（机械设计及理论专业论文）采油中心的设计与动力学分析.pdf

1 、 l 、， i c l a s s i f i e di n d e x ：u 6 6 1 4 3 u d c ： l i ll lr lll ll l l ll l llu | y 18 0 9 2 4 1 ad is s e r t a t i o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g d e s i g na n dd y n a m i ca n a l y s i so f o i lp u m p i n gc e n t e r c a n d id a t e ：y ic h a n g s u p e r v is o r ：p r o f r e nz h e n g y i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l it y ：m a c h i n ed e s ig na n dt h e o r y d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：扁品 日期：伽口年歹月6 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：易、吕 日期： 伽p 年) 月厂6 日 导师( 签字) ：z 乙戈 钏口年3 月形日 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 于两要 机械采油法是当前最主要的采油方法，但是目前使用的各种类型的机械 采油设备，由于工作原理、机械结构、工作环境等原因，存在载荷波动大、 系统效率低、环境适应性差、单井建设费用高等多种问题。针对这些问题， 本研究设计了具有一机多井、载荷相互平衡等特点的采油中心。 根据采油中心的工作原理，首先设计了采油中心的主要结构和传动系统， 并在其简化几何模型的基础上，根据有杆抽油系统的载荷变化规律，对采油 中心的运动规律、悬点载荷、动力学特点进行了理论分析。 在理论分析的基础上，利用m a t l a b 软件编写了动力学采油中心的动力学 仿真程序，并对相同井况无配重、相同井况有配重、不同井况无配重、不同 井况有配重以及不同井况不同排序等不同情况下采油中心上所受的合力、合 扭矩、电机功率的变化进行了分析。通过仿真和实验，证明了采油中心具有 载荷自平衡，大幅减小合扭矩波动幅度的性质，并且找到了在井况不同时各 井口的最优排列的规律。 由于沉重的抽油杆和油柱使有杆采油系统惯量大，导致采油中心启动十 分困难。为了改善采油中心的启动性能，在本设计的传动系统中采用了液力 偶合器。本文根据三相异步电机的运动方程和液力偶合器的机械特性，应用 系统的等效动力学模型，建立了添加液力偶合器后的采油中心系统的 m a t l a b s i m u l i n k 模型，并对启动过程进行了仿真。仿真结果表明：使用液力 偶合器能明显加快采油中心的启动速度，减少启动过程中的电能消耗。该仿 真结果与实验结果相符。 关键词：采油中心；平衡；动力学分析；液力偶合器；启动 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m e c h a n i c a lo i lp r o d u c t i o ni st h em a i no i lp r o d u c t i o nm e c h o d b u t b e c a u s eo ft h ew o r k i n gt h e o t y , c o n f i g u r a t i o no fp u m i n gu n i t s ，w o r k i n g e n v i r o n m e n ta n do t h e rr e a s o n ，t h e r ea r em a n yp r o b l e m se x i s ti nt h ep u m p i n gu n i t s u s e da tp r e a e n t ，s u c ha sl a r g ef l u c t u a t eo fl o a d ，l o we f f c i e n c yo ft h es y s t e m ，p o o r w o r k i n ge n v i r o n m e n ta d a p t a b i l i t y , h i g hi n v e s t m e n tf o re a c hw e l la n de t c t os o l v e t h e s ep r o b l e m ，a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fs i n g a lw i n c hp u m p i n