1、數字化抽油機主要結構設計本科畢業設計（論文）開題報告題目：JJ450型井架設計及動力特性分析學生姓名秦超學號1103010126教學院系機電工程學院專業年級機械工程及自動化2010級指導教師劉承杰職稱副教授單位西南石油大學機電工程學院目錄1研究的背景與意義21.1研究的背景21.1.1 抽油機的類型21.1.2 游梁式抽油機存在的問題21.1.3 無游梁式抽油機存在的問題31.1.4 其他抽油機存在的問題31.2 研究的意義32工作原理介紹42.1 游梁式抽油機的工作原理42.2 數字化抽油機52.2.1 結構組成52.2.2 控制系統原理73抽油機的現狀和發展趨勢73.1國內抽油機的現狀73

2、.2 國外抽油機發展現狀93.3抽油機發展趨勢104主要研究內容105實現方法及手段116擬采用的技術路線127預期結果128具體工作進度安排13參考文獻141研究的背景與意義1.1研究的背景1.1.1 抽油機的類型 抽油機是有桿抽油系統中最主要舉升設備。根據抽油機結構特點，可分為游梁式抽油機和無游梁式抽油機1。游梁式抽油機最主要的特點就是有一個能繞支架軸承上下擺動的游梁。游梁式抽油機是油田最普遍應用并占主導地位的抽油機。按其結構又可分為常規型、前置型、異相型、異形型和斜直井型等;按平衡方式可分為：機械平衡式、氣動平衡式和液壓平衡式。無游梁式抽油機又可分為低矮型、滾筒型、塔架型、增程型和缸體型

3、2。經過了100多年的不斷創新和改進，抽油機的結構和功能上都產生了很大的改變，但是仍然存在著不同的問題。1.1.2 游梁式抽油機存在的問題常規游梁式抽油機是應用時間最長、應用最廣泛的一種型式。其特點是結構簡單，制造容易，維修方便，可長期在油田全天候運轉，使用可靠。但由于該機型不容易實現長沖程、低沖次的要求，因而不能滿足稠油井、深抽井和含氣井采油作業的需要。此外其驢頭懸點運動的加速度較大、平衡效果較差、效率較低、電動機功率利用率小、減速器扭矩波動大等缺點已被各個油田和科研機構所重視。為此，國內抽油機生產廠先后對游梁式抽油機進行改造，研制出了前置式抽油機、異相曲柄抽油機、雙驢頭式抽油機、異型游梁抽

4、油機等機型。這些新型抽油機雖然改善了常規游梁式抽油機的一些不足，但在應用中卻暴露出另外一些問題3。（1）前置式游梁抽油機體積龐大，運輸和安裝都不方便; 平衡調節困難，平衡度只能調節到60%70%;上、下行電流差值大，耗能多;屢次發生減速器斷軸和傳動齒輪打齒;輸出軸與曲柄配合易損壞，造成曲柄松動，拉斷連桿，扭曲游梁;驢頭固定架螺柱易松動、斷裂，導致驢頭掉下來等。（2）異相曲柄式抽油機在油田使用中經常出現遇阻斷光桿現象，同時也存在著平衡調節困難、底座工字梁斷裂、尾軸承頂絲焊口開裂和固定螺栓斷裂等問題。（3）節能型雙驢頭式抽油機雖然實現了加大游梁擺角、減小減速器扭矩、提高承載能力、降低能耗等，卻存在

5、斷游梁、支架頂部晃動較大、柔性連接件壽命較短等問題;常出現柔性繩斷頭現象，影響正常生產;后驢頭的變徑弧形加工難度較大。1.1.3 無游梁式抽油機存在的問題 我國早在60年代就開始研制無游梁抽油機，具有節能、重量輕、易實現長沖程、慣性載荷小和智能控制條件好等特點，滿足了采油工藝需要。雖然各種機型都在日趨完善和提高中，但也因許多難題，如結構復雜、運動件多、滑動副及精密的液、氣元件等易磨損，從而使某些關鍵零部件壽命較短、故障率高，同時維修也較為困難，致使運行時效率降低，維修成本提高，給使用與管理帶來不便。因此，在國內抽油機的研發和應用仍以游梁式為主。 1.1.4 其他抽油機存在的問題鏈條式抽油機是我

