系列連桿復合平衡抽油機科學技術(shù)研究報告

科學技術(shù)研究報告項目名稱：連桿復合平衡系列抽油機研制完成單位：新疆油田公司機械制造總公司起止時間：2006年11月～2008年3月新疆油田公司機械制造總公司2009年12月一、立項依據(jù)隨著油田開發(fā)的不斷深入，以前較難開采的稠油列入了開發(fā)日程，為配合該區(qū)塊的開發(fā)，必須研制適用于稀/稠油開采的抽油機。二、技術(shù)路線本項目的實施按如下技術(shù)路線實施：方案設(shè)計與論證——結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化——樣機試制與試驗——改進設(shè)計——產(chǎn)品定型、推廣應用。三、國內(nèi)外同類研究的動態(tài)國外抽油機設(shè)計大多按APISPEC11E進行，且大多是應用于稀油開采的常規(guī)型抽油機，采用的是“小泵快抽”方式，沖次高達10余沖以上。采用的平衡方式多數(shù)為曲柄平衡，少數(shù)為游梁平衡和復合平衡。國內(nèi)機型都是針對稀油開采進行設(shè)計，沖次較高，近幾年來采用的平衡方式以游梁平衡、復合平衡為主，純曲柄平衡方式逐漸淘汰。“長沖次、低沖次”的采汲方式具有很多優(yōu)點，已經(jīng)得到國內(nèi)廣大油田用戶的認同，是抽油機設(shè)計的發(fā)展趨勢之一。四、試驗具備的條件我公司是抽油機制造的專業(yè)廠家，具備設(shè)計、制造抽油機的資質(zhì)和實力，具備各類設(shè)備和試驗臺，有經(jīng)驗豐富的設(shè)計、制造團隊。研制本項目的各項試驗條件都具備。五、采取的措施和手段（一）方案設(shè)計階段針對稠油的特性，本系列抽油機機在方案設(shè)計中主要采取了以下措施：1、編制了設(shè)計計算軟件，對整機方案進行了設(shè)計分析，特別分析計算了原油粘度對抽油機懸點載荷的影響，并結(jié)合現(xiàn)場工況分別計算了不同沖程、沖次下抽油機的懸點載荷變化情況、減速器扭矩大小以及電動機功率等參數(shù)。下面以重32井區(qū)工況為例進行說明：圖一、不考慮原油粘度圖二、原油粘度為3000mPa·s在相同工況下，不考慮原油粘度時，上沖程懸點載荷平均約為16kN，下沖程約為7.5kN，考慮了原油粘度后，上沖程懸點載荷約為17.5kN，下沖程約為3.2kN。在粘度的影響下，原先大的上沖程載荷更大，原先小的下沖程載荷更小。圖三、不考慮粘度時減速器扭矩曲線圖四、考慮粘度時減速器扭矩曲線在相同工況下，考慮粘度后，由于上下沖程的載荷差增大，在平衡狀態(tài)下，減速器最大扭矩由5.735kN·m上升到9.1kN·m。對不同工況、不同原油粘度進行了計算，計算結(jié)果統(tǒng)計表如下：表1、計算結(jié)果統(tǒng)計表——沖程2.5m泵徑(mm)井深（m）沖程（m）沖次（次/min）粘度mPa·S最大載荷kN最小載荷kN最大扭矩kN·mφ702702.58500019.52011.99400019.07011.46300018.64011.47200018.260.16410.74100017.893.468.546500020.2011.7400020.1011.5300020.2011.4200020.21.859.7100020.24.27.64500018.9010.7400018.80.70710.1300018.72.369.0200018.64.017.9100018.55.656.8表2、計算結(jié)果統(tǒng)計表——沖程1.8m泵徑(mm)井深（m）沖程（m）沖次（次/min）粘度mPa·S最大載荷kN最小載荷kN最大扭矩kN·mφ702701.88500020.108.84400019.808.72300019.50.0188.57200019.152.357.3100018.84.466.126500019.308.18400019.308.14300019.251.67.22200019.23.46.37100019.15.185.534500018.31.557.24400018.12.746.63300017.933.936.06200017.35.085.49100017.66.04.91說明：1、此結(jié)果是在平衡狀態(tài)下計算得出的。