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1、绪论CYJY12-4.8-73HB型抽油机设计1 绪 论1.1抽油机的应用 油田开采原油的方法分为两类：一类是利用地层本身的能量来举升原油，称为自喷采油法，常见于新开发且储量大的一些油田；另一类是到了油田开发的中后期，地层本身能量不足以使原油产生自喷，必须人为地利用机械设备将原油举升到地面，称为人工举升采油法或机械采油法1。 上述采油方法中不利用抽油杆传递能量的抽油设备统称为无杆抽油设备，利用抽油杆上下往复进行驱动的抽油设备统称为有杆抽油设备。利用抽油杆旋转运动驱动井下单螺旋泵装置，虽然也有抽油杆，但习惯上不列入有杆抽油设备3。有杆泵采油技术是应用最早也最为广泛的一种人工举升机械采油方法。有杆
2、抽油系统主要有三部分组成：一是地面驱动设备即抽油机，它由电动机、减速器和四连杆机构(包括曲柄、连杆和游梁)等组成：二是井下的抽油泵(包括吸入阀、泵筒、柱塞和排出阀等)，安装于油管的下端：三是抽油杆，它把地面驱动设备的运动和动力传给井下抽油泵。抽油机是一种把原动机的连续圆周运动变成往复自线运动，通过抽油杆带动抽油泵进行抽油的机械设备。游梁式抽油机是机械采油设备中问世最早的抽油机机种，1919年美国就开始批量生产这种抽油机。目前我国大多数油田己相继进入了开发的中后期，油井逐渐丧失自喷能力，基本上己从自喷转入机采。80年代初，我国拥有机采油井2万口，占总油井数的57.3%，机采原油产量占总产量的27
3、 %， 2000年我国油气田共有抽油机采油井约8万口，占油田总井数的90%。在这些机采油井中，采用抽油机有杆式抽油的占90%，采用电潜泵、水力活塞泵、射流泵、气举等其它无杆式抽油的只占10%。近几年，随着稳油控水和节能的要求不断提高，各种型式的节能型抽油机和长冲程抽油机的数量不断增加。由此可见，抽油机在各油田的生产中有着举足轻重的地位，并且随着油田的进一步开发，各种新型节能抽油机将会得到广泛地推广和应用。1.2 国内外抽油机的发展概况1.2.1 国外抽油机的发展概况在国外，研究开发与应用抽油机已有100多年的历史4。在这一百多年的采油实践中，抽油机发生了很大的变化，特别是近20年来，世界抽油机
4、技术发展较快，先后研究开发了多种新型抽油机。起特性主要有以下九个方面：(1) 为了适应各种地质油藏条件和采油的工况， 研制与应用了液压缸式抽油机、气压缸式抽油机、长冲程低冲次抽油机和螺杆泵采油系统等。(2) 为了满足陆地、城市、农村水利喷灌区、山区、沼泽、森林地带、沙漠地区、浅海和海滩、海洋地区和更复杂地区抽油的需要， 研制与应用了低矮型抽油机、城市抽油机、前置式抽油机、前置式气平衡抽油机、紧凑型抽油机、两点式抽油机和井架型抽油机等。(3) 为了适应垂直井、斜井、丛式井和水平井抽油工况， 研制了斜井抽油机、丛式井抽油机、双驴头抽油机和高效能丛式井抽油机等。(4) 为了满足稠油和深井开采的需要，
5、 研制与应用了各种大型抽油机。例如常规型抽油机最大载荷160kN，前置式抽油机最大载荷193kN ；前置式气平衡抽油机最大载荷213kN。(5) 为了提高抽油系统效率， 减少抽油机动载荷与振动载荷， 研制了增大冲程游梁抽油机和增大冲程无游梁抽油机及长冲程无游梁抽油机(分立式和卧式两种)。(6) 为了提高采油经济效益， 降低能源消耗，减少抽油成本， 研制与应用了各种新型节能抽油机和节能部件。例如异相型抽油机、前置式抽油机、前置式气平衡抽油机、大圈式抽油机、轮式抽油机、全胶带传动抽油机、井架型抽油机、滚筒式抽油机、缸体式抽油机、玻璃钢抽油杆用抽油机、自动化抽油机和智能抽油机等。节能部件有： 高转差
