双轮直平式抽油机结构设计.doc

中国石油大学 北京 现代远程教育中国石油大学 北京 现代远程教育 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 摘摘 要要 机械采油是我国石油开采的主要 方式 近些年来 我国石油工业 发展十分迅速 机械采油工艺技术也有了很大的进步 采油机械技术装 备的配套水平也得到不断 提高 已形成了有杆泵 水力活塞泵 潜油 电泵和气举等四种采油形式 并且现在已在全国范围内的油田进行了推 广和使用 目前能够满足生产需要 然而我国年使用油量的增长速度十 分迅猛 而油田地下储油量却在不断降低 而且石油开发难度也越来越 大 改善传统的机械采油工艺和创新采油工艺变得越来越重要 同时 油田开发业经历了复 杂的过程 由初期的低速开发 中期的调整扩建 产能高速开发 到高含水稳产开发 特高含水产量递减开发四个阶段 而油田含水也经历了也从无水期到低含水期 到中含水期 再到高含水 开发期的发展历程 关键词关键词 石油 开采 工艺 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 2 1 1 目前机械采油现状及存在问题 2 1 2 抽油机的发展及节能 4 1 3 在役游梁式抽油机优化设计的研究 6 1 4 本次设计意义 7 第二章第二章 新机型的方案设计新机型的方案设计 3 2 1 传动方案的设计 3 2 2 基本参数拟定 6 2 3 主要结构尺寸确定 16 第第 3 章章 新机型的运动分析新机型的运动分析 17 3 1 运动规律分析 17 3 2 计算结果对比 19 3 3 运动性能对比 20 第第 4 章章 新机型的动力分析新机型的动力分析 22 4 1 抽油机扭矩分析 22 4 2 电动机选择分析 25 4 3 节电效果分析 28 第第 5 章章 新机型的应用分析新机型的应用分析 29 5 1 新机型的意义 29 5 2 新机型抽油机的特点 31 结结 论论 34 参考文献参考文献 35 致致 谢谢 36 第一章第一章 绪论绪论 1 1 目前机械采油现状及存在问题目前机械采油现状及存在问题 抽油机是油田有杆抽油系统的地面驱动设备 它是有杆抽油系统的 地面动力传动设备 也是石油开采的主要设备 原油生产井使用抽油机 将蕴藏在地下的石油通过抽油管抽出 据统计在油田生产成本中约有三 分之一为电能消耗 而抽油机消耗的电能约占总电能消耗的 80 对抽油 机的机械系统和电气控制系统进行节能改造 可带来相当可观的经济效 益 是构成 三抽 系统的主要组成部分 抽油机的产生和使用已经有 了一百多年的历史 发展到现在 抽油机的种类主要有游梁式抽油机和 无游梁式抽油机两大类 其中游梁式抽油机的应用最为广泛 各个产油 国仍然在大量使用 游梁式抽油机具有结构简单 制造容易 可靠性高 操作维护方便 适应现场工况 使用寿命长并且一次性投资少等特点 在今后相当时间内仍然是油田首选的采油设备 但是由于常规机本身结 构特征 决定了它平衡曲柄净扭矩脉动大 存在负扭矩 载荷率低 工 作效率低和能耗大等缺点 随着很多油田逐渐进入开发的中后期 油井 含水量不断上升 使生产成本不断增加 常规游梁抽油机已经不能满足 需要 因此需要开发各种新型节能抽油机来满足降低成本 节能降耗 近 20 年来 世界抽油机技术发展较快 科研人员研究开发了多种新型 抽油机 特别无梁式抽油机的出现解决了很多常规机出现的弊端 这些 新机型的特点是 增加了抽油机的适应性 可靠性 经济性和先进性 改善了抽油机的性能 提高了抽油效率 减少了动力消耗 提高了抽油 机的平衡效果 改善了抽油机的动力特性 运动特性 提高了抽油机的 平衡效果 增加了抽油机的使用范围 减少抽油机的体积和质量 强化 了抽油机的自动化和智能化程度 因此 研制开发新型节能抽油机是当 前亟待解决的问题 目前 有杆泵抽油机是油田的主要采油设备 其不但使用数量大 用电量大 而且系统效率低 节电潜力巨大 虽然也有很多节能型抽油 机用于油田 也确实起到了一定的节能效果 但由于多方面原因 大部 分节能机不能很好的适应油田的生产 具体有以下 5 种原因 部分新 型机的易损件不是通用件 坏了之后不便维修 部分新型机造价太高 油田投资巨大 目前各种新型抽油机 传动元件的使用寿命尚不理想 实践证明 新型抽油机的可靠性是决定抽油机成败的关键 油田工人 一时很难熟悉一些新型机 日常维护困难 一些新型机虽然节能但维 修费用高 入不敷出 大庆油田是全国最大的油田 目前油田常用的抽油机包括 常规游 梁式抽油机 前置式抽油机 异相曲柄抽油机 偏置式抽油机 摆杆式 抽油机 双驴头式抽油机 复合轮式抽油机 摩擦换向式抽油机 六连 杆增程式抽油机 偏轮式抽油机 B 游梁式抽油机等等 部分新型节能 抽油机正在实验当中 由于大部分新型抽油机各有优缺点 所以还没有 大批量投入使用 近年来 随着大庆油田老区块开发的不断深入 油田含水率迅速上 升 开发经济效益逐年下降 剩余未动用储量绝大部分是有效厚度较小 储量丰度较低的难采储量 目前 企业在资金紧张 降低基本建设投资 和控制生产成本的情况下 对于老区块应何时改变采油方式 才能延长 油田的经济开采期 新区块如何根据其地质条件 选择最佳的举升方式 使油田获得更大的经济效益 是企业面临的新问题 因此 开展机械采 油方式优选评价研究很有必要 