毕业论文 游梁式抽油机机械系统优化设计 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师：

2018年 6月

机械制造及其自动化 2 / 28

游梁式抽油机机械系统优化设计 摘要：本文结合所在单位实际情况，着重阐述了国内外现役抽油机存在的主要问题，并对系统效率低、耗能大进行分析同时提出针对游梁式抽油机的优化设计。

关键词：抽油机， 游梁式抽油机， 存在问题，优化设计

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目 录 1.引言………………………………………………………………………………1 1.1国、内外研究现状及发展趋势………………………………………………1 1.2本课题研究的主要内容………………………………………………………3 2.游梁式抽油机优化设计…………………………………………………………4 2.1.游梁式抽油机的工作原理……………………………………………………4 2.2.现有游梁式抽油机存在的主要问题…………………………………………5 2.3.优化设计简介…………………………………………………………………6 2.4.对抽油机主体参数设计的要求………………………………………………7 2.5.优化设计目标函数……………………………………………………………12 2.6.10型抽油机优化设计数学模型………………………………………………12 2.6.1.设计变量……………………………………………………………………13 2.6.2.目标函数……………………………………………………………………14 2.6.3.约束条件……………………………………………………………………19 2.7优化结果分析…………………………………………………………………20 3.结论………………………………………………………………………………22 参考文献……………………………………………………………………………23 致谢…………………………………………………………………………………24

Ⅱ 1. 引言 1.1.国、内外研究现状及发展趋势 抽油机是将石油从地下开采到地上的采油设备，它的产生和使用由来已久，已有百年历史。其中应用最早、普及最广的是游梁式抽油机，早在130年前就诞生了。常规游梁式抽油机具有结构简单、容易制造、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位，在今后相当长的一段时间内仍是油田首选的采油设备。但是由于常规游梁式抽油机本身的结构特征，决定了其具有平衡效果差，曲柄轴净扭矩波动大，存在负扭矩、工作效率低和能耗大等缺点。 随着油田的发展，有杆抽油技术取得了突破性的进展，尤其是近十几年来，科学工作者不断的开展对新型节能抽油机的研究，在理论和实践上均取得了很大的进展。越来越多的新型抽油机相继研制成功，对油田的发展做出了贡献。目前在用的有杆式抽油机主要分为以下几类：

目前，抽油机的发展趋势主要有以下几个方面。 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，石油含水量也不断增加，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等都要求使用大型抽油机。因此，国外近几年来出现了许多大载荷的抽油机，例如前置式气平衡抽油机最大载荷213，气囊平衡抽油机最大载荷227。随着生产的需要，将来还会有更大载荷的抽油机出现。 2）朝着低能耗方向发展 为了减少能耗，提高经济效益，近年来国、内外有关专家研制了许多节能型抽油机，如异相型抽油机、双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、磨擦换向抽油机等。 3）朝着高适应性方向发展 抽油机应具备较高的适应性，以便拓宽其使用范围，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；适应深井抽汲的需要；适应长冲程的需要；适应节电的需要；适应无电源和间歇抽汲的 需要；适应优化抽油的需要等。 4）朝着长冲程无游梁抽油机方向发展 近年来，国内、外研制并应用了多种类型的长冲程抽油机，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。 5）朝着自动化和智能化方向发展 20世纪90年代以来，以华北石油第一机械厂和新疆第三机床厂为代表的抽油机生产厂家，率先应用游梁变矩平衡原理，在传统的常规游梁式抽油机基础上进行了大胆的创新，研制成功了新一带的节能高效游梁式抽油机。实现了10型以上的大型抽油机有功节电30%，装机功率下降50%的目标，从而开创了游梁式抽油机节能的新时代。抽油机是石油行业的用电大户，其用电量约占油田总用电量的40%左右。由于抽油机负载一般呈周期性波动，空载和满载时负载相差很大，但是功率并没有什么差别，很多的电能浪费在空载的时候，所以常规抽油机负载率低，抽油机的系统效率也很低，据统计最高不超过30%，电能浪费严重。随着油田的开发，抽油机的投入量日益增加，提高抽油机的效率，降低抽油机的能耗问题显得越来越突出，于是各式各样的新型抽油机便应运而生。目前国内、外已有近百家厂商研制无游梁抽油机，最大功率达到171千瓦，最大悬点载荷达到22.7吨，最大冲程达到24.4M。 目前，我国生产抽油机的厂家有十几家，产品主要是以游梁式抽油机为主，其研制和开发的各种节能型游梁式抽油机，如偏置式节能抽油机、双驴头异型抽油机、偏轮式高效节能抽油机、渐开线抽油机均以在全国各油田得到了一定的推广应用，并取得了显著的经济效益。其中1）偏置式节能抽油机，一般可节电15%-35%；2）双驴头异型抽油机，一般可节电30%以上；3）偏轮式高效节能抽油机，一般可节电30%-50%；4）渐开线抽油机，一般可节电20%-30%。 另外，高转差电机等节能电机在提高系统效率和节能方面有较大效果，但是造价较高，难以代替普通异步机。在长期的油田使用中，人们普遍认为常规游梁式抽油机既有它的优势，也有能耗高的缺点。为克服常规抽油机能耗高的缺点，目前国、内外研究者主要采取了两个途径：一是在常规游梁式抽油机的基础上改变结构尺寸参数，即改变扭矩因数使悬点扭矩曲线产生变位，或按照变矩平衡原理，研制开发了许多节能高效的新型节能游梁式抽油机，使传统的游梁式抽油机又呈现出了强大的生命力；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，如立式无游梁抽油机、电动潜油螺杆泵和无杆泵等。这两大抽油机都已在油田上被广泛采用。

