游梁式抽油机文献综述

2019-12-1616:48:43 发表评论
摘要游梁式抽油机文献综述rn游梁式抽油机__文献综述__前言__有杆抽油系统是国内外油田最主要的,也是至今一直在机械采油方式中占主导地位的人工举升方式。有杆抽油系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵等三部分组成,抽油机是有杆抽油系统最主要的举升设备。根据是否具有游梁,抽油机可以分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。由于游梁式抽油机具有结构简单、工作可靠等优点,游梁式抽油机一直是国内外油田应用最广泛的举升设备。游梁式抽油机井数量多,其工作性能,特别是节能性能直接影响采油的成本。因此,完善和发展游梁式抽油机设计理论,研制节能效果显著的节能型游梁式抽油机对于抽油机井的节能降耗、提高举升系统的经济效益具有重要的实际意义。__第一章抽油机功能及国内外研究现状__11抽油机功能__在石油液气的开采过程中,抽油机是重要的举升设备。除了利用底层本身的能量进行自喷采油外,目前所用一切人工举升采油设备基本都是抽油机。人工举升采油法称之为机械采油法。典型的机械采油法包括无杆抽油和有杆抽油两种。有杆抽油设备对应的采油机械由地面驱动设备(各种抽油机)、井下工作设备(各类抽油泵)和能量传递装臵(抽油杆或油液举升机构)等组成。有杆抽油设备按照抽油泵运行方式又分为抽油杆往复运动类和旋转运动类,前者是通过下入井内的抽油杆带动井下的抽油泵柱塞上下往复运动,将油液送至地面。有杆抽油设备的地面驱动设备主要有游梁抽油机和无游梁抽油机两种。无杆抽油设备是各种不采用抽油杆传递动力的抽油设备的总称,此类设备由水电活塞机、电力离心沉没泵和振动泵、电动潜油离心泵、液压驱动类和气举采油设备组成。__游梁式抽油机是有杆抽油设备系统的地面装臵,它由动力机、减速器、机架和四连杆机构等部分组成。减速器将动力机的高速旋转运动变为曲柄轴的低速旋转运动。曲柄轴的旋转运动经由四连杆机构变为悬绳器的往复运动。悬绳器下面连接抽油杆柱,由抽油杆柱带动抽油泵柱塞(或活塞),在泵筒内作上下往复直线运动,从而将油井内的油液举升到地面。__12国内抽油机研究现状__抽油机是有杆抽油系统中最主要举升设备。根据是否有游梁,可分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。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,催生出多种类型。目前_国内抽油机制造厂有数十家_产品类型已多样化_但游梁式抽油机仍处于主导地位。根据公开发表的资料统计_我国现有6大类共45种新型抽油机[1]_并且每年约有30种新型抽油机专利_十多种新试制抽油机[2]_已形成了系列_基本满足了陆地油田开采的需要。各种新型节能游梁式抽油机如双驴头式抽油机、前臵式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前臵式气平衡抽油机、下偏杠铃系列节能抽油机[3]和用窄V形带传动的常规抽油机等均已在全国各个油田推广应用_并取得了显著的经济效益。长冲程、低冲次的无游梁式抽油机的研制也取得了一些进展_如由胜利油田研制的无游梁链条抽油机_经过国内十几个油田稠油及丛式井的推广使用[4]_在低冲次抽油和抽稠油方面已初见成效。此外_桁架结构的滑轮组增距式抽油机、滚筒式长冲程抽油机已在某些油田进行了工业试验[5]齿轮增距式长冲程抽油机的研制工作也取得了新的进展质量轻、成本低、便于调速和调整冲程的液压抽油机经过几年的研制和工业性试采油_也积累了一定的经验[6]。其他型式新颖的抽油机如数控抽油机、连续抽油杆抽油机、车载抽油机、磨擦式抽油机、六连杆游梁式抽油机和斜直井抽油机等也正处于不断改造和试生产过程中[7]。然而,游梁式抽油机的缺点是不容易实现长冲程低冲次的要求,因而不能满足稠油井、深抽井和吉气井采油作业的需要。同时,长冲程低冲次的无游梁式抽油机的性能尚有待完善如油田正在使用的链条式抽油机还存在链条寿命短、换向冲击载荷大和钢丝绳易断、导轨刚.度不足容易变形等问题,而且品种规格还很少,不能适应当前石油工业的发展[8]。液压抽油机至今仍处在研制阶段[9]。__13国外抽油机研究现状__目前,世界上生产抽油机的国家主要有美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等[10]。为了减少能耗_提高采油经济效益_近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15-35前臵式抽油机节电368前臵式气平衡抽油机节电35轮式抽油机节电50-80大圈式抽油机节电30自动平衡抽油机节电30-50低矮型抽油机节电5-20ROTAFLEX抽油机节电25智能抽油机节电174螺杆泵采油系统节电40-50__[11]。近年来国外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平衡。