游梁式抽油机的有杆泵全系统的总效率在国内一般地区平均只 12 23 系统效率低 能耗大 耗电就多 此外 随着老油田油井的 注水开发 油田己进入高含水采油期 不断提高产液量 以液保油 这 是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势 这种开采特点要求抽油机的 冲程越长越好 使得在役的常规游梁式抽油机机型偏小 在一定程度上 已经不能满足长冲程 低冲次的要求 偏置式节能抽油机是国内油田目前使用最多的节能型抽油机 自 80 年代中后期 在我国石油矿场上广泛推广应用了偏置式抽油机 该 机保持了常规抽油机的基本结构 与常规游梁式抽油机相比 该机的游 梁后臂缩短 减速箱相对于支架位置后移 1 2 抽油机的发展及节能抽油机的发展及节能 抽油机的发展趋势主要朝以下几个方向 1 大型化方向 随着世界油气资源的不断开发 开采油层深度逐年增加 石油含水 量也不断增大 采用大泵提液采油工艺和开采稠油等 都要求采用大型 抽油机 所以 近年来国外出了许多大载荷抽油机 例如前置式气平衡 抽油机最大载荷 213KN 气囊平衡抽油机最大载荷 227KN 等 将来会有 更大载荷抽油机出现 2 低能耗方向 为了减少能耗 提高经济效益 近年来研制与应用了许多节能型抽 油机 如异相双驴头抽油机 摆杆抽油机 渐开线抽油机 摩擦换向抽 油机 液压抽油机及各种节能装置和控制装置 3 朝着高适应性方向发展 现在抽油机应具备较高的适应性 以便拓宽使用范围 例如适应各 种自然地理和地质构造条件抽油的需要 适应各种成份石油抽汲的需要 适应各种类型油井抽汲的需要 适应深井抽汲的需要 适应长冲程的需 要 适应节电的需要 适应精确平衡的需要 适应无电源和间歇抽汲的 需要 4 朝着长冲程无游梁式抽油机方向发展 近年来国内 外研制与应用了多种类型的长冲程抽油机 其中包括 增大冲程游梁式抽油机 增大冲程无游梁式抽油机和长冲程无游梁式抽 油机 实践与理论表明 增大冲程无游梁式抽油机式增大冲程抽油机的 发展方向 长冲程无游梁式抽油机是长冲程抽油机的发展方向 5 朝着自动化和智能化方向发展 近年来 抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化 BAKER 提 升系统公司 DELIA0 X 公司 APS 公司等研制了自动化抽油机 具有保 护和报警功能 实时测得油井运动参数及时显示与记录 并通过综合计 算分析 得出最优工况参数 进一步指导抽油在最优工况抽油 NSCO 公司职能抽油机采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测 具 有抽油效率高 节电 功能多 安全可靠 经济性好 适应性强等 总而言之 抽油机将朝着节能降耗并具有自动化 智能化 长冲程 大载荷 精确平衡等方向发展 抽油机节能技术目前主要从以下几个方面进行研究 1 改进抽油机结构 这种方法主要是通过对抽油机四杆机构的优 化设计和改变抽油机平衡方式来改变抽油机曲柄净扭矩曲线的形状和大 小 使扭矩波动平缓 从而减小抽油机的周期载荷系数 提高电动机的 工作效率 达到节能的目的 2 采用节能驱动设备 这种方法是从研究电机的特性入手 研究 开发新型的电动机 使之与采油井井况相匹配 进而达到提高电动机的 效率和功率因数的目的 即采用高转率的电动机 转差率 8 13 和朝 高转差率电动机代替常规转差电动机 转差率 5 另外 还有采用节 能配电箱来实现节电的 3 采用节能控制装置 如 DCS 系列抽油机多功能程控装置 间抽 定时控制 4 采用节能原部件 如窄 V 型带传动或同步带传动等 5 改进平衡方式 如采用气动平衡或天平平衡等 6 改进 三抽 系统部件 有采用抽油杆导向器 空心抽油杆 减震式悬 件 都可提高三抽系统的工作效率 达到节能的目的 7 采用高效节能泵 提高泵效 降低百米吨耗 实现节能 总之 近年来抽油机节能技术的研究己经成为科技攻关的方向 以 上七种方法取得了显著的节能效果 1 3 在役游梁式抽油机优化设计的研究在役游梁式抽油机优化设计的研究 游梁式抽油机是石油开采的主要设备 也是主要耗能设备 其驱动电 机负载率通常都小于 30 这种情况的存在 使电能的利用率降低 增加 了电能的损耗 目前 常规游梁式抽油机因其结构简单 操作维修方便 使用寿命长等原因 仍为各大油田的主要采油设备 其数量约占抽油机总 数的 50 左右 但因其主体结构为铰链四连杆机构 其运动速度 加速 度峰值 扭矩因数峰值 曲柄轴净扭矩峰值都较大 扭矩曲线波动亦较 大 存在负扭矩 因此能耗较大 对在役常规游梁式抽油机进行节能技术 改造具有非常重要的意义 方便的前提下 建立了常规游梁式抽油机运 动学 动力学分析的数学模型 分析得出常规游梁式抽油机四杆机构中 游梁后臂 C 连杆 P 以及曲柄半径 R 的减小都可以降低扭矩因数峰值 减小所需最大平衡扭矩 使减速箱曲柄轴净扭矩曲线变得平缓 波动减小 因此 三种优化方案 分别为优化游梁后臂 C 优化游梁后臂 C 和连杆 P 优化游梁后臂 C 连杆 P 和曲柄半径 R 采用了遗传算法分别对三种方 案进行了优化设计 由优化结果分析可得 优化后抽油机悬点速度 加速 度 扭矩因数峰值都降低了 在原有最大平衡扭矩的作用下 平衡度都有 明显的提高 且极位夹角均增大了 工作制度变为非对称循环 同时曲柄 轴净扭矩峰值都有明显的减小 