朱雯丽开题报告

1、数字化抽油机主要结构设计本科毕业设计（论文）开题报告题目：JJ450型井架设计及动力特性分析学生姓名秦超学号1103010126教学院系机电工程学院专业年级机械工程及自动化2010级指导教师刘承杰职称副教授单位西南石油大学机电工程学院目录1研究的背景与意义21.1研究的背景21.1.1 抽油机的类型21.1.2 游梁式抽油机存在的问题21.1.3 无游梁式抽油机存在的问题31.1.4 其他抽油机存在的问题31.2 研究的意义32工作原理介绍42.1 游梁式抽油机的工作原理42.2 数字化抽油机52.2.1 结构组成52.2.2 控制系统原理73抽油机的现状和发展趋势73.1国内抽油机的现状73

2、.2 国外抽油机发展现状93.3抽油机发展趋势104主要研究内容105实现方法及手段116拟采用的技术路线127预期结果128具体工作进度安排13参考文献141研究的背景与意义1.1研究的背景1.1.1 抽油机的类型 抽油机是有杆抽油系统中最主要举升设备。根据抽油机结构特点，可分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机1。游梁式抽油机最主要的特点就是有一个能绕支架轴承上下摆动的游梁。游梁式抽油机是油田最普遍应用并占主导地位的抽油机。按其结构又可分为常规型、前置型、异相型、异形型和斜直井型等;按平衡方式可分为：机械平衡式、气动平衡式和液压平衡式。无游梁式抽油机又可分为低矮型、滚筒型、塔架型、增程型和缸体型

3、2。经过了100多年的不断创新和改进，抽油机的结构和功能上都产生了很大的改变，但是仍然存在着不同的问题。1.1.2 游梁式抽油机存在的问题常规游梁式抽油机是应用时间最长、应用最广泛的一种型式。其特点是结构简单，制造容易，维修方便，可长期在油田全天候运转，使用可靠。但由于该机型不容易实现长冲程、低冲次的要求，因而不能满足稠油井、深抽井和含气井采油作业的需要。此外其驴头悬点运动的加速度较大、平衡效果较差、效率较低、电动机功率利用率小、减速器扭矩波动大等缺点已被各个油田和科研机构所重视。为此，国内抽油机生产厂先后对游梁式抽油机进行改造，研制出了前置式抽油机、异相曲柄抽油机、双驴头式抽油机、异型游梁抽

4、油机等机型。这些新型抽油机虽然改善了常规游梁式抽油机的一些不足，但在应用中却暴露出另外一些问题3。（1）前置式游梁抽油机体积庞大，运输和安装都不方便; 平衡调节困难，平衡度只能调节到60%70%;上、下行电流差值大，耗能多;屡次发生减速器断轴和传动齿轮打齿;输出轴与曲柄配合易损坏，造成曲柄松动，拉断连杆，扭曲游梁;驴头固定架螺柱易松动、断裂，导致驴头掉下来等。（2）异相曲柄式抽油机在油田使用中经常出现遇阻断光杆现象，同时也存在着平衡调节困难、底座工字梁断裂、尾轴承顶丝焊口开裂和固定螺栓断裂等问题。（3）节能型双驴头式抽油机虽然实现了加大游梁摆角、减小减速器扭矩、提高承载能力、降低能耗等，却存在

5、断游梁、支架顶部晃动较大、柔性连接件寿命较短等问题;常出现柔性绳断头现象，影响正常生产;后驴头的变径弧形加工难度较大。1.1.3 无游梁式抽油机存在的问题 我国早在60年代就开始研制无游梁抽油机，具有节能、重量轻、易实现长冲程、惯性载荷小和智能控制条件好等特点，满足了采油工艺需要。虽然各种机型都在日趋完善和提高中，但也因许多难题，如结构复杂、运动件多、滑动副及精密的液、气元件等易磨损，从而使某些关键零部件寿命较短、故障率高，同时维修也较为困难，致使运行时效率降低，维修成本提高，给使用与管理带来不便。因此，在国内抽油机的研发和应用仍以游梁式为主。 1.1.4 其他抽油机存在的问题链条式抽油机是我

