（机械设计及理论专业论文）超长冲程碳纤维连续抽油杆采油系统.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 超长冲程碳纤维连续抽油杆采油系统的优化设计和仿真 机械设计及理论 赵祉友( 签名) 是杰丝量 彭勇( 签名) 铲 摘要 随着我国碳纤维连续抽油杆的广泛应用以及丛式井采油的需要，有必要进行超长 冲程双井抽油机及其配套设备的研发，本文提出了一种超长冲程碳纤维连续抽油杆双 井抽油机的设计方案，并介绍了该抽油机的结构、工作原理及特点。 对该双井抽油机悬点运动规律进行了理论分析，建立了描述其悬点运动规律的数学 模型，给出了相关参数的计算式，并分析了抽油机运行参数和缠绕盘的缠绕半径对悬点 运动的影响。 基于这种抽油机的悬点运动规律，分析了超长冲程碳纤维连续抽油杆采油系统的动 力学参数；建立了碳纤维连续抽油杆杆柱组合的一维纵向振动仿真模型，给出了该模型 的相应条件，并用有限差分法求解该模型的数值解：通过数学仿真实例，研究了该采油 系统的动力学特性以及相关的工作参数。 把悬点加速度峰值最小化作为优化目标，对该双井抽油机的运行参数进行了优化， 给出一组抽油机的合理运行参数；并结合实例，对比分析了优化前后双井抽油机的性能。 在以上理论分析的基础上，编制了相应的仿真和优化设计软件，该软件可以较为准 确地获得系统工作参数，有助于优化采油系统，对于保证整个采油系统安全、有效的工 作有着重要的意义。 关键词：超长冲程碳纤维连续抽油杆双井抽油机优化设计仿真 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：0 p t i m i z a t i o na n ds i m u l a t i o no fo v e r l o n gs t r o k eo i lp u m p i n gs y s t e mu s e d c a r b o nf i b e rc o n t i n u o u ss u c k e rr o d s 哗h h 删蛔疵引。( e s i g n a n d t h 圣e 丝o r y n a m e ：z h a oz h i y o us i g n a t u r e )丝型 (z 肋刀甜w 望 i n s t r u c t o r ：p e n gy o n g ( s i g n a t u r e ) a b s i r a c i 。 w i t ht h ew i d e s p r e a du s eo fc a r b o nf i b e r sc o n t i n u o u ss u c k e rr o d sa n dt h er e q u i r e m e n t o fc l u s t e rw e l l so i lp r o d u c t i o n , i t sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h eo v e r l o n gs t r o k e d o u b l e - w e l lp u m p i n g - u n i ta n di t sa s s o c i a t e de q u i p m e n t s i tp u t sf o r w a r dap r o j e c tf o rt h i s k i n do f p u m p i n g - u n i t ，a n di n 仃o d u c e si t ss t r u c t u r e ，p r i n c i p l eo f o p e r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c at h e o r e t i c a la n a l y s i si sc o n d u c t e do nt h em o t i o nl a wo fs u s p e n s i o nc e n t e ro nt h i s p u m p i n gu n i t ，am a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e df o rd e n o t i n gt h em o t i o nl a wo fs u s p e n s i o n c e n t e r , a n dc o m p u t i n gf o r m u l a so f t h er e l e v a n tp a r a m e t e r sa r eg i v e n a n dt h ei n f l u e n c eo f t h e o p e r m i o np a r a m e t e r sa ss oa st h et w i s tp a n e l sr a d i u so nt h em o t i o no fs u s p e n s i o nc e n t e ri s a l s oa n a l y z e d b