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石油工程毕业论文-采油机械类


中国石油大学胜利学院

胜利油田游梁式抽油机研究

2011 年 月 日

毕业论文任务书
一、 题目
胜利油田游梁式抽油机研究

二、 本课题研究的目的、现状、工作任务和预期目标
游梁抽油机自诞生以来,历经了数百年应用,经历了各种工况和地况,目前是世

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界上应用最广泛的抽油设备之一。游梁式抽油机隶属于有杆抽油装置,它由动力机、 减速器、机架和四连杆机构等部分组成。它是将动力机的连续圆周运动边成抽油杆柱 及抽油泵柱塞的往复直线运动,从而将地下的原油开采出来。 本文通过研究胜利油田几种常见游梁抽油机的结构和工作原理,对抽油设备在工 作中产生的问题进行总结和分析。并对油田今后采用的抽油机型号和数量进行了预测。

三、 论文撰写、外文翻译和中外文献查阅
《采油机械》 《采油工程》 《采油工程手册》 《采油机械》报 03 年 05 期 主编 李子俊 石油工业出版社 主编 于云绮 石油工业出版社 主编 万仁浦 石油工业出版社 作者 陈军 綦耀光

四、 毕业论文进度安排
2011.5.01——5.05 论文准备阶段。 撰写开题报告。 2011.5.06——5.15 撰写论文阶段。 2011.5.16——5.30 准备答辩。 2011.6.01——6.20 答辩阶段。

学生签名: 指导老师(签名) : 教研室主任(签名) :

年 月 日

摘要
游梁抽油机自诞生以来,历经了数百年应用,经历了各种工况和地况,目前是世 界上应用最广泛的抽油设备之一。游梁式抽油机隶属于有杆抽油装置,它由动力机、 减速器、机架和四连杆机构等部分组成。它是将动力机的连续圆周运动边成抽油杆柱 及抽油泵柱塞的往复直线运动,从而将地下的原油开采出来。

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本文通过研究胜利油田几种常见游梁抽油机的结构和工作原理,对抽油设备在工 作中产生的问题进行总结和分析。并对油田今后采用的抽油机型号和数量进行了预测。

关键字 胜利油田;游梁式油机 ;预测改进 胜利油田; 预测改进 预测

目录
一、论文摘要………………………………………………………………………………1 二、论文前言………………………………………………………………………………1 三、第一章 游梁式抽油机结构组成…………………………………………………… 2 四、第二章 胜利油田常用抽油机介绍………………………………………………… 5 五、第三章 游梁式抽油机基本参数…………………………………………………… 9 六、第四章 游梁式抽油机的抽汲工作参数和驴头悬点载荷………………………… 10

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七、第五章 胜利油田游梁式抽油机基本情况………………………………………… 12 八、结论……………………………………………………………………………………13 九、致谢……………………………………………………………………………………14 十、参考文献………………………………………………………………………………14

前言
目前,胜利油田共有各种抽油机 12500 台,其中在用 9900 余台,闲置停用 2300 余台,库存 300 余台,有 9 个机型,50 多个品种。其中,游梁式抽油机 10278 台,可 见游梁式抽油机仍旧是油田开发生产的主体。 虽然这种抽油机仍旧在油田普遍使用,但是,由于它受交变载荷的作用,曲柄平 衡效果差,减速器输出的轴峰值扭矩大,增加了装机功率,工作效率低。根据现有数

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据推算,在未来的一段时间内,油田将进入抽油机更新时期。所以,设计抽油机时, 一定要考虑抽油机本身主要构件的受力状况,增加构建的可靠性。在机型选择上,有 向长冲程、低冲次、小载荷、小减速器发展的趋势。