6、国开发时间最长、使用数量最多、且整体结构较为紧凑的一种无游梁机型，他的优点有:冲程长、惯性载荷小、减速器额定扭矩小、节电、质量轻、占地面积小、平衡效果好等。但也存在着诸多问题，如链条寿命短，链条易断销、跳链、换向冲击载荷大、钢丝绳易断和导轨刚度不足易变形等。1.2 研究的意义目前，各种传统的抽油机存在的主要问题是系统效率低、能耗高，以游梁式抽油机为例，国内的游梁式抽油机总效率平均低于30%4。所以，节能降耗、现代化、自动化、智能化作业成为油田的主要发展方向。而数字化抽油机的出现顺应了现在油田发展的需要，解决了传统抽油机存在的主要问题。数字化抽油机的基本功能5：(1)数据采集和传输。采集主电机电

7、流、电压、功率、频率和功率因数等电参数，采集油井示功图的数据，采集抽油机的冲次、冲程和平衡度等参数，并对采集的数据实现本地读取和远程传输。(2)参数分析和调整。根据测量和采集的各项数据，抽油机可通过本地控制柜或上位机进行分析和计算，按照给定的标准参数值和时间间隔，定时进行抽油机平衡和冲次等参数的自动调整，使得抽油机在最佳工况下安全平稳运行。(3)远程操作和控制。抽油机可实现本地启停和远程启停，并具有本地和远程冲次、平衡等调整操作，还可实现工频、变频和自动功能的转换。(4)超载和超限保护。抽油机具有超载、失载、缺相、过流、短路、超速、防雷击和防闪断等保护功能。数字化抽油机的开发设计，改变了传统抽

8、油机效率低下、能耗大的现状，并最大限度地降低了一线员工的劳动强度并减少了一线员工的用工总量；同时减少了安全隐患，节约了能源，提高了采油效率。数字化抽油机使采油作业现场操作实现了从传统人工方式向自动化、数字化管理方式的重大转变，也推动了油田向数字化、节能降耗的方向发展。2工作原理介绍2.1 游梁式抽油机的工作原理常规型游梁式抽油机由底座、支架、悬绳器、驴头、游梁、横梁轴承座、横梁、连杆、曲柄销装置、曲柄装置、减速器、刹车保险装置、刹车装置、电动机、配电箱组成6。 抽油机工作时，电动机(14)转速通过三角皮带带动减速箱(11)减速后，由四连杆机构(曲柄(10)、连杆(8)、横梁(7)、游梁(5)把

9、减速箱输出轴的旋转运动变为游梁驴头(4)的往复运动。用驴头(4)带动抽油杆做上下往复的直线运动。通过抽油杆再将这个运动传给井下抽油泵的柱塞7。在抽油泵泵筒的下部装有固定阀(吸入阀)，而在柱塞上装有游动阀(排出阀)，当抽油杆向上运动，柱塞做上冲程时，固定阀打开，泵从井中吸入原油。同时，由于游动阀关闭，柱塞将上面的油管中的原油上举到井口，这就是抽油泵的吸入过程。当抽油杆向下运动，柱塞做下冲程时，固定阀关闭而游动阀打开，柱塞下面的油通过游动阀排到它的上面。这就是抽油泵的排出过程。其结构简图如图2.1。常规型游梁式抽油机结构特点：支架支撑在游梁中部，曲柄连杆机构和减速器位于支架的后面；曲柄轴中心基本位

10、于游梁尾轴承的正下方。这样，工作时上下冲程的时间（或曲柄转角）相等。5数字化抽油机主要结构设计1-底座；2-支架；3-悬绳器；4-驴头；5-游梁；6-横梁轴承座；7-横梁；8-连杆；9-曲柄销装置； 10-曲柄装置；11-减速器；12-保险装置；13-刹车装置；14-电动机；15-配电箱。 图2-1 常规型游梁式抽油机结构简图2.2 数字化抽油机数字化抽油机是具备数据采集和远程控制功能的抽油机。数字化抽油机将油井监控技术和变频控制技术相结合，通过载荷、位移及电参数的实时采集与传输，经RTU运算判定抽油机工作冲次、平衡状态是否最佳，通过变频器、调平衡电机使抽油机工作冲次、平衡始终处于最佳状态；站