a s e do nt h em o t i o nl a wo fs u s p e n s i o nc e n t e ro nt h i sp u m p i n gu n i t ，t h ed y n a m i c p a r a m e t e r so f t h eo v e r l o n gs t r o k eo i lp u m p i n gs y s t e mu s e dc a r b o nf i b e rc o n t i n u o u ss u c k e rr o d i sc o n s i d e r e d ，a n dal i n e a rd i m e n s i o ns i m u l a t i o nm o d e la tal o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nf o rt h e c o n t i n u o u sc a r b o nf i b e r ss u c k e rr o di se s t a b l i s h e d t 1 l er e l e v a n tc o n d i t i o no ft h i sm o d e li s g i v e na n dan u m e r i cs o l u t i o no ft h em o d e lb yu s i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o di sd e r i v e d t h r o u g has e r i e so fm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n s ，d y n a m i c sp r o p e r t i e so ft h i sp u m p i n gs y s t e m a n di t sw o r k i n g p a r a m e t e r sa r ea l s oa n a l y z e d m i n i m i z i n gt h em a x i m u ma c c e l e r a t i o no fs u s p e n s i o nc e n t e r si su s e da st h eo b j e c t i v eo f o p t i m i z a t i o n t h ew o r k i n gp a r a m e t e r so ft h i sp u m p i n gu n i ta r eo p t i m i z e da n das e to f a p p r o p r i a t ew o r k i n gp a r a m e t e r si sg i v e n c o m b i n e dw i t he x a m p l e s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h i s p u m p i n g u n i ti sc o n t r a s t e db e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，t h er e l e v a n ts o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h i ss o f t w a r ec a n a c c u r a t e l yo b t a i nw o r k i n gp a r a m e t e r so ft h es y s t e ma n db eh e l p f u lt oo p t i m i z et h es u c k e rr o d p u m p i n gs y s t e ma n db eu s e f u lf o rt h es e c u r i t ya n de f f i c i e n c yo f t h ep u m p i n gs y s t e m k e y w o r d s ：o v e r l o n gs t r o k e ，c a r b o nf i b e r se o n t i n u o u ss u c k e rr o d ， d o u b l e - w e l lp u m p i n g - u n i t , o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，s i m u l a t i o n t h e s e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：起毽起日期：呈! ! 