三种优化方案中 通过对比分析得出 对 游梁后臂 C 进行改造不仅可以节约改造成本 且改动件少 现场安装方便 电 机输出功率可由原来的 11 77kw 减小到 9 88kw 节电率为 15 95 达到 节能降耗要求 为最佳改造方案 其二可以变频调速和功率因数闭环控制 这种游梁式抽油机节能装 置的硬件部分以 AT89C51 单片机为核心 包括主电路 控制电路 驱动 电路 保护电路 功率因数检测电路和能量回馈电路等部分 主电路采 用交 直 交电压型结构 控制电路部分由脉宽调制芯片 SA866AE 产生 SPWM 控制信号 AT89C51 单片机控制部分由显示电路 键盘电路 复位 电路 记忆电路 功率因数计算电路和频率输出电路等组成 驱动电路 选用 IGBT 专用驱动模块 EXB841 进行控制信号的放大 保护电路实现过 流过压保护 短路保护等功能 软件部分包括 SA866AE 外接 EEPROM 初 始化参数的设计 单片机控制程序和电机软启动程序 软件采用汇编语 言编程 论文最后对所设计的部分电路进行了实验分析 胜利油田现 场运行测试结果表明 该装置可以使三相交流异步电动机功率因数大幅 提高 综合节电率达到 26 58 节能效果明显 1 4 本次设计意义本次设计意义 目前 我国开采石油耗电指标与国外先进水平相比 还有很大差距 我国抽油机的运行效率特别低 平均效率仅为 25 96 而国外平均水 平为 30 05 年节能潜 力可达几十亿千瓦时 尽管研制和应用了一些 节能抽油机 但是由于使用数量不多 其总耗电量还是很大的 近年来 我国研制的新型抽油机 几乎都具有高效节能特点 目前 在用的抽油 机系统效率一般在 20 30 之间 因此 开展新型抽油机 替换常规机 型是大势所趋 随着油田的不断开发 地层能量逐渐消耗 为了保证原 油的稳产 高产 机械采油己经成为广泛采用的一种方法 我国有机采 油井 5 万多口 占油井总数的 80 左右 抽油机井的耗电量占总耗电量 的四分之一 由于抽油机井的系统效率较低 大量的能量 70 以上 在 传递过程中损失掉 如果将抽油机井的系统效率提高 5 年节电 20 10e8 千瓦时 这不仅可节约大量资金 而且 还可以缓解油田电 力紧张状况 当今世界 资源日益匮乏 为了人类的继续生存 节约 成为永 远不变的一个主题 本设计既是针对 节能降耗 要求展开的 其理论 意义在于找出机械采油中节能降耗的技术关键和理论依据 对现有抽油 机结构进行优化和创新 设计出双轮直平式抽油机结构 使其提高油田 采油效率 降低能量损失 具有较高经济效益 双轮直平式抽油机是油 田采油机械中的新型设备 对它进行深入研究 必然使采油机械中又增 添新品种 因而具有较高的理论意义 如果推广本成果 必将为油田生 产提供新的动力 对稳产增效 节能降耗 发展油田生产有很重要的应 用价值 第二章第二章 新机型的方案设计新机型的方案设计 2 1 传动方案的设计传动方案的设计 2 1 1 传动机构设计传动机构设计 尽管抽油机的种类很多 但是在油田上被普遍采用的抽油机种类并 不多 目前最广泛的是机械平衡式抽油机 它主要由游梁 驴头 横梁 连杆 曲柄 机构 支架 底座 悬绳器 平衡重及原动机等组成 因 此 根据油田上被普遍采用的常规式抽油机以及国内 外现行的节能抽 油机实现动作所依赖的机构 将机构方案定为四连杆 传动方案如图 2 1 所示 图 2 1 双轮直平式抽油机运动简图 双轮直平式抽油机区别于常规游梁式抽油机的地方如下 1 双轮 常规抽油机的驴头用来将游梁前端的往复圆弧运动变为抽油杆的 垂直直线往复运动 我们将常规游梁式抽油机的游梁以及驴头部分改成 双轮机构 这样就简化了结构 并且能够满足运动要求 为了满足冲程 的要求 我们可以让轮旋转较大角度 这样 大转角乘以小半径仍然能 够实现规定的冲程 2 平衡重 由于常规游梁式抽油机上 下冲程的载荷很不均匀 上冲程时 驴头需要提起抽油杆柱和油柱 而下冲程时 抽油杆依靠自重就可以下 落 这样使发动机做功极不均匀 为了使上 下冲程发动机做功均匀 采用了平衡重结构 游梁式抽油机平衡重可分为游梁平衡重和曲柄平衡 重 而双轮直平式抽油机采用直接平衡 即平衡重直接连接在轮上 这 样就大副降低了悬点负荷 改善了连杆 曲柄的受力状态 3 极位夹角 抽油机在整个工作过程中所要承受的载荷相当大 并且还要保证 抽油机的工作寿命 所以就要降低抽油杆的运动速度 因此 采用了极 位夹角 即在整个周期中 上冲程时间较长 下冲程时间较短 4 电动机 电动机是抽油机的动力源 由于常规游梁式抽油机负扭矩大以及 扭矩波动不平缓 而造成了电动机工作不平稳 工作效率较低的现象 双轮直平式抽油机采用在轮上直接平衡的方法 使电动机在整个抽油过 程中所要克服的扭矩就大为减少 那么电动机的实际功耗和装机功率均 有大幅下降 5 结构尺寸 在设计的过程中始终注意现行抽油机的结构尺寸 让双轮直平式 抽油机尽量比现行抽油机型结构简单 以便于双轮直平式抽油机的制造 加工和维护 这样有利于该机型的市场经济效益 2 1 22 1 2 传动原理传动原理 如图 2 l 所示 1 为电动机 2 为 V 带 3 为减速器 4 为曲柄 5 为连杆 6 为平衡重 7 为双轮 8 为钢丝绳 电动机通过三角皮带传 动带动减速箱 电动机的速度经减速箱减速后 再通过曲柄 连杆 轮 将减速箱输出轴的旋转运动变为轮的往复旋运动 