1、摘 要在新疆油田节能降耗、挖潜增效的工作背景下，对常规十型抽油机进行了系统的理论研究，提出了改造方案，并对方案进行对比分析，选取最优方案进行现场改造试验，最后大面积推广。具体内容如下：首先，对国内外抽油机的发展概况、常规抽油机的改造现状进行了论述，并提出了本论文的主要研究内容。其次，对常规游梁式抽油机的运动学、动力学、减速器扭矩特性进行了深入的研究，为抽油机改造方案优选提供了理论依据。再次，对抽油机采油系统效率进行了研究，指出了影响系统效率的因素以及提高效率的措施；对游梁式抽油机能耗、平衡理论进行了分析，从而对节能机理进行了研究，为抽油机改造方案设计提供了理论支持。第四，选取典型常规十型抽油机
2、、典型井况进行了理论计算，得到了抽油机悬点载荷、减速器净扭矩、均方根扭矩、周期载荷系数等参数。设计了三种抽油机改造方案，并逐一进行了理论计算，同时对三种方案进行对比分析，进行现场改造试验。第五，对现场应用效果、经济效益和社会效益进行总结，验证了改造方案的可行性，确定了一种改造方案进行大面积推广。最后对全文的研究内容进行了简要的总结。关键词：抽油机；效率分析；节能；改造摘 要System efficiency analysis and energy conservation improvement for the 10-size conventional beam pumping unitABS
3、TRACTAt the background of energy-saving and improving efficiency of the Xinjiang Oilfield Company, systematically studied the 10-size conventional beam pumping unit, put forward reconstruction projects, selected the most excellent project to test by contrasting the projects, finally extended largely
4、. Detailed content was followed：Firstly, the development overview of domestic and international pumping unit, the status quo of the reconstruction of conventional beam pumping unit were discussed, and put forward the main contents of this paper.Secondly, the kinematics, the dynamics and the reducers
5、 torque characteristics of the conventional beam pumping unit were studied deeply to provide a theoretical basis for optimization of reconstruction projects.Thirdly, system efficiency of the pumping unit was studied, the factors affecting the system efficiency, and the measures improving the system
6、efficiency were pointed out, the energy consumption and the equilibrium theories of the pumping unit were analyzed, and the energy-saving mechanism of the pumping unit was studied, which provided theoretical support for the design of the reconstruction projects.Fourthly, selected the typical pumping
7、 unit, the typical well conditions to calculate, got the parameters of the pumping unit, such as the horse-head load, the net torque of reduce ,the loop mean square torque ,the periodical load coefficient and so on. Designed three reconstruction projects, calculated and contrasted them, and then to
