系列连杆复合平衡抽油机科学技术研究报告

科学技术研究报告项目名称：连杆复合平衡系列抽油机研制完成单位：新疆油田公司机械制造总公司起止时间：2006年11月～2008年3月新疆油田公司机械制造总公司2009年12月一、立项依据随着油田开发的不断深入，以前较难开采的稠油列入了开发日程，为配合该区块的开发，必须研制适用于稀/稠油开采的抽油机。二、技术路线本项目的实施按如下技术路线实施：方案设计与论证——结构设计与优化——样机试制与试验——改进设计——产品定型、推广应用。三、国内外同类研究的动态国外抽油机设计大多按APISPEC11E进行，且大多是应用于稀油开采的常规型抽油机，采用的是“小泵快抽”方式，冲次高达10余冲以上。采用的平衡方式多数为曲柄平衡，少数为游梁平衡和复合平衡。国内机型都是针对稀油开采进行设计，冲次较高，近几年来采用的平衡方式以游梁平衡、复合平衡为主，纯曲柄平衡方式逐渐淘汰。“长冲次、低冲次”的采汲方式具有很多优点，已经得到国内广大油田用户的认同，是抽油机设计的发展趋势之一。四、试验具备的条件我公司是抽油机制造的专业厂家，具备设计、制造抽油机的资质和实力，具备各类设备和试验台，有经验丰富的设计、制造团队。研制本项目的各项试验条件都具备。五、采取的措施和手段（一）方案设计阶段针对稠油的特性，本系列抽油机机在方案设计中主要采取了以下措施：1、编制了设计计算软件，对整机方案进行了设计分析，特别分析计算了原油粘度对抽油机悬点载荷的影响，并结合现场工况分别计算了不同冲程、冲次下抽油机的悬点载荷变化情况、减速器扭矩大小以及电动机功率等参数。下面以重32井区工况为例进行说明：图一、不考虑原油粘度图二、原油粘度为3000mPa·s在相同工况下，不考虑原油粘度时，上冲程悬点载荷平均约为16kN，下冲程约为7.5kN，考虑了原油粘度后，上冲程悬点载荷约为17.5kN，下冲程约为3.2kN。在粘度的影响下，原先大的上冲程载荷更大，原先小的下冲程载荷更小。图三、不考虑粘度时减速器扭矩曲线图四、考虑粘度时减速器扭矩曲线在相同工况下，考虑粘度后，由于上下冲程的载荷差增大，在平衡状态下，减速器最大扭矩由5.735kN·m上升到9.1kN·m。对不同工况、不同原油粘度进行了计算，计算结果统计表如下：表1、计算结果统计表——冲程2.5m泵径(mm)井深（m）冲程（m）冲次（次/min）粘度mPa·S最大载荷kN最小载荷kN最大扭矩kN·mφ702702.58500019.52011.99400019.07011.46300018.64011.47200018.260.16410.74100017.893.468.546500020.2011.7400020.1011.5300020.2011.4200020.21.859.7100020.24.27.64500018.9010.7400018.80.70710.1300018.72.369.0200018.64.017.9100018.55.656.8表2、计算结果统计表——冲程1.8m泵径(mm)井深（m）冲程（m）冲次（次/min）粘度mPa·S最大载荷kN最小载荷kN最大扭矩kN·mφ702701.88500020.108.84400019.808.72300019.50.0188.57200019.152.357.3100018.84.466.126500019.308.18400019.308.14300019.251.67.22200019.23.46.37100019.15.185.534500018.31.557.24400018.12.746.63300017.933.936.06200017.35.085.49100017.66.04.91说明：1、此结果是在平衡状态下计算得出的。2、悬点载荷出现负值，说明悬点下行速度比光杆下行速度快，此时计算结果取0，实际运转过程中，将造成冲击，对抽油机产生不利影响。因长冲程、低冲次的采汲方式具有可提高泵的充满系数、延长机杆泵系统的使用寿命、降低动载荷等优点，在保证抽油机正常运转的情况，尽可能选择长冲程、低冲次的组合是最优方案。2、提出并应用了游梁+连杆复合平衡方式曲柄平衡消耗金属多，调节不便；游梁平衡可减少连杆、曲柄和曲柄销的受力，调节简便。考虑到本机型是用于稠油采汲，主要工作在低冲次下，游梁平衡重产生的惯性载荷不大，因此采用游梁平衡效果最好。