6、國開發時間最長、使用數量最多、且整體結構較為緊湊的一種無游梁機型，他的優點有:沖程長、慣性載荷小、減速器額定扭矩小、節電、質量輕、占地面積小、平衡效果好等。但也存在著諸多問題，如鏈條壽命短，鏈條易斷銷、跳鏈、換向沖擊載荷大、鋼絲繩易斷和導軌剛度不足易變形等。1.2 研究的意義目前，各種傳統的抽油機存在的主要問題是系統效率低、能耗高，以游梁式抽油機為例，國內的游梁式抽油機總效率平均低于30%4。所以，節能降耗、現代化、自動化、智能化作業成為油田的主要發展方向。而數字化抽油機的出現順應了現在油田發展的需要，解決了傳統抽油機存在的主要問題。數字化抽油機的基本功能5：(1)數據采集和傳輸。采集主電機電

7、流、電壓、功率、頻率和功率因數等電參數，采集油井示功圖的數據，采集抽油機的沖次、沖程和平衡度等參數，并對采集的數據實現本地讀取和遠程傳輸。(2)參數分析和調整。根據測量和采集的各項數據，抽油機可通過本地控制柜或上位機進行分析和計算，按照給定的標準參數值和時間間隔，定時進行抽油機平衡和沖次等參數的自動調整，使得抽油機在最佳工況下安全平穩運行。(3)遠程操作和控制。抽油機可實現本地啟停和遠程啟停，并具有本地和遠程沖次、平衡等調整操作，還可實現工頻、變頻和自動功能的轉換。(4)超載和超限保護。抽油機具有超載、失載、缺相、過流、短路、超速、防雷擊和防閃斷等保護功能。數字化抽油機的開發設計，改變了傳統抽

8、油機效率低下、能耗大的現狀，并最大限度地降低了一線員工的勞動強度并減少了一線員工的用工總量；同時減少了安全隱患，節約了能源，提高了采油效率。數字化抽油機使采油作業現場操作實現了從傳統人工方式向自動化、數字化管理方式的重大轉變，也推動了油田向數字化、節能降耗的方向發展。2工作原理介紹2.1 游梁式抽油機的工作原理常規型游梁式抽油機由底座、支架、懸繩器、驢頭、游梁、橫梁軸承座、橫梁、連桿、曲柄銷裝置、曲柄裝置、減速器、剎車保險裝置、剎車裝置、電動機、配電箱組成6。 抽油機工作時，電動機(14)轉速通過三角皮帶帶動減速箱(11)減速后，由四連桿機構(曲柄(10)、連桿(8)、橫梁(7)、游梁(5)把

9、減速箱輸出軸的旋轉運動變為游梁驢頭(4)的往復運動。用驢頭(4)帶動抽油桿做上下往復的直線運動。通過抽油桿再將這個運動傳給井下抽油泵的柱塞7。在抽油泵泵筒的下部裝有固定閥(吸入閥)，而在柱塞上裝有游動閥(排出閥)，當抽油桿向上運動，柱塞做上沖程時，固定閥打開，泵從井中吸入原油。同時，由于游動閥關閉，柱塞將上面的油管中的原油上舉到井口，這就是抽油泵的吸入過程。當抽油桿向下運動，柱塞做下沖程時，固定閥關閉而游動閥打開，柱塞下面的油通過游動閥排到它的上面。這就是抽油泵的排出過程。其結構簡圖如圖2.1。常規型游梁式抽油機結構特點：支架支撐在游梁中部，曲柄連桿機構和減速器位于支架的后面；曲柄軸中心基本位

10、于游梁尾軸承的正下方。這樣，工作時上下沖程的時間（或曲柄轉角）相等。5數字化抽油機主要結構設計1-底座；2-支架；3-懸繩器；4-驢頭；5-游梁；6-橫梁軸承座；7-橫梁；8-連桿；9-曲柄銷裝置； 10-曲柄裝置；11-減速器；12-保險裝置；13-剎車裝置；14-電動機；15-配電箱。 圖2-1 常規型游梁式抽油機結構簡圖2.2 數字化抽油機數字化抽油機是具備數據采集和遠程控制功能的抽油機。數字化抽油機將油井監控技術和變頻控制技術相結合，通過載荷、位移及電參數的實時采集與傳輸，經RTU運算判定抽油機工作沖次、平衡狀態是否最佳，通過變頻器、調平衡電機使抽油機工作沖次、平衡始終處于最佳狀態；站