轮的往复旋转运动带 动抽油杆作上下往复直线运动 图 2 2 传动原理图 实际上双轮直平式抽油机的传动原理与常规机是一样的 双轮的 后轮相当于常规机的游梁后臂 前轮相当于常规机的游梁前臂 抽油杆 变成了弹性钢绳 主要运动部件如图 2 2 所示 图中 1 是曲柄 2 是连 杆 3 是后轮 2 1 32 1 3 传动特点传动特点 1 该机采用双轮结构代替了常规游梁式抽油机的游梁 并且是双 跨式 这样有利于修井作业 使之不必让开井口 2 该机采用无游梁直接驱动 缩短了传动链 使传动效率提高到 90 3 平衡重直接连接在轮上 大副降低了悬点负荷 改善了连杆 曲柄的受力状态 使连杆和曲柄不易发生断裂 增加了使用寿命 提高 了该机的安全可靠性 4 增大了极位夹角 实现了 上慢下快 的运动方式 增加了泵 的充满度 提高了产液量 5 由于采用了无游梁驱动 该机的整体结构比常规游梁式抽油机 更加简单 2 2 基本参数拟定基本参数拟定 抽油设备的功用就是从一定的井深处抽出一定的数量的原油 所 以 井深和产量就标志着抽油设备的工作范围 为了达到这两个目标 对抽油机的工作能力提出了四方面的要求 它们分别是悬点 挂抽油杆 处 的最大悬点载荷 悬点最大冲程长度 悬点最大冲程次数和减速箱 曲柄轴的最大允许扭矩 这就是抽油机的基本参数 下面分别来分析 2 2 12 2 1 悬点最大载荷确定悬点最大载荷确定 悬点载荷是表明抽油机工作能力的重要参数之一 也是抽油机设 计技术和选择使用的主要根据 目前 悬点的最大允许载荷从 max P 5 8kN 到 150 280kN 根据悬点最大允许载荷的变化范围 可把抽油机分为下列几 max P 种 轻型抽油机 30kN max P 中型抽油机 30kN 100kN max P 重型抽油机 100Kn max P 油杆P P 当抽油泵工作时 抽油机的悬点上作用有以下六项载荷 97 1 抽油杆柱自重 它在油中的重量为 作用方向向下 杆 P 杆 P 2 油管内 柱塞上的油柱重 即柱塞面积减去抽油杆面积上 油 P 的油柱重 作用向向下 3 油管外油柱对柱塞下端的压力 的大小取决于泵的沉没 压 P 压 P 度 作用方向向上 4 抽油杆柱与油柱运动产生的惯性载荷和 它们的大小 杆惯 P 油惯 P 与悬点加速度的小成正比 而作用方向与加速度的方向相反 5 抽油杆柱与油柱运动所产生的振动载荷 的大小和方向 油 P 油 P 都是变化的 6 柱塞与泵筒间 抽油杆和油管的半干摩擦力 抽油杆柱与 摩干 P 油柱间 油柱与管间以及油流通过抽油泵游动阀的液体摩擦力 摩液 P 和的作用方向与抽油杆运动方向相反 其中游动阀的液体摩擦 摩液 P 摩干 P 力只在泵下冲程 游动阀打开时产生 所以它的作用方向只向上 上述 1 2 3 三项载荷与抽油杆的运动无关 称为静载荷 4 5 两项载荷与抽油杆的运动有关 称为动载荷 6 项载荷也与 抽油杆的运动有关 但是在直井 油管蜡少和原油粘度不高的情况下 它们在总作用载荷中占的比重很小 约占 2 5 一般可以略去不计 下面分别讨论以上几种载荷 抽油机在空气中的重量为 杆 P LLP 杆杆杆杆杆 fgf 油管内 柱塞上的油柱重为 油 P LFLFP 液杆液杆油 f g f 抽油杆载油中的重量为 杆 P LLP 液杆杆液杆杆杆 fgf 油井中动液面以上断面积等于柱塞面积的油柱的重量为 油 P f g fHLFLFP 液杆液杆油 式中 抽油杆材料的密度 kg 杆 3 m 抽汲液体的密度 kg 液 3 m 抽油材料的重度 N 杆 3 m 抽汲液体的重度 N 液 3 m F 泵柱塞的面积 2 m 抽油杆截面积 m 杆 f L 抽油杆长度或下泵深度 m 下面分别对上冲程 下冲程 上死点 下死点四种情况进行分析 见图 2 1 所示 1 上冲程 当悬点从下死点向上移动时 如图 2 1a 所示 游动阀在柱塞上部 油柱的压力下而关闭 而固定阀在柱塞下面泵筒内 外压差的作用下打 开 由于游动阀关闭 使悬点承受抽油杆自重和柱塞上油柱重 杆 P 油 P 这两个载荷的作用方向都向下 同时 由于固定阀打开 使油管外 定 沉没度的油柱对柱塞下表面产生向上的压力 因此 上冲程时悬点 压 P 的静载荷为 压油杆静上 PPPP 油杆 油沉杆杆 沉油杆油杆杆 PP LFFL FLFL h f f hff 2 下冲程 当悬点载荷由上死点向下移动时 如图 2 1 所示 游动阀在上 下 压力差作用下打开 而固定阀在泵筒内 外压力差作用下关闭 游动阀 打开 使悬点只承受抽油杆柱在液体中的重量 固定阀关闭 使油 杆 P 柱重量转移到固定阀和油管上 因此 下冲程时悬点的静载荷为 静下 P 静下 P 杆 P 对抽油杆来说 上死点悬点载荷瞬时发生变化 由下冲程的变 静下 P 到上冲程 增加了其大小为 载荷增加使油杆伸长 伸长的 静上 PP 油 P 大小为 杆 杆 油 杆 杆 ffE LP E PL 式中 E 钢材的弹性模数 2 1 N 11 10 2 m a 上冲程 b 下冲程 图 2 1 悬点载荷作用 在伸长变形完成以后 载荷才全部加在抽油杆或悬点上 实际 P 上 在抽油杆柱受载伸长的过程中 驴头已经开始上冲程 当悬点向上 走了距离时 由于同时产生的油杆柱伸长的结果 使柱塞还停留在 杆 原来的位置 即柱塞相对泵筒没有运动 因而不抽油 如图 2 2C 所示 对油管柱来说 下冲程时 由于游动阀打开和固定阀关闭 整个油 