新型傳動(dòng)抽油機(jī)設(shè)計(jì)與分析

1、目錄1 緒 論11.1 國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)現(xiàn)狀11.2 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的分類21.3 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)31.3.1 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)31.3.2 主要用途41.4 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向61.5 齒輪齒條抽油機(jī)61.6 超級(jí)電容82 平衡能量計(jì)算及平衡裝置的設(shè)計(jì)102.1 平衡能量的計(jì)算102.1.1 原始數(shù)據(jù)102.1.2井深計(jì)算102.1.3 電動(dòng)機(jī)上下沖程時(shí)功率計(jì)算112.2 平衡重計(jì)算及平衡裝置的設(shè)計(jì)122.3 電動(dòng)機(jī)的選擇122.3.1 起升功率的計(jì)算122.3.2 傳動(dòng)裝置的總功率132.3.3 確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速132.4 傳動(dòng)參數(shù)的計(jì)算152.4.1 計(jì)算總傳動(dòng)比152.4

2、.2 分配減速器的各級(jí)傳動(dòng)比153 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)173.1 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)173.2 齒輪的設(shè)計(jì)及校核173.2.1選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)173.2.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)173.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)193.2.4幾何尺寸計(jì)算203.3 軸的設(shè)計(jì)203.4 軸的校核223.4.1 求低速級(jí)大齒輪上的力223.4.2 求軸上的載荷223.4.3 總彎距的計(jì)算254齒輪齒條的設(shè)計(jì)274.1選定齒輪齒條類型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)。274.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)274.2.1確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值274.2.2計(jì)算274.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)284.3.1確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值294.3

3、.2設(shè)計(jì)計(jì)算295超級(jí)電容315.1超級(jí)電容的論述315.2超級(jí)電容的特點(diǎn)316.剎車337.經(jīng)濟(jì)性評(píng)估348.設(shè)計(jì)小結(jié)359.參考文獻(xiàn)36致謝38新型傳動(dòng)抽油機(jī)設(shè)計(jì)與分析摘 要：為了更好的實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)長(zhǎng)沖程采油的目的，在滿足油田采油工藝要求的前提下，設(shè)計(jì)了齒輪齒條傳動(dòng)抽油機(jī)。該抽油機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)采用KCT系列變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī),省去了正反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制器，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)裝置的的頻繁正反轉(zhuǎn)，從而提高了了傳動(dòng)的穩(wěn)定性；并且本抽油機(jī)采用超級(jí)電容的原理，對(duì)其進(jìn)行了平衡設(shè)計(jì)，平衡效果較常規(guī)抽油機(jī)有明顯的改善，更加簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和實(shí)際中的應(yīng)用。抽油桿采用抗拉強(qiáng)度高，密度小的碳纖維連續(xù)抽油桿，減輕了重量，增加了抽油

4、量，但碳纖維抽油桿不能受到壓力作用。與一般抽油機(jī)相比，齒輪齒條抽油機(jī)具有易安裝，直接驅(qū)動(dòng)，采油效率高，適于開采稠油及深井采油（如陜北地區(qū)油田），發(fā)展該型抽油機(jī)對(duì)當(dāng)前老油田高含水井后期的開采減緩產(chǎn)量遞減速度，開采稠油、低滲透等油田的“難動(dòng)用儲(chǔ)量”，以及沙漠油田深井及超深井的機(jī)械開采等，在人力資源，環(huán)保等多方面都是有一定的現(xiàn)實(shí)意義的。本抽油機(jī)的使用將會(huì)使我國(guó)許多油田在增加原油產(chǎn)量的同時(shí)降低耗能，有著十分重要的意義。關(guān)鍵詞：抽油機(jī)， 長(zhǎng)沖程 ， 齒輪齒條Design and analysis of rack and pinon Pumping UnitAbstract: To better achi

5、ve rack and pinon pumping unit with the purpose of meeting the requirements of oil field technology, the unit uses KCT family transduce varying speed motor, which can be achieved in the frequency of positive and negative without soft-starter motor positive controlto ,then have the stability improvem

6、ent.And the unit using the principle of detailed balance of Super capacitor ,the balance effect compares the conventional unit to have the distinct improvement. Its sucker rod uses carbon fiber continual sucker rod ,which tensile strength is high,the density is small. The apply of the sucker rod inc

7、reased production,as well as reduce weight,but the carbon fiber continual sucker rod can not be pressured. Rack and pinon Pumping Units compare the common pumping unit have the longer stroke,Easy to install ,Direct drive are suitable for the mining heavy crude oil and the deep well extraction benefi

8、t, the rack and pinon Long-Stroke Pumping Unit are also suitable for old oil well with high water content to slow down the produce decrease rate,extract heavy crude oil(such as shanbei oilfield), low permeable sublayer oil wells hardly moved reserves,also for machine extract draw well and ultradeep