__近年来_为了节约能耗、提高采油经济效益_国外研制与应用了许多节能型抽油机_在采油实践中_取得较好的使用效果。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。前臵式气平衡抽油机_由于可在动态下调节气平衡_平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90以上载荷得到平衡[12]。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡效果[13]。__近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机_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[14]。__1、前臵式气平衡抽油机__美国工Jufkin公司生产的A系列前臵式气平衡抽油机具有较好的技术经济指标_抽油机重量减轻40_尺寸缩小35_动载荷较小_受力均匀_运转平稳_节约电耗35。2、无游梁长冲程抽油机__美国ROTAFLEx宽带传动抽油机实践表明抽油机系统效率为5_而常规抽油机只有40。提升液体能耗比常规抽油机减少25_可使用294kw电动机_而同级常规抽油机须用只kw电动机。美国__WesternGea有限公司研制的液压驱动无游梁长冲程抽油机占地面积较小_可节约电耗10一15。美国NationalSupply有限公司研制的无游梁长冲程抽油机节约电耗10一20__3、智能抽油机__美国NationalSupply有限公司研制的智能抽油机减速器峰值扭矩减少347_电动机功率减少174_产量增加19_抽油机系统效率平均提高478_投资费用减少20_成本利用率提高207。天然气发动机驱动抽油机美国生产的天然气发动机驱动抽油机可比电动机功率减少30_动力费用与采油成本均较低。__4、变平衡力矩抽油机__美国Pionner公司研制了变平衡力矩抽油机_利用抽油机连杆运动以及新增加的连杆摆动机构作用原理_使得上冲程时平衡力矩大于下冲程时的平衡力矩_实现更精确地平衡抽油机载荷、减少抽油机电力消耗的目的。__14今后抽油机的发展方向__抽油机的发展趋势主要朝着以下几个方向。__141国内抽油机发展趋势__20世纪9O年代以来,我国东部各主要油田相继进入中高含水开发期[17]。为确保高效生产,对抽油机的要求呈现两个特点:一是急需采用长冲程抽油机,以增加油井的产液量;二是为了降低油井的单位生产成本,对抽油机的节能性提出了更高的要求[18]。其次就目前抽油机耗电量大,工作效率、能量利用率低这一现状仍是我国抽油机研究的重点之一,在抽油机效率和节能方面,还有很大的提升空间,具有非常诱人的前景[19]。__长冲程抽油机的研制应用能力不足一直是我国抽油机发展的瓶颈,长冲程抽油机具有减小冲程损失、提高系统效率、延长机杆泵的使用寿命、减少故障及提高整机运行质量等优点[20]。因此_发展长冲程抽油机对当前我国老油田高含水井后期开采_减缓产量递减速度_开采稠油、低渗透油田以及沙漠油田深井及超深井的机械开采_都具有重要的现实意义[21]。游梁式抽油机的局限性十分突出,多方面事实说明,长冲程、低冲次、低功耗的无游梁式抽油机是今后抽油机发展的主要方向[22]。为适应油田采油需要_在适当发展游梁式长冲程抽油机的同时_应加速开发各类无游梁式长冲程抽油机[23]。__开发无游梁曲柄摇杆轮式斜井抽油机和大型斜直井抽油机将对我国油气资源开采有重要意义[24]。根据我国实际情况_发展无游梁大冲程、低能耗、具有高适应性的直井抽油机和斜井抽油机_将是我国今后抽油机发展的主要方向[25]。__近年来,变频技术在抽油机上得到了广泛应用。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频率,实现增产节能效果[26];另外研究开发机电一体化抽油装臵,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[27]。如美国NSCO公司智能抽油机,采用微处理器和自适应电子控制器进行控制与监测,具有功能多、抽油效率高、自动化程度高、经济性好、安全可靠、适应性强等优点[28]。__研发大型、高适应性的丛式井抽油机,随着世界油气资源的不断开发,油层开采深度逐年加大,油田含水量的增多,大泵提液采油工艺和稠油开采等都要求采用大型抽油机[29]。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,如开发一种机型能适应__不同自然气候与地貌环境的差异、地层油层的迁移改变、冲程冲次的改变、油气层性状的改变、连续与间歇抽油的调整等[30]。另外,由于现代大型抽油机的结构和控制的复杂性,体积的庞大,其工作面积也相应增大,同一抽油机可以对多口相邻油井同时抽油作业,采用综合平衡方式和节能方式,达到最好的作业效果[31]。__142国外抽油机发展趋势__如前所述_世界范围内抽油机技术发展的总趋势是向着多样化、超大载荷、长冲程、节能型、无游梁式和自动化、智能化方向发展[32]。