乙望：丛 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、 复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与 该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：盏五l 杰 导师签名雉 u 日期：垫! z 丛! ( 日期：塑单：鱼夕 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 有杆泵抽油是当前国内外应用最广泛的机械采油技术，目前世界上8 0 8 5 的机械 采油都采用这种采油方式【l 】。随着各油田进入开发后期，上述比例将呈上升的趋势。目 前，国内外各大油田应用最为广泛的是游梁式抽油机铜制抽油杆一抽油泵采油设备， 但随着我国各主要油田进入中后期开发阶段，原油含水上升，井下介质腐蚀加剧，深井 与超深井所占油井比例的加大，该采油设备的缺点越来越明显【2 】。 所以，我国需要积极地研制各种类型的无游梁抽油机，特别是超长冲程抽油机，并 致力于提高其可靠性；进一步研制超高强度和耐腐蚀的抽油杆，以适应各种复杂开采条 件f 3 】o 目前国内以碳纤维杆为核心的采油系统的应用中主要存在如下问题【4 】：抽汲参数未 优化，使碳纤维杆难于发挥优势；杆柱组合的设计与油井供液能力无匹配考虑：泵的工 作特性和杆柱特性与油井工作参数不相适应引起的采油系统故障发生率迅速上升等问 题。因此，以碳纤维杆为核心的采油系统的优化设计和仿真工作尤显重要。 1 - 2 研究的目的和意义 超长冲程碳纤维连续抽油杆双井抽油机应用于丛式井的成对井组，能实现“一机两 抽”，较好地解决了常规抽油机低效、高耗、调整参数复杂的不足，达到了高效节能的目 的。 利用计算机仿真技术，对不同工况、不同抽汲参数及不同系统配置情况下的超长冲 程碳纤维杆双井抽油机采油系统( 以下简称碳纤维杆双井采油系统) 工作性能进行仿真， 可以较为准确地获得系统工作性能参数，进而为系统的设计和分析提供了一种新的途径。 通过对碳纤维杆双井采油系统进行优化设计，能准确地设计抽油杆柱、抽油机的各 项运行参数，协调两口井的生产，使整个采油系统既能保证油井的产量，又高效节能。 1 3 国内外发展现状与趋势 ( 1 ) 超长冲程抽油机与双井抽油机方面 国外，俄罗斯和瑞典分别研制了钢带式超长冲程抽油机【5 l 【6 】，采用滚筒缠绕钢带抽 油杆，在抽抽杆的另一端直接连接着抽油泵柱塞，采用可换向电动机提供动力，增大了 冲程和采油量。如何实现一台抽油机拖动相邻的多口油井同时采油，国内许多学者进行 过深入的研究，并研发出j p c y j c 型丛式井智能长冲程抽油机、游梁式双井抽油机、宽 带式超长冲程双泵双油井抽油机等多种双井抽油机【7 h 9 1 。这几种抽油机都能实现“一机 两抽”，从而降低了采油成本。 ( 2 ) 碳纤维连续抽油杆方面【1 0 h 1 2 】 西安石油大学硕士学位论文 美国于2 0 世纪9 0 年代初研制成功碳纤维杆。1 9 9 1 年5 月至1 9 9 5 年1 1 月美国在3 3 口油井中使用了碳纤维杆，共作业4 5 井次，矿场试验结果表明：碳纤维杆是一种很有发 展前途的特种抽油杆。国内1 9 9 8 年前后制备出三种等级的碳纤维杆。2 0 0 0 年陈厚等介 绍了其生产工艺，并分析了生产过程中易出现的问题；2 0 0 3 年左右在胜利油田对碳纤维 杆所进行的1 9 井次1 6 口油井的矿场试验结果表明：其节电和增产效果明显。 ( 3 ) 采油系统计算机仿真技术方面【”h 1 8 】 s g g i b b s 于1 9 6 3 年首先提出了采油系统的一维纵向振动仿真模型。d j s e h a f e r 和 j w j o m i n g 采用等效刚度和等效密度的概念建立了多级组合杆柱波动方程的仿真模型。 d a l er u s s e ld o t y 等人在1 9 8 3 年首先完成了同时考虑抽油杆柱与液柱振动的采油系统仿 真模型。自1 9 8 5 年以来，一维模型和二维模型的采油系统仿真技术先后在我国油田中得 到应用。余国安针对我国油管一般不锚定的特点建立了采油系统的三维仿真模型，从而 进一步完善和发展了采油系统的计算机仿真技术。 ( 4 ) 碳纤维杆采油系统优化设计方面【1 9 - 4 2 3 】 美国学者曾采用a p i 方法进行碳纤维杆杆柱设计，认为混合抽油杆柱相当于由2 种 密度和刚度不同的弹簧组成。国内彭勇等人提出用a p i 推荐法设计碳纤维杆杆柱，其后 又对碳纤维杆的杆柱纵向振动模型进行了研究，建立了以波动方程为力学模型的碳纤维 杆采油系统的杆柱分析模型，基本奠定了系统优化设计的基础。李仲伟建立了直井中碳 纤维抽油杆的简易公式法数学模型，并编制出计算精度较高的杆柱设计软件。 1 4 论文的主要研究内容 ( 1 ) 提出了碳纤维杆双井抽油机的一种设计方案；并对其进行了运动学、动力学参数 的理论分析，并建立了相应的仿真模型；以某油井成对井组为例，对碳纤维杆双井采油 系统进行了仿真试验，并分析了抽油机运行参数对系统的影响。 ( 2 ) 建立了以抽油机运行参数优化为主的碳纤维杆双井采油系统优化设计模型，并使 用合适的优化算法进行求解，最后对比分析了优化前后双井抽油机以及该抽油机与常规 抽油机的性能。 ( 3 ) 开发了相应的仿真和优化设计软件，并介绍了其基本功能和特点。 1 5 论文的来源及受助情况 本论文所依托的项目为胜利石油管理局2 0 0 5 年重点科研项目“碳纤维杆专用超大冲 程抽油系统研制”的部分内容，西安石油大学机械工程学院为合作单位。 目前，本研究所在课题组在总结了其多年开展“有杆泵采油系统优化设计与故障诊 断技术应用研究”的研究成果的基础上，已收集到大量的碳纤维抽油杆采油系统的仿真 及优化设计方面的资料，并已做了必要的基础工作。因此，在此基础上进行超长冲程碳 纤维连续抽油杆采油系统的优化设计和仿真工作是完全可行的。 2 第二章碳纤维杆双井抽油机基本工作理论分析 第二章碳纤维杆双井抽油机基本工作理论分析 2 1 碳纤维杆双井抽油机的方案设计 为了发挥碳纤维连续抽油杆的优势，以及适应海洋油井、陆地加密井和丛式井的不 断增多，本课题组研究开发了超长冲程碳纤维连续抽油杆双井抽油机( 以下简称碳纤维杆 双井抽油机) 。 2 1 - 1 碳纤维杆双井抽油机的结构方案设计 碳纤维抽油杆双井抽油机参照前苏联奥伦堡石油联合公司的钢带式超长冲程抽油机 的结构而设计完成的，其结构如图2 1 所示。 罐i暮司司3 肾霁b 惜 叫 i l 。苎童l 0 1 卜! ! 1 fj 卜 j 一il1 4l ；i 露鳕l 一一 p吨 1u i 。诤。一 竺， 图2 - 1 碳纤维杆双井抽油机的结构示意图 1 开关磁阻电动机；2 皮带；3 减速器；4 滚筒；5 缠绕盘；6 缠绕盘；7 平衡配重；8 支架；9 过轮；1 0 滑轮组： 1 1 平衡重支架；1 2 钢丝绳过轮；1 3 钢丝绳；1 4 碳纤维杆；1 5 过轮；1 6 支架；1 7 底座 该抽油机主要由底座、电动机驱动系统、减速器、缠绕盘、支架、过轮及平衡系统 西安石油大学硕士学位论文 等组成，其传动结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2 碳纤维杆双井抽油机的组成示意图 ( 1 ) 底座1 7 是一长方形箱式框架，其作用是支承抽油机的主体。底座包括固定底座 和活动底座两部分，活动底座可以在一定范围内移动，以适应两口井的不同间距要求。 底座上装有接近开关用来检测信号，以确定抽油机悬点上、下死点的位置。 ( 2 1 电动机1 采用开关磁阻电动机驱动系统，是该抽油机中重要的节能部分。柱塞的 冲程长度和冲次由电动机的控制器控制时间间隔来调节。 ( 3 ) 减速器3 采用三轴两级双圆弧齿轮传动，其输出轴通过联轴器分别与滚筒4 、缠 绕盘轴( 即曲柄轴) 联接，输入轴通过皮带与电动机联接。 ( 4 ) 缠绕盘5 、6 并列安装在缠绕盘轴上，上面缠绕着碳纤维杆。 ( 5 ) 支架8 、1 6 分别支承着各自的过轮9 、1 5 ，以保证碳纤维杆能与井眼对齐。支架 8 安装在活动底座上，支架1 6 安装在固定底座上。 2 1 2 碳纤维杆双井抽油机的工作原理 电动机正反向转动，通过皮带驱动减速器，带动缠绕盘5 、6 正反向转动，使碳纤维 杆柱组合分别在两口井中上、下运动来抽汲产液。工作时，若左井的悬点载荷大于右井 的悬点载荷，左井的悬点处于下死点位置，右井的悬点处于上死点位置，平衡配重也处 于上死点位置，电动机开始启动，带动左井的悬点向上运动，同时右井的悬点和平衡配 重向下运动。当右井的悬点和平衡配重运行至下死点，接近开关发出信号，电动机开始 反方向旋转，左井的悬点向下运动，右井的悬点和平衡配重向上运动，完成一个抽汲周 期。如此循环往复，实现两口井的抽汲作业。 4 第二章碳纤维杆双井抽油机基本工作理论分析 当左井的悬点载荷小于右井的悬点载荷时，重新布置钢丝绳，由平衡配重辅助左井 的悬点实行平衡。当两口井的悬点载荷相差不大时，可以去掉平衡部分，只需通过改变 电动机正反转的加速度来实现两口井的悬点载荷的平衡。 而当右井口作业或改注水井时，使作业井的悬点载荷以配重的形式加到平衡配重上， 实现左井正常抽汲。反之，左井口作业或改注水井时，重新布置钢丝绳，由平衡配重实 施平衡，实现右井正常抽汲。 2 1 - 3 碳纤维杆双井抽油机的特点 ( 1 ) 运动部件少、结构简单、电气智能控制程度高、材料消耗少； ( 2 ) 驱动电机为开关磁阻电动机，功率因数近似为l ，电动机启动电流小，当负载为 电动机额定负载的1 5 0 时，启动电流仅为额定电流的3 0 ； ( 3 ) 采用“一机二抽”技术，两口井在抽汲原油时悬点负荷相互配重，平衡度高，而 且减少了常规抽油机配重位移时消耗的电能，节省了另一台抽油机的电能消耗； ( 4 ) 无论在上行程和下行程，碳纤维杆都保持一定拉力，可防止因碳纤维杆受压而发 生的断杆事故； ( 5 ) 利用开关磁阻电动机控制器对换向时间进行设定，使得冲程长度、冲次可以分别 控制，并且实现无级调节，能很好地与油井工况匹配： ( 6 ) 能很好地解决抽油机的换向冲击问题，换向非常平稳； ( 7 ) 容易实现长冲程、大载荷的工作，可用于稠油、深井和大排量抽油。 2 2 开关磁阻电动机驱动系统的原理及性能参数 2 2 1 导致抽油机用电动机效率低的原因 目前抽油机所用电机的种类很多，其中，最为常用的是y 系列普通电机。由于该电 机启动转矩小，而抽油机需要很大的启动转矩来启动，为了满足起动的要求，不得不选 配额定功率较大的电动机来拖动。