第一章 游梁式抽油机结构组成
目前由于游梁式抽油机在油田生产应用中有很多变种和形式,因此以油田应用最 为广泛的常规型游梁式抽油机为例进行说明。

1.驴头
驴头装在游梁前端。它有一个较大的弧面,两根钢丝绳挂在驴头弧面上部的悬绳 器上。驴头的作用是将游梁前端的往复圆弧运动转变为抽油光杆的垂直直线往复运动,

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从而保证抽油时光杆始终对准井口中心位置,所以驴头弧面在结构上是以游梁轴承支 点为圆心,以游梁前臂长为半径的圆弧面。弧面长度与抽油机最大光杆冲程的关系为 S 弧=(1.2~1.3)Smax 式中 S 弧——驴头悬点(挂抽杆处)的最大冲程长度。 目前,游梁式抽油机多采用侧转式驴头,主要是修井时驴头移开井口比较方便。 另外,驴头必须有足够的宽度尺寸,以便驴头移离井口时,修井机游动系统上下活动, 自由吊起,以防碰撞抽油机。

2.游梁
游梁经轴承安装在支架上,前段与驴头相连,后端通过尾轴承和横梁相连,抽油 机工作时,游梁绕支架轴承作摇摆运动,传递动力,并承受悬点载荷、连杆拉力和支 架轴承对游梁的反作用等载荷。也正因为如此,游梁必须有足够的强度和刚度。

3.横梁
横梁是连杆和游梁链接的中间部件动力经过横梁才能带动游梁做摇摆运动,横梁 的形式有三种:翼形、船形和直形。

4.连杆和曲柄销
连杆和曲柄销总成包括连杆体、曲柄销、轴承、连杆销子等零件。连杆体一般用 于无缝钢管制作,其组焊焊缝应进行探伤试验。正常工作时,上端连杆头和横梁应该 无转动,并用销子连接,在连杆销处安有滚动轴承。曲柄销子和曲柄间一般用圆锥而 相连,在销子头上用一螺母固定销子和曲柄,在曲柄上有三个锥孔,用以改变冲程长 度。因为连杆是完成力矩的传递,因此,对于上、下接头与钢管的焊缝是否能达到规 定的强度而满足使用要求就显得尤为重要了,如果连杆中有一根连杆失效,抽油机变 成单臂传动,很有可能被拉翻,造成严重的生产事故。焊缝作为整个连杆的薄弱环节, 都会被高度重视。

5.曲柄和平衡块
游梁式抽油机的曲柄是成对使用的,分别装在减速器输出轴的两端。在曲柄上装 有根据油井工况所配的平衡块。平衡块可以沿曲柄侧面移动,以调整平衡能力,取得 较好的平衡效果。常规抽油机的平衡块都是条形的,它具有矩形截面的铸铁件,截面 尺寸由中心向外减少曲柄大端与减速器轴间采用键加过盈连接,曲柄端头洗成通槽,

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以便可以产生较大的弹性变形,用螺母和螺栓将曲柄夹紧在减速器的输出轴上,从而 在孔与轴的结合面产生较大摩擦力,增加连接的可靠性。

6.支架与底座
支架经轴承与游梁相连,在抽油机工作过程中,承受着悬点载荷和连杆拉力,是 重要的承载部件,因此支架必须具有足够的强度和刚度。 底座是一个基础部件,俗称底盘或船形底座,用来安装减速器、支架以及动力机。底 座采用型钢焊成,有足够的刚度和强度。在抽油机安装时,用紧固件把底座固定在专 用的混泥土基础上。

7.减速器
减速器是游梁式抽油机的重要部件,它的作用是传递动力和降低运动速度,即将 动力机的高速旋转运动(1450r/min,960r/min,735r/min)转变为抽油机曲柄的低转 速运动(4!15r/min) 。减速器一般采用三轴两级齿轮传动,总传动比 i=25~35。 游梁式抽油机上所有的减速器通常是人字齿或斜齿轮的闭式结构。抽油加减速参 数如下表。 减速器的润滑油都采用挤压型工业齿轮油,考遇到气温影响,一般在冬季采用标 号小一些的齿轮油,夏季采用标号大一些的齿轮油。减速器中,大齿轮靠油池浸油润 滑,小齿轮考大齿轮所带的油进行润滑;高速轴(如主动轴)的轴承靠齿轮油的飞溅 润滑,低速轴(如被动轴、中间轴)的轴承则考刮油板供油润滑。