柱重量都由柱塞和抽油杆柱承担 而油管柱上就没有这个载荷的作用了 因此 在抽油柱加载的同时油管柱卸载 卸载引起油管柱的缩短 直到 缩短变形完毕以后 油管柱的载荷才全部卸掉 油管柱缩短的大小 为 管 管 油 管 f E LP 式中 油管管壁的断面积 管 f 2 m 这样一来 虽然悬点带着柱塞向上移动 但是由于油管柱的缩短 使油管柱的下端也跟着柱塞向上移动 柱塞相对泵筒没有运动 还不能 抽油 如图 2 2d 所示 一直到悬点经过一段以后 柱塞才开始抽油 管 上冲程 下冲程 a b c d e 图 2 2 抽油杆柱和油管柱变形过程 3 上死点 经分析表明 悬点从下死点到上死点虽然走了 S 但由于抽油杆柱 和油管柱的静变形 使抽油泵柱塞的有效冲程长度比 S 小 效 S S 效 S 而静变形为 管 油 杆 油 管杆 EfEf LPLP 管 杆油 f f 1 E L P 杆 2 10 式中 称为变形分配系数 一般可取 0 6 0 9 管 杆 f f 1 1 4 上死点 它和下死点情况恰恰相反 这时对抽油杆柱来说 静载荷由上冲程 的变到下冲程的 减小了油柱重 抽油杆因 效管杆油静下静上 SPPP 静下 P 油 P 而缩短了 因此 当悬点向下走了时 由于抽油杆柱的缩短 柱 杆 杆 塞在井下原地不动 它对泵筒不产生相对运动 因而不能排油 而对油 管柱来说 因为加载而伸长了 油管 或泵筒 好象跟着柱塞往下 油 P 杆 走 所以 在悬点再走完入以前 柱塞和泵筒还不能产生相对运动 管 也不会排油 因此 在排油过程中 柱塞的有效冲程长度比悬点冲 效 S 程长度 S 减小了一个同样的静变形值 上 下冲程中悬点载荷随悬点位移的变化规律用图 2 3 来表示 这 种图形称为静力示功图 图 2 3 静力示功图 图中 AB 斜线表示悬点上冲程开始时载荷由柱塞传递到悬点的过程 EB 线相当于柱塞与泵筒没有发生相对运动时悬点上行的距离 即 EB 当全部载荷都作用到悬点以后 静载荷就不再变化而成水平线 BC 到达上死点 C 为止 CD 段表示抽油杆柱的卸载过程 卸载完毕后 悬点又以一个不变的静载荷向下运动 成为水平线 DA 而回到 A 根据大庆地区的实际情况 泵挂 1000m 沉没度 300m 泵径 70mm 抽油杆直径 25mm 冲程 S 3m 冲次 n 9 次 min 含水 0 9 2462 m1090 4 41052254d 杆 f 33 m76930m8 97850NN 杆 33 m9310m8 9950NN 油 2462 m10 5 3841070704d F L 1000m m300h 沉 沉油油杆杆静上 hf LFLP 静上 300100010 5 38931093107693010001090 4 410 P NP 4 108 525090 8 33133 静上 所以 1 上冲程 沉油油杆杆静上 hf LFLP N 4 108 5 2 下冲程 NLPP 4 103 3f 油杆杆杆静下 3 下死点 m26 0 杆 4 上死点 0 26m 2 2 22 2 2 悬点最大冲程长度悬点最大冲程长度 maz S 悬点最大冲程长度主要决定了抽油机的产量 在石油机械中 应用 的悬点最大冲程长度从 0 3 到 10 米 而最为广泛的是在 6 米以下 maz S 根据大庆地区现行抽油机的情况 本机型的最大冲程长度设计在 3 00 米 2 2 32 2 3 悬点最大冲程次数悬点最大冲程次数 max n 悬点的最大冲程次数表明了抽油机的抽汲工况 最大冲程次数 和悬点最大冲程长度一起确定了抽油机的最大产量 当泵径一 max n maz S 定时 目前实际应用的最大冲次从 2到 20由于抽油杆的折 1 min 1 min 断次数与之成正比 因此限制了冲次的提高 根据大庆地区的现行抽油机的情况 本机型的最大冲程次数定 max n 为 9 1 min 2 2 42 2 4 减速箱曲柄轴的最大允许扭矩减速箱曲柄轴的最大允许扭矩 max M 曲柄轴的最大允许扭矩与悬点载荷 悬点最大冲程长度以及悬点的 最大冲程次数有着一定的关系 特别是和悬点最大冲程长度成正比 悬 点冲程长度越大 曲柄轴上的最大允许扭矩就越大 曲柄轴的最大允许 扭矩也确定了减速箱的尺寸和重量 根据减速箱的最大允许扭矩 max M 抽油机可分为 小扭矩 10KN m max M 中等扭矩 10KN m 30KN m max M 大扭矩 30KN m60KN m max M 将扭矩与冲程次数相乘可得抽油机的功率 按照抽油机的功率可将 抽油机分为 小功率 5kw max N 中等功率 5kw 25kw max N 大功率 25kw100kw max N 常规游梁式抽油机由于采用的是曲柄处平衡 悬点的最大载荷主要 取决于抽油杆柱和油柱的重量 其上冲程的最大悬点载荷可达 60kN 因此可称之为重型抽油机 而本机型采用了在轮处直接平衡 这样在上 下冲程的载荷都只相当 20kN 左右 也就是只相当于常规式抽油机的最 大悬点载荷的 1 3 减速箱曲柄轴上的扭矩的计算公式 由于平衡重在 轮上 所以 上冲程时 根据平衡原理 CP MMM 下冲程时 此时比大 根据平衡原理 C M P M M C M P M 式中 M 所需扭矩 平衡重产生的扭矩 C M 悬点载荷产生的扭矩 P M 本机型所采用的在轮处直接平衡 在上下冲程的悬点载荷都被平衡 重所平衡一部分或全部平衡 所达到的效果是只相当于常规式抽油机的 