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1、摘 要在新疆油田节能降耗、挖潜增效的工作背景下，对常规十型抽油机进行了系统的理论研究，提出了改造方案，并对方案进行对比分析，选取最优方案进行现场改造试验，最后大面积推广。具体内容如下：首先，对国内外抽油机的发展概况、常规抽油机的改造现状进行了论述，并提出了本论文的主要研究内容。其次，对常规游梁式抽油机的运动学、动力学、减速器扭矩特性进行了深入的研究，为抽油机改造方案优选提供了理论依据。再次，对抽油机采油系统效率进行了研究，指出了影响系统效率的因素以及提高效率的措施；对游梁式抽油机能耗、平衡理论进行了分析，从而对节能机理进行了研究，为抽油机改造方案设计提供了理论支持。第四，选取典型常规十型抽油机
2、、典型井况进行了理论计算，得到了抽油机悬点载荷、减速器净扭矩、均方根扭矩、周期载荷系数等参数。设计了三种抽油机改造方案，并逐一进行了理论计算，同时对三种方案进行对比分析，进行现场改造试验。第五，对现场应用效果、经济效益和社会效益进行总结，验证了改造方案的可行性，确定了一种改造方案进行大面积推广。最后对全文的研究内容进行了简要的总结。关键词：抽油机；效率分析；节能；改造System efficiency analysis and energy conservation improvement for the 10-size conventional beam pumping unitABSTRA
3、CTAt the background of energy-saving and improving efficiency of the Xinjiang Oilfield Company, systematically studied the 10-size conventional beam pumping unit, put forward reconstruction projects, selected the most excellent project to test by contrasting the projects, finally extended largely. D
4、etailed content was followed：Firstly, the development overview of domestic and international pumping unit, the status quo of the reconstruction of conventional beam pumping unit were discussed, and put forward the main contents of this paper.Secondly, the kinematics, the dynamics and the reducers to
5、rque characteristics of the conventional beam pumping unit were studied deeply to provide a theoretical basis for optimization of reconstruction projects.Thirdly, system efficiency of the pumping unit was studied, the factors affecting the system efficiency, and the measures improving the system eff
6、iciency were pointed out, the energy consumption and the equilibrium theories of the pumping unit were analyzed, and the energy-saving mechanism of the pumping unit was studied, which provided theoretical support for the design of the reconstruction projects.Fourthly, selected the typical pumping un
7、it, the typical well conditions to calculate, got the parameters of the pumping unit, such as the horse-head load, the net torque of reduce ,the loop mean square torque ,the periodical load coefficient and so on. Designed three reconstruction projects, calculated and contrasted them, and then to try