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

减速器额定扭矩 KN?m(kgf? m) 2 ( 200) 6(600) 9(900) 13(1300) 18(1800) 26(2600) 37(3700) 53(5300) 73(7300) 105(10500) 表 1-1 抽油机减速参数

输出轴设计转速 r/min

20

16 15

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8..制动装置
抽油机的制动装置必须满足操作省力、制动快和安全可靠的要求。它的作用是当电 源切断后,可使抽油机立即停止运转或停留在任意位置。制动装置由手柄、拉杆、增 力摆动杆和制动器等部分组成。

第二章 胜利油田常用的抽油机介绍
1.常规型游梁式抽油机

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图 2-1 常规型游梁式抽油机简图

常规型游梁式抽油机是胜利油田最常见的抽油机之一,在各个井站都有安装使用。 它的结构特点是:曲柄连杆机构和驴头分别位于指甲的前后两边,曲柄轴中心位于游 梁尾轴承的正下方。它主要有动力机、减速器、曲柄、连杆、横梁、驴头、支架、底 座、刹车装置、悬绳器以及平衡重物等部分组成。 由于发动机安装位置的不同,常规型游梁式抽油机分为两种:一种是将发动机安 装与抽油机底座的尾部,是常见的结构方案;另一种将发动机安装于抽油机下面,这 种结构很少出现。 除发动机位置外,减速器的安装也不尽相同,如将减速器直接安装在底座上,这样做 降低了机架高度,减小了总体质量。但因为要保证曲柄和平衡块有足够的回转空间, 抽油机需要安装在较高的水泥基础上,这样给维修方面造成很大的不便。所以胜利油 田方面常采用另一种安装方式,就是将减速器安装在用钢板焊成的较高底座上,而基 础则可降为与地面一样的高度,这样做对抽油机的安装和维修都提供了很大的方便。

2.异相型游梁式抽油机

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1——刹车装置 2——电动机 3——减速器皮带轮 4——减速器 5——输出轴 6——平衡块 7——支架 8——曲柄 9——连杆 10——游梁 11——驴头 12——悬绳器 13——底座 图 2-2 异相型游梁式抽油机

从图 2-1 与图 2-2 的比较我们可以看出,仅在外型上,常规型游梁式抽油机与异 相型游梁式抽油机没有很大的差别,但是异相型游梁式抽油机却是比常规性游梁式抽 油机性能优良的抽油设备。这在于以下几点 1.它将减速器背离支架后移,这样就增大了减速器输出轴中心和游梁支点间的水 平距离,形成较大的极位夹角(注:极位夹角:驴头处于上、下死点位置时连杆中心 线之间的夹角) 。 2.平衡块重心与曲柄轴中心连线和曲柄销中心与曲柄轴中心连线之间构成一定的 夹角,即平衡相位角,这样是平衡重总是滞后一个相位角。 由上可知,异相型游梁式抽油机啊具有较大的极位夹角(大约 12°左右) ,这使抽 油机上冲程时曲柄转过的角度增加 12°为 192°,下冲程时曲柄转过的角度减少 12 ° 为 168°。当曲柄转速不变时,悬点上冲程时间大于下冲程,上冲程时悬点的加速度和 动载荷减小。由于平衡相位角改善了平衡效果,从而使减速器的最大扭矩峰值降低, 工作扭矩较均匀,所需电动机率减小,一程度上达到了节能的效果。