8、try out.Fifthly, summarized the effect of the application on the field, the economic and social benefits, verified the feasibility of reconstruction projects, and then selected one project to extend on a large scale.Finally, briefed the research contents of the paper.Key Words：beam pumping unit; eff
9、iciency analysis; energy-saving；reconstruction目 录目 录摘 要 .IABSTRACT.II第 1 章 绪论 .11.1 研究的目的和意义 .11.2 国内外现状分析及发展趋势 .21.2.1 游梁式抽油机研究现状 .21.2.2 无游梁抽油机研究现状 .41.2.3 国内常规抽油机的改造现状 .41.2.4 国内抽油机发展趋势 .51.3 研究目标 .51.4 研究内容 .51.5 技术路线 .6第 2 章 游梁式抽油机基本理论 .72.1 游梁式抽油机运动学分析 910.72.1.1 游梁式抽油机四杆机构的几何关系 .82.1.2 游梁式抽油机
10、运动特性分析 .102.2 游梁式抽油机的悬点载荷 910.122.2.1 悬点静载荷与静力示功图 .122.2.2 悬点动载荷与动力示功图 .152.2.3 悬点最大载荷与最小载荷 .172.3 游梁式抽油机减速器的扭矩计算 910.172.4 游梁式抽油机的功率计算 9 .20第 3 章 游梁式抽油机节能研究 .223.1 机采系统效率分析 10 26.223.1.1 系统效率分解 .223.1.2 提高系统效率的措施 .263.2 游梁式抽油机节能机理分析 .273.2.1 游梁式抽油机能耗分析 .273.2.2 游梁式抽油机平衡分析 20.283.2.2 游梁式抽油机节能机理分析 11
11、2325 .34第 4 章 常规游梁式抽油机节能改造方案设计 .374.1 常规十型抽油机性能分析 .374.2 常规抽油机改造方案设计 .414.3 常规抽油机改造方案对比分析 .514.4 常规抽油机改造方案优选 .52第 5 章 常规游梁式抽油机节能改造现场应用 .535.1 常规抽油机改造试验 19.53目 录5.2 常规十型抽油机改造应用 .565.3 经济效益 .57第 6 章 结论 .58参考文献 .591第 1 章 绪论1.1 研究的目的和意义21 世纪初，随着世界经济全球化的迅猛发展，有力推动了能源需求的快速增长，石油作为主要的战略能源日趋成为国际政治舞台的主角，成为各国政要
12、交流博弈的焦点，今后相当长一段时间内，围绕石油资源的竞争仍将进一步加剧 1。2008 年是国际油价高位运行、剧烈震荡的一年，2009 年是继 2008 年后国际油价第二个大幅波动之年，全年国际油价波幅高达近 140%，仅次于 2008 年。2010 年，随着石油价格的理性回归，石油开采成本问题也摆在了各大石油公司的面前。2009 年哥木哈根联合国气候大会确定了节能减排、发展低碳经济的全球共识，石油行业既是主要能源生产部门，也是排放和耗能的大户，如何顺应低碳经济发展的形势搞好节能减排增效、抓住机遇谋得新的更好的发展，己成为全球石油石化业界的共同任务和重要目标 2。新疆油田已有 50 余年的发展历
13、史，目前各采油厂均已中后期发展，油田逐渐丧失自喷能力，并逐步采用机械采油方式进行原油的开采，将地下原油抽取到地面的机械设备抽油机则在油田开采中占有举足轻重的地位。新疆油田的抽油机井占机采井的 92%以上，近几年的统计结果表明，中石油的抽油机井的系统效率大概在 25%左右，而新疆油田的抽油机井的系统效率为 22%左右，处于较低水平。根据有杆抽油系统的特点，抽油机井的系统效率可以分为地面效率和井下效率两部分，以光杆为界，光杆以上的机械传动效率和电机的运行效率乘积为地面效率，光杆以下到抽油泵，再从抽油泵到井口的效率为井下效率，因此抽油机的系统效率是影响地面效率的主要因素。在整个采油成本中，抽油机的电
14、费占了 30%，抽油机年耗电量占油田总耗电量的 25%30%。因此，抽油机的节能研究是新疆油田节能降耗工作的一个重点。近年来，随着抽油机研究技术的不断深入，出现了各种类型的节能抽油机，如前置式抽油机、偏轮式抽油机、双驴头抽油机、链条式无游梁抽油机、液压式抽油机、数控抽油机等新型抽油机。但在新疆油田仍有大部分常规游梁式抽油机在役使用，常规游梁式抽油机(以下简称常规抽油机)具有结构简单、可靠耐用、操作维修方便、现场适应性好等优点，所以在相当长的时间内一直扮演着有杆抽油系统地面设备的主角。由于常规抽油机本身的结构特征，决定它的平衡效果较差、曲柄轴净扭矩波动大、负扭矩较大、工作效率低、能耗高。新疆油田
