内容开题报告

1、学号： 201272117长江大学专业学位开题题目：式抽油机综合性能的优化设计学科领域：方向：所属院系：机械工程先进钻采机械设计理论机械入学年月：2012 年 9 月导师：教授高级工程师：填表时间：2014 年 4 月 20 日类别（）工程农业推广体育支撑科研课题来源（）国家级横向自选课题类型（）基础应用综合其它经费来源（）课题资助自筹1 选题背景及其意义式抽油机是有杆抽油系统的主要设备之一,是机械式采油设备的重要组成部分。式抽油机在油田中应用广泛，占油田采油设备总数的 90%以上。游抽油机的作用是通过箱、曲柄连杆或其他杆件机构等，将动力机的旋转运动变为抽油杆和抽油泵的往复运动，实现抽油泵的吸

2、油和排油过程，并悬挂抽油杆，承受载荷。经过一百多年的实践和不断的改进创新，抽油机不管是结构形式还是在使用功能上，都产生了很大的变化。特别是近几十年来，世界对原油的需求量不断加大，对油田深度开采的能力有了更进一步的要求，在很大程度上加快了抽油机技术发展的速度。常规抽油机自诞生以来，历经数百年的使用，经历了各种工况和各种地域油田生产的考验，经久不衰。常规抽油机以其结构简单、耐用、操作简便、维护费用明显优势，而区别于其他众多抽油机类型，一直占据着有杆泵采油地面设备的主导地位。但是常规机的平衡效果较差，曲柄净扭矩波动大，负扭矩不能消除、工作效率不高、载荷率小、耗能大。随着油田的开发，抽油机的投入量日益

3、增加。发展高效、节能、可靠性高的抽油机是石油机械装备工业的当务之急，也是生产厂家始终追求的目标。国内外的者采取了两个途径：一个是在常规抽油机的基础上进行技术革新和创造，继承其优点，克服其缺点，从平衡方式上着手攻关，按照变矩平衡原理，研制开发了许多新型抽油机，于是传统的游抽油机又呈现出强大的生命力；另一个是从原理到结构形式上另辟新径，研制开发非四连杆机构的新型节能抽油机，如立式无 抽油机，电动潜油螺杆泵和无杆泵等。依靠技术，挖潜增效，节能耗是油田开发和持续发展的不变 ，同时也是抽油机的研发方向。但提高节能效果及整机的节能型的前提是保证抽油机的可靠性。过犹不及，单单强调降低节能效果和降低整机价格，

4、而牺牲整机的可靠性和安全性只会不利于生产的进行。在充分考虑抽油机的动力性能、重量及能耗的条件下，运用优化设计的方法，设计出结构紧凑、能耗低及动力性能好的抽油机机构参数，从而提高抽油机的设计质量，增强抽油机的市场竞争力。国内外 动态国内动态我国的抽油机发展已经有近 70 年的历史，20 世纪 50 年代我国的抽油机市场以进口为主、修配为辅，主要进口前CKH 常规型式抽油机。到七十年代，的基础上制造出常规型式抽油机，1975 年制定并完善了国产抽油机技术标准。从 80 年代起，抽油机实现了全部，不仅实现了满足自给，而且有部分出口。在此期间内，我国抽油机技术有了飞跃发展，国内公司瞄准世界先进水准，等

5、效采用或部分采用API 标准，并引进金(Lufkin)公司先进技术，使我国的抽油机跻身世界先进行列，成功地打入了国际市场。目前，国内抽油机制造厂有数 10 家，产品类型多样化，共有 6 大类 45 种抽油机，但式抽油机仍处于主导地位。每年约有 30 种新型抽油机专利，10 多种新试制抽油机，基本满足了陆地油田开采的需要。各种新型节能式抽油机如双驴头式抽油机、前置式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、下偏杠铃系列节能抽油机和用窄 V 形带传动的常规抽油机等均已在各个油田推广应用，并取得了显著的经济效益。我国抽油机设计制造发展也很快，吸取了前和API 标准的优点，依据我国油田开发的特点

