1、 中國石油大學（北京）中國石油大學（北京）現現代代遠遠程教育程教育畢畢 業業 設設 計計（ （論論文）文）摘摘 要要機械采油是我國石油開采的主要 方式。近些年來， 我國石油工業發展十分迅速，機械采油工藝技術也有了很大的進步，采油機械技術裝備的配套水平也得到不斷 提高，已形成了有桿泵、 水力活塞泵、潛油電泵和氣舉等四種采油形式，并且現在已在全國范圍內的油田進行了推廣和使用，目前能夠滿足生產需要。然而我國年使用油量的增長速度十分迅猛，而油田地下儲油量卻在不斷降低,而且石油開發難度也越來越大。改善傳統的機械采油工藝和創新采油工藝變得越來越重要。同時，油田開發業經歷了復 雜的過程:由初期的低速開發、

2、中期的調整擴建產能高速開發、到高含水穩產開發、 特高含水產量遞減開發四個階段;而油田含水也經歷了也從無水期到低含水期，到中含水期，再到高含水開發期的發展歷程。關關鍵詞鍵詞：石油；開采；工藝目目 錄錄第一章第一章 緒論緒論.21.1 目前機械采油現狀及存在問題.21.2 抽油機的發展及節能.4.6.7第二章第二章 新機型的方案新機型的方案設計設計.3傳動方案的設計.3.6.16第第 3 章章 新機型的運新機型的運動動分析分析.17.17.19.20第第 4 章章 新機型的新機型的動動力分析力分析.22.22.25.28第第 5 章章 新機型的新機型的應應用分析用分析.29.29.31結結 論論.

3、34參考文獻參考文獻.35致致 謝謝.36第一章第一章 緒論緒論1.1 目前機械采油目前機械采油現現狀及存在狀及存在問題問題抽油機是油田有桿抽油系統的地面驅動設備,它是有桿抽油系統的地面動力傳動設備，也是石油開采的主要設備,原油生產井使用抽油機將蘊藏在地下的石油通過抽油管抽出。據統計在油田生產成本中約有三分之一為電能消耗,而抽油機消耗的電能約占總電能消耗的 80%,對抽油機的機械系統和電氣控制系統進行節能改造,可帶來相當可觀的經濟效益。是構成“三抽”系統的主要組成部分，抽油機的產生和使用已經有了一百多年的歷史。發展到現在，抽油機的種類主要有游梁式抽油機和無游梁式抽油機兩大類。其中游梁式抽油機的

4、應用最為廣泛，各個產油國仍然在大量使用。游梁式抽油機具有結構簡單，制造容易，可靠性高，操作維護方便，適應現場工況，使用壽命長并且一次性投資少等特點，在今后相當時間內仍然是油田首選的采油設備。但是由于常規機本身結構特征，決定了它平衡曲柄凈扭矩脈動大，存在負扭矩，載荷率低，工作效率低和能耗大等缺點。隨著很多油田逐漸進入開發的中后期，油井含水量不斷上升，使生產成本不斷增加，常規游梁抽油機已經不能滿足需要，因此需要開發各種新型節能抽油機來滿足降低成本，節能降耗。近 20 年來，世界抽油機技術發展較快，科研人員研究開發了多種新型抽油機，特別無梁式抽油機的出現解決了很多常規機出現的弊端。這些新機型的特點是

5、：增加了抽油機的適應性、可靠性、經濟性和先進性；改善了抽油機的性能，提高了抽油效率，減少了動力消耗；提高了抽油機的平衡效果，改善了抽油機的動力特性、運動特性、提高了抽油機的平衡效果，增加了抽油機的使用范圍，減少抽油機的體積和質量，強化了抽油機的自動化和智能化程度。因此，研制開發新型節能抽油機是當前亟待解決的問題。目前，有桿泵抽油機是油田的主要采油設備，其不但使用數量大，用電量大，而且系統效率低，節電潛力巨大，雖然也有很多節能型抽油機用于油田，也確實起到了一定的節能效果，但由于多方面原因，大部分節能機不能很好的適應油田的生產，具體有以下 5 種原因：部分新型機的易損件不是通用件，壞了之后不便維修

6、。部分新型機造價太高，油田投資巨大。目前各種新型抽油機，傳動元件的使用壽命尚不理想。實踐證明，新型抽油機的可靠性是決定抽油機成敗的關鍵。油田工人一時很難熟悉一些新型機，日常維護困難。一些新型機雖然節能但維修費用高，入不敷出 。大慶油田是全國最大的油田，目前油田常用的抽油機包括：常規游梁式抽油機、前置式抽油機、異相曲柄抽油機、偏置式抽油機、擺桿式抽油機、雙驢頭式抽油機、復合輪式抽油機、摩擦換向式抽油機、六連桿增程式抽油機、偏輪式抽油機、B 游梁式抽油機等等。部分新型節能抽油機正在實驗當中，由于大部分新型抽油機各有優缺點，所以還沒有大批量投入使用近年來，隨著大慶油田老區塊開發的不斷深入，油田含水率

7、迅速上升，開發經濟效益逐年下降，剩余未動用儲量絕大部分是有效厚度較小、儲量豐度較低的難采儲量。目前，企業在資金緊張、降低基本建設投資和控制生產成本的情況下，對于老區塊應何時改變采油方式，才能延長油田的經濟開采期；新區塊如何根據其地質條件，選擇最佳的舉升方式，使油田獲得更大的經濟效益，是企業面臨的新問題。因此，開展機械采油方式優選評價研究很有必要。游梁式抽油機的有桿泵全系統的總效率在國內一般地區平均只12%-23%，系統效率低，能耗大，耗電就多。此外，隨著老油田油井的注水開發，油田己進入高含水采油期。不斷提高產液量，以液保油，這是注水開采油田保證原油穩產的必要趨勢。這種開采特點要求抽油機的沖程越