gu n i t ，t h e p u m p i n gc e n t e ru n i tw a sd e s i g n e dw h i c hc a r ld r i v es e r v r a lo i lp u m p sa tt h es a m e t i m ea n dm a k et h el o a d sb a l a n c ew i t he a c ho t h e r t h em a i nc o n f i g u r a t i o na n dt h ed r i v es y s t e mo fp u m p i n gc e n t e rw e r c d e s i g e n e da c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dl o a dc h a r a c t e r o fi t t h ea n a l y s i s o ft h er o dl o a d ，m o v e m e n tr u l ea n dd y n a m i c sc a p a b i l i t yw a sc a r r i e do u ta c c o r d i n g t ot h ec h a n g er u l eo ft h el o a do fr o dp u m p i n gs y s t e mb a s e do nt h es i m p l i f ym o d e l o fp u m p i n gc e n t e r t h r o u g ht h et h e o r ya n a l y s i s ，t h ed y n a m i c ss i m u l a t i o np r o g r a m m ew a s d e v e l o p e dw i t hm a t l a b t h ec h a n g e so fr e s u l t a n tf o r c e , r e s u l t a n tt o r q u ea n dp o w e r o fm o t o rw e r ea n a l y s e di nd i f f e r e n tw o r k i n gs i t u l a t i o n ，t h e ya r et h es a m eo i lw e l l c o n d i t i o nw i t h w i t h o u tb a l a n c ew e i g h t ，t h ed i f f e r e n to i lc o n d i t i o nw i t h w i t h o u t b a l a n c ew e i g h t ，t h ed i f f e r e n ta r r a n g eo fo i lw e l lr a n g ea n de t c t h es i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h a tt h ep u m p i n gc e n t e ru n i tc a nb a l a n c et h el o a d si t s e l f , r e d u c et h e f l u c t u a t eo fr e s u l t a n tt o r q u eo b v i o u s l y , m e a n w h i l e ，t h er u l eo ft h eb e s to r d e ro ft h e o i lw e l l sw a sf o u n d b e c a u s eo ft h e l a r g ei n e r t i ao ft h eh e a v ys u c k e rr o da n do i lc o l u m n , t h e s t a r t u po ft h ep u m p i n gc e n t e ri sv e r yd i f f i c u l t t oi m p r o v et h es t a r t u pc a p a b i l i t yo f p u m p i n g c e n t e ru n i t ，t h ef l u i dc o u p l i n gw a su s e di nt h ed r i v es y s t e m a c c o r d i n g t ot h em o t i o ne q u a t i o n so fp h a s ea s y n c h r o n i s mm a c h i n ea n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r 哈尔滨t 