9、well in desert.In human resources, environmental protection and so on，are all have certain practical significance .the family pumping unit will be able to cause many oil fields of our country to reduce the energy consumption and increase crude oil output . So , it is very important.Key words： pumpin

10、g unit; longer-stroke;rack and pinon1 緒 論1.1 國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)現(xiàn)狀近年來，各國(guó)正在研究具有較好的抽油性能、提高石油產(chǎn)量、降低采油成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，但是在這些產(chǎn)品研發(fā)成功后在使用的過程中受到了很多限制，還是不能很好的滿足市場(chǎng)的需求。目前，各國(guó)使用得最多的仍是游梁式抽油機(jī)，這類抽油機(jī)只適合于短沖程，在抽油的過程中電機(jī)的負(fù)荷分布不均勻，導(dǎo)致現(xiàn)在有很多問題在采油的過程中無法解決。我國(guó)現(xiàn)有原油生產(chǎn)井達(dá)7萬多口，由于各主干油田大都進(jìn)入生產(chǎn)后期，地層油的壓力降低，絕大多數(shù)油井主要靠機(jī)械采油方式生產(chǎn)。在機(jī)械采油中又以有桿抽油裝置采油為主，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)達(dá)90

11、%以上。目前我國(guó)各大油田使用的絕大多數(shù)都是游梁式的有桿抽油裝置，游梁式抽油機(jī)是最古老、應(yīng)用最廣泛的一種型式，工作可靠、堅(jiān)實(shí)，使用和維修方便，并且在常規(guī)型基礎(chǔ)上發(fā)展了多種型式，但是游梁式抽油機(jī)在實(shí)際的生產(chǎn)使用中存在著很多的問題：其一，體積重量大，沖程越長(zhǎng)該問題越突出，以至于很難進(jìn)一步提高其沖程。其二，隨著油井深度的逐漸增加，特別是稠油、高含蠟油井的數(shù)量不斷增多，由于沖程短不能保證原油產(chǎn)量；目前我國(guó)以四連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的沖程游梁式抽油機(jī)的超長(zhǎng)沖程可達(dá)六米多，其體積、重量及制造成本已經(jīng)相當(dāng)大了，再加上沖程長(zhǎng)度，已經(jīng)是非常困難了；而這一沖程，對(duì)于深井、稠油井、高含蠟油井，已經(jīng)顯得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，很難適應(yīng)油田

12、生產(chǎn)的需要。其三，在上、下運(yùn)動(dòng)的沖程中電機(jī)負(fù)荷不均勻，即向上運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)的負(fù)荷很高，向下運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)的負(fù)荷則相對(duì)較低，甚至是負(fù)值載荷，因而造成能量的浪費(fèi)。為此人們采取了多種平衡方式，如游梁平衡、曲柄平衡、復(fù)合平衡、氣壓平衡等，在不同程度對(duì)抽油機(jī)的載荷分布有所改善，但由于其并沒從本質(zhì)上改變游梁式抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)，因此不可能從根本上解決抽油機(jī)功率分配不均的問題。其四，采用一根根用螺紋連接起來的剛性的抽油桿將地面動(dòng)力傳到井下，因此，在井下抽油設(shè)備下放安裝、取出維修時(shí)的操作難度非常大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，成本高，且容易發(fā)生脫扣事故。其五，游梁式抽油機(jī)的沖程、沖數(shù)只能有級(jí)調(diào)節(jié)，不能及時(shí)適應(yīng)油井工藝參數(shù)的變化，大大

13、限制了其使用范圍。目前，勝利油田河口采油廠工藝技術(shù)人員通過研制開發(fā)抽油機(jī)井逆變器變屏群控調(diào)速技術(shù)，提高促進(jìn)油井群控技術(shù)的發(fā)展和降低了成本，實(shí)現(xiàn)了油井精細(xì)化控制與管理，提高了工作效率；但是從電的使用上來說，雖然在原來的基礎(chǔ)上電能節(jié)約了30%，可仍還是電量消費(fèi)了很大的資本；體積龐大，占據(jù)了空間，不便于搬遷。天津中成機(jī)械制造公司自主研發(fā)成功國(guó)內(nèi)最大型抽油機(jī)C1280D427240一次試車成功，C1280D427240根據(jù)國(guó)內(nèi)外深井、大負(fù)載、高產(chǎn)井的開采需求研制的特大型抽油機(jī)，整機(jī)長(zhǎng)14.8米、寬3.5米、高11.9米，懸點(diǎn)最大載荷19噸，最大沖程長(zhǎng)度6.07米，減速器額定扭矩達(dá)147千牛米，總重近5