纯游梁平衡抽油机连杆受“拉——压”循环力（见图一），因连杆销与销孔之间存在间隙，在循环力的作用下，连杆销与销孔产生往复相互滑动，对销孔进行挤压产生摩擦与发响，长时间作用下可能会造成横梁轴承损坏，连杆销磨损严重，销孔变形等问题，形成安全隐患。为解决此类问题，我公司应用了连杆复合平衡理论，即在连杆上增加平衡重或增加连杆的重量，合理搭配游梁平衡重与连杆平衡重的重量，改变连杆销受力状态，使其受力方向不变（见图二），从而从根本上解决连杆销发响的问题。图五：纯游梁平衡连杆销受力图六：连杆复合平衡连杆销受力在计算机中建立力学模型，并进行计算，确定了连杆平衡重的重量。图七、纯游梁平衡连杆销受力图八、游梁+连杆平衡连杆销受力3、通过四连杆机构的优化，提高泵效。对四杆尺寸进行调整，使抽油机具有大极位夹角的特性，上冲程曲柄转过的角度小于下冲程时曲柄转过的角度，实现“上快下慢”的抽油方式，进一步提高泵的充满系数。4、为克服连杆平衡重在抽油机运转到上下极点位置时，对减速器扭矩所造成的不利影响，采取了增加不可调曲柄配重的方法来对其进行平衡。（二）结构设计阶段对关键零部件进行了强度校核，设计了工作图400余张，编制了加工工艺、明细表、使用说明书、装箱单等技术文件。用于指导生产，保证产品质量。（三）试验阶段按照SY/T5044-2003《游梁式抽油机》标准对试制出的样机进行了厂内试验，分空载试验和额定载荷两种工况进行。对抽油机各项质量指标进行了检验，检验结果表明，产品质量达到合格标准。将样机安装到油田现场进行试验，并委托中国石油天然气集团公司西北节能监测中心对样机进行了抽油机系统效率测试，并出具了测试报告。根据试验结果对样机进行了改进，并委托国家油气田井口设备质量监督检验中心对本机进行了型式检验，检验结论为：经检验，该样品所检项目符合标准要求。（三）改进阶段针对试验发现的问题及用户提出的建议进行如下改进：1：驴头。驴头设计宽度较小，使得钢丝绳调整空间受限，因此将驴头加宽，解决了该问题。在现场应用中，时常发生光杆下行速度过慢的情况，导致驴头下行时碰光杆，为此，我们在驴头上设计了抽油机光杆防碰弯装置，在驴头下部增加了一段引导圆弧，使光杆在与驴头的接触时是沿弧面滑动，而不是直接顶到驴头。图九：改进前驴头图十：改进后驴头2：翻转式可快速更换皮带电机托架。原设计为固定式电机座，更换皮带时，要将电机的固定螺栓松开，移动电动机使皮带松弛，然后更换皮带，再将电动机移回，用顶丝顶电动机绷紧皮带，用“四点一线”法检测大、小皮带轮端面的平面度误差。整个过程费时费力。为了方便更换皮带，将原固定式电机座改进为翻转式电机托架，在更换皮带时，只需松开电机托架的调整螺栓，然后连电机一起翻转电机托架，自然松开皮带，更换皮带后，在翻转回位，固定调整螺栓即可，省去了“四点一线”这个检测过程和顶丝顶紧的过程，方便了用户维护。图十一：翻转式电机托架3：皮带。最初设计的CYJ3-2.5-9HYL型抽油机皮带为3槽ZV9J的联组带，在使用中发现存在皮带磨损快的问题，后对皮带轮及皮带进行了细致的分析并进行了改进，将皮带改为6槽ZV9J的联组带，然而在应用中皮带磨损快的问题仍然存在，因该皮带均为克市橡胶厂生产，第三次改进采取了两种方案并行的方法，一种是将皮带更改为3槽ZV15J的皮带，仍采用橡胶厂的皮带，一种是使用外地的6槽ZV9J的皮带，结果发现两种方案均能够解决皮带磨损快的问题。最终我们确定了采用3槽ZV15J的联组带。图十二：三槽ZV9J图十三：6槽ZV9J图十四：3槽ZV15J4：悬绳器。在稠油开采中易出现冲击现象，此时光杆会产生振动，撞击挡板，造成挡板固定螺栓松脱或断裂等现象。为此，设计了分体式自锁防脱悬绳器，安装完成后，光杆被锁定在悬绳器架体中心，解决了此类问题。固定螺栓固定螺栓M8挡板 图十五、改进前图十六、改进后（四）推开应用阶段总结了CYJ3-2.5-9HYL抽油机设计经验，推广应用连杆复合平衡理论及“长冲程、低冲次”的工作方式，又设计了CYJS5-3-18HY、CYJS8-3-37HY以及CYJY4-2.5-13HF抽油机。形成了系列连杆复合平衡抽油机。六、主要技术经济指标型号和技术参数型号额定悬点载荷（10kN）冲程（m）冲次（次/min）减速器扭矩kN·mCYJ3-2.5-9HYL32.5/1.84/69CYJY4-2.5-13HF42.5/2.14/613CYJS5-3-18HY53/2.4/1.84/5.5/818CYJS8-3-37HY83/2.5/1.84/5/637本系列抽油机与油田在用机型、标准推荐机型的性能指标对比情况见以下各表。