3.双驴头游梁式抽油机

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图 2-3 双驴头游梁式抽油机

双驴头游梁式抽油机,它的运动部件与常规游梁式抽油机相同,但在游梁后端又 装了一个驴头,驴头的弧面圆心与游梁摆动中心重合。双驴头游梁式抽油机由于采用 游梁后端驴头悬挂平衡重块的平衡方式,使悬点的部分载荷以及平衡块的质量有结构 件游梁、轴承所承受,从而减小了减速器、曲柄、曲柄销、连杆、横梁等传动部件的 载荷,使部件的工作可靠性大大提高并延长了各部件的使用寿命;另外,这种平衡方 式的平衡效果较好,平衡块分为大小块,调整准确,操作方便。

4..前置型游梁式抽油机

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1——刹车装置 2——电动机 3——支架 4——游梁 5——驴头 6——吊绳及悬绳器 7——连杆 8——曲柄销 9——支架 10——底座 图 2-4 前置型游梁式抽油机

前置型游梁式抽油机是游梁式抽油机的另一种基本形式,它的结构特点是:曲柄 连杆机构和驴头均位于支架的前边,曲柄连杆机构存在一定的极位夹角(大约 15°) 和平衡相位角(大约 20°) 。它在上冲程时曲柄旋转约 195°,下冲程时曲柄旋转约 165°。这样使得该机上冲程中驴头悬点加速度大大减小,动载较小,悬点载荷降低, 抽油杆应力减小,从而大大提高了抽油杆的工作可靠性,并延长了抽油杆的使用寿命。 同时,因为前置式游梁抽油机上冲程时扭矩因数较小,又具有平衡相位角,使得上冲 程开始时减速器输出扭矩比又将负荷扭矩滞后;而在下冲程开始时,这种扭矩又超前 于油井负荷扭矩,其结果是降低了减速器峰值扭矩,使减速器输出扭矩较均匀,电动 机动力较低,有明显的节能效果。但是,前置型游梁式抽油机也有以下缺点,意识结 构不平衡大大增加,而为了满足平衡的要求,必须加大平衡重,这又增加了整机的质 量,平衡块调节也困难:二是减速器安装在支架下边,不便于安装和维修。三是工作 时前冲力较大,影响机架的稳定性。 所以,在胜利油田中,该种抽油机应用并不广泛,它主要应用于悬点载荷大于 120KN,冲程长度大于 3.6m 的油井。

第三章 游梁式抽油机基本参数

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1.游梁式抽油机的基本参数
所谓游梁式抽油机的基本参数就是指表明游梁式抽油机的主要性能、基本结构及 其主要尺寸的一组参数。游梁式抽油机的基本参数主要有:额定悬点载荷,减速器额 定扭矩,光杆最大冲程。 额定悬点载荷 W 这个参数是指在游梁式抽油机各构件强度和刚度允许条件下,悬 绳器上的载荷最大允许值。该参数是设计和使用游梁式抽油就的主要依据之一。在使 用游梁式抽油机过程中,必须保证悬点最大载荷不超过额定悬点载荷。 减速器扭转扭矩 T 减速器扭转扭矩是指在游梁式抽油机减速器各零件强度和刚度允许 条件下减速器输出轴上的扭矩最大允许值,同样该参数也是设计和使用游梁式抽油就 的主要依据之一。在使用游梁式抽油机过程中,必须保证减速器输出轴上的最大静扭 矩不超过额定扭矩。 光杆最大冲程长度 Smax 光杆最大冲程长度是指在游梁式抽油机工作过程中, 能够提供 给光杆上下往复运动时最大的位移量,它是计算抽油机最大理论产量的重要参数之一, 主要决定抽油机的基本尺寸质量。 以上三个基本参数表明了游梁式抽油机的能力特性及适用范围,是估算抽油机大 致尺寸和质量的依据。把这三个参数组合起来,也是划分和确定游梁式抽油机的规格 与型号的基础。 2.游梁式抽油机的参数系列 我国于 1989 年制定的 GB11649——1989《游梁式抽油机》国家标准,该标准规定 参数系列以额定悬点载荷为第一参数, 三个基本参数按额定悬点载荷 W——光杆最大冲 程长度 Samx——减速器额定扭矩 T 排列。 我国常规型游梁式抽油机可以用类别代号、规格代号、其他代号和型号等标注。其 中类别代号有 CYJ——常规型游梁式抽油机 CYJQ——前置型游梁式抽油机 CYJY——异相型游梁式抽油机