另外，为使拖动抽油机的电动机具有一定的过载能力， 需按抽油机的最大扭矩来选配电动机，而抽油机所需的平均功率并不大。这些导致拖动 抽油机的电动机长期在低效率、低功率的工况下运转，降低了整个抽油机系统的效率， 浪费了大量电能，从而增加了油田地面建设的投资和采油成本1 2 4 1 。 2 2 2 对抽油机用电动机的要求 跟游梁式抽油机一样，碳纤维杆双井抽油机的运行特点也是启动转矩大，在一个周 期内负荷变化率大。根据抽油机的运行特点，电机应有以下特点：电机损耗小，在较宽 的负载变化范围能够保持较高的功率因数和效率；速度能够平滑级调节且调速范围较宽， 以适应不同井况的要求及其供排关系；能够实现软启动，减少启动时对抽油机的冲击， 降低选用电机及变压器的容量。 西安石油大学硕士学位论文 2 2 3 开关磁阻电动机驱动系统的原理 满足抽油机驱动要求的电动机，一方面自身的功率因数和效率要较高，另一方面可 以使抽油机的机、杆、泵整个系统达到较好配合，提高系统效率。开关磁阻调速电动机 就是具有这些特点的一种新型电动机驱动系统s r d ，主要由开关磁阻电动机( s r ) 、功率 变换器、电流检测器、位置检测器和控制器等5 部分组成1 2 5 】，如图2 3 所示。 ( 1 ) 开关磁阻电动机( s r ) ：s r 电动机是s r d 中实现机电能量转换的部件，图2 - 4 为 其典型的结构原理。当合上开关s 1 、s 2 给a 相绕组通电时，转子磁极的轴线o a 将转到 与定子a 相磁极轴线o a 重合的位置。此时断开a 相开关s 1 、s 2 ，合上b 相开关，则 转子将沿相同的方向继续转动相同的角度。如此不停地控制开关的通断，就能实现转子 的顺序转动。 ( 2 ) 功率变换器：功率变换器是s r 电动机运行时所需能量的供给者。 ( 3 ) 电流检测器：电流检测器串接在三相线圈的每相绕组上，用以检测三相线圈的电 流，并将检测结果反馈到控制器。 ( 4 ) 控制器：控制器能综合处理给定信号及电流检测器和位置检测器的反馈信号，发 出输出信号，控制功率变换器通断线圈，使之达到规定的使用要求。 ( 5 ) 位置检测器：位置检测器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确 地决定绕组的导通和关断时刻。 给定 图2 - 3 开关磁阻电机驱动系统组成图2 - 4 开关磁阻电机典型结构原理图 开关磁阻电动机驱动系统能通过脉宽调制电路调节加到三相绕组上的电压和电流， 实现调速和稳速的目的：通过控制三相线圈的导通次序来控制转速的方向；通过改变换 向角来改变电动机的电动、制动状态；通过电流限幅电路改善电动机转矩的平稳性；另 外，控制电路还有多种保护功能，确保系统安全工作。 开关磁阻电动机驱动系统在胜利、华北等油田的现场应用取得成功，该类电动机应 用在抽油机上主要有以下优势：( 1 ) 实现了软启动。具有高启动转矩、低启动电流的特点， 起动转矩达到额定转矩的1 5 0 0 时，起动电流仅为额定值的3 0 ；( 2 ) 效率高，功率因数 高，节能明显，与异步电动机相比节电3 0 以上：( 3 ) 抽油机冲次在一定范围内无级可调， 使抽油机的抽汲参数更趋合理；( 4 ) 采用智能换向控制系统，可靠性高；( 5 ) 机械强度高、 寿命长、允许较高的温升，适合露天野外场所使用。 6 第二章碳纤维杆双井抽油机基本工作理论分析 表2 - 1 开关磁阻电动机性能指标 5 5 、7 5 、1 1 、1 3 、1 5 、1 7 、l o o 1 2 0 0 、1 5 0 1 7 0 0 、2 0 0 额定功率( 1 c w )转速范围( r m i n ) 2 2 、3 0 、3 7 、4 5 、5 5 、7 52 2 0 0 、2 6 0 3 2 0 0 额定转速( r m i n ) 1 0 0 0 、1 5 0 0 、2 0 0 0 、3 0 0 0 额定转矩( n m ) 9 5 4 9x 额定功率额定转速 功率因数0 9 0 o 8 2启动转矩额定转矩的1 5 0 、2 0 0 过载能力1 2 0 效率o 8 2 o 8 8 输出特性额定速以下为恒转矩，额定速以上为恒功率 2 3 平衡系统的方案分析 2 3 1 抽油机常用的平衡方法 常用于抽油机平衡的能量形式有势能和动能两种 2 6 1 。用势能方式进行平衡的有平衡 重( 配重) 平衡和气压平衡。用动能方式进行平衡的有飞轮平衡，由于飞轮储能和放能是 依靠飞轮转速增大和减小实现的，因此必定有抽油机下冲程速度逐步增大，上冲程速度 逐步减小，这导致抽油机的速度控制缺乏灵活性。所以实用中机械平衡和气压平衡是抽 油机两种主要的平衡方法。 气压或弹簧平衡是利用弹性力的形式进行平衡，它使抽油机的运动惯量增加较少， 因而对抽油机的启动制动与速度改变时产生的惯性力影响较小。从抽油机的运动速度改 变比较容易这一角度来分析，利用弹性力进行平衡要优于利用重力或惯性力进行平衡。 但是气缸装置有效寿命短、气平衡机的安装维护不方便、配套件质量差寿命短等原因使 气平衡机难以推广。 机械平衡是利用重力或惯性力进行平衡，它使抽油机的运动惯量增加较多，因而对 抽油机速度改变时产生的惯性力影响较大。