6、，逐步形成了我国抽油机的新系列。目前，国内外各油田使用的抽油机有很多种，总体上可分为:式、无式。常规式抽油机、前置式抽油机、偏置式抽油机、胶带传动抽油机、下偏杠铃抽油机、偏轮式抽油机、双驴头式抽油机等。二、无式抽油机：链条式无抽油机、抽油机、数控抽油机、宽带长冲程油油机、摩擦式抽油机、直线电机抽油机、连续杆抽油机、自动化抽油机等2.2 国外动态目前, 世界上生产抽油机的国家主要有、俄罗斯、法国、和罗马尼亚等。全世界生产抽油装置的公司有 300 多家, 其中生产抽油机的公司有 150多家。抽油机品种规格齐全, 技术水平先进, 质量较好和较稳定, 应用范围较广泛。Lufkin 公司是生产抽油机最早

7、和最大的公司，目前生产 B、C、 M、A 等 4 种系列抽油机。俄罗斯生产 13 种规格抽油机、20 种规格曲柄摇臂式抽油机以及 06M 型、驱动型、平衡液缸型等无抽油机。法国 M公司生产了 12 种规格曲柄平衡抽油机、H 系列长冲程驱动抽油机、立式斜井抽油机和液缸型抽油机。生产液、电、气组合一体式 HEP 抽油机, 悬点最大载荷 72-103.9kN, 冲程长度 1.63-4.27m, 具有较好的使用性能。由于世界各油田地质储油构造、石油成分和伴生物不同, 再加上世界各国技术基础与技术水平不同, 采用的机械采油装备也不一样, 研制与应用的新型抽油机也具有各自的特点。世界新型抽油机主要有以下性

8、能特点：1、为了适应各种地质油藏条件和含砂、含气(H2S、CO2、O2) 、含水、含蜡、含胶质、含石膏等石油以及稠油和低渗透油层采油的工况, 研制与应用了 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

9、采的需要,研制与应用了各种大型抽油机。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 抽油机和增大冲程无 抽油机及长冲程无抽油机。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。节能部件有: 高转差率电 、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, 研制与应用了各种平衡方式抽油机。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

10、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, 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制、检测和抽油机运行与故障, 以确保高效安全经济抽油。总之, 随着科技的不断发展与进步, 还将出现新型抽油机。3 抽油机的发展方向为确保能够实现油田的高效生产状态，现阶段对抽油机的要求主要表现在以下两个方面：一是急需发展采用长冲程抽油机，提高油井的产液量；二是为了降低油井的 生产成本，对抽油机的节能性提出了更高的要求。当前的发展趋势主要如下：1、加大 的投入，吸收和利用世界先进设

11、计制造技术。加大 ，提高对抽油机的研发力度，促进石油机械装备的均衡化发展趋势，实现产研用的良性循环。2、 开发适应不同特性油层的抽油机。新设计开发的抽油机应该适应该油井、该地区的自然环境和生产条件的要求，根据该地区的地层特点和油层特性，考虑流体物性条件和物理成分对悬点载荷的影响，优化抽油机的结构尺寸和安装条件。3、加大对长冲程无 式抽油机开发力度，在降低能耗上下功夫。长冲程、低冲次、低功耗的无 式抽油机是今后抽油机发展的主要方向。4、开发智能控制监护的新型抽油机。利用变频控制系统实时调整工作参数，提高电机功率因数，减小供电电流，还可以实现电机的软起动，减小冲击，并可根据油井供液能力实时调整冲次

12、频率，实现增产节能效果；另外，开发机电抽油装置，根据抽油机井特性实时控制和改变抽油状态，实现高效智能化采油。5、研发大型、高适应性的丛式井抽油机。现代大型抽油机应具备有高适应性，以适应多种恶劣环境和地层油层的变化。4 抽油机优化的状况常规抽油机是油田中使用量最大的抽油机。但是由于常规机的结构特征，决定了抽油机的平衡效果差，曲柄净扭矩波动大，负扭矩不能消除、工作效率不高、载荷率小、耗能较大等缺点。我国油田在用的常规型式抽油机系统效率只有 16%-23%，优化较好的常规机系统效率也不到 30%，的常规型抽油机虽然系统效率较高，但也仅为 46%。在采油成本中，抽油机电费占 30%左右，年耗电量占油田