8、長越好，使得在役的常規游梁式抽油機機型偏小，在一定程度上已經不能滿足長沖程、低沖次的要求。偏置式節能抽油機是國內油田目前使用最多的節能型抽油機。自 80年代中后期，在我國石油礦場上廣泛推廣應用了偏置式抽油機。該機保持了常規抽油機的基本結構，與常規游梁式抽油機相比，該機的游梁后臂縮短，減速箱相對于支架位置后移。1.2 抽油機的抽油機的發發展及展及節節能能抽油機的發展趨勢主要朝以下幾個方向：(1)大型化方向隨著世界油氣資源的不斷開發，開采油層深度逐年增加，石油含水量也不斷增大，采用大泵提液采油工藝和開采稠油等，都要求采用大型抽油機。所以，近年來國外出了許多大載荷抽油機，例如前置式氣平衡抽油機最大載

9、荷 213KN、氣囊平衡抽油機最大載荷 227KN 等，將來會有更大載荷抽油機出現。(2)低能耗方向 為了減少能耗，提高經濟效益，近年來研制與應用了許多節能型抽油機。如異相雙驢頭抽油機、擺桿抽油機、漸開線抽油機、摩擦換向抽油機、液壓抽油機及各種節能裝置和控制裝置。(3)朝著高適應性方向發展現在抽油機應具備較高的適應性，以便拓寬使用范圍。例如適應各種自然地理和地質構造條件抽油的需要；適應各種成份石油抽汲的需要；適應各種類型油井抽汲的需要；適應深井抽汲的需要；適應長沖程的需要；適應節電的需要；適應精確平衡的需要；適應無電源和間歇抽汲的需要。(4)朝著長沖程無游梁式抽油機方向發展近年來國內、外研制與

10、應用了多種類型的長沖程抽油機，其中包括增大沖程游梁式抽油機，增大沖程無游梁式抽油機和長沖程無游梁式抽油機。實踐與理論表明，增大沖程無游梁式抽油機式增大沖程抽油機的發展方向，長沖程無游梁式抽油機是長沖程抽油機的發展方向。(5)朝著自動化和智能化方向發展近年來，抽油機技術發展的顯著標志是自動化和智能化。BAKER 提升系統公司、DELIA0-X 公司、APS 公司等研制了自動化抽油機，具有保護和報警功能，實時測得油井運動參數及時顯示與記錄，并通過綜合計算分析，得出最優工況參數，進一步指導抽油在最優工況抽油。NSCO 公司職能抽油機采用微處理機和自適應電子控制器進行控制與監測，具有抽油效率高、節電、

11、功能多、安全可靠、經濟性好、適應性強等 。總而言之，抽油機將朝著節能降耗并具有自動化、智能化、長沖程、大載荷、精確平衡等方向發展。抽油機節能技術目前主要從以下幾個方面進行研究：(1)改進抽油機結構。這種方法主要是通過對抽油機四桿機構的優化設計和改變抽油機平衡方式來改變抽油機曲柄凈扭矩曲線的形狀和大小，使扭矩波動平緩，從而減小抽油機的周期載荷系數，提高電動機的工作效率，達到節能的目的。(2)采用節能驅動設備。這種方法是從研究電機的特性入手，研究開發新型的電動機，使之與采油井井況相匹配，進而達到提高電動機的效率和功率因數的目的，即采用高轉率的電動機(轉差率 8%13%)和朝高轉差率電動機代替常規轉

12、差電動機(轉差率5%)。另外，還有采用節能配電箱來實現節電的。(3)采用節能控制裝置。如 DCS 系列抽油機多功能程控裝置、間抽定時控制。(4)采用節能原部件。如窄 V 型帶傳動或同步帶傳動等。(5)改進平衡方式。如采用氣動平衡或天平平衡等。(6)改進“三抽”系統部件。有采用抽油桿導向器、空心抽油桿、減震式懸件，都可提高三抽系統的工作效率，達到節能的目的。(7)采用高效節能泵，提高泵效，降低百米噸耗，實現節能 。總之，近年來抽油機節能技術的研究己經成為科技攻關的方向。以上七種方法取得了顯著的節能效果。在役游梁式抽油機在役游梁式抽油機優優化化設計設計的研究的研究游梁式抽油機是石油開采的主要設備,

13、也是主要耗能設備,其驅動電機負載率通常都小于 30%。這種情況的存在,使電能的利用率降低,增加了電能的損耗。目前,常規游梁式抽油機因其結構簡單、操作維修方便、使用壽命長等原因,仍為各大油田的主要采油設備,其數量約占抽油機總數的 50%左右。但因其主體結構為鉸鏈四連桿機構,其運動速度、加速度峰值、扭矩因數峰值、曲柄軸凈扭矩峰值都較大,扭矩曲線波動亦較大,存在負扭矩,因此能耗較大,對在役常規游梁式抽油機進行節能技術改造具有非常重要的意義。方便的前提下,建立了常規游梁式抽油機運動學、動力學分析的數學模型,分析得出常規游梁式抽油機四桿機構中游梁后臂C、連桿 P 以及曲柄半徑 R 的減小都可以降低扭矩因

14、數峰值,減小所需最大平衡扭矩,使減速箱曲柄軸凈扭矩曲線變得平緩,波動減小。因此,三種優化方案,分別為優化游梁后臂 C;優化游梁后臂 C 和連桿 P;優化游梁后臂 C、連桿 P 和曲柄半徑 R。采用了遺傳算法分別對三種方案進行了優化設計,由優化結果分析可得,優化后抽油機懸點速度、加速度、扭矩因數峰值都降低了,在原有最大平衡扭矩的作用下,平衡度都有明顯的提高,且極位夾角均增大了,工作制度變為非對稱循環,同時曲柄軸凈扭矩峰值都有明顯的減小。三種優化方案中,通過對比分析得出,對游梁后臂 C 進行改造不僅可以節約改造成本,且改動件少,現場安裝方便,電機輸出功率可由原來的 11.77kw 減小到 9.88

15、kw,節電率為 15.95%,達到節能降耗要求,為最佳改造方案。其二可以變頻調速和功率因數閉環控制：這種游梁式抽油機節能裝置的硬件部分以 AT89C51 單片機為核心,包括主電路、控制電路、驅動電路、保護電路、功率因數檢測電路和能量回饋電路等部分。主電路采用交-直-交電壓型結構;控制電路部分由脈寬調制芯片 SA866AE 產生 SPWM控制信號。AT89C51 單片機控制部分由顯示電路、鍵盤電路、復位電路、記憶電路、功率因數計算電路和頻率輸出電路等組成;驅動電路選用IGBT 專用驅動模塊 EXB841 進行控制信號的放大;保護電路實現過流過壓保護、短路保護等功能。軟件部分包括 SA866AE