但优点是结构简单、工作可靠、施工方便、 成本造价低，容易获得较大的冲程长度。 2 3 2 双井抽油机的平衡方案 由于碳纤维杆双井抽油机的冲程较长( 1 0 2 0 m 1 ，如果平 衡重的行程设计得跟抽油机的冲程相同，则抽油机的整体结 构尺寸就要很大，才能满足平衡重行程的要求。 而另一方面，当两口井的泵挂深度及产量均相同时，不需要 外加平衡重；但当两口井工况不相同时，需要平衡装置施加 合适的平衡重，由于两口井的悬点载荷相互抵消一大部分， 所以所需的平衡重不大。所以，要选择合理的机构，以实现 平衡重的行程相对抽油机冲程的缩小。 本文采用滑轮组机构以机械平衡的方式对抽油机进行平 衡，结构如图2 - 5 所示。平衡重支架是支承滑轮组和平衡配 图2 - 5 平衡系统结构示意图重的桁架结构，内部有适当的空间( 支架高度一般为5 - 8 m ) 以 保证平衡配重的安装及上、下运动。平衡配重通过钢丝绳，经过滑轮组、钢丝绳过轮， 7 西安石油大学硕士学位论文 与滚筒相联接，从而达到平衡的目的。平衡配重运行空间在支架之内，当抽油机失载后， 平衡配重会落入支架内，一般不会造成对抽油机的损害。平衡重块一般为小块，调节比 较方便，而且可以做到精确平衡。平衡配重下端配有缓冲装置，以方便配重的安装和失 载时减振；每只平衡配重上均设计有螺纹连接装置，以方便平衡配重的组合。 2 3 3 平衡重的行程计算 3 设滑轮组静滑轮个数为i ，则动滑轮的个数可以为i 或 f + 1 ，组合方式如图2 - 6 所示。 设从动滑轮引出的钢丝绳根数为m ，则滑轮组引出端的 拉力f 与平衡重的重量g 。、滑轮组引出端的行程s 。与平衡 重的行程品存在如下关系：f = g b 加( 2 - 1 ) s 口= m s 。( 2 2 ) 由于滚筒和缠绕盘都与减速器的输出轴联接，所以钢丝 绳和碳纤维杆在每一时刻对应的角速度相同，由此得钢丝绳 的行程s g 为： s 。= 珞s r ( 2 3 ) 式中：s 。为一个冲程长度对应的钢丝绳的行程，i n ；s 为悬 图2 - 6 滑轮组的组合方式点冲程，m ；，为缠绕盘的半径，m go 为滚筒的半径，m ( 根 据钢丝绳的直径d ，来确定：8 5 d 。0 3 0 d ，) 。 由式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 得，一个冲程长度对应的平衡重的行程晶为： s 4 = 聊，g s 少 ( 2 4 ) 如果抽油机冲程为2 0 m ，缠绕盘半径为o 8 m ，滚筒半径为0 4 m ，采用动滑轮引出 的钢丝绳根数为2 的滑轮组，则由式( 2 4 ) 得，平衡重的行程为5 m 。 由式f 2 4 1 可看出，采用滑轮组结构，能有效地减小平衡重的行程长度。当抽油机冲 程为一定值，动滑轮上引出的钢丝绳根数与平衡重的行程成正比。但滑轮越多，钢丝绳 的缠绕弯曲的次数就增多，这样会减小钢丝绳的寿命，所以在满足平衡重与悬点行程比 的条件下，应使用尽量少的滑轮。 2 4 碳纤维杆双井抽油机的悬点运动分析 掌握悬点的运动规律是研究抽油机动力学、确定抽油机基本参数及进行抽油机设计 的基础。碳纤维杆双井抽油机的运动特点与游梁式抽油机的运动特点有较大区别，本节 分析了该抽油机的运动规律，给出了其悬点位移、速度和加速度的计算方法。 2 4 1 悬点运动规律分析 由于采用开关磁阻电动机作为抽油机的动力，与常规抽油机所不同的是，该双井抽 油机省去了较为复杂的四连杆机构，悬点的运动形式通过调节电动机参数来达到所要求 的运动规律。悬点速度的变化主要有梯形曲线、三角形曲线和正弦曲线三种模式【2 ”。 第二章碳纤维杆双井抽油机基本工作理论分析 如图所示，图2 - 7 ( a ) 为悬点速度按梯形曲线的形式变化，其对应的悬点加速度曲线 如图2 - 7 ( b ) 所示。如果去掉匀速运动时间段i t ，f 。】和 t 4 , t ；】，它表示上、下冲程中悬点仅 做匀加速和匀减速运动，悬点速度按三角形形状变化，其曲线如图2 - 8 ( a ) 所示，其对应 的悬点加速度曲线如图2 - 8 ( b ) 所示。图2 - 9 ( a ) 为悬点速度曲线为正弦曲线，其对应的悬点 加速度曲线如图2 - 9 ( b ) 所示的余弦曲线，此时的悬点运动规律与常规抽油机作定性分析 时的简谐运动规律类似。 v f 要 30 删 捌 v f = e 0 喇 删 v f 、 聂 j 0 必 捌 口f 、 e 0 乜 性鲢 j 早5 | 昊 d 】 口- _ _ _ _ f 2 3t 一 ft li 叫a 4 j ： ! 口3 悬点上冲程一i 悬点下冲程一 加速段匀遣段a速彀加速l璺匀速段a追职一 一 一 一 - _ - 一 一 7 。 、 。1 ta3f 屯 一 ( c ) 最点位移一时间曲线 图2 - 7 悬点速度按梯形曲线变化时的运动规律 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i ! f 2 岛“ 一 ； c 旬：盘 - 暑点上冲程一l 一悬点下j 中程一 ( b ) 蒜点加速度一时问曲线 角形曲线变化时的运动规律 a f 翟 e b 0 删 删 晨 多点澎糯一 一 ( a ) 悬点速度一时间曲线( b ) 悬点加速度一时间曲线 图2 - 9 悬点速度按正弦曲线变化时的运动规律 。 