11、控系统监视抽油机运行状态，对断杆、卡杆及电机缺相等故障实现自动报警，实现抽油机远程启停控制8。2.2.1 结构组成 数字化抽油机充分利用了调径变矩游梁式抽油机的基本结构，将后臂及配重箱设计为具有自调功能的游梁平衡装置，整机结构如图2-29所示。其主要组成部分包括：（1）抽油机：游梁平衡的无基础抽油机（2）数字化抽油机智能控制柜 数据采集传输模块：实现本机与上位机的数据传输，并实现本机的逻辑运算与智能控制。 数据显示模块：实时显示抽油机的冲次和平衡度。 工频：包含了原油工频控制柜的功能，具有工频启动、停止、过滤、过载、缺相等保护的功能。 变频：可通过变频器的变频，调整抽油机冲次。并实现电机的软启

12、动及多项保护功能。 工频、变频相互切换：当变频器发生故障时，系统可自动切换到工频状态。（3）一体化载荷悬绳器将载荷传感器嵌入到特制悬绳器中，对传感器有效保护。（4）传感器：实现载荷和位移及电参数的实时采集与传输。（5）平衡调节装置：包括控制系统和执行机构，具有手动和自动两个功能，根据平衡度的大小，调节平衡重的力矩，实现抽油机平衡状态的无机调节。1-驴头；2-游梁；3-支架轴承座；4-角位移传感器；5-支架；6-支撑装置；7-集中润滑管线；8-控制线路；9-横梁轴承座；10-横梁踏板；11-吊臂；12-限位开关；13-移动式配重箱；14-平衡调节机构；15-围栏；16-底座；17-防撞装置；18

13、-控制柜；19-电机总成；20-皮带；21-刹车装置；22-皮带护罩；23-曲柄；24-减速器；25-连杆；26-横梁；27-钢丝绳；28-数字化悬绳器；29-灰土垫层图2-2 数字化抽油机结构总成2.2.2 控制系统原理数字化抽油机的控制系统是通过载荷传感器和角位移传感器，采集悬点示功图，分析抽油泵的充满度，计算是否需要调整冲次9。动态分析采集到的电参数，根据上下冲程电能和悬点载荷变化判定抽油机的平衡，计算出调整量，给出调整建议或自动调整配重。RTU定时采集示功图、电参量，将数据远传至服务器。本地直接进行平衡分析并给出调整建议，或设为直接调整 服务器实时分析油井供液能力和运行状况分析，计算最

14、优生产参数，并将指令发送给RTU，控制变频器调节抽油机冲次RTU继续采集示功图、电参量，并传至服务器分析参数的合理性，接受新的调整方案。如此反复可保证抽油机在优化的参数下运行。 图2-3 数字化抽油机控制原理3抽油机的现状和发展趋势3.1国内抽油机的现状我国抽油机发展已有50多年历史。随着油井开发的复杂性不断出现，传统抽油机的缺点日益凸显。主要存在的主要问题是系统效率低、能耗高10。以游梁式抽油机为例，其在国内的总效率平均水平不足15%，先进地区也低于30%11。这也成为各个有油田面临的难题。根据资料统计，我国现有6大类共45种新型抽油机，并且每年约有30种新型抽油机专利，基本满足了陆地油田开

15、采的需要2。各种新型节能抽油机也正处于不断改造和试产过程中。由于国内制造水平、规模化程度、配件可靠性以及现役抽油机所暴露出来的诸多问题迫使我们必须对我国抽油机技术有一个清醒的认识。抽油机的发展主要面临着一下几个大问题2：1中后期水淹井、稠油井增多，开采难度加大20世纪90年代以来，我国东部各主要油田相继进入中高含水开发期。为确保高效生产， 急需采用长冲程抽油机，以增加油井的产液量;同时为了降低油井的单位生产成本，对抽油机的节能性提出了更高的要求。据统计，2003年我国重油地质储量46.7t，低渗透油和重油的累计地质储量已达全国累计石油地质储量值的50.9%。稠油由于轻质馏分少、胶质沥青含量高、

16、密度大、黏度高、流动性较差、油藏压力低、油田又储层夹层多、非均质性强、综合含水高，采出度低。为提高稠油井的采油率，可采用人工举升法和使用长冲程低冲次的抽油机等措施。2种类多，产品系列化、标准化、通用化程度偏低石油工业发展一百多年来，抽油机专利种类层出不穷。但是，实际被采用的专利并不多。虽然发展了很多机型，但品种杂乱，同一型号的抽油机，其尺寸和结构各不相同，给使用单位的生产和管理带来不便。其中，无梁式抽油机的产品系列化、标准化偏低，处于不断试验改进阶段，一些结构部件没有彻底定型，通用化程度也受到影响。3耗电量大，工作效率、能量利用率低抽油机井的耗电量约占油田总耗电量的30%35%。目前，我国抽油