14、0噸，但是體積龐大、沖程的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需求、耗電量比較的大、成本價(jià)格比較的高。美國(guó)研制了Kincaid沖程倍增抽油機(jī)，也稱為低矮型抽油機(jī)，當(dāng)游粱前端從下死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)時(shí)，行程為068513.1，此外驢頭在杠桿作用下還可繞自己的支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90度，驢頭轉(zhuǎn)動(dòng)行程也為0.685 m，抽油機(jī)的實(shí)際沖程為1.37 m，沖程增加1倍，但是沖程很短，還是不適合深井和稠油井。全俄石油機(jī)械設(shè)計(jì)研究院研制了一種特殊結(jié)構(gòu)的增大沖程游梁抽油機(jī)，把游梁支座改成為一個(gè)弧面鋼帶，在支架上有一個(gè)上固定點(diǎn)，在游梁上有一個(gè)下轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，可使游梁在擺動(dòng)過程中，支點(diǎn)還可以向上或向下運(yùn)動(dòng)一個(gè)附加行程，抽油機(jī)實(shí)際沖程長(zhǎng)度為游梁擺動(dòng)行

15、程與支點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)行程之和，當(dāng)驢頭上下移動(dòng)行程為3米時(shí)，支點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)行程為1米，抽油機(jī)實(shí)際沖程長(zhǎng)度也只有4米,該抽油機(jī)采用電動(dòng)機(jī)、膠帶、減速器、曲柄、連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)游粱，但是抽油機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和零件損耗很大。1.2 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的分類縱觀國(guó)外各種長(zhǎng)沖程抽油機(jī).大致可分為增人沖程游梁抽油機(jī)、增大沖程無游梁抽油機(jī)和長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)硯種類型。1.增大沖程游梁抽油機(jī)利用各種機(jī)構(gòu)或元件的運(yùn)動(dòng)特性和工作原理增大游梁抽油機(jī)的沖程長(zhǎng)度，稱為增大沖程游梁抽油機(jī)。這里應(yīng)當(dāng)指出；利用抽油桿的超沖程也能增大抽油泵沖程長(zhǎng)度；利用增大沖程機(jī)構(gòu)直接與抽油泵組合，也能增大抽油泵沖程長(zhǎng)度，抽油機(jī)的沖程長(zhǎng)度.不改變。這兩種增大沖程的

16、方法均不屬于增大沖程抽油機(jī)。國(guó)外增大沖程抽油機(jī)有美國(guó)Kincaid沖程倍增抽油機(jī)；英國(guó)增大沖程游梁抽油機(jī);原蘇聯(lián)增大沖程游梁抽油機(jī)；美國(guó)Lufkin公司游頭抽油機(jī)等。2.增大沖程無游梁抽油機(jī)利用各種機(jī)構(gòu)或元件的運(yùn)動(dòng)特性和工作原理增人無游梁抽油機(jī)的沖程長(zhǎng)度，稱為增大沖程無游梁抽油機(jī)。例如:美國(guó)Lowjack低矮型增大沖程無游梁抽油機(jī)等。3.長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)的特點(diǎn)是；沒有游梁、不采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)換向、也不采用增大沖程機(jī)構(gòu)、利用抽油機(jī)本身機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程抽油，也稱為超長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)。該抽油機(jī)有立式和臥式兩種結(jié)構(gòu)型式；.立式長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)抽油機(jī)所有設(shè)備均置地面上，一

17、般為機(jī)架立式結(jié)構(gòu)型式，占地面積較小，但占用空間高度較大。例如；美國(guó)ROTAFLEX長(zhǎng)沖程低沖次抽油機(jī)；法國(guó)Mape長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)；Dynovation公司長(zhǎng)沖程無游梁從式井抽油機(jī)等。.臥式長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī) 抽油機(jī)主要設(shè)備置于地面上，平衡裝置于地下套管之中，一般為臥式結(jié)構(gòu)型式，占地面積和占用空間高度較小。例如:美國(guó)Western Gear Co長(zhǎng)沖程無游梁液壓抽油機(jī)；美國(guó)National Supply Co，長(zhǎng)沖程無游梁鏈條傳動(dòng)抽油機(jī)等。1.3 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 1.3.1 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 各種長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的抽油實(shí)踐表明，具有以下七個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)、現(xiàn)分列如下:1.提高采油效率、增加石油產(chǎn)

18、 采用長(zhǎng)沖程抽油方式.抽油泵柱塞的實(shí)際沖程長(zhǎng)度減少的比率較小，提高了抽油泵的排量系數(shù)和充滿系數(shù)，有利于提高采油效率、增加石油產(chǎn)髦、降低采油成本。 據(jù)報(bào)導(dǎo)、采用鋼質(zhì)抽油桿抽油時(shí)，由于油骨和抽油桿之問的彈性伸縮作用結(jié)果，對(duì)抽油泵的實(shí)際沖程和泵效有較大的影響。在一般下泵深度范圍內(nèi)，兩者相差. 0.81.5m在最深時(shí)可達(dá)l .32 . 1m二如果沖程長(zhǎng)度較小，沖程損失比例更人，抽油泵的泵效更低。如果改用長(zhǎng)沖程抽油方式可以提高抽油機(jī)的沖程利用率。例如:沖程長(zhǎng)度從3.3m 增加到5m時(shí)，平均沖程利用率可以增加11.9%，在最深時(shí)可以增加17.5%。所以，采用長(zhǎng)沖程抽油方式抽油泵柱塞的實(shí)際沖程長(zhǎng)度減少的比率

