抽油機(jī)設(shè)計計算

抽油機(jī)設(shè)計計算第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1簡介游梁式抽油機(jī)主要由游梁—連桿—曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。工作時，電動機(jī)的傳動經(jīng)變速箱、曲柄連桿機(jī)構(gòu)變成驢頭的上下運(yùn)動，驢頭經(jīng)光桿、抽油桿帶動井下深井泵的柱塞作上下運(yùn)動，從而不斷地把井中的原油抽出井筒。游梁式抽油機(jī)具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、操作維修方便等特點(diǎn)。技術(shù)參數(shù)符合中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5044《游梁式抽油機(jī)》和美國石油協(xié)會API標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)成熟。主要特點(diǎn)：

1、整機(jī)結(jié)構(gòu)合理、工作平穩(wěn)、噪音小、操作維護(hù)方便；

2、游梁選用箱式或工字鋼結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高、剛性好、承載能力大；

3、減速器采用人字型漸開線或雙圓弧齒形齒輪，加工精度高、承載能力強(qiáng)，使用壽命長；

4、驢頭可采用上翻、上掛或側(cè)轉(zhuǎn)三種形式之一；

5、剎車采用外抱式結(jié)構(gòu)，配有保險裝置，操作靈活、制動迅速、安全可靠；

6、底座采用地腳螺栓連接或壓杠連接兩種方式之一。第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月分類常規(guī)游梁式抽油機(jī)

以常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī)為例，結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。

圖中，1—底座；2—支架；3—懸繩器；4—驢頭；5—游梁；6—橫梁軸承座；7—橫梁；8—連桿；9—曲柄銷裝置；10—曲柄裝置；11—減速器；12—剎車保險裝置；13—剎車裝置；14—電動機(jī)；15—配電箱。

游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。

第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月異形游梁式抽油機(jī)

異形游梁式系列抽油機(jī)包括雙驢頭抽油機(jī)、彎游梁抽油機(jī)和對常規(guī)游梁抽油機(jī)節(jié)能改造的機(jī)型等機(jī)型。異形游梁式抽油機(jī)是以常規(guī)抽油機(jī)為基礎(chǔ)模式而研制出的新機(jī)型，它采用變徑圓弧狀的游梁后臂，游梁與橫梁之間采用柔性件連接結(jié)構(gòu)，在主要結(jié)構(gòu)上具有常規(guī)游梁式抽油機(jī)簡單，牢靠，耐用等特點(diǎn)，在性能上易于實(shí)現(xiàn)長沖程，并且具有突出的節(jié)能特點(diǎn)。平衡方式

1．游梁平衡：在游梁的尾部裝設(shè)一定重量的平衡板，這是一種簡單的平衡方式，適用于3噸以下的輕型抽油機(jī)。第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2．曲柄平衡：這是一種在油田上常用的平衡方式。顧名思義是將平衡塊裝在曲柄上，適用于重型抽油機(jī)。這種平衡方式減少了游梁平衡引起的抽油機(jī)擺動，調(diào)整比較方便，但是，曲柄上有很大的負(fù)荷和離心力。

3．復(fù)合平衡：在一臺抽油機(jī)上同時使用游梁平衡和曲柄平衡。特點(diǎn)：小范圍調(diào)整時，可以調(diào)整游梁平衡：大范圍調(diào)整時，則調(diào)整曲柄平衡。這種平衡方式適用于中深井。4．氣動平衡：利用氣體的可壓縮性來儲存和釋放能量達(dá)到平衡的目的，可用于10噸以上重型抽油機(jī)。這種平衡方式減少了抽油機(jī)的動負(fù)荷及震動，但其裝置精度要求高，加工復(fù)雜。第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2我國石油開采技術(shù)概況