稃大学硕十学付论文 i i i i i i i i i i i 暑i i i i i i i i 暑i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i 萱i i 萱萱i i i i i i i i i i 萱i i o ff l u i dc o u p l i n g ，t h em a t l a b s i l u l i n ks i m u l a t i o nm o d e lw a sf o u n d e db a s e do nt h e e q u i v a l e n td y n a m i c sm o d e lo fs y s t e ma n dt h es t a r t u pp r o c e s so ft h es y s t e mw a s s i m u l a t e d 1 n h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt h ef l u i dc o u p l i n gc a ns p e e d u pt h e s t a r t u po fl a r g ei n e r t i as y s t e ma sp u m p i n gc e n t e rs y s t e ma n dr e d u c et h ep o w e r c o s u m ed u r i n gt h es t a r t u pp r o c e s s k e y w o r d s ：p u m p i n gc e n t e r ；b a l a n c e ；d y n a m i c sa n a l y s e ：f l u i dc o u p l i n g ； s t a r t u p 匕 1 1 选题的背景和意义1 1 2 采油设备的发展现状1 1 2 1 游梁式抽油机。1 1 2 2 潜油电泵4 1 2 3 螺杆泵6 1 2 4 直线电机抽油机9 1 3 抽油机的发展趋势1 1 1 4 本文的主要工作1 2 第2 章采油中心的结构设计及动力学分析1 4 2 1 采油中心的结构设计1 4 2 1 1 采油中心原理。1 4 2 1 2 采油中心结构和主要构件。1 5 2 1 3 采油中心主要特点1 8 2 2 采油中心悬点载荷计算1 9 2 2 1 有杆泵采油井的系统组成1 9 2 2 2 采油泵工作原理2 2 2 2 3 悬点载荷计算。2 2 2 3 采油中心悬点的运动学分析2 5 2 4 采油中心整机动力学分析。2 9 2 5 本章小结3 1 第3 章不同工况下采油中心的动力学仿真3 3 3 1 仿真假设前提3 3 3 2 各井井况相同时采油中心的工况分析。3 3 3 2 1 井况相同不加配重时的工况3 4 _ “ 矿 l 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 i i 3 2 2 井况相同加配重的情况4 0 3 2 3 冲程调整对采油中心的影响4 2 3 3 各井井况不同时采油中心的工况分析4 5 3 3 1 井口不加配重时的工况4 5 3 3 2 井口加配重时的工况4 7 3 3 3 井口不同排序时的工况5 0 3 4 本章小结5 2 第4 章采油中心启动性能分析5 4 4 1 三相感应电机的运动方程。5 4 4 1 1 相坐标中的运动方程。5 4 4 1 2 感应电机的状态方程5 6 4 2 液力偶合器结构及特性5 7 4 2 1 液力偶合器的传动原理。5 7 4 2 2 液力偶合器的机械特性5 8 4 3 采油中心启动过程仿真6 1 4 3 1 电动机与耦合器共同工作的输入特性。6 1 4 3 2 采油中心系统的等效动力学模型6 1 4 3 3 异步电机与液力偶合器联合运行s i m u l i n k 仿真。6 3 4 4 本章小结7 0 j 占论7 】【 参考文献7 3 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 9 致谢8 0 “ ( _ “ 类。自喷采油法是利用油层自身的能量使油喷到地面的方法；当油井能量过 低而不能采用自喷生产时，则需要人们利用一定的机械装备给井底的油液补 充能量，从而将油开采到地面上来，这种采油方法称为人工举升或机械采油 法。目前，国内外机械采油装置主要分有杆泵采油和无杆泵采油两大类。有 杆泵采油是由地面动力设备带动抽油机，并通过抽油杆带动深井泵抽油。无 杆泵采油则不借助抽油杆来传递动力1 。 有杆抽油是应用最为广泛的机械采油方式，在采油工程中占主导地位。 目前，在我国9 0 0 0 0 多口机采井中，有杆抽油机井约占9 0 ，其耗电量占油 田油气生产中耗电量的3 0 左右。据统计，我国的有杆采油系统的总体效率 较低，一般油田平均只有2 0 一2 3 ，先进地区最多只能达到3 0 左右，以电 换油是我国油田的现状。