最大悬点载荷的 1 3 并且在整个工作过程中 M 的值波动较小 13 2 3 主要结构尺寸确定主要结构尺寸确定 在设计这个抽油机的过程中 我们本着在原机的基础上进行设计 尽可能的保证与原有结构一样 因此设计出的抽油机的零件与常规机的 零件具有通用性 很多部分的结构与常规机结构相似 这样对于工人操 作没有更多或者更高要求 对于结构尺寸的计算 为了准确 采用了计算机绘图和计算编程来 实现 只需赋值销子所在半径 曲柄长 以及极位夹角计算机会自动算 出连杆的长度 然后结合 AUTOCAD 绘图就能给出各个具体尺寸 如表 2 1 所示本机型的主要结构尺寸 表 2 1 抽油机的主要结构尺寸 垂直中心距 m 4 10 水平中心距 m 2 70 游梁前臂长 悬点半径 m 1 50 游梁后臂长 销子作用半径 m 1 70 极位夹角 13 连杆长度 m 4 25 中心连线长 m 4 9636 轮转角 133 曲柄回转半径 m 1 0 冲程 m 3 0 冲次 min 1 9 第第 3 章章 新机型的运动分析新机型的运动分析 3 1 运运动规动规律分析律分析 在分析悬点运动规律时 目前一般采用两种分析方法 一是简化分 析方法 二是精确分析方法 简化分析方法可分为两种 一种是简化为 简谐运动 而是简化为曲柄滑块机构 简化分析方法的研究结果可用于 一般计算和分析 但是做精确的分析计算和抽油机机构设计时 则有必 要按精确分析方法来研究抽油机的实际运动规律 12 在精确分析抽油机运动规律时 复变矢量法是一种比较简单的方法 根据所设计的抽油机的结构 我们对其进行了简化 如图 4 1 所示为双 轮直平式抽油机的运动分析简图 下面我们就对它进行具体的运动分析 12 图 3 1 运动分析 1 曲柄转角 从 12 点钟位置算起 角速度沿顺时针方向时取为 正值 2 各杆件的参考角等角度均从基杆算起 并且沿逆时 432 针方向取为正值 图中几何关系为 1 sin 1 K 3 1 2 2 L 2 22 cos2 RKKR 3 3 sin sin 2 1 L R 2 cos 222 1 3 CL CLP 3 5 2 cos 222 1 4 CL CLP 3 6 各矢量有如下关系式 CKPR 上述矢量方程用复变矢量可表示为 432 Re iii CeKPe 将上式两边对时间求导可得 432 432 iii ieCKiePieR 或 令方程两边实部和虚部对应相等 则可得如下方程组 443322 coscoscos CPR 443322 sinsinsin CPP 将上述联立方程两边对时间 t 求导 可求得速度 即 sin sin 43 242 3 P R 将上面两式对时间 t 求导 可求得加速度 即 sin sin 43 232 4 C R cot cot 24 2 443 4 3 2 2 3 3 悬点速 cot cot 32 3 243 4 3 2 2 4 4 度及加速度可由下式算出 c V c AVc 4 c 4 A 3 2 计计算算结结果果对对比比 经过上面的分析 通过计算机计算得出结果 并与 CYJ10 3 53HB 常规游梁式抽油机的运动性能进行对比如下 表 3 1 运动性能对比表 CYJ10 3 53HB 双轮直平式抽油机下降率 最大加速度 m max 2 s 2 0241 65118 4 最小加速度 m min 2 s 1 180 1 014 14 1 最大速度 m s max V 1 5121 09327 71 最小速度 m s min V 1 396 1 78127 75 从上表可以看出 最大加速度下降了 18 4 最大速度下降了 27 7 改善了运动性能 加速度的降低减小了抽油杆柱和油柱惯性载荷对悬点 载荷的影响 降低了悬点载荷 改变了受力状态 使该机的可靠性能增 大 同时悬点载荷降低可以使曲柄销的受力变小 减小了曲柄轴上的扭 矩 因此 可以减小电动机的能耗 实现节能 3 3 运动性能对比运动性能对比 在实际井况参数下 双轮直平式抽油机与常规游梁式抽油机 CYJ10 3 53HB 的运动曲线对比如图 3 2 图 3 3 所示 井况参数见表 3 2 表 3 2 井况参数 冲程 m 冲次 次 泵挂 m 沉没度 mm 泵径 mm 杆径 mm 管径 mm 39960 882 3562263 5 常规游梁式抽油机 CYJ10 3 53HB 位移 3 000m 速度 1 521 1 396 maz Vsm min Vsm 加速度 2 024 1 180 max A 2 sm min A 2 sm 图 3 2 CYJ10 3 53HB 型游梁式抽油机运动曲线 双轮直平式抽油机 位移 3 000m maz S 速度 1 093 1 781 maz Vsm min Vsm 加速度 1 651 1 014 max A 2 sm min A 2 sm 图 3 3 双轮直平式抽油机运动曲线 第第 4 章章 新机型的动力分析新机型的动力分析 4 1 抽油机扭矩分析抽油机扭矩分析 为了使悬点一定的载荷 P 和一定的抽汲方式 S 和 n 工作 减速 箱曲柄轴就需要给出一定的扭矩 因此减速箱曲柄轴扭矩是游梁式抽油 机的基本参数之一 实践证明 减速箱曲柄轴扭矩的大小和悬点载荷 各杆件长度的比值和抽油机的平衡情况有密切关系 它的合理确定对减 速箱的设计 电动机功率的选择和抽油设备正常工作条件的保证有重要 意义 