__1朝着大型化方向发展__随着世界油气资源的不断开发,开采油层深度逐年增加,石油含水量也在不断增多,采用大泵提液采油工艺和开采稠油等,都要求采用大型抽油机,所以近年来,国外出现了许多大载荷抽油机,如前臵式气平衡抽油机最大载荷213kN,气囊平衡抽油机最大载荷227kN等[33]。还会出现更大载荷新型抽油机[34]。采用长冲程抽油方式,抽油效率高,抽油机寿命长,动载荷小,排量稳定,具有较好的采油经济效益,所以近年来国外出现了许多长冲程抽油机,如法国Mape公司抽油机,最大冲程10m[35];美国WGCO公司抽油机最大冲程2438m,NSCO公司抽油机最大冲程2748m;原苏联钢带式超长冲程抽油机最大冲程1500m。长冲程抽油机全部采用低冲次抽油方式,Mape公司抽油机最大冲次5min,GDCO公司抽油机最大冲次为3min[36]。__2朝着低能耗方向发展朝着低能耗方向__为了减少能耗,提高采油经济效益,近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15~35;前臵式抽油机节电368;前臵式气平衡抽油机节电35;轮式抽油机节电50~80;大圈式抽油机节电30;自动平衡抽油机节电30~50;低矮型抽油机节电5~20;ROTAFLEX抽油机节电25;智能抽油机节电174;螺杆泵采油系统节电40~50[37]。__3朝着精确平衡方向发展__近年来国外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。前臵式气平衡抽油机,由于可在动态下调节气平衡,平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90以上载荷得到平衡。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较__精确的平衡效果[38]。__4朝着高适应性方向发展__现代抽油机应具有较高的适应性,以便拓宽使用范围[39]。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;适应深井抽油需要;适应长冲程抽油的需要;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油的需要;适应优化抽油的需要等[40]。__5朝着长冲程无游梁方向发展__近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机,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[41];实践与理论分析表明,增大冲程游梁抽油机是常规游梁抽油机的发展方向;增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向;长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向[42]。__6朝着自动化和智能化方向发展__近年来抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。美国Baker提升系统公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自动化抽油机,具有保护和报警功能,实时测得油井运行参数,及时显示与记录并通过计算机进行综合计算分析,推出最优工况参数,进一步指导抽油机以最优工况抽油。美国NSCO公司智能抽油机,采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测,具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、自动化程度高、经济性好、适应性强等优点[43]。__第二章常规游梁式抽油机原理、问题及运动分析__21常规型游梁式抽油机工作原理及结构特点__图2-1常规游梁式抽油机结构图__1-底座;2-支架;3-悬绳器;4-驴头;5-游梁;6-横梁抽承座;7-横梁;__8-连杆;9-曲柄销装置;10-曲柄装置;11-减速器;12-刹车保险装置;__13-刹车装置;14-电动机;15-配电箱。常规型游梁式抽油机由底座、支架、悬绳器、驴头、游梁、横梁轴承座、横梁、连杆、曲柄销装臵、曲柄装臵、减速器、刹车保险装臵、刹车装臵、电动机、配电箱组成。抽油机工作时,电动机(14)转速通过三角皮带带动减速箱11减速后,由四连杆机构曲柄10、连杆__8、横梁7、游梁5把减速箱输出轴的旋转运动变为游梁驴头4的往复运动。用驴头4带动抽油杆做上下往复的直线运动。通过抽油杆再将这个运动传给井下抽油泵的柱塞。在抽油泵泵筒的下部装有固定阀吸入阀,而在柱塞上装有游动阀排出阀,当抽油杆向上运动,柱塞做上冲程时,固定阀打开,泵从井中吸入原油。同时,由于游动阀关闭,柱塞将上面的油管中的原油上举到井口,这就是抽油泵的吸入过程。当抽油杆向下运动,柱塞做下冲程时,固定阀关闭而游动阀打开,柱塞下面的油通过游动阀排到它的上面。