8、 out.Fifthly, summarized the effect of the application on the field, the economic and social benefits, verified the feasibility of reconstruction projects, and then selected one project to extend on a large scale.Finally, briefed the research contents of the paper.Key Words：beam pumping unit; effici
9、ency analysis; energy-saving；reconstruction目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 国内外现状分析及发展趋势21.2.1 游梁式抽油机研究现状21.2.2 无游梁抽油机研究现状41.2.3 国内常规抽油机的改造现状41.2.4 国内抽油机发展趋势51.3 研究目标51.4 研究内容51.5 技术路线6第2章 游梁式抽油机基本理论72.1 游梁式抽油机运动学分析91072.1.1 游梁式抽油机四杆机构的几何关系82.1.2 游梁式抽油机运动特性分析102.2 游梁式抽油机的悬点载荷910122.2.1 悬点静载荷
10、与静力示功图122.2.2 悬点动载荷与动力示功图152.2.3 悬点最大载荷与最小载荷172.3 游梁式抽油机减速器的扭矩计算910172.4 游梁式抽油机的功率计算920第3章 游梁式抽油机节能研究223.1 机采系统效率分析10 26223.1.1 系统效率分解223.1.2 提高系统效率的措施263.2 游梁式抽油机节能机理分析273.2.1 游梁式抽油机能耗分析273.2.2 游梁式抽油机平衡分析20283.2.2 游梁式抽油机节能机理分析11232534第4章 常规游梁式抽油机节能改造方案设计374.1 常规十型抽油机性能分析374.2 常规抽油机改造方案设计414.3 常规抽油机
11、改造方案对比分析514.4 常规抽油机改造方案优选52第5章 常规游梁式抽油机节能改造现场应用535.1 常规抽油机改造试验19535.2 常规十型抽油机改造应用565.3 经济效益57第6章 结论58参考文献59第1章 绪论1.1 研究的目的和意义21世纪初，随着世界经济全球化的迅猛发展，有力推动了能源需求的快速增长，石油作为主要的战略能源日趋成为国际政治舞台的主角，成为各国政要交流博弈的焦点，今后相当长一段时间内，围绕石油资源的竞争仍将进一步加剧1。2008年是国际油价高位运行、剧烈震荡的一年，2009年是继2008年后国际油价第二个大幅波动之年，全年国际油价波幅高达近140%，仅次于20
12、08年。2010年，随着石油价格的理性回归，石油开采成本问题也摆在了各大石油公司的面前。2009年哥木哈根联合国气候大会确定了节能减排、发展低碳经济的全球共识，石油行业既是主要能源生产部门，也是排放和耗能的大户，如何顺应低碳经济发展的形势搞好节能减排增效、抓住机遇谋得新的更好的发展，己成为全球石油石化业界的共同任务和重要目标2。新疆油田已有50余年的发展历史，目前各采油厂均已中后期发展，油田逐渐丧失自喷能力，并逐步采用机械采油方式进行原油的开采，将地下原油抽取到地面的机械设备抽油机则在油田开采中占有举足轻重的地位。新疆油田的抽油机井占机采井的92%以上，近几年的统计结果表明，中石油的抽油机井的
13、系统效率大概在25%左右，而新疆油田的抽油机井的系统效率为22%左右，处于较低水平。根据有杆抽油系统的特点，抽油机井的系统效率可以分为地面效率和井下效率两部分，以光杆为界，光杆以上的机械传动效率和电机的运行效率乘积为地面效率，光杆以下到抽油泵，再从抽油泵到井口的效率为井下效率，因此抽油机的系统效率是影响地面效率的主要因素。在整个采油成本中，抽油机的电费占了30%，抽油机年耗电量占油田总耗电量的25%30%。因此，抽油机的节能研究是新疆油田节能降耗工作的一个重点。近年来，随着抽油机研究技术的不断深入，出现了各种类型的节能抽油机，如前置式抽油机、偏轮式抽油机、双驴头抽油机、链条式无游梁抽油机、液压
14、式抽油机、数控抽油机等新型抽油机。但在新疆油田仍有大部分常规游梁式抽油机在役使用，常规游梁式抽油机(以下简称常规抽油机)具有结构简单、可靠耐用、操作维修方便、现场适应性好等优点，所以在相当长的时间内一直扮演着有杆抽油系统地面设备的主角。由于常规抽油机本身的结构特征，决定它的平衡效果较差、曲柄轴净扭矩波动大、负扭矩较大、工作效率低、能耗高。新疆油田目前已经进入高含水期，注水开发以提高产液量是油田稳产的主要途径，这种开采特点就使得常规抽油机不能适应长冲程、低冲次、重载荷、低耗能的特点。但更换新型抽油机费用相对较高，因此对这些常规抽油机进行节能改造是目前迫切需要解决的问题，从国内对抽油机改造的经验来
15、看，改造一台抽油机的费用约为更换新机的30%-40%，且改造周期比制造新抽油机周期短，能及时满足油田生产的需要，有着良好的经济效益和社会效益。本课题就是吸取国内抽油机改造的经验教训，对常规十型抽油机进行全系统的效率分析，提出合理的改造方案，使之既保持常规抽油机的优点又能体现出节能降耗的特点，最大限度的降低采油成本。1.2 国内外现状分析及发展趋势1.2.1 游梁式抽油机研究现状游梁式抽油机自诞生以来已经历了一百余年的发展历史，在这一发展过程中，常规抽油机在几十年的时间内占据了主导的地位，随后国内外各生产厂家先后研制出了前置式抽油机、异相曲柄抽油机、空气平衡抽油机、双驴头抽油机等各种型号新型抽油