6、率电动机、天然气发动机、抽油机节能控制柜、窄V 联组胶带、同步胶带、齿型胶带等。上述抽油机和部件能节电10%50%。(7) 为了提高抽油机精确平衡效果， 达到节电和提高抽油机运动平稳性与使用寿命， 研制与应用了各种平衡方式抽油机。例如变平衡力矩抽油机、气平衡抽油机、气囊平衡抽油机、双井平衡抽油机和自动平衡抽油机等。(8) 为了满足边远地区没有电源的抽油井试油或采油以及间歇抽油的需要， 研制与应用了车装式抽油机， 采用天然气发动机或汽油机、柴油机驱动抽油机， 具有使用移动灵活等特点。(9) 为了提高采油效率， 实现自动化开采石油， 研制与应用了各种自动化抽油机和智能抽油机， 采用先进的微机系统控
7、制、检测和诊断抽油机运行与故障， 以确保高效安全经济抽油。1.2.2 国内抽油机的发展概况我国游梁式抽油机的制造虽然只有40多年的历史，但发展很快。目前已有生产厂家三十多个，抽油机的规格有十余种。国内抽油机按起传动、换向系统和平衡方式分类，主要有以下几种：(1)常规游梁式抽油机及其改型抽油机常规游梁式抽油机是油田生产的主力机型，最大的冲程为6米。该机构简单，机械换向简单，机械换向平稳；同时在传动件中很少使用寿命较短、可靠性较差的扰性构件，因此使用和维护都比较简单，可靠性也高，是现有各抽油机中最成熟的机种，且适用于全天候工作，至今在众多有杆式抽油机的应用中仍占据主导地位。(2)四杆传动机构抽油机
8、这类抽油机主要是以曲柄滑块机构为主机够的增程式、浮动轮式等几种。但该抽油机结构复杂，安装维护困难，目前在油田应用很少。(3)六杆机构的抽油机为了克服四杆机构抽油机的缺点，有研制了数种采用六杆传动机构的抽油机。但这种机型结构复杂，可靠性不高，动力性改善并不明显。(4)筒式抽油机 滚筒式抽油机是利用换向机构驱动滚筒正、反转，并带动柔性见饶国天轮驱动悬点做上、下往复运动的抽油机。这类抽油机没能在油田大面积推广，原因是换向系统的可靠性和寿命较低，而且冲击和噪音大，平衡困难。(5)链条式抽油机链条式抽油机是利用轨迹链条上的特殊链节，带动往返架往复运动，从而驱动悬点上、下运动的抽油机。平衡方式主要是气平衡
9、和重块平衡。但前者存在密封和失载保护等问题，故障率高；后者惯性载荷大，链条和特殊链节的受力情况恶化，故障率较高。而且该类抽油机维修费用大大高于常规型游梁式抽油机。(6)液压式抽油机它是以液压传动技术为特征的抽油机。它可以最大限度地发挥油井产能，延长地面和井下设备的使用寿命，具有很好的产油经济性。但在国内，由于液压元件制造水平的制约，液压抽油机可靠性不高，维护比较困难，故起发展比较迟缓。1.3抽油机存在的主要问题1999年我国抽油机井采油年耗电总量1.051010kWh，占油气生产总用电比例的49.2%，年电费支出达42亿；每台在用的抽油机平均年维护费用约3000元，全国抽油机年维护费用约2.2
10、5亿元，而因维护设备影响油井产量约相当1.2亿元，两项合计3.45亿元；全国抽油机采油操作成本总额45.65亿元。抽油机井是油田生产量大面广、投入较大的项口，因此，降低抽油机井的生产成本、提高原油生产效率，将是油田实现挖潜增效的主战场。若每口抽油井(其中90%以上为常规游梁式抽油机)实用功率按10kW计， 5104台抽油机每天耗电近12106kWh，年耗电近4.4109 kWh5。若我们将抽油机的系统效率平均提高15 %，就全国而言每年可节电近1.575 109 kWh，节约费用6.3亿元。这不仅.丁以节约大量能源，还可以缓解油田用电紧张状况，既有经济效益又有社会效益。常规游梁式抽油机自诞生以
11、来，历经百年使用，经历了各种上况和各种地域油田的考验，经久不哀，目前仍在国内外油田普遍使用。常规机以其结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。但是由于常规机的结构特征，决定了它平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、上作效率低和能耗大等缺点。在采油成本中，抽油机电费占30%左右，年耗电量占油田总耗电量的2030%，为油田电耗的第二位，仅次于注水。常规抽油机的主要问题是能耗大，效率低。我国油田在用的常规型游梁式抽油机系统效率较低，只有16%23%，先进的地区至今也不到30%，美国的常规型抽油机系统效率较高，但也仅为46%。