19、較小，增加抽油泵的泵效、提高石油產(chǎn)量。 另?yè)?jù)報(bào)導(dǎo)，采用長(zhǎng)沖程抽油方式，提高抽油泵的泵效達(dá)到10%25%，提高石油產(chǎn)量10%50%，提高抽汲能力達(dá)20%40%。 再據(jù)報(bào)導(dǎo)，美國(guó)加里福尼亞一口油井原采用2.1m沖程長(zhǎng)度常規(guī)游梁抽油機(jī)。石油產(chǎn)量為13.4m3/d；后來改用長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)，沖程長(zhǎng)度為10m。石油產(chǎn)一學(xué)增加到33m3/d石油產(chǎn)最增加了146.2%2.提高抽油桿和抽油泵的使用壽命 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)均采用長(zhǎng)沖程、低沖次抽油方式，可以減少抽油桿和油管之間的機(jī)械磨損。據(jù)報(bào)導(dǎo)，采用長(zhǎng)沖程，低沖次抽油方式可提高抽油桿使用壽命達(dá)45倍；另?yè)?jù)報(bào)導(dǎo)，采用長(zhǎng)沖程、低沖次抽油方式.可以減少抽油泵的機(jī)械磨損、磨

20、損較均勻，提高抽油泵的使用壽命。3.排量穩(wěn)定、動(dòng)載荷小、事故少 長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)采用長(zhǎng)沖程、低沖次抽油方式，在一個(gè)上或下沖程過程中、分為恒速運(yùn)動(dòng)部分和接近與離開上下死點(diǎn)的減速與加速運(yùn)動(dòng)兩個(gè)部分，恒速運(yùn)動(dòng)時(shí)問較長(zhǎng)，石油排量較穩(wěn)定。抽油機(jī)和抽油系統(tǒng)的動(dòng)載荷較小，減少抽油桿斷脫事故和抽油系統(tǒng)事故。增加了抽油機(jī)的可靠性。此外，長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)減速器的扭矩只有同樣沖程長(zhǎng)度和沖次常規(guī)抽油機(jī)的16%一33%，有利于提高抽油機(jī)的使用壽命、延長(zhǎng)免修期，減少發(fā)生井下事故。4.抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、疲勞應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)減少 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)采用長(zhǎng)沖程、低沖次抽油方式，抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)、噪音也較小，減少了抽油機(jī)載荷、疲勞應(yīng)力

21、及抽油機(jī)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，有利于提高抽油機(jī)和抽油系統(tǒng)的使用可靠性。5.抽油機(jī)平衡效果較好 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)利用各種平衡方法可以實(shí)現(xiàn)較精確的半衡效果。節(jié)約更多的動(dòng)力消耗，提高了抽油機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，降低了采油成本，具有較好的使用經(jīng)濟(jì)性二此外，由于可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)較精確的平衡效果，抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)、噪音更小。6.抽油機(jī)具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 與常規(guī)及增大沖程抽油機(jī)相比。長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、零部件較少、制造裝配簡(jiǎn)單方便、運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)較少、機(jī)械傳動(dòng)效率較高，成本較低.具有較好的抽油機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。7.抽油機(jī)具有較高的適應(yīng)性能 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的沖程長(zhǎng)度與沖次均可進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各種油井工.況參數(shù)經(jīng)濟(jì)、合理的匹配

22、，充分發(fā)展長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的效能。還可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)和油井最佳匹配運(yùn)行，具有較高的適應(yīng)性能，此外，據(jù)報(bào)導(dǎo)長(zhǎng)沖程抽油機(jī)還可以防止結(jié)蠟，可減少消蠟作業(yè).使用非常方便。 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)最大限度地滿足采油一藝發(fā)展的需要口當(dāng)沖數(shù)一定時(shí)。采用長(zhǎng)沖程小泵提液抽汲方式，可不采用抽油桿脫接器、達(dá)到提高石油產(chǎn)量的目的，使用很方便。長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)還可以解決采用大泵提液時(shí)常規(guī)抽油機(jī)無法進(jìn)布了環(huán)空測(cè)試問題，可以錄取井下資料和進(jìn)行油并動(dòng)態(tài)分析。1.3.2 主要用途抽油實(shí)踐表明，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)具有以下五個(gè)方面的用途:1.適用干小泵深抽采油工藝對(duì)于低壓油田，可采用小泵深抽采油工藝提高石油產(chǎn)量。長(zhǎng)沖程抽油機(jī)可以滿足小泵深抽采

