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抽油机地面能耗分析

学生姓名：王光辉

学    号：06021006

  专业班级：石油工程2006-7班

指导教师：张晓军

2010年6月22日

摘  要

根据游梁式抽油机四连杆机构的几何关系和运动特点，建立了游梁的摆动方程并精确计算出游梁式抽油机悬点运动参数；考虑抽油机光杆静载荷和惯性载荷及运动机构的重力和惯性情况，建立了抽油机系统相对曲柄的等效动力学模型并求出具有动平衡特征的曲柄轴净扭矩；根据抽油机皮带传动特点和力学分析，建立了一种简便的皮带传动效率计算模型，为分析抽油机瞬时工作参数提供了理论支持；重新定义了周期载荷系数计算储电动机额定功率并以常规游梁式抽油机、调径变矩式抽油机为例，编写了计算机程序，实现了重要参数的计算，绘制了关键曲线，由此比较得出了节能抽油机的优点。文中还对其他节能抽油机进行了简要介绍。

关键词：速度；加速度；扭矩；周期载荷系数；调径变矩式

ABSTRACT

Based on the unique geometry and mechanical movement of beam pumping unit, we have presented a simple swing equation and computed motorial parameter; meanwhile under the conditions of the static load and inertial load of the polished-rod of a conventional pumping unit, we have also presented on equivalent dynamic model of the pumping unit system and the type-curves of net torque of the crankshaft with the characteristic of inertial counterbalance have been computed; Based on features and mechanical analysis of belt，a simple model for calculating belt transmission efficiency is developed the model can provide a theoretical base for study on the other transient variable of beam pumping unit; The cyclic loading coefficients is defined once and compute the nominal Power of the motor; at last we compare the beam pumping unit and the adjustable diameter and changeable toque pumping unit, based on this a program have been finished，and we also introduce other power saving pumping units.

Keywords: velocity; acceleration; toque; the cyclic loading coefficients; adjustable diameter and changeable toque pumping unit

目  录

第1章 前言……………………………………………………………………1

  1．1 国内外油田抽油机的现状………………………………………………1

  1．2 游梁式抽油机的节能方法………………………………………………1

第2章 游梁式抽油机地面能耗分析…………………………………………2

  2．1 游梁式抽油机……………………………………………………………2

  2．2 抽油机悬点运动规律……………………………………………………3

    2．2．1 游梁摆动方程的建立 ……………………………………………3

第3章 地面能耗分析软件的编制与应用……………………………………5

  3．1 油井数据…………………………………………………………………5

  3．2 地面设备数据……………………………………………………………5

第4章 结论……………………………………………………………………7

致谢………………………………………………………………………………8

参考文献…………………………………………………………………………9

附录……………………………………………………………………………10

第1章  前  言

1.1 国内外油田抽油机的现状

抽油机分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种。游梁式抽油机具有结构简单、制造容易、可靠性高、工作持久、适应工况条件好等优点，在采油工业发展的初期被大量的应用;但游梁式抽油机也存在不足之处，如效率低下、用电成本高等缺点。无游梁式抽油机有长冲程无游梁抽油机等，它具有功率因数高、效率高等优点，所以抽油机的发展方向是无游梁式抽油机[1]。

1.2 游梁式抽油机的节能方法

引起游梁式抽油机电机负载效率低的原因主要有以下几个方面:

(1)游梁式抽油机的电机是带负载起动，因此起动时所需的起动电流很大，功率因数很低，对电动机的功率要求比较大。

(2)游梁式抽油机的输出功率是周期性变化的，因而其驱动电机的电流也是周期性变化的。在选择电动机时，为了保证不超过允许的温度，电机的额定电流需要取电机运行过程中的最大值，相应地，对电动机额定功率的需求也就越高。

(3)要准确地选取一台抽油机的驱动电动机容量，需要测量大量数据，往往很难做到，而且如何对抽油机电机容量的选择计算还没有一个统一、准确的计算公式，因此大多数情况下都采用估算的方法来选择配套电机的功率，一般留有较大余量。

第2章  游梁式抽油机地面能耗分析

2.1 游梁式抽油机

抽油机是有杆深井泵采油的主要设备。游梁式抽油机主要由游梁－连杆－曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置等四大部分组成。工作时，动力机将高速旋转运动通过皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄作低速旋转。曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动。挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动(见图2-1)。