目前，我國石油開采技術(shù)仍落后西方。中國油田的種類比較復(fù)雜，主要有中高滲透多層砂巖油田、復(fù)雜斷塊油田，低滲透砂巖油田以及稠油油田。根據(jù)不同的地質(zhì)條件和油田類型，中國形成了具有特色的油氣開發(fā)技術(shù)。三元化學(xué)負(fù)荷駁對提高中國可采儲量具有明顯的效益，約可以提高5億動左右石油開采量。在大慶、勝利等油田進(jìn)行的先導(dǎo)性試驗和礦場實(shí)驗，都取得了良好的效果，原油采收率平均可以提高15%—20%。此外，中國對其他提高原油采收率的新技術(shù)，如微生物采油、納米膜驅(qū)油等也進(jìn)行了研究與試驗。盡管中國石油開采技術(shù)經(jīng)過50多年開展已經(jīng)取得很大發(fā)展，但是同西方先進(jìn)國家相比，總體上應(yīng)該還有5至10年的差距。而且從具體的技術(shù)上看，完全屬于中國原始創(chuàng)新的技術(shù)比較少，一部分具有中國知識產(chǎn)權(quán)的國際先進(jìn)技術(shù)，如聚合物驅(qū)、化學(xué)復(fù)合驅(qū)技術(shù)等，最早也是在模仿學(xué)習(xí)國外理論和方法上發(fā)展起來的。第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1系統(tǒng)總成第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月游梁式抽油系統(tǒng)示意圖1－電動機(jī)；2－皮帶減速箱傳動裝置；3－抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)；4-懸繩器；5－抽油桿柱；6－油管柱；7－抽油泵第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2電動機(jī)已知參數(shù)及機(jī)械特性(1)電動機(jī)參數(shù)

第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月電動機(jī)機(jī)械特性

第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月電機(jī)特性曲線Md隨n的變化Med=132.789*Md;>>n=0:0.005:1000;Md=(2*2*360*0.0847*104.7198*(104.7198-pi*n/30))./(0.0847^2*104.7198^2+(104.7198-pi*n/30).^2);第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3抽油機(jī)已知參數(shù)(1)抽油機(jī)型號根據(jù)抽油機(jī)型號，可以確定抽油機(jī)傳動系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)尺寸、運(yùn)動件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置等參數(shù)。具體參數(shù)包括：R——曲柄半徑，m；P——連桿長度，m；C——游梁后臂長度，m；K——基桿長度，m；A——游梁前臂長度，m；I——基桿的水平投影，m；τ——曲柄平衡重滯后角，rad；JB1——小皮帶輪轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；JB2——大皮帶輪轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；JR1——二級減速箱高速軸（輸入軸）系轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月JR2——二級減速箱中間軸系轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；JR3——二級減速箱底速軸（輸出軸）系轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；iB——皮帶傳動比；iR1——二級減速箱的第一級傳動比；iR2——二級減速箱的第二級傳動比；mQ——單曲柄質(zhì)量，kg；

rQ——曲柄質(zhì)心半徑，m；MC——單側(cè)曲柄平衡塊質(zhì)量，kg；

RC——曲柄平衡塊質(zhì)心半徑，m；JC——單側(cè)曲柄平衡塊相對其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；ML——連桿質(zhì)量，kg；JL——連桿相對其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；JB——游梁組建相對其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)油井參數(shù)油井參數(shù)包括油藏參數(shù)與生產(chǎn)參數(shù)。根據(jù)假設(shè)，和數(shù)學(xué)建模相關(guān)的幾個參數(shù)包括：——抽油桿柱質(zhì)量，kg；——抽油桿柱在液柱中的重量，N；——油井動液面以上整個柱塞面積上的液柱重量，N；——抽油桿柱在液體載荷