16、外接 EEPROM 初始化參數的設計、單片機控制程序和電機軟啟動程序,軟件采用匯編語言編程。 論文最后對所設計的部分電路進行了實驗分析。勝利油田現場運行測試結果表明,該裝置可以使三相交流異步電動機功率因數大幅提高,綜合節電率達到 26.58%,節能效果明顯。目前，我國開采石油耗電指標與國外先進水平相比，還有很大差距，我國抽油機的運行效率特別低，平均效率僅為 25.96%，而國外平均水平為 30.05%，年節能潛 力可達幾十億千瓦時,盡管研制和應用了一些節能抽油機，但是由于使用數量不多，其總耗電量還是很大的，近年來，我國研制的新型抽油機，幾乎都具有高效節能特點，目前，在用的抽油機系統效率一般在

17、20%30%之間，因此，開展新型抽油機，替換常規機型是大勢所趨，隨著油田的不斷開發，地層能量逐漸消耗，為了保證原油的穩產、高產，機械采油己經成為廣泛采用的一種方法。我國有機采油井 5 萬多口，占油井總數的 80%左右，抽油機井的耗電量占總耗電量的四分之一，由于抽油機井的系統效率較低，大量的能量(70%以上)在傳遞過程中損失掉，如果將抽油機井的系統效率提高 5%，年節電 2010e8 千瓦時，這不僅可節約大量資金，而且，還可以緩解油田電力緊張狀況。當今世界，資源日益匱乏，為了人類的繼續生存， “節約”成為永遠不變的一個主題，本設計既是針對“節能降耗”要求展開的。其理論意義在于找出機械采油中節能降

18、耗的技術關鍵和理論依據，對現有抽油機結構進行優化和創新，設計出雙輪直平式抽油機結構，使其提高油田采油效率，降低能量損失，具有較高經濟效益。雙輪直平式抽油機是油田采油機械中的新型設備，對它進行深入研究，必然使采油機械中又增添新品種，因而具有較高的理論意義。如果推廣本成果，必將為油田生產提供新的動力，對穩產增效，節能降耗，發展油田生產有很重要的應用價值。第二章第二章 新機型的方案新機型的方案設計設計傳動傳動方案的方案的設計設計傳動傳動機構機構設計設計盡管抽油機的種類很多，但是在油田上被普遍采用的抽油機種類并不多。目前最廣泛的是機械平衡式抽油機。它主要由游梁、驢頭、橫梁、連桿、曲柄、機構、支架、底座

19、，懸繩器、平衡重及原動機等組成。因此，根據油田上被普遍采用的常規式抽油機以及國內、外現行的節能抽油機實現動作所依賴的機構，將機構方案定為四連桿。傳動方案如圖 2-1 所示。圖 2-1 雙輪直平式抽油機運動簡圖雙輪直平式抽油機區別于常規游梁式抽油機的地方如下：(1)雙輪常規抽油機的驢頭用來將游梁前端的往復圓弧運動變為抽油桿的垂直直線往復運動，我們將常規游梁式抽油機的游梁以及驢頭部分改成雙輪機構，這樣就簡化了結構，并且能夠滿足運動要求。為了滿足沖程的要求，我們可以讓輪旋轉較大角度，這樣，大轉角乘以小半徑仍然能夠實現規定的沖程。(2)平衡重由于常規游梁式抽油機上、下沖程的載荷很不均勻，上沖程時，驢頭

20、需要提起抽油桿柱和油柱，而下沖程時，抽油桿依靠自重就可以下落，這樣使發動機做功極不均勻，為了使上、下沖程發動機做功均勻，采用了平衡重結構。游梁式抽油機平衡重可分為游梁平衡重和曲柄平衡重。而雙輪直平式抽油機采用直接平衡，即平衡重直接連接在輪上，這樣就大副降低了懸點負荷，改善了連桿、曲柄的受力狀態。(3)極位夾角抽油機在整個工作過程中所要承受的載荷相當大，并且還要保證抽油機的工作壽命，所以就要降低抽油桿的運動速度。因此，采用了極位夾角，即在整個周期中，上沖程時間較長，下沖程時間較短。(4)電動機電動機是抽油機的動力源。由于常規游梁式抽油機負扭矩大以及扭矩波動不平緩，而造成了電動機工作不平穩、工作效

21、率較低的現象。雙輪直平式抽油機采用在輪上直接平衡的方法，使電動機在整個抽油過程中所要克服的扭矩就大為減少，那么電動機的實際功耗和裝機功率均有大幅下降。(5)結構尺寸在設計的過程中始終注意現行抽油機的結構尺寸，讓雙輪直平式抽油機盡量比現行抽油機型結構簡單，以便于雙輪直平式抽油機的制造、加工和維護，這樣有利于該機型的市場經濟效益。如圖 2-l 所示，1 為電動機、2 為 V 帶、3 為減速器、4 為曲柄、5 為連桿、6 為平衡重、7 為雙輪、8 為鋼絲繩。電動機通過三角皮帶傳動帶動減速箱，電動機的速度經減速箱減速后，再通過曲柄、連桿、輪將減速箱輸出軸的旋轉運動變為輪的往復旋運動，輪的往復旋轉運動帶

22、動抽油桿作上下往復直線運動。圖 2-2 傳動原理圖實際上雙輪直平式抽油機的傳動原理與常規機是一樣的，雙輪的后輪相當于常規機的游梁后臂，前輪相當于常規機的游梁前臂，抽油桿變成了彈性鋼繩。主要運動部件如圖 2-2 所示。圖中 1 是曲柄，2 是連桿，3是后輪。(1)該機采用雙輪結構代替了常規游梁式抽油機的游梁，并且是雙跨式，這樣有利于修井作業，使之不必讓開井口。(2)該機采用無游梁直接驅動，縮短了傳動鏈，使傳動效率提高到90%。(3)平衡重直接連接在輪上，大副降低了懸點負荷，改善了連桿、曲柄的受力狀態，使連桿和曲柄不易發生斷裂，增加了使用壽命，提高了該機的安全可靠性。(4)增大了極位夾角，實現了“