下面首先研究一下减速箱曲柄轴扭矩的大小和变化规律 然后根 据扭矩来确定抽油机所需要配备的电动机的额定功率 减速箱曲柄轴上静扭矩的计算公式 式中 悬点载荷扭矩 CP MMM P M P MPTF 平衡重等效的扭矩 C M 在常规式抽油机中 sin sin 21 LrLTF 由于常规式抽油机的平衡中是放在曲柄上进行平衡载荷 因此 在本机型中与 sin为曲柄转角 CC MM F T 常规抽油机是一样的 差别是在平衡重的等效扭矩上 由于本机型的平 衡重是在轮上 在整个过程中没有变化 因此平衡重的等效扭矩可直接 计算 GR C M 平衡重的确定 在上冲程的时候 连杆带动轮旋转 即把悬点向 上提升 这个时候 平衡重能够平衡一部分的悬点载荷 在下冲程的时 候 相当于悬点拖动平衡重向下运动 这个时候平衡重的重量大于悬点 载荷 连杆是推动轮向下运动 这个时候连杆的力相当于是在推动平衡 重的一部分在向下运动 为了在整个过程中使扭矩的波动较小 使发动 机在上冲程和下冲程所做的功尽量相等 图 4 1 抽油机的静力示功图 利用图 4 1 的抽油机静力示功图进行计算 RLPLPG LPLPGR LPLPM GRL C 2 2 2 11 11 11 1 油杆 油杆 杆杆 4 5 由于在前面的计算 33133 8N 25090N 杆 P 油 P 1 5m R 1 7 1 L 可得 68 52kN m C M G 40 305kN 4 11t 平衡重的质量 C m 通过采用计算机编程计算 输入已知常数和任意转角 计算机会 自动为你计算出该角的扭矩因数以及转角时的扭矩值 根据所计算的扭 矩值 画出该机的扭矩曲线图 如图 4 2 所示 对比于常规游梁式抽油 机扭矩曲线 如图 4 3 所示 双轮直平式抽油机 曲柄转矩 M kN m 最大扭矩 18 3 kN m 最小扭矩 0 kN m 图 4 2 双轮直平式抽油机扭矩曲线 常规游梁式抽油机 CYJ10 3 53HB 曲柄转矩 M kN m 平衡扭矩 63 00 kN m 曲柄最大扭矩 76 179 kN m 曲柄最小扭矩 37 516 kN m 最大扭矩 29 51 kN m 最小扭矩 12 52 kN m 图 4 3 常规游梁式抽油机 CYJ10 3 53HB 扭矩曲线 4 2 电动电动机机选择选择分析分析 抽油机工作时 由悬点载荷及平衡重在曲柄轴 减速箱输出轴 上 造成的扭矩与电动机输出给曲柄的扭矩平衡 因此 通过悬点载荷及平 衡来计算曲柄轴扭矩 不仅可以检查减速箱是否在超负荷条件下工作 而且可以用来检查和计算电动机功率及功率利用情况 一定型号的抽油机所配备的减速箱都有允许的最大扭矩 在一定的 情况下 它既限制着油井生产所采用的最大抽油参数 S n D 及 L 同时又限制着为了保证大参数生产所需要的电动机功率 在生产中既不 能只看选点最大载荷 而任意采用大参数生产 也不能单纯根据大参 数抽汲的需要 而随意使用大功率电动机 例如 对于 5 型抽油机 一 般选用的电动机功率最大不要超过 20 22Kw 如果选用 27 30 的电动 机 则会出现两种情况 一是电动机过大 而功率利用不充分 电动机 效率和功率因数都低 或者电动机在满载条件下工作 但抽油机必然 在超载荷或超扭矩的条件下工作 虽然国外有些油田用天然气发动机做 抽油机动力 但大多数抽油机则以电动机作为动力 因此 在抽油机井 较多的油田上 用于抽油的电能消耗量很大 抽油装置电动机的选择 一方面关系到电能的利用效率 另一方面将关系到能否充分发挥抽油设 备和油层生产能力的问题 因此 电动机的选择是一件很重要的事情 它与扭矩 载荷等密切 相关 现在电动机的选择是根据输出扭矩 额定功率来选择的 抽油机的 电动机选择一般是通过均方根扭矩来计算的 电动机的功率与传递到减速箱从动轴 曲柄轴 上的扭矩关系为 nNM 9550 21 式中 传至曲柄轴上的扭矩 N m M N 电动机额定功率 Kw N 曲柄周转数 悬点冲次数 1 min 传动效率 皮带传动效率 1 减速箱传动效率 2 由上式就可以得到根据曲柄轴上的扭矩确定所需要的电动机额定功 率的计算公式为 9550 Mn N 由上式可以看出 电动机工作时 实际在曲柄轴上所产生的扭矩和 冲数决定所需要的电动机功率 但是曲柄轴扭矩整个工作过程中是变化 的 而只在上 下冲程的某一瞬时达到最大值 在变负荷条件下 电动机的选择就不能根据瞬时扭矩来计算 否则 电动机在大部分时间不能满载工作 起效率和功率因数都不高 电动机 利用率不充分 在变载荷条件下 电动机的选择一般方法是根据负载电 流或扭矩的变化规律 按均方根求出等值电流或等值扭矩来计算 则 9550 nM N e r 式中 电动机额定功率 KW r N n 冲数 1 min 传动效率 曲柄轴上的均方根扭矩 N m e M 所谓均方根扭矩 就是用一个不变化的固定扭矩代替变化的实际扭 矩 使其电动机的发热条件相同 则此固定扭矩即为实际变化扭矩的等 值扭矩 它可以计算得到的扭矩曲线或测得的瞬时扭矩来计算 i ii n nn e M MMM dMM 2 21 2 2 2 21 2 1 2 0 2 2 1 式中 M 曲柄轴瞬时扭矩 随曲柄转角而变 N m 曲柄转角 计算时取的间隙越小 则计算越准确 的计算时 计算机充分显示了它的优越性 你可以尽量的取 e M 小 这样算出来的值就越准确 经过计算机的计算 得到 13 1Kw r N 