意简图如图2 - 2 所示，因此，要求悬点的运动规律，首先要用解析法做机构的运动分 析，建立机构的运动方程，研究n 的运动规律。 ， l 厂7 、一 置 0l ， 。 图2 - 2 排采机的机构简图 f i 9 2 2 t h es i m p l i f i e ds k e t c hm a po fp u m p i n gu n i t 图2 2 所示的铰链四杆机构中： r 曲柄半径，单位：m ： 尸连杆长度，单位：m ； c 游梁后臂长度，单位：m ； a 游梁前臂长度，单位：m ； k 游梁支承中心到曲柄轴旋转巾心的距离，单位：m ； ，游梁支承中心到曲柄轴旋转中心的水平距离，单位：m ； 1 6 圜什油大学【华东) 1 程硕士学位论文 一g 游梁支承巾心到曲柄轴旋转巾心的垂直距离，单位：m ； 臼曲柄转角，定义与y 轴正向夹角为零时为曲柄起始位置，单位：r a d ； 国曲柄旋转角速度，一般等于万刀3 0 ，单位：s 一： 刀冲次，单位：m i n 一1 ； 万游梁支承中心到曲柄轴旋转巾心连线与x 轴夹角，单位：r a d ； 缈曲柄与日一g 的夹角，单位：r a d 。 建立如图2 2 所示的坐标系，得到一个封闭矢量多边形o m n o7 ，其中曲柄旋转中 心为坐标系原点，各构件表示为杆矢量。若以五、声、0 、霞分别表示各构件的矢量， 该机构的封闭矢量方程式为j + 户：e + 引3 0 1 。 ( 1 ) 位置分析 已知量：曲柄转角秒，则有： q = 昙+ 汐 吼= a r c c o s ( 寺 机构的封闭矢量方程