23、上慢下快”的運動方式，增加了泵的充滿度，提高了產液量。(5)由于采用了無游梁驅動，該機的整體結構比常規游梁式抽油機更加簡單。抽油設備的功用就是從一定的井深處抽出一定的數量的原油，所以，井深和產量就標志著抽油設備的工作范圍。為了達到這兩個目標，對抽油機的工作能力提出了四方面的要求，它們分別是懸點（掛抽油桿處）的最大懸點載荷、懸點最大沖程長度、懸點最大沖程次數和減速箱曲柄軸的最大允許扭矩。這就是抽油機的基本參數，下面分別來分析。懸懸點最大點最大載載荷確定荷確定懸點載荷是表明抽油機工作能力的重要參數之一，也是抽油機設計技術和選擇使用的主要根據。目前，懸點的最大允許載荷從 58kNmaxP到 1502

24、80kN。根據懸點最大允許載荷的變化范圍，可把抽油機分為下列幾種：maxP輕型抽油機：30kNmaxP中型抽油機：30kN100kNmaxP重型抽油機：100KnmaxP油桿PP當抽油泵工作時，抽油機的懸點上作用有以下六項載荷：97 (1)抽油桿柱自重(它在油中的重量為)，作用方向向下；桿P桿P(2)油管內、柱塞上的油柱重 (即柱塞面積減去抽油桿面積上的油油P柱重)，作用向向下；(3)油管外油柱對柱塞下端的壓力，的大小取決于泵的沉沒度，壓P壓P作用方向向上；(4)抽油桿柱與油柱運動產生的慣性載荷和，它們的大小與桿慣P油慣P懸點加速度的小成正比，而作用方向與加速度的方向相反；(5)抽油桿柱與油柱

25、運動所產生的振動載荷，的大小和方向都油P油P是變化的；(6)柱塞與泵筒間、抽油桿和油管的半干摩擦力，抽油桿柱與油摩干P柱間、油柱與管間以及油流通過抽油泵游動閥的液體摩擦力，摩液P和的作用方向與抽油桿運動方向相反，其中游動閥的液體摩擦摩液P摩干P力只在泵下沖程、游動閥打開時產生，所以它的作用方向只向上。上述(1)、(2)、(3)三項載荷與抽油桿的運動無關，稱為靜載荷；(4)、(5)兩項載荷與抽油桿的運動有關，稱為動載荷；(6)項載荷也與抽油桿的運動有關，但是在直井、油管蠟少和原油粘度不高的情況下，它們在總作用載荷中占的比重很小，約占 2%5%，一般可以略去不計。下面分別討論以上幾種載荷：抽油機在

26、空氣中的重量為：桿P LLP桿桿桿桿桿fgf油管內、柱塞上的油柱重為：油P LFLFP液桿液桿油（)f(g)f抽油桿載油中的重量為：桿P LLP）（）（液桿桿液桿桿桿fgf油井中動液面以上斷面積等于柱塞面積的油柱的重量為：油P )()f(g)()fHLFLFP 液桿液桿油（式中 抽油桿材料的密度，kg/；桿3m抽汲液體的密度， kg/；液3m抽油材料的重度， N/；桿3m 抽汲液體的重度， N/；液3m F 泵柱塞的面積， ；2m 抽油桿截面積， m；桿f L抽油桿長度或下泵深度， m；下面分別對上沖程、下沖程、上死點、下死點四種情況進行分析，見圖 2-1 所示。(1)上沖程當懸點從下死點向上

27、移動時，如圖 2-1a 所示，游動閥在柱塞上部油柱的壓力下而關閉，而固定閥在柱塞下面泵筒內、外壓差的作用下打開。由于游動閥關閉，使懸點承受抽油桿自重和柱塞上油柱重，這兩個桿P油P載荷的作用方向都向下。同時，由于固定閥打開，使油管外-定沉沒度的油柱對柱塞下表面產生向上的壓力。因此，上沖程時懸點的靜載荷為：壓P壓油桿靜上PPPP 油桿油沉桿桿沉油桿油桿桿）（PPLFFLFLFL)h()f(fhff(2)下沖程當懸點載荷由上死點向下移動時，如圖 2-1 所示，游動閥在上、下壓力差作用下打開，而固定閥在泵筒內、外壓力差作用下關閉。游動閥打開，使懸點只承受抽油桿柱在液體中的重量，固定閥關閉，使油柱重量轉

28、桿P移到固定閥和油管上。因此，下沖程時懸點的靜載荷為：靜下P = 靜下P桿P對抽油桿來說，上死點懸點載荷瞬時發生變化，由下沖程的變靜下P到上沖程，增加了其大小為，載荷增加使油桿伸長，伸長的大靜上PP油P小為：桿 桿油桿桿ffELPEPL式中 EN/。11102m a上沖程 b下沖程 圖 2-1 懸點載荷作用 在伸長變形完成以后，載荷才全部加在抽油桿或懸點上。實際上，P在抽油桿柱受載伸長的過程中，驢頭已經開始上沖程。當懸點向上走了距離時，由于同時產生的油桿柱伸長的結果，使柱塞還停留在原來的桿位置，即柱塞相對泵筒沒有運動，因而不抽油。如圖 2-2C 所示。對油管柱來說，下沖程時，由于游動閥打開和固

29、定閥關閉，整個油柱重量都由柱塞和抽油桿柱承擔，而油管柱上就沒有這個載荷的作用了。因此，在抽油柱加載的同時油管柱卸載。卸載引起油管柱的縮短，直到縮短變形完畢以后，油管柱的載荷才全部卸掉。油管柱縮短的大小為：管 管油管fELP式中 油管管壁的斷面積，；管f2m這樣一來，雖然懸點帶著柱塞向上移動，但是由于油管柱的縮短，使油管柱的下端也跟著柱塞向上移動，柱塞相對泵筒沒有運動，還不能抽油，如圖 2-2d 所示。一直到懸點經過一段以后，柱塞才開始抽油。管 上沖程 下沖程 a) b） c） d） e） 圖 2-2 抽油桿柱和油管柱變形過程(3)上死點 經分析表明：懸點從下死點到上死點雖然走了 S，但由于抽油