CYJ3-2.5-9HYL抽油机与之前油田在用抽油机相比，冲程增加0.7m，与标准含有但目前国内未见生产的3-2.1-13抽油机相比，冲程增加0.4m，减速器扭矩降低一个级别。型号参数额定悬点载荷10kN冲程m冲次次/min减速器扭矩kN·m电动机功率kW备注CYJ3-2.5-9HYL32.5/1.84/697、9本机CYJB3-1.8-9HF31.8/1.5/1.25/7/1095、7、9油田在用3-2.1-1332.113未知标准含有CYJY4-2.5-13HF抽油机与之前油田在用抽油机相比，冲程增加0.7m，标准含有4-2.5-13及4-3-18抽油机目前国内未见生产。型号参数额定悬点载荷10kN冲程m冲次次/min减速器扭矩kN·m电动机功率kW备注CYJY4-2.5-13HF42.5/1.84/6139、12本机CYJ4-1.8-13HPF41.8/1.5/1.25/7/10137、9、12油田在用4-2.5-1342.513未知标准含有4-3-184318未知标准含有CYJS5-3-18HY抽油机与之前油田在用抽油机相比，冲程增加0.5～1.2m，电动机功率最低，与标准含有但目前国内未见生产的5-3-26抽油机相比，减速器扭矩降低了一个级别。型号参数额定悬点载荷10kN冲程m冲次次/min减速器扭矩kN·m电动机功率kW备注CYJS5-53/2.4/1.84/5.5/8188、12、16本机CYJ5-1.8-18HPF51.8/1.5/1.25/7/10188、12、16油田在用CYJY5-2.5-18HB52.5/2.1/1.86/9/121818.5油田在用5-3-265326未知标准含有CYJS8-3-37HY抽油机与之前油田在用抽油机相比，冲程增加0.5～1.2m，电动机功率降低了一个级别。型号参数额定悬点载荷10kN冲程m冲次次/min减速器扭矩kN·m电动机功率kW备注CYJS8-83/2.5/1.84/3718.5本机CYJ8-383/2.5/1.86/9/123722油田在用CYJ8-3-53HB83/2.5/1.86/9/123722油田在用七、技术关键和创新点关键技术：（1）、连杆平衡方式理论研究与平衡介质的设计与选择；（2）、小型长冲程、低冲次抽油机的方案设计、运动分析、动力分析、结构设计、稠油粘度对使用抽油机的影响研究；创新点：（1）、连杆平衡理论由我公司提出并首次在抽油机上应用，为国内外首创，解决了纯游梁平衡抽油机连杆销、横梁轴发响易损的问题。我公司已经申请并获得了实用新型专利，专利号：ZL200720200171.4。（2）、在小型抽油机上采用长冲程、低冲次的设计是一个技术突破；SY/T5044标准推荐3型抽油机的最大冲程为2.1m，之前油田在用的3型机为1.8m，本设计达到了2.5m，高于标准的推荐值，比其他3型机最大冲程增加了约40％，实践证明是可行的，很好的满足了油田的应用需求。该设计为国内外首创。（3）、研制了抽油机光杆防碰弯装置，简单的结构解决了稠油采汲中易出现的光杆顶抽油机驴头的问题，该装置我公司已申请并获得了实用新型专利，专利号：ZL200720201129.4。（4）、研制了翻转式可快速更换皮带电机托架，提高了日常维护作业时更换皮带的工作效率和工作质量。我公司已就此申请并获得了实用新型专利，专利号：ZL200820302886.5。八、技术重点与适用范围1、连杆平衡能够改善连杆销受力状况，实践证明是可行的，可推广应用形成全系列抽油机，实现游梁式抽油机的更新换代。但在设计应用中应注意对四连杆机构的优化，当曲柄处于水平位置时，尽量使连杆处于垂直状态，降低用户调整冲程的难度。2、“长冲程、低冲次”的设计方案在游梁式抽油机上的应用是可行的，抽油机基本参数可以突破SY/T5044标准的局限，今后可以推广应用到其他型号抽油机的设计上。3、改变抽油机旋向，实现“快下慢上”的采汲方式，即可适用于稀油采汲。九、已推广应用的情况截止到2009年11月，该系列抽油机累计应用情况如下表：型号应用地点数量（台）产值（万元）利税（万元）CYJ3-2.5-9HYL新疆油田4253400340CYJY4-2.5-1