作用下的靜變形，m。各參數(shù)具體數(shù)值可取：R＝1.060m；P＝3.390m；C＝2.820m；K=4.280m；A＝3.935m；I＝2.82m；第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月τ＝0；JB1＝2.0kg.m2；JB2＝15.0kg.m2；JR1＝3.0kg.m2；JR2＝8.0kg.m2；JR3＝15.0kg.m2；iB=5.0；iR1=5.5；iR2=5.45；mQ=500kg；

rQ=1.0m；MC==1000kg；

RC=1.2m；JC=100kg.m2；ML=300kg；JL==300kg.m2；JB=1000kg.m2;MR=4000kg；=30000N；=36000N；=0.2m。第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1假設(shè)條件為了對異相曲柄平衡抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計，以放映抽油機(jī)動力性能的最大扭矩因素為最小目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)尺寸，將整個抽油機(jī)裝置簡化為以曲柄為等效構(gòu)件的運(yùn)動情況，我們做了以下假設(shè)條件：第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1、電網(wǎng)供電電壓與供電頻率是常數(shù)；2、不考慮電動機(jī)轉(zhuǎn)子到減速箱曲柄軸各傳動副的間隙與傳動件的彈性變形；3、在分析抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律時，不考慮各傳動副的間隙與傳動件的彈性變形；4、懸繩與懸繩器在垂直方向上的等效彈簧常數(shù)為定值；5、油管全長錨定或不錨定，當(dāng)油管不錨定時，考慮液體靜負(fù)荷引起的油管柱彈性變形；6、不考慮油管內(nèi)液柱的振動；7、假設(shè)抽油桿柱與油管同心；8、油井是鉛直的；9、連桿與游梁之間的軸承座質(zhì)量忽略；10、游梁與支架之間的軸承座質(zhì)量忽略；11、所有構(gòu)件為剛性構(gòu)件；12、曲柄為等效構(gòu)件；13、求等效力矩時不考慮全部構(gòu)件的質(zhì)量；14、求等效轉(zhuǎn)動慣量時考慮連桿質(zhì)量；15、懸點(diǎn)載荷簡化為F16、減速箱效率為0.8806第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月將圖中各桿件看成矢量，可以得到如下的矢量方程

上述矢量方程可以用復(fù)變矢量表示為將上式兩邊對時間t求導(dǎo)，可得到各桿件的角速度為：第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月將上式對時間求導(dǎo)，可得各桿件運(yùn)動的角加速度：

第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為Theta2隨theta變化曲線theta=0:0.005:2*pitheta2=2.219*pi-theta第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為Theta3隨theta變化曲線beta=asin((1.064./L).*sin(2.219*pi-theta));theta3=acos((1.2043+L.^2)./(6.052*L))-beta;第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為Theta4隨theta變化曲線theta4=acos((1.2043-L.^2)./(6.052*L))-beta;第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）下面討論懸點(diǎn)位移，速度與加速度的計算公式：A.懸點(diǎn)中程長度SPR:

第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月B.懸點(diǎn)位移PR以下死點(diǎn)為位移零點(diǎn)，向上為位移的正方向，則任意時刻的懸點(diǎn)位移PR為：另外以上死點(diǎn)為位移零點(diǎn)，向下為位移的正方則懸點(diǎn)位移

為C.懸點(diǎn)速度

與加速度

為：懸點(diǎn)向上運(yùn)動為位移的正方向，則

與

為：第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為懸點(diǎn)pr隨theta變化x=acos((L.^2-1.2043)./(5.64*L));fi=x+beta;pr=3.935.*(0.372*pi-fi);第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）扭矩因數(shù)

圖為扭矩因數(shù)tf隨theta變化tf=-1.064*3.935.*sin(theta3-theta2)./(2.82*sin(theta3-theta4));第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3等效驅(qū)動力矩第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月等效驅(qū)動力矩第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為等效驅(qū)動力矩Med隨n的變化Med=151.3508.*Md;第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4懸點(diǎn)載荷分析1,2曲線是抽油機(jī)上沖程3,4曲線是抽油機(jī)下沖程第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖中—抽油桿在液柱中的重量36000N—抽油桿液面以上整個柱塞面積上的液柱重量30000N—懸點(diǎn)沖程長度m—抽油桿在液體載荷

作用下的靜變形，0.2m圖中四點(diǎn)左邊如下第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月由曲線形狀得1,2,3,4段曲線的方程為：第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月特s，