23、油一t藝要求，更經(jīng)濟(jì)有效地開采石油。2.適用于大泵提液采油工藝采用大泵提液可以提高石油產(chǎn)量。長(zhǎng)沖程抽油機(jī)不僅可以滿足大泵提液采油工藝的需要，而且還可以進(jìn)行環(huán)空測(cè)試、錄取并下資料和進(jìn)行油井動(dòng)態(tài)分析。常規(guī)抽油機(jī)在大泵提液時(shí)是無法進(jìn)行環(huán)空測(cè)試的。3.適用于開采各種特殊石油長(zhǎng)沖程抽油機(jī)適用開采含氣（H2S、CO2、02:）石油、含砂石油、含石灰石油、含蠟石油、含水石油等各種特殊石油。4.適用于各種油井開采石油長(zhǎng)沖程抽油機(jī)適用于深井、定向井、叢式井、斜井、海洋井、沙漠并、北極并開采石油。具有較好的抽油性能和經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)展無游梁長(zhǎng)沖程抽油機(jī)是當(dāng)務(wù)之急：(1) 近幾年來，我國(guó)油井?dāng)?shù)量急劇增多，用常規(guī)游梁抽油

24、機(jī)開發(fā)稠油，采油量、泵效、耗能、采油成本等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差，因而阻礙了常規(guī)游梁抽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展。為更經(jīng)濟(jì)、更合理地開發(fā)我國(guó)稠油資源，必須大力開發(fā)我國(guó)的無游梁長(zhǎng)沖程抽油機(jī)。(2) 對(duì)于低壓油田，可采用小泵深抽的方法提高原油產(chǎn)量。目前在勝利、江蘇.華北、中原等油田應(yīng)用深抽技術(shù)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。為滿足小泵深抽的需要，我國(guó)急需發(fā)展大載荷長(zhǎng)沖程抽油機(jī)。(3) 目前我國(guó)的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)還不能完全滿足我國(guó)油田開采的需要，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)正處于發(fā)展階段，品種與規(guī)格不全，使用數(shù)量不多。因此需要大力發(fā)展新型長(zhǎng)沖程抽油機(jī)。長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的主要特點(diǎn)是沖程較長(zhǎng)、沖次較低。一般認(rèn)為沖程長(zhǎng)度等于或超過6米時(shí)稱為長(zhǎng)沖程。長(zhǎng)沖

25、程抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）沖程損失相對(duì)較小，單位時(shí)間內(nèi)的有效沖程長(zhǎng)度增大，從而使油井的產(chǎn)量提高。再者，因沖程損失與泵掛深度成正比關(guān)系，所以對(duì)深井及超深井來說，更應(yīng)使用長(zhǎng)沖程抽油機(jī)以提高泵的效率。（2）沖程增大、沖程調(diào)低后，作用在抽油桿上的慣性載荷與振動(dòng)載荷相對(duì)減小，載荷循環(huán)比增大，抽油桿的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)降低，這些將對(duì)有桿泵裝置采油帶來一系列好處。上沖程慣性載荷峰值減小，為增大泵掛深度提供了可能，這一特點(diǎn)有利于低滲透油田采用“小泵深抽”的開采工藝。對(duì)于稠油開采來說，提高載荷循環(huán)比則是使用有桿泵裝置開采稠油的一個(gè)重要措施。此外，長(zhǎng)沖程配合低沖次的抽汲工藝對(duì)減少抽油桿的脫斷幾率，延長(zhǎng)機(jī)干泵的使用壽命，從

26、而提高有桿泵裝置的運(yùn)行時(shí)率（即減少停機(jī)維修時(shí)間）也是有利的。（3）長(zhǎng)沖程抽油機(jī)具有一定的節(jié)電效果，其節(jié)電率一般都在10%40%之間。由此分析其優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為7點(diǎn)：(1).提高采油效率，增加石油產(chǎn)量(2).減少磨損，提高抽油桿和抽油泵的壽命(3).排量穩(wěn)定，動(dòng)載荷小，事故少(4).運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，抗疲勞性好(5).平衡效果好(6).具有較好的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(7).具有較好的適應(yīng)性能。綜上所述可見，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)具有減小沖程損失、提高系統(tǒng)效率、延長(zhǎng)機(jī)桿泵使用壽命、減少故障及提高整機(jī)運(yùn)行質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。因此，發(fā)展長(zhǎng)沖程抽油機(jī)對(duì)當(dāng)前老油田高含水井后期的開采減緩產(chǎn)量遞減速度，開采稠油、低滲透等油田的“難動(dòng)用儲(chǔ)量”

