畢業(yè)設(shè)計(jì)31抽油機(jī)地面能耗分析

中國(guó)石油大學(xué)（華東）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抽油機(jī)地面能耗分析 學(xué)生姓名：王光輝 學(xué) 號(hào)： 03053121 專業(yè)班級(jí)： 電氣工程及其自動(dòng)化 03-2 班 指導(dǎo)教師：張曉軍 2007 年 6 月 20 日 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 本文根據(jù)游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立了游梁的擺動(dòng)方程，并精確計(jì)算出游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；考慮抽油機(jī)光桿靜載荷和慣性載荷及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重力和慣性情況，建立了抽油機(jī)系統(tǒng)相對(duì)曲柄的等效動(dòng)力學(xué)模型，并求出具有動(dòng)平衡特征的曲柄軸凈扭矩； 根據(jù)抽油機(jī)皮帶傳動(dòng)特點(diǎn)和力學(xué)分析，建立了一種簡(jiǎn)便的皮帶傳動(dòng)效率計(jì)算模型，為分析抽油機(jī)瞬時(shí)工作參數(shù)提供了理論支持；重新定義了周期載荷系數(shù)計(jì)算儲(chǔ)電動(dòng)機(jī)額定功率，并以常規(guī)游梁式抽油機(jī)、調(diào)徑變矩式抽油機(jī)為例，編寫計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了重要參數(shù)的計(jì)算，并繪出關(guān)鍵曲線，由此比較得出了節(jié)能抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。文中還對(duì)其他節(jié)能抽油機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。 關(guān)鍵詞 :速度；加速度；扭矩；周期載荷系數(shù)；調(diào)徑變矩式 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ABSTRACT In this paper based on the unique geometry and mechanical movement of beam pumping unit,we have presented a simple swing equation and computed motorial parameter;meanwhile under the conditions of the static load and inertial load of the polished-rod of a conventional pumping unit,we have also presented on equivalent dynamic model of the pumping unit system and the type-curves of net torque of the crankshaft with the characteristic of inertial counterbalance have been computed;Based on features and mechanical analysis of belt， a simple model for calculating belt transmission efficiency is developed the model can provide a theoretical base for study on the other transient variable of beam pumping unit;the cyclic loading coefficients is defined once and compute the nominal Power of the motor; at last we compare the beam pumping unit and the adjustable diameter and changeable toque pumping unit, based on this a program have been finished， and we also introduce other power saving pumping units. Keywords:velocity; acceleration; toque; the cyclic loading coefficients; adjustable diameter and changeable toque pumping unit 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 第 1 章 前言 1 1 1 國(guó)內(nèi)外油田抽油機(jī)的現(xiàn)狀 1 1 2 游梁式抽油機(jī)的節(jié)能方法 1 第 2 章 游 梁 式 抽 油 機(jī) 地 面 能 耗 分析 2 2 1 游梁式抽油機(jī) 2 2 2 抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 2 2 2 1 游 梁 擺 動(dòng) 方 程 的 建立 3 2 2 2 懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移 4 2 2 3 懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度 4 第 3 章 地 面 能 耗 分 析 軟 件 的 編 制 與 應(yīng)用 5 3 1 油井?dāng)?shù)據(jù) 5 3 2 地面設(shè)備數(shù)中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 據(jù) 5 第 4 章 結(jié)論 7 致謝 8 參考文獻(xiàn) 9 附錄 10 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 前 言 1.1 國(guó)內(nèi)外油田抽油機(jī)的現(xiàn)狀 抽油機(jī)分為游梁式抽油機(jī)和無游梁式抽油機(jī)兩 種。