根据实验井测试数据，一般常规抽油机的理论效率 可达5 0 “5 ，是实际效率的一倍以上，因此，有很大的节能增效潜力。如 果每口抽油井实用功率按l o k w 计算，系统效率提高5 ，每年可节省电力 4 3 8 亿k w h ，这不仅能显著提高企业的经济效益，而且在能源十分紧张的 今天具有重要的意义田嘲。 1 2 采油设备的发展现状 当前，投入使用的采油机械的主要类型有游梁式抽油机、螺杆泵、潜油 电泵以及直线电机抽油机。此外，在井下利用直线电机直接驱动柱塞泵抽油 的新型抽油机也投入了使用。 1 2 1 游梁式抽油机 游梁式抽油机是使用最早、最普通的抽油机，其工作原理是电动机通过 三角皮带减速箱减速后，由一个曲柄摇杆机构将减速箱输出轴的旋转运动转 1 一 l 哈尔溟t 程大学硕十掌何论文 换为游梁驴头的往复运动，从而带动光杆和抽油杆作上下往复的直线运动， 再通过抽油杆将这这个运动传递给井下的抽油泵的柱塞，使之工作抽、油i 。 由于游梁式抽油机使用得比较早，再加上这种设备结构简单、制造容易， 易损件少，维修方便，应用灵活，特别是可以长期在油田全天候运转，可靠 性高，故无论是在数量上还是规模上它都占有绝对的优势h 。常规游梁抽油 机的结构如图1 1 所示。 7 图1 1 常规游梁抽油机结构图 1 、悬绳器；2 、驴头；3 、游梁；4 、横梁；5 、横梁轴；6 、连杆；7 、支架轴； 8 、支架；9 、曲柄平衡块；1 0 、曲柄；1 1 、曲柄销轴承：1 2 、二级减速器； 1 3 、减速器皮带轮；1 4 、电动机；1 5 、刹车装置；1 6 、电路控制装置；1 7 、底座 从目前的使用情况来看，游梁式抽油机本身存在以下的问题： ( 1 ) 传动效率低的问题闭 游梁式抽油机传动环节多，本身机械传动能量损失达2 8 ，这是游梁式 抽油机效率低的原因之一。常规型游梁式抽油机系统的效率在国内一般油田 平均只有1 2 2 3 ，先进地区最多只能达到3 0 左右。 ( 2 ) 游梁式抽油机增大冲程后带来的问题2 删 游梁式抽油机增大冲程时减速箱扭矩成比例增大。另外，增大冲程后， 2 p 么 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 因受游梁摆角限制，曲柄摇杆机构尺寸必然增大，从而引起抽油机外型尺寸 和重量大幅度增加，因此该机型不容易实现长冲程、低冲次的要求，难以满 足稠油井、深抽井和含气井采油作业的需要。 ( 3 ) 惯性载荷过大的问题h 游梁式抽油机的四杆机构使得驴头的运动规律类似简谐运动，在最高点 和最低点加速度很大，造成惯性载荷大，使抽油机承受载荷过大，减速器转 矩波动大，加大了齿轮冲击，缩短了减速器和抽油机的使用寿命。在地质情 况比较复杂的场合，如油质稠、含沙、结蜡较多的情况下很容易出现断杆、 卡井、减速机齿轮损坏、烧毁电机等较严重的故障。 ( 4 ) 功率不匹配问题【2 聊 在用工频直接启动的场合，游梁式抽油机所需启动力矩大约是正常工作 的一倍以上，因而在设计的时候采用的电动机的功率都比较大。而在正常抽 油时，负载变轻，所需的力矩又比较小，出现了抽油杆的负荷特性与电动机 的机械特性不匹配的问题，因此电机功率利用率低的现象很严重。尤其在驴 头下放时，负载变轻，电机基本处于自由下放状态，降低了电网的功率因数 和电机的效率，增加了无功损耗，导致能源浪费严重。 ( 5 ) 调整困难的问题q 游梁式抽油机为刚性结构，在油井的中、后期，井液供液不足，需要调 节冲次时，就需要更换皮带轮或减速箱，过程繁琐，危险性高，工作量大， 使得调整工作比较困难。 为了克服常规游梁式抽油机的的这些缺点，国内抽油机生产厂先后对游 梁式抽油机进行改造，研制出了前置式抽油机、异相曲柄抽油机、双驴头式 抽油机、空气平衡抽油机、异型游梁抽油机、渐开线抽油机等多种机型。这 些新型抽油机虽然改善了常规游梁式抽油机的一些不足( 如启动扭矩有一定 程度的降低，装机容量低了一个档次等) ，但仍脱离不了利用四连杆机构将旋 转运动转变为往复直线运动的传动方式i q 。这些在游梁式抽油机基础上进行 3 一 l 气 的改进，没有解决根本问题，对效率提高的幅度不大。而通过改进动力装置 及其控制方法的途径，例如采用永磁同步电机、超高转差率电机、变频调速 电机等，虽然对能源浪费等问题有所改善，但是由于成本高或使用面不广等 问题，也不能解决根本性的问题。因而通过改变结构，设计新型的抽油机来 提高效率，降低能耗，才有更大的发展前景。 1 2 2 潜油电泵 常见的潜油电泵由井下、中间和地面三部分组成，井下部分包括潜油电 机、保护器、分离器和多级离心泵；中间部分为扁平电缆；地面部分为控制 柜和变压器n 1 1 。电动潜油泵装置组成示意图如图1 2 所示。 