27、，以及沙漠油田深井及超深井的機(jī)械開采等，都是有一定的現(xiàn)實(shí)意義的。 1.4 長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向在世界范圍內(nèi)，研究開發(fā)與應(yīng)用抽油機(jī)已有100多年的歷史。在這百余年的采油實(shí)踐中，采油機(jī)發(fā)生了很大的變化，特別是近20年來，世界抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展較快，先后研究開發(fā)了多種新型抽油機(jī)。其特點(diǎn)是：增強(qiáng)了抽油機(jī)的適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性；改善了抽油性能，降低了抽油載荷與載荷變化范圍，提高了抽油效率，減少了動(dòng)力消耗；提高了抽油機(jī)平衡效果，改善了抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性與平衡特性；增大了抽油機(jī)的使用范圍，減小了抽油機(jī)的體積和質(zhì)量，強(qiáng)化了抽油機(jī)自動(dòng)化與智能化程度?？傊橛蜋C(jī)的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到

28、了有史以來的最高水平。目前抽油機(jī)正朝著大型化、低耗能、精確平衡、高適應(yīng)性、長(zhǎng)沖程無游梁、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。目前長(zhǎng)沖程抽油機(jī)可分為：增大沖程抽油機(jī)：（1）增大沖程抽油機(jī)（2）增大沖程無游梁抽油機(jī)。長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī):（1）立式長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)（2）臥式長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)。1.5 齒輪齒條抽油機(jī)隨著抽油機(jī)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，目前正在朝著大型化、低能耗、高適應(yīng)性、自動(dòng)化和自能化、長(zhǎng)沖程無游梁式抽油機(jī)的前進(jìn)。本設(shè)計(jì)的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、沖程距離長(zhǎng)且調(diào)整方便、能耗低、原油產(chǎn)量高的尤其適合于深油井、稠油井、高含蠟油井采油的有桿抽油裝置。本設(shè)計(jì)平衡系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)90%95%的負(fù)載，5%10%的

29、傳遞動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)速。游梁式抽油機(jī) 有桿抽油泵全系統(tǒng)的總效率在國(guó)內(nèi)一般地區(qū)平均只有1223，先進(jìn)地區(qū)至今也不到3O。美國(guó)的常規(guī)型抽油機(jī)系統(tǒng)效率較高，但也僅有46。系統(tǒng)效率低下，能耗大，耗電就多，因此，節(jié)能成為有桿抽油系統(tǒng)的一個(gè)亟需解決的問題。此外，隨著老油田油井的注水開發(fā)，油田已經(jīng)開始進(jìn)入高含水采油期。不斷提高產(chǎn)液量，以液保油，這是注水開采油田保證原油穩(wěn)產(chǎn)的必要趨勢(shì)。這種開采特點(diǎn)要求抽油機(jī)的沖程越長(zhǎng)越好，使得在役的常規(guī)型游梁式抽油機(jī)機(jī)型偏小，在一定程度上已經(jīng)不能滿足長(zhǎng)沖程、低沖次生產(chǎn)的要求。由于在同一工況，井況和同一時(shí)刻下，井下的能耗因地面游梁機(jī)型不同而會(huì)發(fā)生差異。如示功圖會(huì)

30、有所改變，表明泵的充滿度 光桿功率的變化。致使抽油機(jī)能耗大的主要原因有：抽油機(jī)的負(fù)荷特性與異步電動(dòng)機(jī)的硬的轉(zhuǎn)矩特性不相匹配，甚至出現(xiàn)“發(fā)電機(jī)” 工況，出現(xiàn)二次能量轉(zhuǎn)化。一般電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率過低， 圖1-1 齒輪齒條抽油機(jī)約為3O，致使電動(dòng)機(jī)以較低的效率運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)在一個(gè)沖程中的某個(gè)時(shí)段被下落的抽油桿反向拖動(dòng)，運(yùn)行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落所釋放的機(jī)械能有部分轉(zhuǎn)變成了電能回饋電網(wǎng)，但所回饋的電能不能全部被電網(wǎng)吸收，引起附加能量損失，同時(shí)負(fù)扭矩的存在使減速器的齒輪經(jīng)常受反向載荷，產(chǎn)生背向沖擊，降低了抽油機(jī)的使用壽命。常規(guī)抽油機(jī)的扭矩因數(shù)大，載荷波動(dòng)系數(shù)CLF 亦大，故均方根扭矩大，能耗增加。常規(guī)抽油

31、機(jī)運(yùn)行的懸點(diǎn)加速度、速度的最大值過大，影響懸點(diǎn)載荷，動(dòng)載增大。采用對(duì)稱循環(huán)工作制使泵充滿度下降，影響產(chǎn)量，泵效降低，能耗亦增大。近年來國(guó)內(nèi)、外研制與應(yīng)用了多種類型的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，其中包括增大沖程游梁抽油機(jī)，增大沖程無游梁抽油機(jī)和長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)。實(shí)踐與理論表明，增大沖程無游梁抽油機(jī)是增大沖程抽油機(jī)的發(fā)展方向，長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)是長(zhǎng)沖程抽油機(jī)發(fā)展方向。 齒輪齒條抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1.直接驅(qū)動(dòng)：抽油機(jī)直接安裝在井口，光桿從頂部懸掛下來的傳統(tǒng)的桿夾通過齒條內(nèi)部的渠道進(jìn)行傳動(dòng)。該桿允許在泵或桿棍的機(jī)架內(nèi)浮動(dòng)，耦合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)通過齒輪箱齒輪齒條式的機(jī)制，周期的向上和向下架桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。機(jī)架是通過完全浸泡在油