。芝b刨瑙景 西安石油大学硕士学位论文 对于上述悬点速度变化的三种模式，三角形速度一时间曲线是梯形曲线的一个特例。 而悬点速度按正弦曲线变化时，抽油机的悬点加速度变化范围较大，因此抽油机悬点动 载荷的波动较大。而采用梯形速度一时间曲线的抽油机具有悬点惯性载荷变化小，运动 平稳的特点。故本文以梯形速度一时间曲线的模式对悬点运动进行讨论，悬点位移一时 间曲线如图2 - 7 ( e ) 所示。 如图2 - 7 ( a ) 、( b ) ，在时间段【0 ，t ，】内悬点开始上冲程，悬点速度由0 匀加速到最大速 度v 。，悬点加速度为a ，方向向上：在时间段i t ，t ：】内保持匀速运动；然后在时间段 f ：，t ，】 内匀减速到0 ，悬点加速度为口，方向向下，完成上冲程运动，悬点位移达到最大；电 动机换向后，悬点开始下冲程运动，首先在时问段i t ，t 】内匀加速到最大速度，悬点加 速度为a ，方向向下；再在时间段 f 。，t ， 内匀速运动：然后在时间段i t ，t 。 内悬点减速 到0 ，悬点加速度为a 。，方向向上，完成一个运动周期，悬点如此反复带动柱塞上、下 运动从而实现抽汲。 在一个冲程周期内，加、减速时间是电动机的控制程序事先设定的，一般情况下， 加、减速时间设置为相等，即f 。= 0 ，一t z ) = ( f 。一t s ) = ( f 。一t 5 ) 2 8 o 所以有：悬点速度的大 小h = v 2 = v 4 = v 5 ，悬点加速度的大小口l = a 2 = a 3 = 口4 。 缠绕盘的角速度、转速与电动机转速有如下关系式： 0 9 。= 2 n n 。= 等 ( 2 - 5 ) ) u z 式中：国。为缠绕盘的角速度，r a d s ：h 。为缠绕盘的转速，r s ；n 。为电动机的转速，r m i n ： i 为从电动机轴到减速器输出轴的传动比。 悬点速度的大小与碳纤维杆中性层上的任意一点的线速度大小相同，由式( 2 5 ) 可得 到悬点的线速度v 为： v ：，脚，：苎坚(26)e 。 3 0 f 式中：v ，为悬点的线速度，m s ；r 为缠绕盘的半径，m 。 在加速段，缠绕盘的角加速度占为： 。 s ：塑：生：一“ n d m r 2 7 ) d t t 】3 0 i t l 式中：n 。为电动机匀速运转时的转速( 即最大转速) ，r m i r a0 9 。为缠绕盘的最大角速度， r a d s 。 由于电动机在加速段和减速段的运行模式、运行时间和速度的变化量都相同。因此 在加速段和减速段，悬点的加速度大小相等、方向相反。由此得悬点在加速( 或减速) 段 的线加速度a ，为： a ：口：里芷f 2 8 1 c 3 0 i t l 上式中，时间段【o ，t ，】和 f ，r 6 】取正，时间段p ：，t ， 和 t 3 , t 。 取负。 笙三童堡堑丝堑翌茎塑迪垫苎奎三堡望堡坌塑 由式( 2 8 ) 得，1 个冲次周期的时间内，任意时刻悬点的加速度口。为： ( 当o t t 1或t 5 t k 时) ( 当t 1 t t 2 或t 4 t f 5 时) ( 2 9 ) ( 当t ：t t 4 时) 由式( 2 6 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 可得，任意时刻的悬点速度v 。为： n n a , * r t 3 0 f t ， 册d , a r 3 0 f ( 当o t t t 时) ( 当 - t t 2 时) n n 3 u f 女r ( 1 一竿) ( 当t 2 t t a 时) 一。q 弛d m r ( 当t 4 - t - t 5 时) 3 0 i 。 。 翌塑三( 三二生一1 ) ( n t ；- t f 。时) 3 0 f 、 。 。 由式( 2 1 0 ) 积分可得，一个周期内任意时刻悬点的位移为： e = 竺塑! ： 6 0 i t i 墨+ 掣 对掣一掣 s 。一掣 驴掣+ 掣 其中竭= 警= 鼠+ 掣； s ，= s ：+ ! 掣一掣 s 4 = s 2 + 型垒! 坠二垒! 一竺盘! 丝二垒r 3 0 i 6 0 i t l r 2 - l o ) ( 当0 t t l 时) ( 当 t f 2 时) ( 当t 2 ts t 4 1 j 寸) ( 2 1 1 ) ( 当t 。蔓t s f 5 时) ( 当t 5 t f 6 时) 是= 只一掣。 抽油机的冲程s ，也就是悬点的最大位移墨，即： s ：警+ 掣+ 掣一掣弘哟 r一， b m并。岽 西安石油大学硕士学位论文 联立式( 2 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 、( 2 1 2 ) ，可以得到冲程s 与电机启动时间t 。、悬点最大速度v 、 悬点最大加速度日，以及冲次 的关系式： s = a c ( 3 0 t 1 h f 。