12、究其原因，在于系统总效率是系统在地面和井下近个组成部分的分效率和相关反馈系数的乘积，显然要提高抽油机系统的总效率实现节能是一个复杂的系统上程问题，任何一环的分效率变低，都会是总效率变低，由此可见降低系统高能耗的迫切性和难度。但由于在同一工况、井况和同一时刻下，井下的损耗因地面游梁机型不同而发生的差异不会很大，因此本文仅从游梁机的地面效率角度，研究其节能问题。抽油机能耗大的主要原因：抽油机的悬点载荷状况是影响抽油机能耗的主要因素。人们普遍认为，游梁机上作效率不高的主要原因是其载荷特性与所用普通三相异步电动机的转矩特性不相匹配，电机的负载率过低致使电机以较低的效率运行。 抽油机的结构和抽油泵上作的
13、特点，形成了抽油机特有的负荷特性：带有冲击的周期交变载荷。在抽油机运行的一个周期内：上冲程时，悬点要提升沉重的抽油杆和油液柱需要减速器传递很大的正向转矩：下冲程时，输出轴被下落的悬点负荷(抽油杆自重)正向拖动，使主动轴反向做功，减速器要传递较大的反向转矩。电机在一个冲程中的某些时段被下落的抽油杆反向拖动，运行于再生发电状态，抽油杆下落所释放的机械能有部分转变成了电能回馈电网，但所回馈的电能不能全部被电网吸收，引起附加能量损失。抽油机工作时，电机所受的负荷变化极大，在每一冲程的末尾，减速器输出轴上往往出现负转矩，在这种情况下，电机会处于发电运行状态。(特别是当抽油机平衡不良时，其电机输出功率甚至
14、可能在20%120%额定功率值的范围内变化)，目前游梁式抽油机主要采用曲柄平衡，即使在平衡良好的情况下，减速器输出轴仍然存在较大正峰值转矩和较大的负转矩。平衡程度越差，其正、负转矩的峰值越大，抽油机的能耗也就反之增加。负转矩的存在必然导致电动机运行于再生发电状态，电能回馈电网造成电力系统的附加能量损失，这样一来实际上使异步电机的运转参与了抽油机的平衡运动，因为抽油杆下落时所释放的机械能能除了部分转变成平衡重的位能，还有部分通过电机的再生发电状态转化成了电能，但所产生电能又不能被电网全部吸收，造成了能量的浪费。同时负转矩的存在又加速了曲柄销的破坏，使减速器的齿轮经常受反向负荷，降低了抽油机的使用
15、寿命。继常规机后，各种类型抽油机不断涌现，但其发展还是受到一定限制。国产数控抽油机采用了完全不同于传统游梁式抽油机的机架、传动系统和电动机，对游梁式抽油机没有任何继承，但因价格昂贵不能推广使用。链条式抽油机存在换向冲击载荷大和钢丝绳易断，道轨刚度不足容易变形等缺点。液压抽油机漏油发热可靠性差，且液压抽油机的维护保养比游梁式抽油机复杂的多，影响其进一步的推广使用。新型抽油机的投入使用比对在用抽油机进行节能改造需要更多的投入，且其中大多数新机种在可靠性和操作的方便性方面与常规游梁式抽油机相比存在着许多问题，加之受现场操作人员文化技术水平限制，对节能所带来的经济效益不十分关心等诸多因素，使大部分新型
16、抽油机得不到良好的推广和应用。因此，研制开发新型节能型抽油机和对油田在用的游梁式抽油机进行节能研究具有很大的现实意义。1.4抽油机的发展趋势今后，国内外抽油机主要向以下几个方面发展69： a.朝着大型化方向发展b.朝着低能耗方向发展c.朝着精确平衡方向发展d.朝着高适应性方向发展e.朝着长冲程无游梁方向发展f.朝着自动化和智能化方向发展1.5本论文的主要研究内容近几年来，抽油机节能问题己日益引起人们的重视，国内的许多生产厂家正在不断地应用新技术，通过进行结构优化设计和改进平衡方式等，实现抽油机节能的目的，己经有一大批新型的抽油机相继投入油田开采。在开发新产品的同时，也要对现有抽油机实施节能技术改造，不断地推广节能技术。而在研究节能抽油机的同时，系统的可靠性、经济性和使用维护方便是生产厂家和用户