2、懸點載荷出現(xiàn)負值，說明懸點下行速度比光桿下行速度快，此時計算結(jié)果取0，實際運轉(zhuǎn)過程中，將造成沖擊，對抽油機產(chǎn)生不利影響。因長沖程、低沖次的采汲方式具有可提高泵的充滿系數(shù)、延長機桿泵系統(tǒng)的使用壽命、降低動載荷等優(yōu)點，在保證抽油機正常運轉(zhuǎn)的情況，盡可能選擇長沖程、低沖次的組合是最優(yōu)方案。2、提出并應用了游梁+連桿復合平衡方式曲柄平衡消耗金屬多，調(diào)節(jié)不便；游梁平衡可減少連桿、曲柄和曲柄銷的受力，調(diào)節(jié)簡便。考慮到本機型是用于稠油采汲，主要工作在低沖次下，游梁平衡重產(chǎn)生的慣性載荷不大，因此采用游梁平衡效果最好。純游梁平衡抽油機連桿受“拉——壓”循環(huán)力（見圖一），因連桿銷與銷孔之間存在間隙，在循環(huán)力的作用下，連桿銷與銷孔產(chǎn)生往復相互滑動，對銷孔進行擠壓產(chǎn)生摩擦與發(fā)響，長時間作用下可能會造成橫梁軸承損壞，連桿銷磨損嚴重，銷孔變形等問題，形成安全隱患。為解決此類問題，我公司應用了連桿復合平衡理論，即在連桿上增加平衡重或增加連桿的重量，合理搭配游梁平衡重與連桿平衡重的重量，改變連桿銷受力狀態(tài)，使其受力方向不變（見圖二），從而從根本上解決連桿銷發(fā)響的問題。圖五：純游梁平衡連桿銷受力圖六：連桿復合平衡連桿銷受力在計算機中建立力學模型，并進行計算，確定了連桿平衡重的重量。圖七、純游梁平衡連桿銷受力圖八、游梁+連桿平衡連桿銷受力3、通過四連桿機構(gòu)的優(yōu)化，提高泵效。對四桿尺寸進行調(diào)整，使抽油機具有大極位夾角的特性，上沖程曲柄轉(zhuǎn)過的角度小于下沖程時曲柄轉(zhuǎn)過的角度，實現(xiàn)“上快下慢”的抽油方式，進一步提高泵的充滿系數(shù)。4、為克服連桿平衡重在抽油機運轉(zhuǎn)到上下極點位置時，對減速器扭矩所造成的不利影響，采取了增加不可調(diào)曲柄配重的方法來對其進行平衡。（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計階段對關(guān)鍵零部件進行了強度校核，設(shè)計了工作圖400余張，編制了加工工藝、明細表、使用說明書、裝箱單等技術(shù)文件。用于指導生產(chǎn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。（三）試驗階段按照SY/T5044-2003《游梁式抽油機》標準對試制出的樣機進行了廠內(nèi)試驗，分空載試驗和額定載荷兩種工況進行。對抽油機各項質(zhì)量指標進行了檢驗，檢驗結(jié)果表明，產(chǎn)品質(zhì)量達到合格標準。將樣機安裝到油田現(xiàn)場進行試驗，并委托中國石油天然氣集團公司西北節(jié)能監(jiān)測中心對樣機進行了抽油機系統(tǒng)效率測試，并出具了測試報告。根據(jù)試驗結(jié)果對樣機進行了改進，并委托國家油氣田井口設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對本機進行了型式檢驗，檢驗結(jié)論為：經(jīng)檢驗，該樣品所檢項目符合標準要求。（三）改進階段針對試驗發(fā)現(xiàn)的問題及用戶提出的建議進行如下改進：1：驢頭。驢頭設(shè)計寬度較小，使得鋼絲繩調(diào)整空間受限，因此將驢頭加寬，解決了該問題。