图1 2 电动潜油泵装置组成示意图 1 、变压器；2 、控制屏：3 、电流表；4 、接线盒：5 、地面电缆； 6 、井口装置：7 、动力电缆；8 、泄油阀：9 、电缆接头；1 0 、单流阀： 1 1 、扁电缆；1 2 、油管；1 3 、泵头：1 4 、多级离心泵；1 5 、电缆护罩； 1 6 、油气分离器；1 7 、电机保护器；1 8 、套管；1 9 、潜油电机；2 0 、扶正器 多级离心泵由多级叶轮、导轮串联组成，依靠电机转轴带动离心泵叶轮 4 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 产生的离心力工作，分为转动和固定两部分。转动部分主要包括转轴、键、 叶轮、摩擦垫、轴两端轴套和固定螺母或卡簧；固定部分主要包括导轮、泵 壳、上下扶正轴承和上下接头等。在泵吸入口可安装油气或油砂分离装置， 以减少气体或砂粒进人离心泵，泵出口上部装有单向阀和泄油剐堋。潜油电 泵的泵效是由多种不定性因素决定的，必须根据井液粘度、井底温度、含气 量、出砂、结蜡、离心泵的特性和管路特性等情况进行优化组合，获得最佳 工作参数。 多级离心泵和潜油电机的结构如图1 3 所示。 萍 墨 嚎 莲 掣 戮 遵 互l z 叼 o cj 一 = 酎 磁影 。l = 二 一 、忑0 0 苫 。 b 己 k - ， 垴j l ， 磁 矗。 遂影 噬一 h ，- k 蕾o h | = = 誊 k 1 =一 堑匦 ( a ) 图1 3 多级离心泵( a ) 和潜油电机( b ) 1 、叶轮；2 、导轮；3 、转轴；4 电缆；5 线圈；6 转子 潜油电泵具有排量扬程范围大、生产压差大、适应性强、地面工艺流程 5 p 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 简单、机组工作寿命长、管理方便、经济效益显著等特点。在某些供液足， 井况比较好的油田区域，多采用潜油电泵来加速采油过程，保证稳产、高产。 随着油田开采时间的延长和含水率的不断上升，利用潜油电泵来保持或提高 油井产量已成为一种发展趋势n 。 近年来，世界潜油电泵的发展出现了一些新的趋势，主要是改进各种配 套部件、力n - r _ 工艺，以延长泵的使用寿命，电潜泵朝着深井、高压、大排量、 高寿命、耐高温、多品种方向发展m 。 据统计，目前国外潜油电泵井的系统效率已达到4 2 ，潜油电泵的适用 温度己达到1 5 0 ，潜油电泵采油的最大下井深度已超过4 5 0 0 m ，平均使用 寿命达到6 0 0 天以上。目前，在世界范围内，油田电泵井数量约占油井生产 井数的2 5 ，而电泵井产量却占总产量的5 0 以上，智能泵、泵送系统智能 化可提高系统效率1 0 - 3 0 n 5 1 。 潜油电泵安装在井下1 0 0 0 - 3 0 0 0 m 处，工作环境非常恶劣( 高温、强腐 蚀) ，而传统的全压、工频供电方式更使它故障频繁，运行成本较高，主要表 现在唧卿： ( 1 ) 工频全速运转，当井下液量不富裕时，容易抽空，甚至造成死井， 一旦死井，则损失惨重。 ( 2 ) 全压、工频工作时，启动电流大，是额定电流的5 彳倍，冲击扭矩 大，对电机寿命有很大影响。 ( 3 ) 油田供电电压常有波动，使电机欠励磁或过励磁，时常烧毁电机。 ( 4 ) 维修量大，维护费用高。潜油电泵提到地面上维修，光工程费就有 5 万元，价值1 0 万元的电缆平均提上放下5 次就得更换，潜油电泵平均十个 月就得维修一次，维修费用约3 万元，造成生产成本偏高。 1 2 3 螺杆泵 螺杆泵泵体由转子和定子两大部分组成。泵转子是截面为圆形的单头螺 杆，泵定子是具有双螺旋线的内腔，在螺旋转子和定子之间有多个“s 形封 6 p 、 哈尔滨t 程大学硕十掌何论文 闭空腔。工作时驱动装置带动井下抽油泵的转子在定子衬套内作行星运动， 油液在转子和定子之间的“s ”形腔体内随转子的旋转面不间断地螺旋上升， 由泵下面新形成的空腔完成液体的吸入，经转子的螺旋举升在泵上端排出， 从而达到不间断的连续采油的目的。因螺杆泵没有吸、排液阀，因此具有抗 砂卡、防气锁的功效刚。 井下采油螺杆泵大致可分为以下两种结构形式： 摹 ( a )( b ) 图1 3 地面驱动采油螺杆泵系统和潜油螺杆泵示意图 1 、电控箱；2 、电机；3 、皮带；4 、方卡子；5 、光杆；6 、减速箱； 7 、专用井口；8 、抽油杆：9 、抽油杆扶正器：1 0 、抽油杆扶正器： 1 1 、油管；1 2 、螺杆泵：1 3 、套管；1 4 、定位销；1 5 、防脱装置； 1 6 、筛管；1 7 、螺杆泵定子；1 8 、螺杆泵转子；1 9 、齿轮减速器：2 0 、潜油电机 一是地面驱动采油螺杆泵，如图1 3c a ) 所示。它是井下采油螺杆泵中 最简单的结构形式，也是国内外井下采油螺杆泵采用的主要结构形式，其主 要的特点是螺杆泵在井下，而提供动力的装置在地面之上，二者之间由抽油 7 p 、 特点是螺杆泵和驱动其工作的电机都处于地下，因而不需要抽油杆传递动力， 特别适合于深井、斜井和水平井采油作业，并在多砂、高粘深井、定向井、 中得到应用，取得了很好的效果。在某些情况下，电动潜油螺杆泵的使用寿 命甚至比电动潜油离心泵高5 倍。