15、目前已经进入高含水期，注水开发以提高产液量是油田稳产的主要途径，这种开采特点就使得常规抽油机不能适应长冲程、低冲次、重载荷、低耗能的特点。但更换新型抽油机费用相对较高，因此对这些常规抽油机进行节第 1 章 绪论2能改造是目前迫切需要解决的问题，从国内对抽油机改造的经验来看，改造一台抽油机的费用约为更换新机的 30%-40%，且改造周期比制造新抽油机周期短，能及时满足油田生产的需要，有着良好的经济效益和社会效益。本课题就是吸取国内抽油机改造的经验教训，对常规十型抽油机进行全系统的效率分析，提出合理的改造方案，使之既保持常规抽油机的优点又能体现出节能降耗的特点，最大限度的降低采油成本。1.2 国内
16、外现状分析及发展趋势1.2.1 游梁式抽油机研究现状游梁式抽油机自诞生以来已经历了一百余年的发展历史，在这一发展过程中，常规抽油机在几十年的时间内占据了主导的地位，随后国内外各生产厂家先后研制出了前置式抽油机、异相曲柄抽油机、空气平衡抽油机、双驴头抽油机等各种型号新型抽油机。目前在国外，美国 Lufkin 公司主要生产常规游梁式抽油机，按照 API 标准制造，前置式抽油机也是该公司的主要产品，马克前置式抽油机上冲程曲柄转角195，下冲程为 165，从而降低扭矩峰值，该机上冲程开始比油井负荷扭矩滞后7.5，下冲程开始比油井负荷扭矩提前 7.5，从而提高平衡效果 3。美国 CMI 公司主要生产偏置
17、式抽油机，该机特点在于连杆与游梁夹角始终为 90，曲柄转角上冲程为 192，下冲程为 168，惯性负荷小，峰值扭矩小。加拿大主要生产商是雷姆斯公司，主要生产常规式、前置式、偏置式抽油机。其它如法国、罗马尼亚等国生产的抽油机与美国相仿，前苏联抽油机平衡方式大多采用曲柄平衡，重型机采用气动平衡 4。对于节能游梁式抽油机的研究，国外研究不多，机型少，主要机型是前置型抽油机和异相曲柄抽油机 5。我国目前抽油机生产厂家众多，在节能抽油机的研制开发上，20 世纪80、90 年代出现了高峰，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，从平衡方式上进行着手公关，按照变矩平衡原理，研制开发了
18、许多节能高效的新型游梁式抽油机，尽管抽油机的种类很多，结构形式各异，但是在油田上被普遍采用的抽油机种类并不是很多，近年来在油田主要应用的抽油机有以下几种 36：(1)常规曲柄平衡抽油机常规曲柄平衡抽油机至今在世界各产油国中仍占绝对数量优势，其结构简单、可靠耐用，操作维修方便是其经久不衰的根本原因。但常规曲柄平衡抽油机的结3构特点也决定了其自身存在诸多的不足，如工作中产生很大的交变载荷，能耗高、不容易实现长冲程等，无法解决“大马拉小车” 、能耗高的缺点，这给用户造成较大的资源浪费。(2)异相曲柄抽油机异相曲柄抽油机与常规游梁式抽油机相比，该机的游梁后臂长度缩短，减速箱相对于支架的位置后移。曲柄中
19、心至中央轴承座中心的水平距离大于游梁后臂，使二者之差约等于曲柄旋转半径，当游梁处于水平位置时，曲柄亦处于水平位置。该抽油机的平衡重中心线与曲柄中心线间有一偏置角 ，当悬点位于上、下死点时，连杆间存在一个 12左右的极位夹角，这种结构形式使得平衡块扭矩曲线的相位提前，从而使得悬点载荷通过连杆在曲柄轴上产生的扭矩与平衡块在曲柄轴上产生的扭矩叠加后的净扭矩曲线比较平坦，因而使电动机电流的波动减小，抽油机地面系统效率提高，这是该机节能的首要原因。但是，由于该抽油机完全继承了常规游梁式抽油机的四连杆机构，结构上为了满足曲柄存在的条件和一定传动角的要求，结果限制了杆件长度，使之不具备增程的功能。(3)下偏
20、杠铃游梁复合平衡抽油机该机由新疆第三机床厂于 1998 年设计制造，主要有内插式结构和外翘式结构，该机继承和保留了原常规游梁式抽油机的全部优点，具有结构简单、可靠、耐用维护费用低等优点。(4)调径变矩节能抽油机该机为新疆第三机床厂研制的调径变矩节能抽油机，这种抽油机的显著特点是取消了曲柄平衡，将传统的直游梁设计成“”形弯游梁，并分解成“”形游梁体与“”形吊臂两段，吊臂为上大、下小变截面等强度梁，既节材又减小了迎风面积。配重置于吊臂末端，相对游梁大幅下置，便于安装和调整，并且下置的幅度可调。针对不同的工况、井况下的载荷都有较好的平衡效果，适用于中、低粘度较深油藏的开采。但该机因吊臂过长，使抽油机