30、桿柱和油管柱的靜變形，使抽油泵柱塞的有效沖程長度比 S 小：效S=S- 效S而靜變形為： = 管油桿油管桿EfEfLPLP）（管桿油ff1ELP桿(2-10)式中 稱為變形分配系數，一般可取 0.60.9。管桿ff11(4)上死點它和下死點情況恰恰相反。這時對抽油桿柱來說，靜載荷由上沖程的變到下沖程的，減小了油柱重，抽油桿因效管桿油靜下靜上SPPP靜下P油P而縮短了。因此，當懸點向下走了時，由于抽油桿柱的縮短，柱塞桿桿在井下原地不動，它對泵筒不產生相對運動，因而不能排油。而對油管柱來說，因為加載而伸長了，油管(或泵筒)好象跟著柱塞往下走。所油P桿以，在懸點再走完入以前，柱塞和泵筒還不能產生相對

31、運動，也不會管排油。因此，在排油過程中，柱塞的有效沖程長度比懸點沖程長度 S效S減小了一個同樣的靜變形值。上、下沖程中懸點載荷隨懸點位移的變化規律用圖 2-3 來表示，這種圖形稱為靜力示功圖。 圖 2-3 靜力示功圖圖中 AB 斜線表示懸點上沖程開始時載荷由柱塞傳遞到懸點的過程。EB 線相當于柱塞與泵筒沒有發生相對運動時懸點上行的距離，即 EB=。當全部載荷都作用到懸點以后，靜載荷就不再變化而成水平線 BC，到達上死點 C 為止。CD 段表示抽油桿柱的卸載過程。卸載完畢后，懸點又以一個不變的靜載荷向下運動，成為水平線 DA 而回到 A。根據大慶地區的實際情況：泵掛 1000m，沉沒度 300m

32、，泵徑 70mm，抽油桿直徑 25mm，沖程 S=3m，沖次 n=9 次min，含水 0.9； 2462m1090. 441052254d桿f 33m76930m8 . 97850NN）（桿33m9310m8 . 9950NN）（油2462m105 .3841070704dFL=1000mm300h 沉）（）（沉油油桿桿靜上hfLFLP）（）（靜上3001000105 .38931093107693010001090. 4410PNP4108 . 5250908 .33133靜上所以：(1)上沖程：=）（）（沉油油桿桿靜上hfLFLPN4108 . 5(2)下沖程：NLPP4103 . 3f）

33、（油桿桿桿靜下(3)下死點：m26. 0桿(4)上死點： 懸懸點最大沖程點最大沖程長長度度mazS懸點最大沖程長度主要決定了抽油機的產量。在石油機械中，應用的懸點最大沖程長度從 0.3 到 10 米，而最為廣泛的是在 6 米以下。mazS根據大慶地區現行抽油機的情況，本機型的最大沖程長度設計在3.00 米。懸懸點最大沖程次數點最大沖程次數maxn懸點的最大沖程次數表明了抽油機的抽汲工況。最大沖程次數和懸點最大沖程長度一起確定了抽油機的最大產量（當泵徑一maxnmazS定時）。目前實際應用的最大沖次從 2到 20由于抽油桿的折斷1min1min次數與之成正比，因此限制了沖次的提高。根據大慶地區的

34、現行抽油機的情況，本機型的最大沖程次數定maxn為 9。1min減速箱曲柄減速箱曲柄軸軸的最大允的最大允許許扭矩扭矩maxM曲柄軸的最大允許扭矩與懸點載荷、懸點最大沖程長度以及懸點的最大沖程次數有著一定的關系。特別是和懸點最大沖程長度成正比。懸點沖程長度越大，曲柄軸上的最大允許扭矩就越大。曲柄軸的最大允許扭矩也確定了減速箱的尺寸和重量。根據減速箱的最大允許扭矩,maxM抽油機可分為：小扭矩： maxM中等扭矩：10KN.mmaxM大扭矩： 30KN.mmaxM超大扭矩：maxM將扭矩與沖程次數相乘可得抽油機的功率。按照抽油機的功率可將抽油機分為：小功率： 5kwmaxN中等功率：5kw25kw

35、maxN大功率： 25kw100kwmaxN常規游梁式抽油機由于采用的是曲柄處平衡，懸點的最大載荷主要取決于抽油桿柱和油柱的重量，其上沖程的最大懸點載荷可達 60kN，因此可稱之為重型抽油機。而本機型采用了在輪處直接平衡，這樣在上下沖程的載荷都只相當 20kN 左右，也就是只相當于常規式抽油機的最大懸點載荷的 1 3.減速箱曲柄軸上的扭矩的計算公式, 由于平衡重在輪上，所以：上沖程時，根據平衡原理： CPMMM下沖程時，此時比大，根據平衡原理：CMPMM=-CMPM式中 M所需扭矩；平衡重產生的扭矩；CM懸點載荷產生的扭矩。PM本機型所采用的在輪處直接平衡，在上下沖程的懸點載荷都被平衡重所平衡

36、一部分或全部平衡，所達到的效果是只相當于常規式抽油機的最大懸點載荷的 1/3,并且在整個工作過程中 M 的值波動較小。13在設計這個抽油機的過程中，我們本著在原機的基礎上進行設計，盡可能的保證與原有結構一樣，因此設計出的抽油機的零件與常規機的零件具有通用性，很多部分的結構與常規機結構相似，這樣對于工人操作沒有更多或者更高要求。對于結構尺寸的計算，為了準確，采用了計算機繪圖和計算編程來實現，只需賦值銷子所在半徑，曲柄長，以及極位夾角計算機會自動算出連桿的長度，然后結合 AUTOCAD 繪圖就能給出各個具體尺寸。如表 2-1 所示本機型的主要結構尺寸。表 2-1 抽油機的主要結構尺寸垂直中心距（m