1.2.本课题研究的主要内容 通过对游梁式抽油机的机构进行分析，以10型抽油机为模型，确定各个变量，选出目标函数并对其它变量进行约束，最终达到各个目标参数的优化，使抽油机的效率达到最佳状态。 1.本课题研究的理论意义及应用价值 本课题的理论意义在于研究机械采油中节能降耗的技术关键，通过对常规游梁式抽油机杆件尺寸和有关几何参数进行优化设计，找出其最佳匹配关系，达到降低减速器有效输出扭矩目的，从而节约了电能。因此，推广本课题的研究成果可为油田带来巨大的经济效益。 2.游梁式抽油机优化设计 2.1、游梁式抽油机的工作原理 它的工作原理是由交流电动机恒速运转拖动抽油泵，沿着重力作用方向进行往复运动，从而把原油从数百至数千M的井下抽到地面。分析其负载特性可知其惯量较大，而不同的油井的粘度大小又很不同，当油的粘度较大时，泵的效率也变低，往往启动也很困难。该负载又是周期负载，上升、下降行程负载性质亦不同，下降时尚带有位势负载性质。为适应这复杂的工况，抽油机的配置及其实际工作状态往往只能是大马拉小车游梁式抽油机运动为反复上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自电动车带动的两个重量相当大的钢质滑块，当滑块提升时，类似杠杆作用，将采油机杆送入井中；滑块下降时，采油杆提出带油至井口，当抽油机工作时，整个过程中负载是变化的。工作分为两个冲程，抽油机上冲程时，驴头悬点需要作出很大的功，这时电动机处于驱动状态。在下冲过程时，抽油机杆柱转动对电动机做功，使电动机处于类似发电机的运行状态。抽油机未平衡时，上，下冲程的负载极度不均匀，这样将严重地影响抽油机的连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命，恶化抽油机的工作条件，增加它的断裂可能性。为了消除这些缺点，一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上平衡配重。这样一来，在悬点下冲程时，要把平衡重从低处抬到高处，增加平衡配重的位能。为了抬高平衡配重，除了依靠抽油杆柱下落所释放的位能外，还要电动机付出部分能量。在上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，减少了电动机在上冲程时所需给出的能量。游梁式抽油机的结构简图如图2-1： 5 / 28

图2-1游梁式抽油机的系统组成 1-电动机；2-刹车装置：3-减速器；4-曲柄；5-曲柄平衡块；6-连杆7-横梁轴；8-游梁平衡块；9-支架轴；10-游梁；11-驴头：12-悬绳器

2.2、现有游梁式抽油机存在的主要问题 常规游梁式抽油机自诞生以来，经历了各种工况和各种地域油田生产的考验，经久

不衰，目前仍在国、内外普遍使用，其原因是常规游梁式抽油机具有结构简单、耐用、操作简便、维护费用低等明显优势，故而一直占据着有杆泵采油地面设备的主导地位。但由于其结构上的不合理性，使得常规游梁式抽油机无法解决“大马拉小车”、能耗高的缺点。 目前，国内约有抽油机8×10台，据不完全统计，我国抽油机井系统效率为20%左右，如果每口抽油机井实用功率为10千瓦，每天耗电19.2×10度，一年耗电约7×10度，相当于油田开发总用电量的1/4，若将系统效率提高到30%，则年节电2.34×10度，这不仅可以节约大量能源，还可以缓解油田用电紧张的情况，特别是我国目前正在向节约型社会发展，因此进行现有游梁式抽油机节能的研究既有经济效益又有社会效益。 大庆油田机械采油中，游梁式抽油机约占在役抽油机的50%左右。但随着节能降耗