在現(xiàn)場應用中，時常發(fā)生光桿下行速度過慢的情況，導致驢頭下行時碰光桿，為此，我們在驢頭上設(shè)計了抽油機光桿防碰彎裝置，在驢頭下部增加了一段引導圓弧，使光桿在與驢頭的接觸時是沿弧面滑動，而不是直接頂?shù)襟H頭。圖九：改進前驢頭圖十：改進后驢頭2：翻轉(zhuǎn)式可快速更換皮帶電機托架。原設(shè)計為固定式電機座，更換皮帶時，要將電機的固定螺栓松開，移動電動機使皮帶松弛，然后更換皮帶，再將電動機移回，用頂絲頂電動機繃緊皮帶，用“四點一線”法檢測大、小皮帶輪端面的平面度誤差。整個過程費時費力。為了方便更換皮帶，將原固定式電機座改進為翻轉(zhuǎn)式電機托架，在更換皮帶時，只需松開電機托架的調(diào)整螺栓，然后連電機一起翻轉(zhuǎn)電機托架，自然松開皮帶，更換皮帶后，在翻轉(zhuǎn)回位，固定調(diào)整螺栓即可，省去了“四點一線”這個檢測過程和頂絲頂緊的過程，方便了用戶維護。圖十一：翻轉(zhuǎn)式電機托架3：皮帶。最初設(shè)計的CYJ3-2.5-9HYL型抽油機皮帶為3槽ZV9J的聯(lián)組帶，在使用中發(fā)現(xiàn)存在皮帶磨損快的問題，后對皮帶輪及皮帶進行了細致的分析并進行了改進，將皮帶改為6槽ZV9J的聯(lián)組帶，然而在應用中皮帶磨損快的問題仍然存在，因該皮帶均為克市橡膠廠生產(chǎn)，第三次改進采取了兩種方案并行的方法，一種是將皮帶更改為3槽ZV15J的皮帶，仍采用橡膠廠的皮帶，一種是使用外地的6槽ZV9J的皮帶，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方案均能夠解決皮帶磨損快的問題。最終我們確定了采用3槽ZV15J的聯(lián)組帶。圖十二：三槽ZV9J圖十三：6槽ZV9J圖十四：3槽ZV15J4：懸繩器。在稠油開采中易出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，此時光桿會產(chǎn)生振動，撞擊擋板，造成擋板固定螺栓松脫或斷裂等現(xiàn)象。為此，設(shè)計了分體式自鎖防脫懸繩器，安裝完成后，光桿被鎖定在懸繩器架體中心，解決了此類問題。固定螺栓固定螺栓M8擋板 圖十五、改進前圖十六、改進后（四）推開應用階段總結(jié)了CYJ3-2.5-9HYL抽油機設(shè)計經(jīng)驗，推廣應用連桿復合平衡理論及“長沖程、低沖次”的工作方式，又設(shè)計了CYJS5-3-18HY、CYJS8-3-37HY以及CYJY4-2.5-13HF抽油機。形成了系列連桿復合平衡抽油機。六、主要技術(shù)經(jīng)濟指標型號和技術(shù)參數(shù)型號額定懸點載荷（10kN）沖程（m）沖次（次/min）減速器扭矩kN·mCYJ3-2.5-9HYL32.5/1.84/69CYJY4-2.5-13HF42.5/2.14/613CYJS5-3-18HY53/2.4/1.84/5.5/818CYJS8-3-37HY83/2.5/1.84/5/637本系列抽油機與油田在用機型、標準推薦機型的性能指標對比情況見以下各表。CYJ3-2.5-9HYL抽油機與之前油田在用抽油機相比，沖程增加0.7m，與標準含有但目前國內(nèi)未見生產(chǎn)的3-2.1-13抽油機相比，沖程增加0.4m，減速器扭矩降低一個級別。型號參數(shù)額定懸點載荷10kN沖程m沖次次/min減速器扭矩kN·m電動機功率kW備注CYJ3-2.5-9HYL32.5/1.84/697、9本機CYJB3-1.8-9HF31.8/1.5/1.25/7/1095、7、9油田在用3-2.1-1332.113未知標準含有CYJY4-2.5-13HF抽油機與之前油田在用抽油機相比，沖程增加0.7m，標準含有4-2.5-13及4-3-18抽油機目前國內(nèi)未見生產(chǎn)。