游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、可靠性高、工作持久、適應(yīng)工況條件好等優(yōu)點(diǎn)，在采油工業(yè)發(fā)展的初期被大量的應(yīng)用 ;但游梁式抽油機(jī)也存在不足之處，如效率低下、用電成本高等缺點(diǎn)。無游梁式抽油機(jī)有長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)等，它具有功率因數(shù)高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以抽油機(jī)的發(fā)展方向是無游梁式抽油機(jī) 1。 1.2 游梁式抽油機(jī)的節(jié)能方法 引起游梁式抽油機(jī)電機(jī)負(fù)載效率低的原因主要有以下幾個(gè)方面 : （ 1）游梁式抽油機(jī)的電機(jī)是帶負(fù)載起動(dòng)，因此起動(dòng)時(shí)所需的起動(dòng)電流很大，功率因數(shù)很低，對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率要求比較大。 （ 2）游梁式抽油機(jī)的 輸出功率是周期性變化的，因而其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流也是周期性變化的。在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，為了保證不超過允許的溫度，電機(jī)的額定電流需要取電機(jī)運(yùn)行過程中的最大值，相應(yīng)地，對(duì)電動(dòng)機(jī)額定功率的需求也就越高。 （ 3）要準(zhǔn)確地選取一臺(tái)抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量，需要測(cè)量大量數(shù)據(jù)，往往很難做到，而且如何對(duì)抽油機(jī)電機(jī)容量的選擇計(jì)算還沒有一個(gè)統(tǒng)一、準(zhǔn)確的計(jì)算公式，因此大多數(shù)情況下都采用估算的方法來選擇配套電機(jī)的功率，一般留有較大余量。 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第 2 章 游梁式抽油機(jī)地面能耗分析 2.1 游梁式抽油機(jī) 抽油機(jī)是有桿深井泵采油的主要設(shè) 備。游梁式抽油機(jī)主要由游梁連桿曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝置等四大部分組成。工作時(shí)，動(dòng)力機(jī)將高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過皮帶和減速箱傳給曲柄軸，帶動(dòng)曲柄作低速旋轉(zhuǎn)。曲柄通過連桿經(jīng)橫梁帶動(dòng)游梁作上下擺動(dòng)。掛在驢頭上的懸繩器便帶動(dòng)抽油桿柱作往復(fù)運(yùn)動(dòng)（見圖 2-1）。 圖 2-1 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1 剎車裝置 2 電動(dòng)機(jī) 3 減速箱皮帶輪 4 減速箱 5 輸入軸 6 中間軸 7 輸出軸 8 曲柄 9 連桿軸 10 支架 11 曲柄平衡塊 12 連桿 13 橫梁軸 14 橫梁 15 游梁平衡塊 16 游梁 17 支架 18 驢頭 19 懸繩器 20 底座 2.2 抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 游梁式抽油機(jī)是以游梁支點(diǎn)和曲柄軸中心的連線做固定桿，以曲柄、連 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 桿和游梁后臂為三個(gè)活動(dòng)桿所構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu)（見圖 2-2）。 圖 2-2 游梁式抽油機(jī)示意圖 游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度，是抽油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析的重要運(yùn)動(dòng)參數(shù)。目前，常用的簡(jiǎn)化方法只能給出其近似解，不能滿足精確計(jì)算的需要。游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，通過建立游梁擺動(dòng)方程，得出求游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的一種方法。 2.2.1 游梁擺動(dòng)方程的建立 假定曲柄由 12 點(diǎn)鐘位置開始沿順時(shí)針方向做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。在 OBD中（見圖 2-2），根據(jù)余弦定理： )(c o s 2 22222 CLLCP （ 2-1） 其中 s ins in1001 RHH RLtg （ 2-2） 式 中 為任意時(shí)刻游梁擺角，即游梁后臂雨 Y 方向的夾角； 為任意時(shí)刻 J 和 Y 軸方向的夾角； 為曲柄轉(zhuǎn)角，它等于角速度 1 與時(shí)間 t 的乘積，即 t1 。由式（ 2-1）得： 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 2222212c o s CLPLC （ 2-3） 式（ 2-3）即為游 梁擺動(dòng)方程。 2L 和 均為 的函數(shù)，因此 也只為 的函數(shù)，易于求解。 2.2.2 懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移 游梁繞支點(diǎn) O 擺動(dòng)時(shí)因其前、后臂的角位移相等，故任意時(shí)刻懸點(diǎn)位移AS 為： 0 AS A（ 2-4） 式（ 2-4）即為任意時(shí)刻懸點(diǎn)位移表達(dá)式。由于對(duì)于某一給定型號(hào)的抽油機(jī)0是一常數(shù)，因此 AS 只是 的函數(shù)。給定 值，便可計(jì)算出懸點(diǎn)位移 AS 。 