第四章 游梁式抽油机的抽汲工作参数和驴头悬点载荷

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1 游梁式抽油机抽汲工况的确定
目前,游梁式抽油机抽汲工况可分为五种:正常工况、长冲程工况、短冲程工况、 高冲刺工况和低冲次工况。 1.正常抽汲工况 所谓正常抽汲工况,是指对抽油机而言当要获得所需的油井产液 量时,抽油机的最大冲程长度和最小泵径,而采用额定或较低的冲程次数的工作方式。 2.长冲程工况 采用长冲程工况时,有很多好处。首先,大大减少抽油杆柱和油管 柱变形对有效冲程的影响,提高抽油泵的充满度系数;其次,在相同产量下,可大大 降低抽油机冲程次数,使抽油机悬点载荷和抽油机各工作部件的工作循环次数减少, 因而有利于提高抽油设备的可靠性,延长设备的使用寿命。 3.高冲次工况 虽然高冲次工况工作时,其驴头悬点的动载荷和振动载荷都会增 加,其工件工作循环次数也会增加,所以从表面上看,这样做会对抽油杆和抽油泵不 利的,甚至会减少工件使用寿命。但是,高冲次工况可以用较小型抽油机完成正常工 况时需要较大型抽油机才能完成的工作。高冲次工况的另一优点是可以提高柱塞的冲 程次数 Sp/S,可以用较小的泵径或较小的抽汲速度工作。 4.短冲程工况 当井较浅而且油井的产液量不大时,可以采用短冲程抽汲工况,以 使小型抽油机来完成任务 5.低冲次工况 低冲次工况主要用于稠油的开采,可以减少抽油杆和抽油泵的下行 阻力。

2 游梁式抽油机抽汲工作参数的选择与调整
2.1 悬点冲程长度的选择与调整 悬点冲程长度是抽油机的一个重要工作参数,对于有感抽油设备,上下冲程的悬 点载荷变化会使抽油杆和有关产生变形,导致有效冲程长度的减少。这时候,为了保 证有感抽油设备的一定产量,在不改变冲刺的情况下,需要增加悬点的冲程长度。这 样做有很多好处,比如:减小了抽油杆的相对变形值,提高了抽油泵的充满系数和排 量系数;改善了抽油杆的工作条件,延长了抽油杆的使用寿命,提高了抽油杆的可靠 性。提高了游梁式抽油机的效率。 2.2 冲程次数的选择与调整 高冲次工况下可以用较小的抽油机完成正常抽汲工况下需要较大型抽油机才能完 成的工作。在高冲次工况下,要保证一定产量的条件下可以选用较小的冲程长度,这

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样可使抽油机的尺寸和减速箱的扭矩都较小。

3 游梁式抽油机驴头悬点载荷
游梁式抽油机悬点载荷是标志其工作能力的重要参数,也是选择和正确使用抽油 机的主要依据。游梁式抽油机在带动井下抽油泵柱塞进行工作时,驴头悬点上作用着 三种载荷。 1.静载荷 包括抽油杆自重 Wr、油管柱内柱塞上的油柱重 Woil 和油管外油柱对柱 塞下端的压力 Wp.。 2.动载荷 此项载荷与抽油机驴头悬点运动的运动加速度有关;动载荷包括抽油杆 柱和油柱运动所产生的动载荷,分别用 Wrd 和 Wfd 表示。 3.各种摩擦载荷 包括柱塞与泵筒之间的摩擦阻力、抽油杆柱与油管间的摩擦阻 力、抽油杆柱与油柱间及油柱与油管间相对运动时的流动阻力、井液流经抽油泵游动 阀时的阻力、抽油杆光柱与井口光杆密封器间的摩擦阻力等。