电动潜油螺杆泵寿命的提高，大大降低了 采油成本，使一些原来经济上无开采价值的油井也有了良好的效益。 螺杆泵采油作为一种新兴的人工举升方式，投资少、设备结构简单、操 作方便、节能效果明显、适应性强，能有效降低采油成本，提高采油效益， 并有望成为油田主要的机采方式之一。 螺杆抽油泵具有如下的性能特点1 2 5 1 阅： ( 1 ) 地面装置结构简单、体积小、重量轻。 ( 2 ) 适用粘度范围广，是可以开采稠油的较好的机械。一般来说，螺杆 泵适用于输送粘度为8 0 0 0 m p a s ( 5 0 c ) 以下的各种油品，因此多数稠油井都可 应用。 ( 3 ) 适应高含砂井，可输送含砂量达到5 的砂浆。 ( 4 ) 不会气锁，适应高含气井，很适用于油气混输。 ( 5 ) 输出流量均匀，易于调节流量，通过改变地面驱动装置转速，很 容易调节流量。 ( 6 ) 螺杆泵适用于斜井，而且设备占地面积小，因此很适合海上油田丛 式井组。 8 哈尔滨t 狸大学硕十学何论文 由于螺杆泵结构和材料上的原因，螺杆泵采油也有它自身的缺点鲫： ( 1 ) 容易出现定子脱胶的问题，定子脱胶的原因是由于高速旋转摩擦产 生大量的热，使被硫化的橡胶在高温下老化而与钢管脱离，这就要求橡胶定 子具有良好的耐磨、耐腐蚀和耐热等物理化学性质，同时，还应具有良好的 机械性能。 ( 2 ) 螺杆泵的排量低，螺杆泵采油系统的排量随转数的不同而不同。 1 2 4 直线电机抽油机 直线电机的原理与旋转电机的基本原理近似，可以认为直线电机是旋转 电机在结构方面的一种演变：将一台旋转电机沿径向剖开，再将电机的圆周 展开成直线，即成为原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由 转子演变而来的一侧称为次级嗍。旋转电机与直线电机的关系如图1 4 所示。 初级) 次级初级 ( 次级) 图1 4 旋转电机与直线电机的关系 直线电机抽油机与有杆抽油机一样有地面部分、中间部分和井下泵。中 间部分主要为抽油杆等传动部件，井下泵为柱塞泵，地面部分主要包括电缆、 牵引绳、平衡轮、支架、直线电机、引导架、配重箱、传感器、变频器控制 柜等。直线电机动子通过柔性连接件、钢丝绳、导向轮直接与抽油杆连接。 动子的运动与抽油泵柱塞上下运动完全一致，电机通过牵引绳带动抽油杆上 下运动，完成抽油过程删。直线电机抽油机的这种工作方式使其具有更加 完善的运动性能、动力性能和平衡性能。直线电机抽油机采油系统结构图如 9 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 图1 5 所示。 图l - 5 直线电机抽油机结构图 1 、电机控制箱；2 、底座；3 、配重箱；4 、电机初级；5 、引导架； 6 、电机次级；7 、小轮：8 、支架；9 、平台；1 0 、大轮；1 1 、驱动绳；1 2 、悬绳器 直线电机抽油机动子较短，一般设计为动磁式或动铁式，线圈固定，有 利于实现长冲程、高出力。因此，用于抽油机的直线电机可以采用平板型或 圆筒型。 直线电机抽油机主要解决了现有抽油机无功消耗大、成本高、整体移机 工作效率低的问题。它取消了旋转电机驱动抽油机的减速器、连杆及曲柄传 动机构；电机与配重直接相联接，有效利用了直线电机次级的自重，使整机 重量下降；由于传动环节减少，使结构简单紧凑，重量轻，调参方便，易于 操作、灵活、效率高，省时省力，能量损失少，生产成本低；可用于抽深井 和大排量抽油。 1 0 但是，目前直线电动抽油机尚存在以下不足嗍例柏1 ： ( 1 ) 防过载能力差，适应工况范围小； ( 2 ) 动子维修不便，动子为直线电动机抽油机的核心部件，其维修和更 换不便，需更换整机； ( 3 ) 辅助功能差，井口作业修井空间小，上、卸载荷以及修井移机等工 作不方便。 ( 4 ) 功率因数低，尤其在低速时，与同容量旋转电机相比，直线电机的 效率和功率因数明显低。 ( 5 ) 推力受电源电压的影响大，尤其直线感应电动机的起动推力特别明 显，故需采取稳压和其他措施来减少或消除这种影响。 1 3 抽油机的发展趋势 任何一种设备的更新换代都是随着工程的需求和技术的进步应运而生， 采油设备的发展也不例外。虽然经过了几代发展，但每一套设备都各有优缺 点，由于技术的局限和研制时间的短暂，还很难说那一种设备最先进，哪一 种设备最落后要淘汰。随着科技的进步，必将出现更多、更新的设备应用于 采油设备上，使生产力得到更大的发展，采油水平更上一个台阶。 从总体上看，抽油机发展趋势主要有以下几个方向： ( 1 ) 朝着大型化方向发展蜘4 q 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 不断增加，采用大泵提液采油和开采稠油等，都要求采用大型抽油机。近年 来，出现了许多大载荷抽油机，例如前置式气平衡抽油机最大载荷1 3 k n 、 气囊平衡抽油机最大载荷2 7 k n 等，将来会有更大载荷抽油机出现。 ( 2 ) 朝着低能耗方向发展捌 为减少能耗，提高经济效益，近年来研制许多节能型抽油机并投入使用。 1 1 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 如异相型抽油机节电1 5 9 卜3 5 ，前置式抽油机节电3 6 ，前置式气平衡抽 油机节电3 5 ，轮式抽油机节电3 0 一4 0 ，大圈式抽油机节电3 0 。 ( 3 ) 朝着精确平衡发展m 近年来国内外都很重视改进和提高抽油机的平衡效果，使抽油机得到更 精确的平衡。例如变平衡力矩抽油机，可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。 前置式气平衡抽油机，可以在动态下调节气平衡，平衡效果较好。自动平衡 机可以保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡。 ( 4 ) 朝着高适应性方向发展p 1 现代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，适应各种成分石油抽汲的需要，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，适应精确平衡的需要，适应无电源和间歇抽汲的需要，适应优化 抽油的需要等。 ( 5 ) 朝着自动化和智能化方向发展嗍闱 近年来，抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。当前面世的自 动化抽油机，采用微机和自适应电子控制器进行控制与监测，具有保护和报 警功能，实时测得油井运动参数并及时显示与记录，并通过进行综合计算分 析，推得出最优工况参数，进一步指导抽油机最优工况抽油具有抽油效率高、 节电、功能多、安全可靠、经济性好、适应性强等优点。 ( 6 ) 朝着长冲程无游梁抽油机方向发展嗍5 1 1 采用长冲程抽油方式，抽油效率高、抽油机寿命长、动载小、排量稳定， 具有较好的经济效益。近年来国内外研制并应用了多种类型的长冲程抽油机， 其中包括增大冲程游梁抽油机，增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油 机。实践表明，长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机发展方向。 1 4 本文的主要工作 本论文的主要工作如下： 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 ( 1 ) 分析当前各种抽油机的特点及其不足，找出抽油机的发展趋势。 ( 2 ) 根据采油中心的工作原理，设计采油中心的机械结构。根据采油中 心的简化模型，分析有杆抽油过程中不同阶段的悬点载荷的组成以及采油中 心的运动学和动力学规律。 ( 3 ) 根据有杆抽油的特点，分析采油中心在各井况相同无配重、各井况 相同有配重、各井况不同无配重、各井况不同有配重四种情况下各井口悬点 载荷、连接器所受合力、减速器输出轴上合扭矩、电动机输入功率的变化规 律。找出在各井况不同的情况下，使抽油机中心电动机功率变化幅度最小的 井口排列规律。 ( 4 ) 抽油机是大惯量难启动机械，本研究根据电动机和液力偶合器的机 械特性，建立二者联合运行时的s i m u l i n k 仿真模型，通过仿真分析传动系统 中加装液力偶合器以后的采油中心的启动性能。 1 3 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 第2 章采油中心的结构设计及动力学分析 常规游梁抽油机由于采用曲柄摇杆机构将动力机的旋转运动转化为悬点 的往复直线运动，使得采油系统动力传递环节多，动力机输出扭矩波动大； 而且单机单井的工作方式使得油田基础设施投入大。本研究设计了一机多井 的采油中心，能带动各个油井内的抽油泵以一定的时间间隔依次交替抽油， 并通过各个井口悬点载荷的相互平衡作用，降低减速器输出扭矩的波动，从 而达到减少基础设施投入，降低电动机装机容量，节约能源的目的。 2 1采油中心的结构设计 2 1 1采油中心原理 常规游梁抽油机的悬点载荷、速度、加速度、曲柄扭矩、电动机功率均 为周期性波动载荷，随着曲柄转角的变化而不断变化，并且波动大，效率低。 因此，针对现有抽油机运动性能差，单机单井设备利用率低，不能互为平衡， 载荷波动大等问题，在曲柄抽油机的基础上设计了区域集成采油中心系统， 由采油中心组成的一机多井采油系统如图2 1 所示。 油井l油井2 油井3油井4 图2 1 由采油中心组成一机多井的抽油系统 1 、抽油泵；2 、连续抽油杆；3 、导向滑轮；4 、井口支架： 5 、井口滑轮；6 、采油中心曲柄；7 、分井滑轮；8 、钢丝绳；9 、抽油光杆 采油中心主要由电动机、减速器、液力偶合器、导向滑轮、架体、曲柄、 钢丝绳等构成。