32、谷來進(jìn)行每次沖程的潤(rùn)滑。2.簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)抽油機(jī)的底座直接通向井頭，光桿通過齒條中的渠道被一根常規(guī)的桿夾從頂部掛起.光桿允許懸浮或黏住在齒條內(nèi)部。一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)通過一個(gè)減速箱耦合到齒輪齒條傳動(dòng)原理，齒條的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)光桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。一臺(tái)高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)和直線更新的傳動(dòng)能去實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)高效的系統(tǒng)，即使在沒有依靠大量平衡重的傳統(tǒng)抽由系統(tǒng)的深水井。3.易安裝：該系統(tǒng)單位小，重量輕，便于運(yùn)輸。要求沒有專門或重型設(shè)備，這樣節(jié)省了安裝費(fèi)用。它可以攜帶在有一臺(tái)一噸或小選擇器的輕型卡車上安裝。安裝快捷，使用方便，可以由兩個(gè)人來處理。單位可在幾小時(shí)內(nèi)安裝并全面投入運(yùn)作。4.便捷：因?yàn)樗苋菀走\(yùn)輸和服役，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

33、所需零部件少。5.高效率：直接電動(dòng)機(jī)，減速器齒輪齒條驅(qū)動(dòng)更加方便簡(jiǎn)易，減少摩擦，阻力，提高了生產(chǎn)效率。6.經(jīng)濟(jì)性：該LRP的系統(tǒng)是一項(xiàng)明智的投資，將迅速為自己支付的減少安裝，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。該系統(tǒng)就可以買到了一個(gè)沒有任何控制成本中一小部分的千斤頂。安裝大大減少昂貴的費(fèi)用，因?yàn)樵搯挝皇呛苋菀走\(yùn)輸和設(shè)置的。由于裝置螺栓直接到井口，混凝土和砂石墊和其他昂貴的現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備不再需要。提高產(chǎn)量，增加收入和減少停機(jī)時(shí)間降低運(yùn)營(yíng)成本，使得遠(yuǎn)景計(jì)劃系統(tǒng)成為了的真正經(jīng)濟(jì)性解決方案。7.環(huán)保：該遠(yuǎn)景計(jì)劃系統(tǒng)是本地負(fù)責(zé)人對(duì)環(huán)境敏感設(shè)施的理想選擇。它具有安靜，輕巧，不要求網(wǎng)站分級(jí)，安裝井場(chǎng)墊或其他干擾，其扁平和小型的特點(diǎn)允

34、許它融入在其他單位。 綜上所述，改進(jìn)抽油機(jī)的平衡方式和傳動(dòng)方式也顯得格外重要，本設(shè)計(jì)齒輪齒條傳動(dòng)無游梁式抽油機(jī)采用超大容量電容實(shí)現(xiàn)了能量的有效利用，齒輪齒條比鏈條的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性好，傳動(dòng)效率高，承載能力強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)了采油生產(chǎn)的能量消耗。齒輪齒條的直接傳動(dòng)與常規(guī)抽油機(jī)相比更加簡(jiǎn)單，高效，節(jié)能，智能化。1.6 超級(jí)電容 超級(jí)電容輔助電源系統(tǒng)，相比其他的抽油機(jī)的平衡方式（變頻）更加節(jié)能高效方便。該系統(tǒng)是在抽油機(jī)主電源的基礎(chǔ)上增加一個(gè)超級(jí)電容輔助電源，用于存儲(chǔ)抽油機(jī)驢頭下行時(shí)的再生制動(dòng)回饋能量，抽油機(jī)驢頭上行時(shí)協(xié)助主電源向電機(jī)供電。輔助電源系統(tǒng)由超級(jí)電容模組和調(diào)壓器組成。由于有超級(jí)電容存儲(chǔ)抽油機(jī)再生制動(dòng)回

35、饋能量，并把這些能量又用于抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，節(jié)省了大量的能量。由于超級(jí)電容功率密度大的特點(diǎn)，在驢頭上升做功時(shí)可以以很大的放電電流協(xié)助主電源供電，因此驢頭在抽油做功時(shí)，上沖程的速度性能能有所改善。本系統(tǒng)使用廣泛，可使用游梁式抽油機(jī)，進(jìn)一步可擴(kuò)展應(yīng)用至鏈條式抽油機(jī)等有桿泵抽油設(shè)備中。具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 一種石油抽油機(jī)超級(jí)電容輔助電源系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)構(gòu)成如下：）一個(gè)超級(jí)電容模組，設(shè)置于抽油機(jī)上，用于吸收抽油機(jī)驢頭下行時(shí)的再生制動(dòng)回饋能量，在抽油機(jī)驢頭上行時(shí)協(xié)助主電源向電機(jī)供電；）一變換調(diào)壓器，分別與所述超 級(jí)電容模組和原抽油機(jī)的變換器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器相連接；上述變換調(diào)壓器包括，一機(jī)殼