13、总耗电量的 20-30%，为油田电耗的第二位，仅次于注水。悬点载荷作用在曲柄轴上的扭矩的波峰、波谷与曲柄平衡块作用在曲柄轴上的扭矩的波谷、波峰抵消效果不好，平衡效果差。在一个周期内:上冲程时，悬点带动抽油杆和油液柱运动，需要电机输出较大的正向转矩；下冲程时，输出轴被抽油杆重正向拖动，电机受到负向转矩的作用，处于发电状态，此时抽油杆下落所的势能一部分转变成了电能反馈到电网，由于由反向拖动产生电能再传入电网的过程中有很大损耗。由于目前常规机的平衡效果很难使净扭矩达平稳的直线状态，因此，常规机通常能耗较大。负转矩的存在会导致电机运行于发电状态，造成了能量的浪费。同时负转矩也对曲柄销的起到了一定的破坏

14、作用，使箱的齿轮经常处于正、反向反动，产生交变负荷，降低抽油机曲柄销的使用寿命。衡量抽油机动力性能的主要指标是由抽油机机构特性所决定的最大扭矩因数、悬点最大 度以及由油井负荷和抽油机机构特性所共同决定的曲柄轴最大扭矩、最小扭矩的大小和曲柄轴扭矩曲线波动的大小。常规 式抽油机具有结构简单、易损件少、可靠性高等优点，但同时又具有动力性能较差、平衡效果差、载荷率低、结构笨重以及能耗高等缺点。为了进一步提高 式抽油机的工作效率、可靠性并改善受力状况，尤其是为了节能降耗，应对 式抽油机进行优化设计。随着对抽油机数学模型的深入 ，抽油机的优化涉及到抽油机的运动、动力性能指标及能耗指标等方面，是一个具有不等

15、式约束多目标函数的非线性规划问题。单个目标寻优往往侧重于抽油机的某一性能，由于选取的目标函数、约束条件不同，优化结果也不相同，很难得到全局优解，甚至次优解。因此，将抽油机运动及动力性能、综合性能指标结合在一起，兼顾若干设计目标达到最优，更全面地 抽油机的设计优劣，最终求得全局的最优解。在抽油机的动力学仿真的基础上，对抽油机各个杆件尺寸及曲柄平衡扭矩进行优化设计，通过改善抽油机的运动及动力学特性，以期提高抽油机的工作效率、可靠性及节省能耗。近些年来，国内的学者对抽油机做了大量的优化，了不少关于式抽油机优化设计的文章。、嘉、韩致信、崔振华、李树臻等大批的 学者根据优化设计理论，选择合理目标函数、约

16、束条件、优化设计变量对不同类型的抽油机做了优化设计工作，并比较了优化设计后的抽油机的效果。这些学者从不同的方面丰富了 式抽油机的设计理论，提高了 式抽油机的设计水平，但是由于不同的学者 目标函数、约束条件、优化设计变量等都是不尽相同，所得优化结果也各有差别。一般来说，在对抽油机优化时，目标函数的选择主要是以以下几种为主：1、以悬点上冲程最大扭矩因数最小为目标函数，以改善抽油机的曲柄扭矩特性；2、以悬点上冲程最大度最小为目标函数，以获得较小的动载荷；3、以曲柄均方根扭矩最小为目标函数，以获得波动最小的曲柄扭矩曲线；4、以抽油机能耗最小为目标函数。在对某一型号的抽油机进行设计时已知的设计参数主要有

17、以下：曲柄半 R，连杆长度 P， 后臂长度 C， 前臂长度 A， 器输出轴中心到支架轴承中心的水平距离 I 器输出轴中心到支架轴承中心的垂直距离（H-G），冲次数 n ，器的额定扭矩 TE，电 的额定功率 PE 。而在优化设计时设计变量为：曲柄半 R，连杆长度 P， 后臂长度 C， 前臂长度 A， 器输出轴中心到支架轴承中心的水平距离 I， 器输出轴中心到支架轴承中心的垂直距离（H-G），等几大类，其中 前臂长度 A 可由冲程长度和 摆角之间的关系计算得到，这样可减少一个设计变量，减少设计计算难度。对抽油机约束条件的考虑主要有以下几种：1、对抽油机冲程长的的要求。优化设计的抽油机经计算后冲程长