电动机和减速器由液力偶合器连接，置于架体内，架体上均 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学付论文 匀分布多个固定滑轮。曲柄与减速器输出轴相连，曲柄上端装有连接器。钢 丝绳一端固定于连接器上，另一端绕过固定滑轮达到井口与抽油杆相连，将 曲柄的圆周运动转化为抽油杆的往复运动，这样在曲柄转动的过程中就能够 依次带动各个油井内的抽油泵抽油。现场工作的采油中心系统如图2 2 所示。 图2 2 现场试验中的卧式采油中心 整个采油中心取消了现有平衡重，减小了抽油机的体积和重量，可通过 各油井的载荷变化来相互平衡，减小了载荷波动幅度。该采油系统的集中性 特别适合丛式井采油。 2 1 2 采油中心结构和主要构件 2 1 2 1 传动系统 由于存在沉重的抽油杆和油柱，油田抽油机属于大惯量、难启动机械。 其特点是启动转矩很大而稳定运行时消耗功率很小，而且有杆式抽油机在每 一冲程的运行中有一个死点。为了满足启动和克服死点的要求，不得不加大 电机机座号，使之具有更大的启动能力，造成了“大马拉小车 现象，能源 浪费是必然的。 为了改善采油中心的启动性能，本设计采用液力传动，在采油中心的电 动机和减速器之间加装一个限矩型液力偶合器。这样，改进后的采油中心传 动系统主要由三相异步电机、液力偶合器、二级摆线针轮减速器所组成，其 结构如图2 3 所示。 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图2 3 采油中心的传动系统 1 、电动机；2 、液力偶合器；3 、联轴器；4 、二级摆线针轮减速器 液力偶合器的泵轮力矩与其转速的平方成正比，在电动机启动的瞬间， 泵轮因转速为零而没有力矩，泵轮本身的转动惯量又较小，所以电动机近似 带动泵轮空载启动，因此启动和加速时间缩短。加装液力偶合器后，工作机 的启动加速力矩远远大于电机直接驱动时的加速力矩，工作机的启动速度也 加快。因此，使用液力偶合器能解决大惯量机械难启动的问题。 更有意义的是，使用限矩型液力偶合器不仅解决了大惯量机械难启动的 问题，还明显地减少了能源的消耗，具体表现在下列方面刚： 1 、轻载启动节能 由于液力耦合器解决了电机启动困难问题，所以电机近似带沉重载荷空 载启动，因而启动时间短，对电网冲击小，启动过程耗电降低；启动时间越 长，启动次数越频繁，使用液力耦合器传动越节能。 2 、降低电机装机容量节能 采用液力耦合器传动与刚性传动相比至少可降低一个电机机座号，降低 装机容量1 5 一2 5 。电机机座号降低以后，其节能效果很明显，表现在： ( 1 ) 功率因数提高功率因数提高可减少电源容量和导线截面，降低线 路上的电压损失和电压波动，提高供电输送能力。 ( 2 ) 降低电机空载损耗和总损耗资料表明，电机下降一个机座号，总 损耗平均下降4 8 。 ( 3 ) 电机正常运行的电流降低传递同样功率，小规格电机比大规格电 1 6 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 赢i i i i i i i i i 鼍 机的运行电流低。 3 、过载保护节能 ( 1 ) 运行电流平稳，无过载时的大电流冲击，平均电流降低。 ( 2 ) 选型时不用考虑电机承受超载载荷的安全裕度，降低了装机容量。 ( 3 ) 保护电机和工作机在超载时不受损坏，降低了设备故障率，延长了 设备使用寿命。 4 、减缓冲击和隔离扭振节能 ( 1 ) 液力耦合器隔开了工作机的强烈冲击和振动，使电机运行平稳，避 免了尖峰负荷的电流冲击，对节电有利。 ( 2 ) 加装液力耦合器后，不用选用较大的工况系数，可以按正常运行时 的要求选用电机，电机功率裕度大为降低，节约电能。 ( 3 ) 确保电机在冲击载荷作用下不受损坏，延长了使用寿命。 2 1 2 2 连接器 连接器是将各个井口上的钢丝绳连接在采油中心曲柄上的部件。曲柄在 转动的过程中，通过连接器牵引钢丝绳，将曲柄的旋转运动转换为抽油杆的 上下往复运动，从而带动各个油井的抽油泵抽油。为了防止各个油井的钢丝 绳在运动的过程中缠绕在一起，连接器在随曲柄转动的过程中，必须保持平 动。连接器的结构如图2 4 所示。 莨霄 葛 舟 澄肴 它 刀封一 口誓毹 黥 蠖拶 图2 4 连接器结构图 1 7 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 2 1 2 3 分井滑轮 分井滑轮均匀分布在采油中心主体框架的同一半径的圆周上，如图2 5 所示。各个井口上与抽油杆相连的钢丝绳通过分井滑轮后连接到连接器上， 这样各个井口的悬点载荷在连接器上呈圆周分布，达到各井口载荷相互平衡 的目的，能够降低作用曲柄上的拉力和减速器输出轴上所受到的扭矩。 图2 5 井架及分井滑轮 2 1 3 采油中，心主要特点 与常规采油技术相比，采油中心有如下技术特点： ( 1 ) 区域采油由于刚性变成柔性，通过滑轮组实现一台抽油机带动周 围5 0 一l o o m 内多口井同时进行抽油，实