21、侧向稳定性受到较大考验。(5)前置型双驴头游梁抽油机前置型双驴头抽油机，在保持了常规抽油机优点的同时，采用了偏置变矩技术原理，将偏置平衡配重载荷和悬挂平衡配重载荷有机地结合在一起，有效降低了净扭矩的波动性。解决了常规抽油机因平衡不佳而耗能大的问题，也解决了固定四杆机构的死角问题，有利于游梁摆角的加大，实现抽油机的小结构、大冲程、从而提高了抽油机的综合效率，成为一种较理想的地面采油设备。(6)异形游梁双驴头抽油机第 1 章 绪论4该机是华北石油管理局第一石油机械厂于 1992 年设计的一种新型的游梁式抽油机，它在游梁式抽油机的游梁后臂上增加了一个后驴头，将连杆与游梁的转动副联接变为柔性件和后驴头
22、的相切联接，用驱动绳来代替连杆的硬连接，从而改变了连杆与游梁之间的传力特性。工作时，游梁后臂的有效长度随曲柄转角变化而变化，从而降低了净转矩值，达到了更好的平衡效果，而且降低了能耗和整机的质量，有利于提高冲程。但是，其柔性连接件的寿命较短，常出现柔性绳断头现象，影响正常生产；后驴头的变径弧形(阿基米德螺线形或圆弧形)加工难度较大。 (7)弯游梁抽油机弯游梁抽油机采用前置驱动，取消常规抽油机的大回转半径的曲柄平衡方式，结构上使游梁下偏一定角度，平衡重固定在游梁尾部，整机运转平稳，净扭矩曲线比较平稳，实现了节能降耗。该技术在常规抽油机的改造上应用，能够明显提高常规机的平衡率，降低能耗，在全国各油田
23、得到应用。缺点是游梁后部附加的平衡装置惯性载荷大，在较高冲次下，整机出现颤动、发响，影响了正常的运转。另外在小冲程时，平衡装置距离地面高，人工调节平衡作业不方便。弯游梁抽油机比较适用于低冲次工况。1.2.2 无游梁抽油机研究现状20 世纪 70 年代以来，各种形式的无游梁抽油机应运而生，相继问世，使有杆泵机械采油技术有了突破性进展。目前，国内外已有近百家厂商研制无游梁抽油机，美国是最早研制无游梁抽油机的国家，目前有几十家公司研制各种无游梁抽油机，品种多达几十种。此外，法国的玛普公司、力士石油器材公司，加拿大的石油热能发展有限公司都是实力雄厚的无游梁抽油机研制公司，前苏联的阿塞拜疆石油机械科研所
24、和国立石油机械制造科学设计院，是前苏联无游梁抽油机研究制造的两大基地。我国无游梁抽油机研制起步较晚，但近年来发展很快，已投入使用和正在设计、研究、开发、制造的无游梁抽油机达数十种之多。无游梁抽油机的最大优点在于没有笨重的游梁，大大降低运动系统的惯性负荷，容易实现长冲程，相对损失小，有效冲程大。其发展潜力很大，推广应用前景广阔，但由于其起步较晚，还存在着诸多缺点和不足，例如：结构复杂、运动件多、成本高、维护困难、电气元件多且质量不高、钢丝绳寿命短等 7。1.2.3 国内常规抽油机的改造现状目前国内常规抽油机的改造方案主要有以下几种形式：5(1)将常规游梁抽油机改造成旋转驴头抽油机，近年来江汉石油
25、学院对河南油田的部分常规抽油机进行了旋转驴头式改造，使其增大了冲程，得到了重新利用。(2)二次平衡改造，抽油机二次平衡技术是近几年提出的新技术，二次平衡的平衡方式多种多样，从各油田的使用情况来看，平衡效果很好，节能效果明显。(3)长庆、江汉、大庆等油田进行过电动机反转、曲柄偏置、改变四杆机构等各种形式的节能改造。1.2.4 国内抽油机发展趋势通过对我国新型抽油机的分析研究，可以看出我国抽油机的发展趋向，主要体现在以下 16 个方面:(1)向多品种方向发展； (2)科研设计与制造向多方位方向发展；(3)理论与科研向高水平方向发展；(4)向高适应性发展；(5)向高效节能方向发展；(6)向高综合经济
26、效益方向发展；(7)向尽量满足采油工艺需要方向发展；(8)向高技术方向发展；(9)向高可靠性方向发展；(10)向高性能方向发展；(11)向大型化方向发展；(12)向增大冲程方向发展；(13)向长冲程无游梁抽油机方向发展；第 1 章 绪论6(14)向精确平衡方向发展；(15)液压抽油机向功能回收型方向发展；(16)向标准化、系列化、通用化方向发展 8。1.3 研究目标(1)改进后的常规十型抽油机与改造前相比其单机日均耗电量下降 15%以上；(2)在相同工况条件下，抽油机井的地面效率提高 20%以上；(3)改进后的抽油机安装方便，便于维护。1.4 研究内容(1)针对常规十型抽油机工作的典型工况进行
27、系统的全效率分析，找出影响该抽油机系统效率低的各种因素，针对主要因素对其进行设计改造。(2)在现有文献的基础上，对我国开发研制的各种节能抽油机在其结构、运动特性、节能效果上进行对比和评价，选择一种高效的节能抽油机的结构形式对常规抽油机进行节能改造。(3)结合现有游梁抽油机的工作原理，对常规抽油机和节能抽油机的运动及动力性能、悬点载荷计算、减速箱曲柄转矩计算进行详尽的分析，为后续设计改造提高理论依据。(4)对常规抽油机改造后的系统效率和节能效果进行评价。1.5 技术路线(1)分析国内常规型游梁式抽油机运动及平衡机理；(2)分析国内节能型游梁式抽油机运动及节能机理；(3)对比分析常规抽油机和节能抽油机的系统效率；