17、机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量有3 500兆千瓦，每年耗电量逾百亿千瓦时。在我国抽油机的平均运行效率为25.2%，而国外平均水平为30.1%，年节能潜力可达几十亿千瓦。油田节能有三种途径:结构节能、技术节能和管理节能。我国技术节能的贡献率仅为13.4%，这就意味着，按照当前技术进步的程度无法满足实现“十一五”节能目标的要求。可以看出，在抽油机效率和节能方面，还有很大的提升空间，具有非常诱人的前景。 就数字化抽油机而言，在国内的代表人物应属中国石油长庆油田公司机械制造总厂12。其自主研发的数字化抽油机采用了最佳冲次判定技术、平衡自动调节技术、无基础宽底座等专利技术，实现了抽油机工作参

18、数的“智能调整”，油井生产、设备的“实时监控”，油井生产和抽油机的“供排协调”，是低渗透油田开发和管理的重要设备。数字化抽油机与传统游梁式抽油机相比，机采系统效率提高5个百分点以上，综合节电率达30以上，改善了职工劳动环境，节约了用工成本。长庆油田自推广数字化油田以来，抽油机作为油田开发的主要设备及耗能大户，受到了极大的关注13。近几年国内外针对游梁式抽油机研制开发做了大量工作，但都没有很好的与抽油机运行参数进行有效结合，致使抽油机不能工作在最佳状态，系统效率低下。针对此问题，长庆油田相继研制开发了第一代数字化抽油机、第二代数字化抽油机和第三代数字化抽油机。第一代数字化抽油机将井口采集器部分与

19、抽油机控制单元有效的集成在抽油机控制柜中，实现对抽油机运行参数的实时采集及远程启停控制；第二代数字化抽油机在具备第一代所有功能的基础上实现了抽油机的自动调参目的。第三代数字化抽油机在第二代的基础上，简化冲次自动判定的程序和方法，利用地面示功图判定油井产液量，从而实现冲次的自动判定和调整。3.2 国外抽油机发展现状 在世界范围内,研究开发与应用抽油机已有100多年的历史。近年来,世界抽油机技术发展较快,先后研究开发了多种新型抽油机。其特点是14:增强了抽油机的适应性、可靠性、经济性和先进性;改善了抽油性能,降低了抽油机载荷与载荷变化范围,提高了抽油效率,减少了动力消耗;提高了抽油机平衡效果,改善

20、了抽油机的运动特性、动力特性与平衡特性;增大了抽油机的使用范围,减小了抽油机体积和质量,强化了抽油机自动化与智能化程度。如今，世界上生产抽油机的国家主要有美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等。全世界生产抽油装置的公司有300多家,其中生产抽油机的公司有150多家。总体来讲，美国抽油机品种规格齐全,技术水平先进,质量较好和较稳定,应用范围较广泛。世界上第一台智能抽油机是美国Nationalsapply Co研究开发的。它是一种卧式长冲程抽油机，结构紧凑，总高度不超过2.44m，最大冲程长度为12.19m，节约电力达10%-30%，具有防抽空和防液力和气体冲击功能，具有诊断、报警和各种保护功能，

21、采用微机处理和自适应电子控制技术，对抽油机和抽油系统进行测和控制，具有较高的抽油安全可靠性。此外，美国Baker公司研制的自动化抽油机，具有各种安全保护功能，一旦出现超过抽油机允许的工作参数时，可以自动报警和停车，确保安全可靠地进行抽油。美国Delta-X公司研制的自动化抽油机，利用微机对抽油泵进行监测和遥控，具有防抽空功能、诊断故障和保护功能，抽油安全可靠，事故少，开动率高。美国APS公司研制的自动化抽油机，可监测、分析、记录抽油机的20个工作参数，还可以显示瞬时参数的变化值，具有诊断、报警和保护功能。将来，世界智能抽油机将会有一定的技术发展，其数量不会增加很多。随着科学技术的不断发展，还有