这就是抽油泵的排出过程。其结构简图如图2-1。__常规型游梁式抽油机结构特点:支架支撑在游梁中部,曲柄连杆机构和减速器位于支架的后面;曲柄轴中心基本位于游梁尾轴承的正下方。这样,工作时上下冲程的时间(或曲柄转角)相等。__22常规型游梁式抽油机存在的问题__能耗大、效率低是抽油机系统存在的主要问题。由于在同一种工况、井况和同一时刻下,井下的能耗因地面游梁机型不同会发生差异。如示功图会有所改变,表明泵的充满度、光杆功率的变化。致使抽油机能耗的主要原因有:__抽油机的负荷特性与异步电动机的硬的转矩特性不像匹配,甚至出现“发电机”工况,出现二次能量转化。一般电动机的负载率过低,约为30致使电动机以低效率运行。__电动机在一个冲程中的某个时段下落的抽油杆反向拖动,运行于再生发电状态,抽油杆下落所释放的机械能有部分转变成电能回馈电网,但所回馈的电能不能全部被电网吸收,引起附加能量损失,同时负扭矩的存在使减速器的齿轮经常反向载荷,产生背向冲击,降低了抽油机的使用寿命。__常规抽油机的扭矩因数大,载荷波动系数CLF亦大,故均方根扭矩大,能耗增加。常规抽油机运行的悬点加速度、速度的最大值过大,影响悬点载荷,动载增大。采用对称循环工作制度使泵充满度下降,影响产量。泵效率降低,能耗亦增大。__系统总效率是系统在地面和井下近十个组成部分的分效率和相关反馈系数的乘积,任何一环的分效率较低都会造成总效率变低。在相同井况下,井下的损耗因地面抽油机型不同所产生的差异不会很大,因此提高抽油机的效率是解决抽油机系统效率低下的关键。__常规型游梁式抽油机主要有以下不足:__(1)抽油机在运行中传动角波动较大,无法保证各位臵的传动角均接近90°,造成曲柄轴受力很大且不均匀。__(2)悬点载荷造成的曲柄轴扭矩峰值较大,且为非正弦规律,而曲柄轴平衡力矩是以正弦规律变化的,故二者无法相抵,造成曲柄轴上净扭矩峰值较大,波动剧烈,甚至出现负扭矩。__(3)从能耗的角度来说净扭矩波动大,必然加大输入功率,增大能耗。__(4)从装机功率来说,由于扭矩峰值高,为了保证抽油机的正常运转,势必要选用较大功率的电机及大扭矩的减速器,这就是“大马拉小车”现象。__产生上述问题的原因有以下几个方面__(1)常规型游梁式抽油机的悬点载荷状况是影响其能耗的主要因素。悬点载荷特性与所用普通电动机的转矩特性不相匹配,致使电机以较低的效率运行。__(2)常规型游梁式抽油机的结构特点和抽油泵工作的特点,形成了抽油机特有的载荷特性带有冲击的周期性交变载荷。抽油机运行一个周期包括两个过程,上冲程和下冲程。上冲程时,__悬点要提升沉重的抽油杆和油液柱需要减速器传递很大的正向转矩,下冲程时,输出轴被悬点载荷抽油杆自重正向拖动,使主动轴反向做功,减速器要传递较大的反向转矩。__(3)电机在一个冲程中的某些时段被下落的抽油杆反向拖动,运行于再生发电状态,抽油杆下落所释放的机械能有部分转变成了电能回馈电网,但所回馈的电能不能全部被电网吸收,引起附加能量损失。__23常规型游梁式抽油机运动学分析__游梁式抽油机运动分析的主要任务是:求出驴头悬点的位移、速度和加速度随时间变化的规律,以便为载荷分析和扭矩计算提供运动学数据。在曲柄角速度等于常数的情况下,问题也就归结为求解悬点位移速度和加速度随曲柄转角的变化规律。__图2-2常规型游梁式抽油机运动简图__基本参数及意义表示如下:__A—游梁前臂长度,mm;__C—游梁后臂长度,mm;__P—连杆长度,mm;__R—曲柄半径,mm;__I—游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离,mm;__H—游梁支承中心到底座底部的高度,mm;__G—减速器输出轴到底座底部的高度,mm;__H-G—曲柄回转中心至中心轴承的垂直距离,mm;__ψ—C与K的夹角;__S—抽油机的冲程;__n—抽油机的冲次;__P—额定悬点载荷;__K—极距,即游梁支承中心到减速器输出轴中心的距离,mm;__J—曲柄销中心到游梁支承中心之间的距离_mm;__θ—曲柄转角,以曲柄半径R处于12点钟位臵作为零度,沿曲柄旋转方向度量;Φ—零度线与K的夹角,由零度线到K沿曲柄旋转方向度量;__β—C与P的夹角,称传动角;__x—C与J的夹角;__ρ—K与J的夹角;__k—K与R的夹角;__—P与R的夹角。__由图可知:__arctanI(2-1)HG__式中正负号取决于曲柄旋转方向,曲柄旋转方向的判断为:面向抽油机,井口在右侧,顺时针旋转为“+”,逆时针旋转为“-”。__k(2-2)JK2R22KRcosk(2-3)__C2P2J2(2-4)arccos2CP__C2J2P2(2-5)arccos2CJ__arcsinRsink(2-6)J__

文档信息:

  • 下载地址:https://pan.baidu.com/s/1TCWrUahBrrflKJiZC8Sotg
  • 提取密码:shen
  • 解压密码:
    隐藏内容: ********, 支付¥5下载
  • 大小:2792KB
  • 页数:0页
  • 格式:doc格式

点击图片查看更多: