1、大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)I目 录第 1 章 绪论.11.1 目前机械采油现状及存在问题.11.2 抽油机的发展与节能.21.3 在役游梁式抽油机优化设计的研究.41.4 本次设计意义.4第 2 章 新机型的方案设计.62.1 传动方案的设计.62.2 基本参数的拟定.82.3 主要结构尺寸确定.16第 3 章 新机型的运动分析.173.1 运动规律分析.173.2 计算结果对比.193.3 运动性能分析.19第 4 章 新机型的动力分析.214.1 抽油机扭矩分析.214.2 电动机选择分析.244.3 节电效果分析.26第 5 章 新机型的应用分析.275.1 新机型抽油机
2、的意义.275.2 新机型抽油机的特点.28结论.31参考文献.32致谢.33大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)1第 1 章 绪 论1.1 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
3、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
4、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
5、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 。1大庆油田是全国最大的油田，目前油田常用的抽油机包括：常规游梁式抽油大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)2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
6、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
7、。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
8、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；适大庆石油学院华瑞学院本
9、科生毕业设计(论文)3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
10、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 。2优 点总而言之，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，
11、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 。64总之，近年来抽油机节能技术的研究己经成
12、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大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)4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
13、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
14、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
15、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
16、大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)5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%，
17、年节电 2010e8 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。大庆石油学院
18、华瑞学院本科生毕业设计(论文)6第 2 章 新机型的方案设计2.1 传动方案的设计2.1.1 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、减速机构、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。大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)7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
19、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。(
20、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
21、样有利于该机型的市场经济效益。2.1.2 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。大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)8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
22、 是连杆，3 是后轮。2.1.2 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
23、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。2.2.1 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 58kN 到 150280kN。maxP大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)9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种：maxP轻型抽油机： 30kNmax中型抽油机：30kN 100kNaP重型抽油
24、机： 100Knmx油杆 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的油柱重)，作油用向向下；(3)油管外油柱对柱塞下端的压力 ， 的大小取决于泵的沉没度，作用方压P压向向上；(4)抽油杆柱与油柱运动产生的惯性载荷 和 ，它们的大小与悬点加速杆 惯 油 惯度的小成正比，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 ， 的大小和方向都是变化的；油P油(6)柱塞与泵筒间、抽油杆和油管的半干摩擦力 ，抽油杆柱与油柱间、油摩 干柱与管间以及油流通过抽油泵游动阀的液体摩擦力 ， 和 的作用方向摩 液P摩 液 摩 干与抽油杆运动方向相反，其中游动阀的液体摩擦力只在泵下冲程、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(2-1)L杆杆杆杆杆 fgf油管内、柱塞上的油柱重 为：油(2-2)FFP液杆液杆油 （ )f()f