22、可能出现新型智能抽油机。综上所述，世界现有抽油机的模式将会有全新的改变，各种新型抽油机数量将会增多，但是占世界拥有量的比例仍然不是很大。3.3抽油机发展趋势1向着大型化方向发展随着我国油气资源开发难度的不断增加，都要求用大型抽油机3。目前，我国已研制出14型、16型抽油机，今后还会研制大于16型的抽油机。我国抽油机向大型化发展使一种必然的发展趋势。2向着低能耗方向发展为了减少能耗，近年来研制了许多节能型抽油机。如异相机、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向着高适应性发展随着现在井场采油影响因素的多变性，抽油机应具备较高的适应性，以便拓

23、宽使用范围。例如适应各种自然地质构造，适应长冲程的需要，适应节电的需要，适应精确平衡的需要等。4向着长冲程无梁抽油机方向发展长冲程抽油机的研制一直是我国抽油机发展的瓶颈。但是， 长冲程、低冲次、低功耗的无游梁式抽油机是今后抽油机发展的主要方向。5向着自动化和智能化方向发展近年来，变频技术在抽油机上得到了广泛应用。利用变频控制系统实时调整工作参数，提高电机功率因数，减小供电电流，还可以实现电机的软起动，减小冲击，并可根据油井供液能力实时调整冲次频率，实现增产节能效果。 4主要研究内容本次设计主要是以抽油机地面设施为对象：1.确定抽油机的基本参数悬点的最大允许载荷 、悬点最大冲程长度、悬点最大冲次

24、、曲柄轴最大扭矩。 2.需要设计计算的内容15抽油机部件几何尺寸参数计算、悬点加速度计算、悬点载荷计算、减速箱曲柄轴扭矩计算、扭矩因数计算、电动机功率计算、减速器传动比计算等。3.需要校核计算的内容曲柄连杆的强度校核、游梁的强度校核、支架的强度校核、减速箱零件的强度校核等。4.需要设计的内容抽油机主要零部件，如减速器、曲柄连杆机构、平衡机构、游梁、支架、驴头等。5.完成外文资料翻译，不少于2万印刷字符的有关技术资料。6.按照毕业设计规范，完成设计说明书（论文）的撰写工作。5实现方法及手段1. 概念设计查阅相关资料，了解抽油机的工作状况，绘制草图。2. 笔记本设计确定抽油机的基本参数，利用Mat

25、hCAD对抽油机进行运动学和动力学的计算。3. 结构设计结构设计包括整机装配图、部件装配图和零件工程图。在此阶段的设计采用CREO自上而下的设计方法。其主要步骤为：布局设计初始装配创建骨架填充实体模型组件零件设计。6拟采用的技术路线16查阅资料，了解抽油机知识及其设计方法开始外文资料翻译开题报告，确定本次设计的任务抽油机概念设计利用MathCAD对抽油机进行运动学和动力学计算抽油机主要结构设计撰写论文7预期结果（1）毕业设计开题报告1份（2）相关资料英译汉翻译1份（3）毕业设计说明书1份。（4）绘制装配图和工程图共2-5张。可选：抽油机总体结构、曲柄连杆机构、减速器内零件、支架、游梁、驴头等。

26、（5） 毕业设计日志1份。8具体工作进度安排设计(论文)的进程安排 序 号设计(论文)各阶段内容截止日期1查阅资料，了解课题，清楚设计的主要任务3月7 日2确定抽油机参数，写开题报告并修正3月15日3抽油机方案设计3月30日4抽油机概念设计，绘制草图4 月 7日5数字化抽油机基于MathCAD的运动学和动力学计算4月15日6抽油机主要结构基于CREO 的设计5月30日7后期查错并修改6月 5日8外文资料翻译5月30日9书写说明书6月10日参考文献1朱荣杰，张国庆编著.抽油机井故障诊断及处理方法M.北京：石油工业出版社，2011：4-5.2方仁杰，朱维兵.抽油机历史现状与发展趋势分析J.钻采工艺，2011，,34（2）:61-63.3马和军.我国抽油机的现状和发展方向J.施工技术，2013，（4）：95-96.4成城.数字化抽油机技术的创新与改进J.科技与企业，2013，（14）：168.5吉效科,许丽,智勇.新型数字化抽油机的研制和应用J.石油机械2013,41（10）:96-99.6张建军，李向齐，石惠宁编著.游梁式抽油机设计计算M.北京，石油工业出