在计算扭矩的时候我发现本机型的扭矩在整个过程中的最大 值较常规机减少了很多 且在整个过程中扭矩的无负值 消除了常规机 中出现的下冲程发动机反而接受能量的现象 变化不大 波动较小 达到了设计要求 18 4 3 节电节电效果分析效果分析 所谓节电率是指电动机有功功率的相对下降率 它表明在同等工况 下 电动机在改造前后耗电的相对值 是衡量介电性能指标的主要指标 即 N NN e 4 11 式中 节电率 N 为改造前 后电动机的输出功率 kW e N 当然 衡量节电指标除此之外 尚有米吨液耗电指标 从示功图上 算出光杆功率 再求电动机输出功率等方法 但最直接的是测试电动机 有功功率 14 综上所述 由于该抽油机的均方根扭矩波动系数值有明显下降 所 以电动机输出功率将会降低 也就节约了电能 扭矩波动幅度下降 说 明扭矩变化较均衡 有利于改善电动机的工况 进而提高其功率因数和 电动机的工作效率 第第 5 章章 新机型的应用分析新机型的应用分析 5 1 新机型的意新机型的意义义 当今世界 资源有限而匮乏 而对资源的消耗却永无止境且与日 剧增 尤其是石油资源的消耗 进入 2008 年以来 由于政治 资源 外交等各种因素 国际原油价格再次猛烈上扬 一度相继突破 120 130 140 美元大关 但其迅猛涨势却丝毫没有降下来的趋势 石 油价格的剧烈上涨对世界各个国家的经济发展和政治格局均造成不同程 度的影响 由此牵连引发的物价上涨 居民消费水平上涨 货币贬值 股市下跌等直接关系到很多国家的发展甚至存亡 世界对石油的需求在 日益上涨 固然对石油价格的上扬显得非常的敏感而无奈 为了人类的 可持续发展和生存 节约 成为世界上很多国家的共识和一直倡导的 主题 尤其是对于资源消耗大国 所以 节能降耗将是抽油机设计的永 远主题 利用游梁式抽油机进行机械采油 在大庆约占 80 据统计我国各 油田在用游梁式抽油机近 7 万套 装机容量达 150 万 kW 每年耗电量 300 多亿度 是油田主要耗电设备 约占总耗电的 1 3 在黑龙江省耗 电的最大户就是大庆 而在大庆 机械采油是耗电量最多的 目前 对 大庆油田的常规抽油机进行改造不仅必要而且是各采油厂的迫切需要 目前 我国开采石油耗电指标与国外先进水平相比 还有很大差 距 我国抽油机的运行效率特别低 平均效率仅为 25 96 而国外平 均水平为 30 05 年节能潜力可达几十亿千瓦时 在用的抽油机系统 效率一般在 20 30 之间 因此 开展新型抽油机 替换常规机型是大 势所趋 随着油田的不断开发 地层能量逐渐消耗 为了保证原油的稳 产 高产 机械采油己经成为广泛采用的一种方法 我国有机采油井 5 万多口 占油井总数的 80 左右 抽油机井的耗电量占总耗电量的四分 之一 由于抽油机井的系统效率较低 大量的能量 70 以上 在传递过 程中损失掉 如果将抽油机井的系统效率提高 5 年节电 20 10e8 千 瓦时 这不仅可节约大量资金 而且 还可以缓解油田电力紧张状况 如图 5 1 的对比表中可看出 1 双轮直平式抽油机在指定工况下 装机功率下降 66 6 实耗 功率节电率 32 4 大庆地区的常规机约 1 7 万台 如果都该用这种 抽油机每天节约的电费将达到 120 多万元 每年按 365 天计算的话 每 年节约的电费将超过 4600 万元 如果全国的近 7 万台常规抽油机都改 成双轮直平式抽油机的话 每年节约的电费将高达 19 亿元 2 减速箱曲柄轴扭矩峰值下降 37 4 这样所需减速箱可下降一 二个档次 在抽油机中减速箱的花费大约占整个抽油机成本的一半 降 低了减速箱的档次就相当于把抽油机的成本大大降低 可以节省大量费 用 即节省大量装机费用 3 双轮直平式抽油机的结构和常规抽油机相比 主要不同在于该 机构没有驴头 游梁和曲柄平衡块 而是采用双轮代替驴头和游梁 直 接平衡代替曲柄平衡 这样简化了结构 并且能够满足运动要求 使用 寿命却不低于常规抽油机 通过简化结构 重量减轻 制造费用大副降 低 同时保留了常规型抽油机的优点 结构简单 工作可靠及维修方便 等 4 此抽油机的零件与常规式抽油机具有通用性 很多部分的结构 与常规抽油机相似 它保留了常规抽油机的基本结构 这样对于工人师 傅没有更多甚至更高要求 表 5 1 新机型与常规式抽油机的运动 动力性能对比表 双轮直平式抽油机 CYJ10 3 53HB 备注 最大加速度 max a 2 sm 1 6512 02418 4 最小加速度 min a 2 sm 1 014 1 18014 1 最大速度 max vsm 1 0931 51227 71 最小速度 min vsm 1 781 1 327 5 最大悬点载荷 kN max P 43 69052 56216 4 最小悬点载荷 kN min P 19 08422 02813 4 最大扭矩 kN m max M 18 329 25137 4 最小扭矩 kN m min M 0 12 520100 电机功率 Kw r N 11 118 20539 0 注 泵挂 960 8m 沉没度 82 3m 泵径 56mm 杆径 22mm 管径 63 5mm 5 25 2 新机型抽油机的特点新机型抽油机的特点 5 2 1 新机型的新机型的创创新性新性 1 节能原理的创新性 该机型采用悬点载荷的直接平衡 平衡率达 75 80 这样的平衡 设计使所设计设备受力件结构尺寸最小化 电机