2.2.3 懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度 將式（ 2-3）兩邊同對(duì)時(shí)間 t 求導(dǎo)數(shù)，得游梁擺動(dòng)的角速度 ：222 )s in ( )c o s ( LCLL（ 2-5） 式中 2L 和 分別為 2L 和 對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，分別由式（ 2-3）和式（ 2-4）求得為： sin12L （ 2-6） c o s21 L r（ 2-7） 中國(guó)石油大學(xué)（華 東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 3 章 地面能耗 分析軟件的編制與應(yīng)用 3.1 油井?dāng)?shù)據(jù) 現(xiàn)場(chǎng)提供的油井?dāng)?shù)據(jù)見表 3-1 所示。 表 3-1 部分油井生產(chǎn)參數(shù) 井 名 動(dòng)液面 （ m） 下泵深度 (m) 油層中深 (m) 日產(chǎn)液 (t/d) H15-1 1040 1555 2154 32 H15-5 1020 1543 2143 35 H15-6 1031 1549 2146 30 H15-9 1045 1563 2162 27 3.2 地面設(shè)備數(shù)據(jù) 計(jì)算分析過程中，采用的抽油機(jī)型號(hào)為江漢石油機(jī)械廠生產(chǎn)的 CYJ8 3 48B 型抽油機(jī)，電機(jī)型號(hào)為 YH225M-6，皮帶型號(hào)為窄 V 帶。設(shè)備具體參數(shù)見表 3-2 所示。 表 3-2 調(diào)徑變矩式抽油機(jī)參數(shù) 參數(shù)名稱 數(shù)值 裝機(jī)功率（ kw） 45 抽油機(jī)底座至游梁支承軸高度（ m） 5.9 抽油機(jī)底座至減速箱輸出軸高度（ m） 1.6 游梁支承軸至減速箱輸出軸水平距離（ m） 1.56 連桿長(zhǎng)度（ m） 5.45 游梁前臂長(zhǎng)（ m） - 游梁與連桿連接軸承至游梁支承軸承距離（ m） 5.2 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 續(xù)表 3-2 參數(shù)名稱 數(shù)值 曲柄塊單塊質(zhì)量（ kg） 750 連桿重量（ kg） - 游梁重量（ kg） 1703 驢頭重量（ kg） 1272 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 4 章 結(jié) 論 1通過建立的游梁擺動(dòng)方程精確解得了運(yùn)動(dòng)參數(shù)解，并由繪出的相關(guān)曲線表明，抽油機(jī)的上、下死點(diǎn)位置不是常規(guī)認(rèn)為的 180o和 360o或（ 0o）。 2通過對(duì)游梁式抽油機(jī)精確動(dòng)平衡分析建立的文中相關(guān)計(jì)算式只適用于常規(guī)抽油機(jī)的平衡，對(duì)異相機(jī)、前置式抽油機(jī)尚待進(jìn)一步研究。 3通過皮帶的傳動(dòng)效率分析表明，皮帶工作的瞬時(shí)傳動(dòng) 效率是變化的，在大部分時(shí)間內(nèi)較高，在局部范圍內(nèi)，尤其是扭矩接近于零位置時(shí)效率較低。 4周期載荷系數(shù)（以扭矩?cái)?shù)值計(jì)算）對(duì)所需電機(jī)額定功率影響較大，對(duì)電機(jī)實(shí)際消耗的有功功率影響較小。 5由文中所繪的抽油機(jī)懸點(diǎn)速度變化曲線、懸點(diǎn)加速度變化曲線、扭矩曲線等曲線表明，調(diào)徑變矩式抽油機(jī)在運(yùn)動(dòng)特性、受力狀況等方面比常規(guī)游梁式抽油機(jī)有較大改進(jìn)。 6本文對(duì)調(diào)徑變矩式抽油機(jī)與常規(guī)游梁式抽油機(jī)的性能和特點(diǎn)進(jìn)行了比較，這對(duì)其他節(jié)能抽油機(jī)的研究有一定參考作用。 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 致 謝 內(nèi)容請(qǐng)同學(xué)們自己撰寫。 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 參考文獻(xiàn) 1 王常斌 .游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的精確解 .石油學(xué)報(bào) ,1998,19（ 2） :23-26. 2 王鴻勛 ,張琪 .采油工藝原理 .第一版 .北京：石油工業(yè)出版社 ,1989:84-156. 3 司宗國(guó)，王群重子湮沒快度關(guān)聯(lián)的研究趙維勤，高崇壽編第五屆高能粒子產(chǎn)生和重離子碰撞理論研討會(huì)文集，北京：中國(guó)高等科學(xué)技術(shù)中心出版， 1996： 105-107 4 GB/T 16159-1996，漢語拼音正詞法基本規(guī)則 . 5 姜鍋洲 .一種溫?zé)嵬夥笏幹苽浞桨?.中國(guó)專利： 881056073， 1989- 07-26. 6 王 明亮 .關(guān)于中國(guó)學(xué)術(shù)期刊標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)工程的進(jìn)展 http： / /pub/wml.tex/980810-2.html,1998-08-16/1998-10-04. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 附 錄 附錄 A A.1 懸點(diǎn)速度變化曲線 圖 A-1 常規(guī)游梁式 圖 A-2 調(diào)徑變矩式 A.2 懸點(diǎn)加速度變化曲線 圖 A-3 常規(guī)游梁式 圖 A-4 調(diào)徑變矩式中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 附錄 B B.1 H6-13 井產(chǎn)量預(yù)測(cè)結(jié)果 表 B-1 H6-13 井產(chǎn)量預(yù)測(cè)結(jié)果 1/qD 滲透率（ m2） 有效厚度(m) 流體粘度（ MPa s） 生產(chǎn)壓差(MPa) 實(shí)際產(chǎn)量(t/d) 預(yù)測(cè)產(chǎn)量(t/d) 0.073 0.035 29.4 1.0137 1.12 5.8 5.7 0.142 0.035 29.