11、控系統監視抽油機運行狀態，對斷桿、卡桿及電機缺相等故障實現自動報警，實現抽油機遠程啟停控制8。2.2.1 結構組成 數字化抽油機充分利用了調徑變矩游梁式抽油機的基本結構，將后臂及配重箱設計為具有自調功能的游梁平衡裝置，整機結構如圖2-29所示。其主要組成部分包括：（1）抽油機：游梁平衡的無基礎抽油機（2）數字化抽油機智能控制柜 數據采集傳輸模塊：實現本機與上位機的數據傳輸，并實現本機的邏輯運算與智能控制。 數據顯示模塊：實時顯示抽油機的沖次和平衡度。 工頻：包含了原油工頻控制柜的功能，具有工頻啟動、停止、過濾、過載、缺相等保護的功能。 變頻：可通過變頻器的變頻，調整抽油機沖次。并實現電機的軟啟

12、動及多項保護功能。 工頻、變頻相互切換：當變頻器發生故障時，系統可自動切換到工頻狀態。（3）一體化載荷懸繩器將載荷傳感器嵌入到特制懸繩器中，對傳感器有效保護。（4）傳感器：實現載荷和位移及電參數的實時采集與傳輸。（5）平衡調節裝置：包括控制系統和執行機構，具有手動和自動兩個功能，根據平衡度的大小，調節平衡重的力矩，實現抽油機平衡狀態的無機調節。1-驢頭；2-游梁；3-支架軸承座；4-角位移傳感器；5-支架；6-支撐裝置；7-集中潤滑管線；8-控制線路；9-橫梁軸承座；10-橫梁踏板；11-吊臂；12-限位開關；13-移動式配重箱；14-平衡調節機構；15-圍欄；16-底座；17-防撞裝置；18

13、-控制柜；19-電機總成；20-皮帶；21-剎車裝置；22-皮帶護罩；23-曲柄；24-減速器；25-連桿；26-橫梁；27-鋼絲繩；28-數字化懸繩器；29-灰土墊層圖2-2 數字化抽油機結構總成2.2.2 控制系統原理數字化抽油機的控制系統是通過載荷傳感器和角位移傳感器，采集懸點示功圖，分析抽油泵的充滿度，計算是否需要調整沖次9。動態分析采集到的電參數，根據上下沖程電能和懸點載荷變化判定抽油機的平衡，計算出調整量，給出調整建議或自動調整配重。RTU定時采集示功圖、電參量，將數據遠傳至服務器。本地直接進行平衡分析并給出調整建議，或設為直接調整 服務器實時分析油井供液能力和運行狀況分析，計算最

14、優生產參數，并將指令發送給RTU，控制變頻器調節抽油機沖次RTU繼續采集示功圖、電參量，并傳至服務器分析參數的合理性，接受新的調整方案。如此反復可保證抽油機在優化的參數下運行。 圖2-3 數字化抽油機控制原理3抽油機的現狀和發展趨勢3.1國內抽油機的現狀我國抽油機發展已有50多年歷史。隨著油井開發的復雜性不斷出現，傳統抽油機的缺點日益凸顯。主要存在的主要問題是系統效率低、能耗高10。以游梁式抽油機為例，其在國內的總效率平均水平不足15%，先進地區也低于30%11。這也成為各個有油田面臨的難題。根據資料統計，我國現有6大類共45種新型抽油機，并且每年約有30種新型抽油機專利，基本滿足了陸地油田開

15、采的需要2。各種新型節能抽油機也正處于不斷改造和試產過程中。由于國內制造水平、規模化程度、配件可靠性以及現役抽油機所暴露出來的諸多問題迫使我們必須對我國抽油機技術有一個清醒的認識。抽油機的發展主要面臨著一下幾個大問題2：1中后期水淹井、稠油井增多，開采難度加大20世紀90年代以來，我國東部各主要油田相繼進入中高含水開發期。為確保高效生產， 急需采用長沖程抽油機，以增加油井的產液量;同時為了降低油井的單位生產成本，對抽油機的節能性提出了更高的要求。據統計，2003年我國重油地質儲量46.7×t，低滲透油和重油的累計地質儲量已達全國累計石油地質儲量值的50.9%。稠油由于輕質餾分少、膠質

16、瀝青含量高、密度大、黏度高、流動性較差、油藏壓力低、油田又儲層夾層多、非均質性強、綜合含水高，采出度低。為提高稠油井的采油率，可采用人工舉升法和使用長沖程低沖次的抽油機等措施。2種類多，產品系列化、標準化、通用化程度偏低石油工業發展一百多年來，抽油機專利種類層出不窮。但是，實際被采用的專利并不多。雖然發展了很多機型，但品種雜亂，同一型號的抽油機，其尺寸和結構各不相同，給使用單位的生產和管理帶來不便。其中，無梁式抽油機的產品系列化、標準化偏低，處于不斷試驗改進階段，一些結構部件沒有徹底定型，通用化程度也受到影響。3耗電量大，工作效率、能量利用率低抽油機井的耗電量約占油田總耗電量的30%35%。目

17、前，我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量有3 500兆千瓦，每年耗電量逾百億千瓦時。在我國抽油機的平均運行效率為25.2%，而國外平均水平為30.1%，年節能潛力可達幾十億千瓦。油田節能有三種途徑:結構節能、技術節能和管理節能。我國技術節能的貢獻率僅為13.4%，這就意味著，按照當前技術進步的程度無法滿足實現“十一五”節能目標的要求。可以看出，在抽油機效率和節能方面，還有很大的提升空間，具有非常誘人的前景。 就數字化抽油機而言，在國內的代表人物應屬中國石油長慶油田公司機械制造總廠12。其自主研發的數字化抽油機采用了最佳沖次判定技術、平衡自動調節技術、無基礎寬底座等專利技術，實現了

18、抽油機工作參數的“智能調整”，油井生產、設備的“實時監控”，油井生產和抽油機的“供排協調”，是低滲透油田開發和管理的重要設備。數字化抽油機與傳統游梁式抽油機相比，機采系統效率提高5個百分點以上，綜合節電率達30以上，改善了職工勞動環境，節約了用工成本。長慶油田自推廣數字化油田以來，抽油機作為油田開發的主要設備及耗能大戶，受到了極大的關注13。近幾年國內外針對游梁式抽油機研制開發做了大量工作，但都沒有很好的與抽油機運行參數進行有效結合，致使抽油機不能工作在最佳狀態，系統效率低下。針對此問題，長慶油田相繼研制開發了第一代數字化抽油機、第二代數字化抽油機和第三代數字化抽油機。第一代數字化抽油機將井口

19、采集器部分與抽油機控制單元有效的集成在抽油機控制柜中，實現對抽油機運行參數的實時采集及遠程啟停控制；第二代數字化抽油機在具備第一代所有功能的基礎上實現了抽油機的自動調參目的。第三代數字化抽油機在第二代的基礎上，簡化沖次自動判定的程序和方法，利用地面示功圖判定油井產液量，從而實現沖次的自動判定和調整。3.2 國外抽油機發展現狀 在世界范圍內,研究開發與應用抽油機已有100多年的歷史。近年來,世界抽油機技術發展較快,先后研究開發了多種新型抽油機。其特點是14:增強了抽油機的適應性、可靠性、經濟性和先進性;改善了抽油性能,降低了抽油機載荷與載荷變化范圍,提高了抽油效率,減少了動力消耗;提高了抽油機平

20、衡效果,改善了抽油機的運動特性、動力特性與平衡特性;增大了抽油機的使用范圍,減小了抽油機體積和質量,強化了抽油機自動化與智能化程度。如今，世界上生產抽油機的國家主要有美國、俄羅斯、法國、加拿大和羅馬尼亞等。全世界生產抽油裝置的公司有300多家,其中生產抽油機的公司有150多家。總體來講，美國抽油機品種規格齊全,技術水平先進,質量較好和較穩定,應用范圍較廣泛。世界上第一臺智能抽油機是美國Nationalsapply Co研究開發的。它是一種臥式長沖程抽油機，結構緊湊，總高度不超過2.44m，最大沖程長度為12.19m，節約電力達10%-30%，具有防抽空和防液力和氣體沖擊功能，具有診斷、報警和各

21、種保護功能，采用微機處理和自適應電子控制技術，對抽油機和抽油系統進行測和控制，具有較高的抽油安全可靠性。此外，美國Baker公司研制的自動化抽油機，具有各種安全保護功能，一旦出現超過抽油機允許的工作參數時，可以自動報警和停車，確保安全可靠地進行抽油。美國Delta-X公司研制的自動化抽油機，利用微機對抽油泵進行監測和遙控，具有防抽空功能、診斷故障和保護功能，抽油安全可靠，事故少，開動率高。美國APS公司研制的自動化抽油機，可監測、分析、記錄抽油機的20個工作參數，還可以顯示瞬時參數的變化值，具有診斷、報警和保護功能。將來，世界智能抽油機將會有一定的技術發展，其數量不會增加很多。隨著科學技術的不

22、斷發展，還有可能出現新型智能抽油機。綜上所述，世界現有抽油機的模式將會有全新的改變，各種新型抽油機數量將會增多，但是占世界擁有量的比例仍然不是很大。3.3抽油機發展趨勢1向著大型化方向發展隨著我國油氣資源開發難度的不斷增加，都要求用大型抽油機3。目前，我國已研制出14型、16型抽油機，今后還會研制大于16型的抽油機。我國抽油機向大型化發展使一種必然的發展趨勢。2向著低能耗方向發展為了減少能耗，近年來研制了許多節能型抽油機。如異相機、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向著高適應性發展隨著現在井場采油影響因素的多變性，抽油機應具備較高的適

23、應性，以便拓寬使用范圍。例如適應各種自然地質構造，適應長沖程的需要，適應節電的需要，適應精確平衡的需要等。4向著長沖程無梁抽油機方向發展長沖程抽油機的研制一直是我國抽油機發展的瓶頸。但是， 長沖程、低沖次、低功耗的無游梁式抽油機是今后抽油機發展的主要方向。5向著自動化和智能化方向發展近年來，變頻技術在抽油機上得到了廣泛應用。利用變頻控制系統實時調整工作參數，提高電機功率因數，減小供電電流，還可以實現電機的軟起動，減小沖擊，并可根據油井供液能力實時調整沖次頻率，實現增產節能效果。 4主要研究內容本次設計主要是以抽油機地面設施為對象：1.確定抽油機的基本參數懸點的最大允許載荷 、懸點最大沖程長度、

24、懸點最大沖次、曲柄軸最大扭矩。 2.需要設計計算的內容15抽油機部件幾何尺寸參數計算、懸點加速度計算、懸點載荷計算、減速箱曲柄軸扭矩計算、扭矩因數計算、電動機功率計算、減速器傳動比計算等。3.需要校核計算的內容曲柄連桿的強度校核、游梁的強度校核、支架的強度校核、減速箱零件的強度校核等。4.需要設計的內容抽油機主要零部件，如減速器、曲柄連桿機構、平衡機構、游梁、支架、驢頭等。5.完成外文資料翻譯，不少于2萬印刷字符的有關技術資料。6.按照畢業設計規范，完成設計說明書（論文）的撰寫工作。5實現方法及手段1. 概念設計查閱相關資料，了解抽油機的工作狀況，繪制草圖。2. 筆記本設計確定抽油機的基本參數

25、，利用MathCAD對抽油機進行運動學和動力學的計算。3. 結構設計結構設計包括整機裝配圖、部件裝配圖和零件工程圖。在此階段的設計采用CREO自上而下的設計方法。其主要步驟為：布局設計初始裝配創建骨架填充實體模型組件零件設計。6擬采用的技術路線16查閱資料，了解抽油機知識及其設計方法開始外文資料翻譯開題報告，確定本次設計的任務抽油機概念設計利用MathCAD對抽油機進行運動學和動力學計算抽油機主要結構設計撰寫論文7預期結果（1）畢業設計開題報告1份（2）相關資料英譯漢翻譯1份（3）畢業設計說明書1份。（4）繪制裝配圖和工程圖共2-5張。可選：抽油機總體結構、曲柄連桿機構、減速器內零件、支架、游

26、梁、驢頭等。（5） 畢業設計日志1份。8具體工作進度安排設計(論文)的進程安排 序 號設計(論文)各階段內容截止日期1查閱資料，了解課題，清楚設計的主要任務3月7 日2確定抽油機參數，寫開題報告并修正3月15日3抽油機方案設計3月30日4抽油機概念設計，繪制草圖4 月 7日5數字化抽油機基于MathCAD的運動學和動力學計算4月15日6抽油機主要結構基于CREO 的設計5月30日7后期查錯并修改6月 5日8外文資料翻譯5月30日9書寫說明書6月10日參考文獻1朱榮杰，張國慶編著.抽油機井故障診斷及處理方法M.北京：石油工業出版社，2011：4-5.2方仁杰，朱維兵.抽油機歷史現狀與發展趨勢分析J.鉆采工藝，2011，,34（2）:61-63.3馬和軍.我國抽油機的現狀和發展方向J.施工技術，2013，（4）：95-96.4成城.數字化抽油機技術的創新與改進J.科技與企業，2013，（14）：168.5吉效科,許麗,智勇.新型數字化抽油機的研制和應用J.石油機械2013,41（10）:96-99.6張建軍，李向齊，石惠寧編著.游梁式抽油機設計計算M.北京，石油工業出版社，