18、度应满足要求。2、满足曲柄存在的条件。 式抽油机是一个曲柄摇杆机构，那么对于抽油机四连杆机构应满足机构是一个曲柄摇杆机构的条件。同时为了保证抽油机的结构紧凑，对抽油机各杆件之间的相对长度也应有相应的现状。3、对于对称循环抽油机， 摆动应满足对称于水平线的要求。4、在优化设计中应规定了抽油机若干特征角度的取值范围，这些特征角度是传动角，极位夹角， 最大摆角和基杆 K 的倾斜角。对抽油机进行优化设计属于约束优化问题，约束优化方法包括：随机方向法、复合型法、惩罚函数法、几何规划法。但复合型法的算法思路清晰，容易掌握；不需求导数，不需作一维搜索，对函数性态没有特殊要求；对初始点要求低，能较快地找到最优

19、解，算法较为可靠，是机械优化设计中较为广泛的可靠算法之一。二、 内容本文在分析目前国内外在用抽油机的情况基础上，对 式抽油机的机构尺寸和动力性能进行优化设计，一方面使优化后抽油机的动力性能更差，另一方面提高优化后的抽油机的节能效果，增加抽油机的市场竞争力。本文的主要 内容如下：1、根据 式抽油机四连杆机构的几何关系和运动特点，对 式抽油机的几何结构、运动参数、动力特性等进行分析，同时对抽油机悬点载荷、冲程损失长度计算、平衡扭矩的计算以及抽油机配备的电机功率进行分析计算。为式抽油机的运动分析和性能 提供必要的理论，也为后续的 工作提供技术支持。2、根据抽油机运行时各构件之间的几何关系，对抽油机的

20、各机构的尺寸的计算进行说明，按照给定的抽油机的基本尺寸为基础，推导出抽油机各构件的尺寸和大小，找到各机构尺寸之间的关系，为 式抽油机的优化设计提供理论基础。3、查阅抽油机的相关设计资料，根据抽油机各构件之间的关系，设置合理的约束条件，确定正确的优化目标，选用适当的的优化方法，在科学计算中结合机械优化设计理论，对抽油机四杆机构参数进行优化，在中编制出一种优化设计算法，通过计算后得到优化设计的最优解。在保证抽油机结构要紧凑、动力性能好、能耗低的基础上，力争使抽油机的重量最轻。4、选择合适的计算机编程操作 ，开发出常规 式抽油机的优化设计计算 ，要求通过 可以较快捷的完成系列的抽油机的优化工作，在

21、中对抽油机的结构尺寸等几何参数和运动参数等内容有明确的说明。通过此可对抽油机不同机型进行对比分析，并对其优化设计后的效果进行验证评价。三、工作特色及其难点，拟采取的解决措施1、本设计的 难点抽油机优化时约束条件较多，根据较少的约束条件得到的优化结果不是实际的最优解，过多的约束条件会增加计算难度，得不到优化结果，应选择前挡的约束条件。对抽油机进行优化设计，评价的的目标函数较多。不同的学者对抽油机优化的目标函数的选择不同，应选择一种正确的、合理的目标作为约束目标函数。3) 抽油机优化设计的优化算法较为复杂，编程设计较繁琐，任务量较大。2、本设计的技术关键在抽油机结构紧凑、动力性能好、能耗低重量轻等

22、目标中选取一种或几种作为优化最合适的目标，设定好抽油机的约束条件、选择一种优化计算算法对式抽油机进行优化设计计算。3、拟解决措施查阅国内外的优化设计相关资料，对他人的优化设计方法进行比较，分析不同的优化设计的目标、约束条件、算法，选择其中最合理的方法在中进行计算。熟练的掌握一种计算机编程语言，借鉴前人的设计经验，完成抽油机优化的设计，使其界面简洁，操作方便。四、 工作的预期进度计划（1）2014 年 3 月-2014 年 4 月收集相关技术文献资料，对国内外抽油机优化文章和内容进行调研分析，归纳整理，撰写文献综述、开题 ，进行开题答辩。（2）2014 年 5 月-2014 年 7 月查阅资料和书籍，对 式抽油机的几何结构、运动参数、动力特性等进行计算。找到抽油机各机构尺寸之间的关系，明白其计算方法。（3）2014 年 8 月-2014 年 9 月根据前期准备工作，对不同的优化设计 方法进行比较，选择正确的方法和理论，学习优化 的应用方法，对抽油机进行