37、）水平中心距（m）游梁前臂長（懸點半徑）（m）游梁后臂長（銷子作用半徑）（m）極位夾角（）13連桿長度（m）中心連線長（m）輪轉角（）133曲柄回轉半徑（m）沖程（m）沖次（min）19第第 3 章章 新機型的運新機型的運動動分析分析在分析懸點運動規律時，目前一般采用兩種分析方法：一是簡化分析方法；二是精確分析方法。簡化分析方法可分為兩種：一種是簡化為簡諧運動；而是簡化為曲柄滑塊機構。簡化分析方法的研究結果可用于一般計算和分析。但是做精確的分析計算和抽油機機構設計時，則有必要按精確分析方法來研究抽油機的實際運動規律。12在精確分析抽油機運動規律時，復變矢量法是一種比較簡單的方法。根據所設計的抽

38、油機的結構，我們對其進行了簡化。如圖 4-1 所示為雙輪直平式抽油機的運動分析簡圖。下面我們就對它進行具體的運動分析12圖 3-1 運動分析(1)曲柄轉角 從 12 點鐘位置算起，角速度沿順時針方向時取為正值。(2)各桿件的參考角等角度均從基桿算起，并且沿逆時針432、方向取為正值。圖中幾何關系為： )1(sin1K(3-1) 22 L= 222cos2RKKR(3-3) )sin(sin21LR 2cos22213CLCLP(3-5) 2cos22214CLCLP(3-6)各矢量有如下關系式： _CKPR上述矢量方程用復變矢量可表示為： 432ReiiiCeKPe將上式兩邊對時間求導可得：

39、432432iiiieCKiePieR或： 令方程兩邊實部和虛部對應相等，則可得如下方程組 443322coscoscosCPR 443322sinsinsinCPP將上述聯立方程兩邊對時間 t 求導，可求得速度，即： )sin()sin(432423PR 將上面兩式對時間 t 求導，可求得加速度，即：)sin()sin(432324CR )cot()()cot()(242443432 23 3 懸點速)cot()()cot()(323243432 24 4度及加速度可由下式算出： = cVcAVc4c 4A經過上面的分析，通過計算機計算得出結果，并與 CYJ10-3-53HB 常規游梁式抽油

40、機的運動性能進行對比如下：表 3-1 運動性能對比表CYJ10-3-53HB雙輪直平式抽油機下降率最大加速度（m/）max2s18.4%最小加速度( m/)min2s-14.1%最大速度（m/s）maxV27.71%最小速度（m/s）minV27.75%從上表可以看出：最大加速度下降了 18.4%，最大速度下降了27.7%，改善了運動性能，加速度的降低減小了抽油桿柱和油柱慣性載荷對懸點載荷的影響，降低了懸點載荷，改變了受力狀態，使該機的可靠性能增大，同時懸點載荷降低可以使曲柄銷的受力變小，減小了曲柄軸上的扭矩。因此，可以減小電動機的能耗，實現節能。在實際井況參數下，雙輪直平式抽油機與常規游梁式

41、抽油機 CYJ10-3-53HB 的運動曲線對比如圖 3-2、圖 3-3 所示，井況參數見表 3-2 表 3-2 井況參數沖程(m)沖次(次)泵掛(m)沉沒度(mm)泵徑(mm)桿徑(mm)管徑(mm)395622常規游梁式抽油機 CYJ10-3-53HB： 速度： mazVsmminVsm 加速度： maxA2smminA2sm 圖 3-2 CYJ10-3-53HB 型游梁式抽油機運動曲線雙輪直平式抽油機： 位移： mazS速度： mazVsmminVsm加速度： maxA2smminA2sm 圖 3-3 雙輪直平式抽油機運動曲線 第第 4 章章 新機型的新機型的動動力分析力分析為了使懸點一

42、定的載荷 P 和一定的抽汲方式（S 和 n）工作，減速箱曲柄軸就需要給出一定的扭矩，因此減速箱曲柄軸扭矩是游梁式抽油機的基本參數之一。實踐證明，減速箱曲柄軸扭矩的大小和懸點載荷，各桿件長度的比值和抽油機的平衡情況有密切關系。它的合理確定對減速箱的設計、電動機功率的選擇和抽油設備正常工作條件的保證有重要意義，下面首先研究一下減速箱曲柄軸扭矩的大小和變化規律，然后根據扭矩來確定抽油機所需要配備的電動機的額定功率。減速箱曲柄軸上靜扭矩的計算公式： 式中 懸點載荷扭矩，=；CPMMMPMPMPTF 平衡重等效的扭矩CM在常規式抽油機中： )sin()sin(21LrLTF由于常規式抽油機的平衡中是放在

43、曲柄上進行平衡載荷，因此： 在本機型中與)(sin為曲柄轉角CCMMFT常規抽油機是一樣的，差別是在平衡重的等效扭矩上，由于本機型的平衡重是在輪上，在整個過程中沒有變化。因此平衡重的等效扭矩可直接計算：=GR CM平衡重的確定：在上沖程的時候，連桿帶動輪旋轉，即把懸點向上提升，這個時候，平衡重能夠平衡一部分的懸點載荷，在下沖程的時候，相當于懸點拖動平衡重向下運動，這個時候平衡重的重量大于懸點載荷，連桿是推動輪向下運動，這個時候連桿的力相當于是在推動平衡重的一部分在向下運動，為了在整個過程中使扭矩的波動較小，使發動機在上沖程和下沖程所做的功盡量相等。 圖 4-1 抽油機的靜力示功圖利用圖 4-1

44、 的抽油機靜力示功圖進行計算： RLPLPGLPLPGRLPLPMGRLC2221111111）（）（）（油桿油桿桿桿(4-5)由于在前面的計算： =33133.8N =25090N 桿P油P1L可得： CM=4.11t（平衡重的質量）Cm通過采用計算機編程計算，輸入已知常數和任意轉角，計算機會自動為你計算出該角的扭矩因數以及轉角時的扭矩值，根據所計算的扭矩值，畫出該機的扭矩曲線圖，如圖 4-2 所示，對比于常規游梁式抽油機扭矩曲線，如圖 4-3 所示。雙輪直平式抽油機：曲柄轉矩 M( kN.m) 圖 4-2 雙輪直平式抽油機扭矩曲線常規游梁式抽油機 CYJ10-3-53HB：曲柄轉矩 M(