2 )( 2 一1 3 ) 整理式( 2 1 3 ) 得： s n v = 一 3 0 n t ， s n 2 f 2 1 4 ) f 2 一i s ) 由式( 2 - 1 4 ) 、( 2 - 1 5 ) 可看出，冲程和冲次一定，电机启动时间t 对悬点最大速度和最 大加速度有较大影响。在冲程s 和冲次胛一定的情况下，随着电机启动时问t ，的增长，悬 点的最大速度越来越大，悬点最大加速度却越来越小，当t ，= 1 5 n 时，悬点最大加速度 达到最小值，最小加速度a 。为：a 。= s n 2 2 2 5 。因此，电机启动时间的设置是直接 影响抽油机性能的重要因素。 2 4 2 算例 当冲程s 为2 0 m ，冲次n 为1 , 2 ，5 m i n 。时，悬点最大速度、最大加速度与电机启动 时间的关系曲线如下图所示： 图2 - 11 悬点最大加速度与电机启动时间的特性曲线 第二章碳纤维杆双井抽油机基本工作理论分析 由图2 1 0 可以看出，当抽油机的冲程和电机启动时间一定时，冲次越小，悬点加速 度就越小，抽油机运行就越平稳，所以选择的抽油机冲次要尽可能的小。 而由图2 1 1 的特性曲线可得，t ，的取值对悬点加速度的影响很大。在t 的有效区间 o , 1 5 n 内，t ，从0 开始的增大的小时间段内，曲线很陡峭，即电机启动时间的较小变动 血，都会引起悬点加速度的很大的变化d 。而过了一段时间之后，随着t 的增大，曲线 变平缓，悬点加速度逐渐减小，并且在t ，= 1 5 n 处悬点加速度出现最小值。所以，电机 启动时间t 。的选择要尽量远离悬点加速度变化剧烈的区间。取( a a c m m ) 肛。= 4 时，对 应的电机启动时间为f ，。 将式( 2 1 5 ) 代入式( a a 。) 口。= 4 ，得： t = ( 1 5 6 订) 厶( 2 1 6 ) 一个冲程周期内，加、减速过程约占整个周期的4 0 ，其余近6 0 时间是匀速运动 【2 9 ，即t 跏。 所以，本文设定电机启动时问的合理区间为： ( 1 5 6 5 ) 肠，6 n 。 由图2 1 2 可以看出，当抽油机的冲程和电机启动时间一定时，冲次越小，悬点最大 速度就越小。并且冲次越小，悬点最大速度的变动就越小。 图2 1 2 悬点最大速度与电机启动时间的关系曲线 综合上述分析，在抽油机设计时，要尽可能地选择小冲次，同时要合理地选择电机 启动时间。 2 5 缠绕盘的缠绕半径对悬点运动的影响 当缠绕盘的半径比较小，同时碳纤维杆双井抽油机的冲程比较长( 一般为1 0 2 0 m ) 时，冲程始末时缠绕盘的缠绕半径可能对悬点运动造成不可忽略的影响，本小节分析了 考虑缠绕盘半径变化时的悬点运动规律，并给出一组算例。 2 5 1 缠绕盘的最小缠绕半径 因为碳纤维杆要反复地缠绕和退出缠绕盘，这样多次反复挠曲到一定程度以后，各 西安石油大学硕士学位论文 层之间的纤维就要发生机械疲劳而损坏。缠绕盘的直径越小，碳纤维杆的挠曲度就越大， 机械疲劳而导致的层问剥离出现得也越快，故从碳纤维杆使用寿命的角度考虑，较大直 径的缠绕盘更有利。但随着缠绕盘直径加大，必然使支架等相关部分尺寸加大，重量增 加，且造成减速器扭矩较大，减速器规格迅速上升。所以，应根据碳纤维杆的截面规格， 确定适宜的缠绕盘直径尺寸。 碳纤维杆承受的最大弯曲应力不得超过其许用弯曲强度，即缠绕盘的最小缠绕半径 不能小于碳纤维杆的最小弯曲半径，即： 盯 仃。 n( 2 1 7 ) 而碳纤维杆承受的最大弯曲应力口。一为： k eh o w m a x2 蔽2 1 8 ) 式中：盯。为碳纤维杆承受的弯曲应力，m p a ；n 为安全系数；胃为校正系数，取o 3 8 加4 0 ； e ，为碳纤维杆的弹性模量，m p a ；h 为碳纤维杆的厚度，有3 m m 、4 2 m m 、5 m m 三种规 格；为泊松比；。为缠绕盘的最小缠绕半径，m ； 盯。 为碳纤维杆的许用弯曲强度， m p a 。 则由式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 过轮及缠绕盘的最小半径需满足： r m t n 正k 孬e h 丙n ( 2 1 9 ) 不同截面规格的碳纤维杆，对应着不同的最小弯曲半径，厚度h 为3 r m n 的碳纤维杆， 对应的缠绕盘的的最小半径。，为： ，雨ke硼hn=等岩麓竽=0396fmln 3 之矿硼2 1 j 而丙万 上式中，碳纤维杆的弯曲强度 盯。 为1 2 0 0 m p a ，弯曲弹性模量e ，为9 0 g p a ，泊松比 “为0 3 ，校正系数k 取0 4 ，安全系数h 取4 。 同理，碳纤维杆厚度 分别为4 2 r a m 、5 m m 时，对应的最小弯曲半径m 。2 、m 5 为： 。42 0 5 5 4 m ；。5 0 6 6 r l l 。 另外，缠绕盘的最小半径要能适应上述三种规格的碳纤维杆的弯曲强度要求。初步 取缠绕盘的最小半径为，m i 。= 0 si n 。 2 5 2 缠绕盘的缠绕半径与冲程长度的对应关系 缠绕盘每缠绕一圈碳纤维杆，其半径就增加一个碳纤维杆的厚度，所以缠绕盘的半 径，、碳纤维杆的厚度 、冲程s 和最大缠绕圈数聊一有如下关系 3 0 】： 2 麓0 h 1 ) r ? 二篇墨矿2 州h 囊 = 丌l 2 ( 川m 、+ + 肌一( 珊。盯+ 1 ) 矗j 、7 当缠绕盘半径