，

，

帶入公式①得如下結(jié)果：其中以下死點(diǎn)為位移零點(diǎn)，向上為位移正方向，任意時間懸點(diǎn)的位移

為：已知如下參量：第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月將

帶入③得

第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為懸點(diǎn)載荷F隨theta的分段變化F=(180000*pr+30000).*(theta>=0&theta<=0.1378*pi)+(66000).*(theta<=0.9631*pi&theta>=0.1378*pi)+(180000*pr-489025.17).*(theta>=0.9631*pi&theta<=1.2136*pi)+(30000).*(theta>=1.2136*pi&theta<=2*pi);第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為L隨theta的變化曲線theta=0:0.005:2*piL=sqrt(19.3223-9.0759*cos(2.219*pi-theta))第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6等效力矩、等效阻力矩因為構(gòu)件重量對結(jié)果影響不大，故為了簡化方便計算可以忽略全部構(gòu)件的重量:又因為①AB

段時第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月②BC段時③CD段時④DA段時第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為等效阻力矩Mef與theta的分段關(guān)系Mef=((180000.*pr+30000)*3.935*1.064/2.82.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3-theta4)).*(theta>=0&theta<=0.1378*pi)+(66000.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3-theta4)*3.935).*(theta<=0.9631*pi&theta>=0.1378*pi)+((180000*pr-489025.17)*3.935.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3-theta4)).*(theta>=0.9631*pi&theta<=1.2136*pi)+(30000*3.935.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3-theta4)).*(theta>=1.2136*pi&theta<=2*pi);第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1）簡化后模型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡圖如右圖所示2）等效轉(zhuǎn)動慣量Je將抽油機(jī)中所有運(yùn)動件質(zhì)量（從電動機(jī)轉(zhuǎn)子到抽油機(jī)懸點(diǎn)）向曲柄處簡化，用作用于曲柄軸上的轉(zhuǎn)動慣量代替系統(tǒng)中的所有質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量，這樣簡化要滿足動能相等條件，即：第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月:第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月:第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為Je隨theta的變化Je=107549.7594+102195.885.*(1.064/2.82.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3-theta4)).^2;第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.8系統(tǒng)運(yùn)動微分方程非保守系統(tǒng)lagrange方程注意：角速度只是時間的函數(shù)。第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月整理的等效構(gòu)件運(yùn)動微分方程為將:第46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月②ＢＣ段時:③ＣＤ段時：第47頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月④ＤＡ段時:

圖為

關(guān)于t的運(yùn)動曲線第48頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為

關(guān)于

的運(yùn)動曲線第49頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月p=(6*2*pi/10+3.55)/2h=0.0001n=0p_rec(1)=p;x_rec(1)=0;x=0;whilex<0.448n=n+1;k1=h*f_x10_9(p,x);k2=h*f_x10_9(p+k1/2,x+h/2)k3=h*f_x10_9(p+k2/2,x+h/2)k4=h*f_x10_9(p+k3,x+h)p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6x=n*h;p_rec(n+1)=p;x_rec(n+1)=x;end;whilex<3.501n=n+1;k1=h*f_x10_10(p,x);k2=h*f_x10_10(p+k1/2,x+h/2)k3=h*f_x10_10(p+k2/2,x+h/2)k4=h*f_x10_10(p+k3,x+h)p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;x=n*h;p_rec(n+1)=p;x_rec(n+1)=x;end;whilex<3.72n=n+1;k1=h*f_x10_11(p,x);k2=h*f_x10_11(p+k1/2,x+h/2)k3=h*f_x10_11(p+k2/2,x+h/2)k4=h*f_x10_11(p+k3,x+h)p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;x=n*h;p_rec(n+1)=p;x_rec(n+1)=x;end第50頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月whilex<2*pin=n+1;k1=h*f_x10_12(p,x);k2=h*f_x10_12(p+k1/2,x+h/2)k3=h*f_x10_12(p+k2/2,x+h/2)k4=h*f_x10_12(p+k3,x+h)p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;x=n*h;