45、kN.m) 圖 4-3 常規游梁式抽油機 CYJ10-3-53HB 扭矩曲線抽油機工作時，由懸點載荷及平衡重在曲柄軸（減速箱輸出軸）上造成的扭矩與電動機輸出給曲柄的扭矩平衡。因此，通過懸點載荷及平衡來計算曲柄軸扭矩，不僅可以檢查減速箱是否在超負荷條件下工作，而且可以用來檢查和計算電動機功率及功率利用情況。一定型號的抽油機所配備的減速箱都有允許的最大扭矩。在一定的情況下，它既限制著油井生產所采用的最大抽油參數（S、n、D 及 L）,同時又限制著為了保證大參數生產所需要的電動機功率。在生產中既不能只看選點最大載荷，而任意采用大參數生產 ，也不能單純根據大參數抽汲的需要，而隨意使用大功率電動機。例如

46、，對于 5 型抽油機，一般選用的電動機功率最大不要超過 2022Kw.。如果選用 2730 的電動機，則會出現兩種情況：一是電動機過大，而功率利用不充分（電動機效率和功率因數都低）；或者電動機在滿載條件下工作，但抽油機必然在超載荷或超扭矩的條件下工作。雖然國外有些油田用天然氣發動機做抽油機動力，但大多數抽油機則以電動機作為動力。因此，在抽油機井較多的油田上，用于抽油的電能消耗量很大。抽油裝置電動機的選擇，一方面關系到電能的利用效率，另一方面將關系到能否充分發揮抽油設備和油層生產能力的問題。因此，電動機的選擇是一件很重要的事情，它與扭矩、載荷等密切相關。現在電動機的選擇是根據輸出扭矩、額定功率來

47、選擇的。抽油機的電動機選擇一般是通過均方根扭矩來計算的。電動機的功率與傳遞到減速箱從動軸（曲柄軸）上的扭矩關系為： nNM9550 21式中 傳至曲柄軸上的扭矩， N.m；MN電動機額定功率， Kw；N曲柄周轉數（懸點沖次數），；1min傳動效率皮帶傳動效率1減速箱傳動效率2由上式就可以得到根據曲柄軸上的扭矩確定所需要的電動機額定功率的計算公式為： 9550MnN 由上式可以看出：電動機工作時，實際在曲柄軸上所產生的扭矩和沖數決定所需要的電動機功率。但是曲柄軸扭矩整個工作過程中是變化的，而只在上、下沖程的某一瞬時達到最大值。在變負荷條件下，電動機的選擇就不能根據瞬時扭矩來計算，否則電動機在大部

48、分時間不能滿載工作，起效率和功率因數都不高，電動機利用率不充分。在變載荷條件下，電動機的選擇一般方法是根據負載電流或扭矩的變化規律，按均方根求出等值電流或等值扭矩來計算。則： 9550nMNer式中 電動機額定功率， KW；rN n沖數， ；1min傳動效率曲柄軸上的均方根扭矩，Nm；eM所謂均方根扭矩，就是用一個不變化的固定扭矩代替變化的實際扭矩，使其電動機的發熱條件相同，則此固定扭矩即為實際變化扭矩的等值扭矩。它可以計算得到的扭矩曲線或測得的瞬時扭矩來計算： iiinnneMMMMdMM2212222121202.21式中 M曲柄軸瞬時扭矩（隨曲柄轉角而變），N.m；曲柄轉角計算時取的間隙

49、越小，則計算越準確。的計算時，計算機充分顯示了它的優越性，你可以盡量的取eM小，這樣算出來的值就越準確。經過計算機的計算，得到：rN 在計算扭矩的時候我發現本機型的扭矩在整個過程中的最大值較常規機減少了很多，且在整個過程中扭矩的無負值（消除了常規機中出現的下沖程發動機反而接受能量的現象）、變化不大、波動較小，達到了設計要求。18所謂節電率是指電動機有功功率的相對下降率，它表明在同等工況下，電動機在改造前后耗電的相對值，是衡量介電性能指標的主要指標。即： %NNNe(4-11)式中 節電率； N, 為改造前，后電動機的輸出功率，kW。eN當然，衡量節電指標除此之外，尚有米噸液耗電指標；從示功圖上

50、算出光桿功率，再求電動機輸出功率等方法。但最直接的是測試電動機有功功率。 14綜上所述，由于該抽油機的均方根扭矩波動系數值有明顯下降，所以電動機輸出功率將會降低，也就節約了電能。扭矩波動幅度下降，說明扭矩變化較均衡，有利于改善電動機的工況，進而提高其功率因數和電動機的工作效率。第第 5 章章 新機型的新機型的應應用分析用分析當今世界，資源有限而匱乏，而對資源的消耗卻永無止境且與日劇增，尤其是石油資源的消耗。進入 2008 年以來，由于政治、資源、外交等各種因素，國際原油價格再次猛烈上揚，一度相繼突破 120、130、140 美元大關，但其迅猛漲勢卻絲毫沒有降下來的趨勢。石油價格的劇烈上漲對世界

51、各個國家的經濟發展和政治格局均造成不同程度的影響。由此牽連引發的物價上漲，居民消費水平上漲，貨幣貶值，股市下跌等直接關系到很多國家的發展甚至存亡，世界對石油的需求在日益上漲，固然對石油價格的上揚顯得非常的敏感而無奈，為了人類的可持續發展和生存，“節約”成為世界上很多國家的共識和一直倡導的主題，尤其是對于資源消耗大國，所以，節能降耗將是抽油機設計的永遠主題。利用游梁式抽油機進行機械采油，在大慶約占 80%。據統計我國各油田在用游梁式抽油機近 7 萬套，裝機容量達 150 萬 kW，每年耗電量300 多億度，是油田主要耗電設備，約占總耗電的 1/3。在黑龍江省耗電的最大戶就是大慶。而在大慶，機械采