型號參數(shù)額定懸點載荷10kN沖程m沖次次/min減速器扭矩kN·m電動機功率kW備注CYJY4-2.5-13HF42.5/1.84/6139、12本機CYJ4-1.8-13HPF41.8/1.5/1.25/7/10137、9、12油田在用4-2.5-1342.513未知標準含有4-3-184318未知標準含有CYJS5-3-18HY抽油機與之前油田在用抽油機相比，沖程增加0.5～1.2m，電動機功率最低，與標準含有但目前國內(nèi)未見生產(chǎn)的5-3-26抽油機相比，減速器扭矩降低了一個級別。型號參數(shù)額定懸點載荷10kN沖程m沖次次/min減速器扭矩kN·m電動機功率kW備注CYJS5-53/2.4/1.84/5.5/8188、12、16本機CYJ5-1.8-18HPF51.8/1.5/1.25/7/10188、12、16油田在用CYJY5-2.5-18HB52.5/2.1/1.86/9/121818.5油田在用5-3-265326未知標準含有CYJS8-3-37HY抽油機與之前油田在用抽油機相比，沖程增加0.5～1.2m，電動機功率降低了一個級別。型號參數(shù)額定懸點載荷10kN沖程m沖次次/min減速器扭矩kN·m電動機功率kW備注CYJS8-83/2.5/1.84/3718.5本機CYJ8-383/2.5/1.86/9/123722油田在用CYJ8-3-53HB83/2.5/1.86/9/123722油田在用七、技術(shù)關(guān)鍵和創(chuàng)新點關(guān)鍵技術(shù)：（1）、連桿平衡方式理論研究與平衡介質(zhì)的設(shè)計與選擇；（2）、小型長沖程、低沖次抽油機的方案設(shè)計、運動分析、動力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、稠油粘度對使用抽油機的影響研究；創(chuàng)新點：（1）、連桿平衡理論由我公司提出并首次在抽油機上應用，為國內(nèi)外首創(chuàng)，解決了純游梁平衡抽油機連桿銷、橫梁軸發(fā)響易損的問題。我公司已經(jīng)申請并獲得了實用新型專利，專利號：ZL200720200171.4。（2）、在小型抽油機上采用長沖程、低沖次的設(shè)計是一個技術(shù)突破；SY/T5044標準推薦3型抽油機的最大沖程為2.1m，之前油田在用的3型機為1.8m，本設(shè)計達到了2.5m，高于標準的推薦值，比其他3型機最大沖程增加了約40％，實踐證明是可行的，很好的滿足了油田的應用需求。該設(shè)計為國內(nèi)外首創(chuàng)。（3）、研制了抽油機光桿防碰彎裝置，簡單的結(jié)構(gòu)解決了稠油采汲中易出現(xiàn)的光桿頂抽油機驢頭的問題，該裝置我公司已申請并獲得了實用新型專利，專利號：ZL200720201129.4。（4）、研制了翻轉(zhuǎn)式可快速更換皮帶電機托架，提高了日常維護作業(yè)時更換皮帶的工作效率和工作質(zhì)量。我公司已就此申請并獲得了實用新型專利，專利號：ZL200820302886.5。八、技術(shù)重點與適用范圍1、連桿平衡能夠改善連桿銷受力狀況，實踐證明是可行的，可推廣應用形成全系列抽油機，實現(xiàn)游梁式抽油機的更新?lián)Q代。但在設(shè)計應用中應注意對四連桿機構(gòu)的優(yōu)化，當曲柄處于水平位置時，盡量使連桿處于垂直狀態(tài)，降低用戶調(diào)整沖程的難度。2、“長沖程、低沖次”的設(shè)計方案在游梁式抽油機上的應用是可行的，抽油機基本參數(shù)可以突破SY/T5044標準的局限，今后可以推廣應用到其他型號抽油機的設(shè)計上。3、改變抽油機旋向，實現(xiàn)“快下慢上”的采汲方式，即可適用于稀油采汲。九、已推廣應用的情況截止到2009年11月，該系列抽油機累計應用情況如下表：型號應用地點數(shù)量（臺）產(chǎn)值（萬元）利稅（萬元）CYJ3-2.5-9HYL新疆油田4253400340CYJY4-2.5-1