36、、設(shè)置于機(jī)殼內(nèi)的控制電路板、變換器；控制電路板通過接口電路和主電源電壓傳感器、主電源電流傳感器、電機(jī)電壓傳感器、電機(jī)電流傳感 器、超級(jí)電容電壓傳感器、超級(jí)電容電流傳感器、手動(dòng)調(diào)節(jié)器相連接；控制電路板上設(shè)置有微處理器，微處理器通過濾波電路器件采集電壓、電流信號(hào)、手動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)；微處理器輸出的信號(hào)經(jīng)過光電耦合器件及驅(qū)動(dòng)電路控制變換器每個(gè)功率器件的動(dòng)作；）在原抽油機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的電路基礎(chǔ)上，增設(shè)超級(jí)電容電壓傳感器和電流傳感器，增設(shè)用于控制變換調(diào)壓器的控制信號(hào)，使微處理器能同時(shí)制主電源和超級(jí)電容的充放電。2 平衡能量計(jì)算及平衡裝置的設(shè)計(jì)2.1 平衡能量的計(jì)算2.1.1 原始數(shù)據(jù)名義泵深：2500m懸點(diǎn)載

37、荷：100kN沖程： 8 m沖次： 4-6 1/min功率： 20kW傳動(dòng)方式：齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式：正反轉(zhuǎn)交流電機(jī)平衡方式：超大容量電容2.1.2井深計(jì)算_抽油桿自重 （11）_抽油桿在油中的自重 （12）_油管內(nèi)，柱賽上的油柱重 （13）_油井中動(dòng)液面以上斷面積等于柱塞面積的油柱重 （14）L下泵深度 S懸點(diǎn)沖程長(zhǎng)度 S=8m沉沒度過小，會(huì)降低泵的充滿系數(shù)，沉沒度過大，會(huì)增加抽油機(jī)的負(fù)荷。通過實(shí)踐摸索即使油的粘度很大，克服原油在井筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的全部阻力不超過一個(gè)大氣壓，所以一般沉沒度為3050米；重質(zhì)粘度大的井不少于50米；原油含氣大的井不少于80100米；如不含氣的輕質(zhì)原油的井，沉沒度有20米即

38、可，因?yàn)槌L(zhǎng)沖程抽油機(jī)一般用于稠油，低滲透油井的開采，為了安全起見認(rèn)為油井中有油氣所以油井的沉沒度取不少于50米。_泵的沉沒深度 =50m產(chǎn)出液密度 =860.27kg/m3鋼制抽油桿規(guī)格 22(16-28取中間型號(hào))抽油管橫截面面積 =1.01810-3m22.1.3 電動(dòng)機(jī)上下沖程時(shí)功率計(jì)算將上面計(jì)算得出的L值帶入： =10-63.142500（8.52103-860.27）9.8 =71300.83N =10-63.14（2500-50）860.279.8 =41508.5N （15） =1.8m上沖程期間抽油機(jī)對(duì)光桿負(fù)載所做的功： （16） =(41508.5+71300.83)8-4

39、1508.5 =.14Nm下沖程期間抽油機(jī)對(duì)光桿負(fù)載所做的功： （17） =71300.8310+41508.5 =.29Nm由于抽油機(jī)上下沖程時(shí)間相等根據(jù)沖程和起下速度的范圍確定時(shí)間在1/8 1/12 min之間變化，初定在5s時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率故：t=5s上沖程期間抽油機(jī)輸出功率：下沖程期間抽油機(jī)輸出功率：2.2 平衡重計(jì)算及平衡裝置的設(shè)計(jì)對(duì)于本抽油機(jī)的平衡，可采用的方案有氣動(dòng)平衡、液壓平衡、勢(shì)能平衡。氣壓平衡體積小，但由于氣壓平衡中的氣壓缸容易出現(xiàn)破裂現(xiàn)象且一旦出現(xiàn)問題維修很麻煩會(huì)嚴(yán)重影響正常抽油。液壓平衡可以提供很大重量的平衡重，且上下沖程交替柔和，但由于液壓式的一半制造費(fèi)用較高，且容易出現(xiàn)滲液現(xiàn)象。勢(shì)能平衡優(yōu)點(diǎn)在于制造維護(hù)費(fèi)用低，方便，平衡效果較好。所以本設(shè)計(jì)采用重力勢(shì)能平衡的方法，具體方法是在傳動(dòng)軸上加一卷筒，用鋼絲繩懸掛平衡。由于能量一定，所以如果移動(dòng)距離大，那么平衡重質(zhì)量就?。环粗绻苿?dòng)距離小，則平衡質(zhì)量就大，