52、油是耗電量最多的。目前，對大慶油田的常規抽油機進行改造不僅必要而且是各采油廠的迫切需要。目前，我國開采石油耗電指標與國外先進水平相比，還有很大差距，我國抽油機的運行效率特別低，平均效率僅為 25.96%，而國外平均水平為 30.05%，年節能潛力可達幾十億千瓦時。在用的抽油機系統效率一般在 20%30%之間，因此，開展新型抽油機，替換常規機型是大勢所趨，隨著油田的不斷開發，地層能量逐漸消耗，為了保證原油的穩產、高產，機械采油己經成為廣泛采用的一種方法。我國有機采油井 5 萬多口，占油井總數的 80%左右，抽油機井的耗電量占總耗電量的四分之一，由于抽油機井的系統效率較低，大量的能量(70%以上)

53、在傳遞過程中損失掉，如果將抽油機井的系統效率提高 5%，年節電 2010e8 千瓦時，這不僅可節約大量資金，而且，還可以緩解油田電力緊張狀況。如圖 5-1 的對比表中可看出：(1)雙輪直平式抽油機在指定工況下，裝機功率下降 66. 6%，實耗功率節電率 32. 4%。大慶地區的常規機約 1. 7 萬臺，如果都該用這種抽油機每天節約的電費將達到 120 多萬元，每年按 365 天計算的話，每年節約的電費將超過 4600 萬元。如果全國的近 7 萬臺常規抽油機都改成雙輪直平式抽油機的話，每年節約的電費將高達 19 億元。(2)減速箱曲柄軸扭矩峰值下降 37. 4%，這樣所需減速箱可下降一、二個檔次

54、。在抽油機中減速箱的花費大約占整個抽油機成本的一半，降低了減速箱的檔次就相當于把抽油機的成本大大降低，可以節省大量費用，即節省大量裝機費用。(3)雙輪直平式抽油機的結構和常規抽油機相比，主要不同在于該機構沒有驢頭、游梁和曲柄平衡塊，而是采用雙輪代替驢頭和游梁，直接平衡代替曲柄平衡。這樣簡化了結構，并且能夠滿足運動要求，使用壽命卻不低于常規抽油機。通過簡化結構，重量減輕，制造費用大副降低。同時保留了常規型抽油機的優點：結構簡單、工作可靠及維修方便等。(4)此抽油機的零件與常規式抽油機具有通用性，很多部分的結構與常規抽油機相似，它保留了常規抽油機的基本結構，這樣對于工人師傅沒有更多甚至更高要求。

55、表 5-1 新機型與常規式抽油機的運動、動力性能對比表雙輪直平式抽油機CYJ10-3-53HB備注最大加速度（）maxa2sm18.4%最小加速度（）mina2sm14.1%最大速度（）maxvsm27.71%最小速度（）minvsm27.5%最大懸點載荷（kN）maxP16.4%最小懸點載荷（kN）minP13.4%最大扭矩（kN.m）maxM37.4%最小扭矩（kN.m）minM0100%電機功率（Kw）rN39.0% 新機型的新機型的創創新性新性(1)節能原理的創新性該機型采用懸點載荷的直接平衡，平衡率達 7580%。這樣的平衡設計使所設計設備受力件結構尺寸最小化、電機有功消耗極小化、有

56、功節能率將達 30%以上。(2)結構設計的創新性該機使用雙輪驅動，修井作業方便，使之不必讓開井口。后半輪大于前輪半徑，保證了雙輪結構為省力結構。(3)突破常規及死角限制，增大極位夾角上沖程速度變慢，速度加速度值變小，動載變小，實現了“上慢下快”的工作速度。有利于泵的充滿度，提高產液量。(4)機構更加簡單該機采用無游梁直接驅動，縮短了傳動鏈，使傳動效率得以提高90%。(5)動力、減速裝置容量大為降低電機裝機功率下降 50%以上，減速器峰值扭矩下降近 60%。這樣減速器額定扭矩可下調一、二個檔次。上述兩項是抽油機性能的主要參數。參數下降，對電機和減速器的要求降低，將使二者價格大幅下降，使抽油機成本

57、降低。減速器的成本約占整機的一半左右，可見意義很大。(6)運動、動力性能得以明顯的改善新機型懸點的最大速度，加速度的峰值大幅下降，使傳動更加平穩。新機型的新機型的創創新性新性(1)電機式中做正功，效率提高在游梁抽油機工作循環中 ，或多或少電機都會做負功。電機做負功，就會造成電機發熱，損壞電機，在這事電機就不是電動機，而是發電機。而在本機型中，由于整個工作循環過過程中，電機沒有做負功的情況，這就避免了工程上所不愿看到的情形：電動機變成發電機。該機不但能保持電機始終做正功，還能保證其工作時扭矩平穩，這樣使該機型的效率大大提高。(2)節能效果好在整個循環過程中，平衡重平衡了大部分的選點扭矩，并且在循

58、環過程中，扭矩的波動很小，扭矩的峰值也有了很大程度的減小，從而使該機的裝機功率有了很大程度的減小，電機的利用率有了較大提高，電機的額定功率也有了大幅度減小。因此，該機的效率也就有了明顯的提高。(3)調節平衡簡單，平衡重具有通用性該機型采用直接平衡方式平衡。所謂直接平衡是指輪的一側用鋼絲繩直接連接平衡重，平衡掉輪另一側的抽油桿重量和油重的一般。這種平衡的優點是通過鋼絲繩的柔性連接直接平衡，容易實現平衡。相比于游梁抽油機平衡更穩定，更便于調節平衡重的重量。只需在平衡重上增加和減少重物就可以調節平衡重的重量。設計制造一種基本的平衡重，銅鼓給偶添加和減少其上重物的重量使其適應不同的井深和不同的井況。因此，直接平衡就有了通用性。其中空出可以添加石塊等作為重物，相比于游梁抽油機的全鑄鐵曲柄平衡和不方便調節平衡的游梁平衡更能節省了剛才，制造費用更低，有更好的通用性。新機型的新機型的應應用性用性(1)加工成本低該機的雙輪、曲柄等部件加工容易。此外，整機的重量輕，減少了剛才的用量，從而減小了成本。游梁抽油機龐大笨重的游梁、驢頭簡化為雙輪，其復雜的曲柄平衡和游梁平衡簡化為