第五章 胜利油田游梁式抽油机基本情况
目前,胜利油田共有各种抽油机 12500 台,其中在用 9900 余台,闲置停用 2300

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余台,库存 300 余台,有 9 个机型,50 多个品种。根据 2000 年对一采油厂进行的调查 显示如下表 5-1,抽油机型号资料见表 5-2
机型 6型 7型 8型 10 型 12 型 14 型 16 型 统计井数 2 3 82 328 367 123 7 冲程利用率 /% 69.04 100 92.81 92.59 89.54 90.12 100 冲刺利用率 /% 43.30 33.33 53.10 51.84 51.58 61.77 47.22 表 5-1 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 抽油机规格代号 2-0.6-2.8 3-1.2-6.5 3-1.5-6.5 3-2.1-13 4-1.5-9 4-2.5-13 4-3-18 5-1.8-13 5-2.1-13 5-2.5-18 5-3-26 6-2.5-26 8-2.1-18 8-2.5-26 8-3-27 10-3-37 10-3-53 10-4.2-53 12-3.6-53 12-4.2-73 12-3.6-73 12-4.8-73 14-4.8-73 14-5.4-73 16-4.8-105 16-6-105 160 140 120 4.2 3.6 4.2 4.8 3.6 4.8 5.4 4.8 6.0 105 73 100 53 60 80 50 40 额定悬点载荷 kN 20 30 光杆最大冲程 m 0.6 1.2 1.5 2.1 1.5 2.5 3.0 1.8 2.1 2.5 3.0 2.5 2.1 2.5 3.0 18 26 37 18 26 13 9.0 13 18 13 减速器额定扭矩 kN?m 2.8 6.5 悬点载荷利 用率/% 24.41 30.71 65.36 54.27 56.51 51.77 50.31 扭矩利用率 /% 37.87 51.25 47.14 54.11 49.94 64.70 34.33

27

18-6-105

180
表 5-2 我国新系列游梁式抽油机参数

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在抽油机中,平均冲程利用率为 90.86%;平均冲刺利用率为 52.56%;平均悬点载 荷利用率为 55.56%;平均扭矩利用率为 51.44%。

结论
由第五章数据表分析可知,油田的在游梁式抽油机的选用中,以 8 型 10 型 12 型

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居多。有此可见,油田的主力机型一般选用冲程在 3m 以上,悬点载荷大于 8 型的抽油 机。进一步分析表可发现,油田游梁式抽油机的使用有以下特点:1 冲程利用率较高, 特别是大型抽油机,基本达到满冲程运行;2 冲次普遍较低 3 悬点载荷利用率较低,随 着新型抽油杆的研发和使用,下泵沉没度的进一步优化,悬点载荷还将继续下降。 最后,我们得出以下结论:油田对抽油机的需求,又向长冲程、低冲次、低悬点载荷、 低减速器扭矩发展的趋势;另外在设计适合油田所需的抽油机的同时,一定要考虑抽 油机本身主要构件的受力情况,增加构建的可靠性;最后,新型材料的研发和应用也 将成为抽油机生产改造的一个不容忽视的因素。

致谢
今年夏天,令我终身受益的大学生活即将过去。在这要正式踏上社会的时候,我 真诚的感谢我的每一位老师,谢谢你们的教导与关怀。同时,特别感谢指导我论文的 李老师,给我上好了这最后一堂课,由于我的能力浅薄,论文还不成熟,今后一定倍 加努力。最后,祝愿老师身体健康,万事如意。

参考文献
《采油机械》 《采油工程》 《采油工程手册》 《采油机械》报 03 年 05 期 主编 李子俊 石油工业出版社 主编 于云绮 石油工业出版社 主编 万仁浦 石油工业出版社 作者 陈军 綦耀光

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指导教师

论文答辩

总成绩





注:总成绩中平时表现占 20%、毕业论文占 40%、论文答辩占 40%。


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