图2-1  抽油机结构简图

1—刹车装置      2—电动机    3—减速箱皮带轮    4—减速箱     5—输入轴

6—中间轴        7—输出轴    8—曲柄            9—连杆轴    10—支架

11—曲柄平衡块   12—连杆     13—横梁轴         14—横梁      15—游梁平衡块

16—游梁         17—支架     18—驴头           19—悬绳器    20—底座

2.2 抽油机悬点运动规律

游梁式抽油机是以游梁支点和曲柄轴中心的连线做固定杆，以曲柄、连

杆和游梁后臂为三个活动杆所构成的四连杆机构(见图2-2)。

图2-2  游梁式抽油机示意图

游梁式抽油机悬点运动的位移、速度和加速度，是抽油机结构设计及力学分析的重要运动参数。目前，常用的简化方法只能给出其近似解，不能满足精确计算的需要。游梁式抽油机四连杆机构的几何关系和运动特点，通过建立游梁摆动方程，得出求游梁式抽油机悬点运动参数的一种方法。

2.2.1 游梁摆动方程的建立

假定曲柄由12点钟位置开始沿顺时针方向做匀速圆周运动。在△OBD中(见图2-2)，根据余弦定理：

                     (2-1)

其中                                (2-2)

式中    ——任意时刻游梁摆角，即游梁后臂雨方向的夹角；

——任意时刻和轴方向的夹角；

——曲柄转角，它等于角速度与时间t的乘积，即。

式中，为任意时刻游梁摆角，即游梁后臂雨Y方向的夹角；为任意时刻J和Y轴方向的夹角；为曲柄转角，它等于角速度与时间t的乘积，即。 

2.2.1.1 悬点运动位移

游梁绕支点O摆动时因其前、后臂的角位移相等，故任意时刻悬点位移为：

                                         (2-4)

式(2-4)即为任意时刻悬点位移表达式。由于对于某一给定型号的抽油机是一常数，因此只是的函数。给定值，便可计算出悬点位移。

第3章  地面能耗分析软件的编制与应用

3.1 油井数据

现场提供的油井数据见表3-1所示。

表3-1  部分油井生产参数

计算分析过程中，采用的抽油机型号为江汉石油机械厂生产的CYJ8－3－48B型抽油机，电机型号为YH225M-6，皮带型号为窄V带。设备具体参数见表3-2所示。

表3-2  调径变矩式抽油机参数

                                                       续表3-2

(1)通过建立的游梁摆动方程精确解得了运动参数解，并由绘出的相关曲线表明，抽油机的上、下死点位置不是常规认为的1800和3600或(00)。

(2)通过对游梁式抽油机精确动平衡分析建立的文中相关计算式只适用于常规抽油机的平衡，对异相机、前置式抽油机尚待进一步研究。

(3)通过皮带的传动效率分析表明，皮带工作的瞬时传动效率是变化的，在大部分时间内较高，在局部范围内，尤其是扭矩接近于零位置时效率较低。

(4)周期载荷系数(以扭矩数值计算)对所需电机额定功率影响较大，对电机实际消耗的有功功率影响较小。

(5)由文中所绘的抽油机悬点速度变化曲线、悬点加速度变化曲线、扭矩曲线等曲线表明，调径变矩式抽油机在运动特性、受力状况等方面比常规游梁式抽油机有较大改进。

(6)本文对调径变矩式抽油机与常规游梁式抽油机的性能和特点进行了比较，这对其他节能抽油机的研究有一定参考作用。

致  谢

内容请同学们自己撰写。 

参考文献

[1] 王常斌.游梁式抽油机运动参数的精确解.石油学报,1998,19(2): 23-26.

[2] 王鸿勋,张琪.采油工艺原理.第一版.北京：石油工业出版社,19: 84-156.

[3] 司宗国，王群．重子湮没快度关联的研究．赵维勤，高崇寿编．第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集，北京：中国高等科学技术中心出版，1996：105-107．

[4] GB/T 16159-1996，汉语拼音正词法基本规则.

[5] 姜锅洲.一种温热外敷药制备方案.中国专利：881056073，19-07-26.

[6] 王明亮.关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展. http：// www.cajcd.edu.cn/pub/wml.tex/980810-2.html,1998-08-16/1998-10-04.

附  录

附录A

1．悬点速度变化曲线

图A-1  常规游梁式                     图A-2  调径变矩式

2． 悬点加速度变化曲线

图A-3  常规游梁式                     图A-4  调径变矩式

附录B

1．H6-13井产量预测结果

表B-1  H6-13井产量预测结果