16、机。目前在国外，美国Lufkin公司主要生产常规游梁式抽油机，按照API标准制造，前置式抽油机也是该公司的主要产品，马克前置式抽油机上冲程曲柄转角195，下冲程为165，从而降低扭矩峰值，该机上冲程开始比油井负荷扭矩滞后7.5，下冲程开始比油井负荷扭矩提前7.5，从而提高平衡效果3。美国CMI公司主要生产偏置式抽油机，该机特点在于连杆与游梁夹角始终为90，曲柄转角上冲程为192，下冲程为168，惯性负荷小，峰值扭矩小。加拿大主要生产商是雷姆斯公司，主要生产常规式、前置式、偏置式抽油机。其它如法国、罗马尼亚等国生产的抽油机与美国相仿，前苏联抽油机平衡方式大多采用曲柄平衡，重型机采用气动平衡4。对
17、于节能游梁式抽油机的研究，国外研究不多，机型少，主要机型是前置型抽油机和异相曲柄抽油机5。我国目前抽油机生产厂家众多，在节能抽油机的研制开发上，20世纪80、90年代出现了高峰，在常规抽油机的基础上进行技术革新和创造，继承其优点、克服其缺点，从平衡方式上进行着手公关，按照变矩平衡原理，研制开发了许多节能高效的新型游梁式抽油机，尽管抽油机的种类很多，结构形式各异，但是在油田上被普遍采用的抽油机种类并不是很多，近年来在油田主要应用的抽油机有以下几种36：(1)常规曲柄平衡抽油机常规曲柄平衡抽油机至今在世界各产油国中仍占绝对数量优势，其结构简单、可靠耐用，操作维修方便是其经久不衰的根本原因。但常规曲
18、柄平衡抽油机的结构特点也决定了其自身存在诸多的不足，如工作中产生很大的交变载荷，能耗高、不容易实现长冲程等，无法解决“大马拉小车”、能耗高的缺点，这给用户造成较大的资源浪费。(2)异相曲柄抽油机异相曲柄抽油机与常规游梁式抽油机相比，该机的游梁后臂长度缩短，减速箱相对于支架的位置后移。曲柄中心至中央轴承座中心的水平距离大于游梁后臂，使二者之差约等于曲柄旋转半径，当游梁处于水平位置时，曲柄亦处于水平位置。该抽油机的平衡重中心线与曲柄中心线间有一偏置角，当悬点位于上、下死点时，连杆间存在一个12左右的极位夹角，这种结构形式使得平衡块扭矩曲线的相位提前，从而使得悬点载荷通过连杆在曲柄轴上产生的扭矩与平
19、衡块在曲柄轴上产生的扭矩叠加后的净扭矩曲线比较平坦，因而使电动机电流的波动减小，抽油机地面系统效率提高，这是该机节能的首要原因。但是，由于该抽油机完全继承了常规游梁式抽油机的四连杆机构，结构上为了满足曲柄存在的条件和一定传动角的要求，结果限制了杆件长度，使之不具备增程的功能。(3)下偏杠铃游梁复合平衡抽油机该机由新疆第三机床厂于1998年设计制造，主要有内插式结构和外翘式结构，该机继承和保留了原常规游梁式抽油机的全部优点，具有结构简单、可靠、耐用维护费用低等优点。(4)调径变矩节能抽油机该机为新疆第三机床厂研制的调径变矩节能抽油机，这种抽油机的显著特点是取消了曲柄平衡，将传统的直游梁设计成“”
20、形弯游梁，并分解成“”形游梁体与“”形吊臂两段，吊臂为上大、下小变截面等强度梁，既节材又减小了迎风面积。配重置于吊臂末端，相对游梁大幅下置，便于安装和调整，并且下置的幅度可调。针对不同的工况、井况下的载荷都有较好的平衡效果，适用于中、低粘度较深油藏的开采。但该机因吊臂过长，使抽油机侧向稳定性受到较大考验。(5)前置型双驴头游梁抽油机前置型双驴头抽油机，在保持了常规抽油机优点的同时，采用了偏置变矩技术原理，将偏置平衡配重载荷和悬挂平衡配重载荷有机地结合在一起，有效降低了净扭矩的波动性。解决了常规抽油机因平衡不佳而耗能大的问题，也解决了固定四杆机构的死角问题，有利于游梁摆角的加大，实现抽油机的小结
21、构、大冲程、从而提高了抽油机的综合效率，成为一种较理想的地面采油设备。(6)异形游梁双驴头抽油机该机是华北石油管理局第一石油机械厂于1992年设计的一种新型的游梁式抽油机，它在游梁式抽油机的游梁后臂上增加了一个后驴头，将连杆与游梁的转动副联接变为柔性件和后驴头的相切联接，用驱动绳来代替连杆的硬连接，从而改变了连杆与游梁之间的传力特性。工作时，游梁后臂的有效长度随曲柄转角变化而变化，从而降低了净转矩值，达到了更好的平衡效果，而且降低了能耗和整机的质量，有利于提高冲程。但是，其柔性连接件的寿命较短，常出现柔性绳断头现象，影响正常生产；后驴头的变径弧形(阿基米德螺线形或圆弧形)加工难度较大。 (7)
22、弯游梁抽油机弯游梁抽油机采用前置驱动，取消常规抽油机的大回转半径的曲柄平衡方式，结构上使游梁下偏一定角度，平衡重固定在游梁尾部，整机运转平稳，净扭矩曲线比较平稳，实现了节能降耗。该技术在常规抽油机的改造上应用，能够明显提高常规机的平衡率，降低能耗，在全国各油田得到应用。缺点是游梁后部附加的平衡装置惯性载荷大，在较高冲次下，整机出现颤动、发响，影响了正常的运转。另外在小冲程时，平衡装置距离地面高，人工调节平衡作业不方便。弯游梁抽油机比较适用于低冲次工况。1.2.2 无游梁抽油机研究现状20世纪70年代以来，各种形式的无游梁抽油机应运而生，相继问世，使有杆泵机械采油技术有了突破性进展。目前，国内外
23、已有近百家厂商研制无游梁抽油机，美国是最早研制无游梁抽油机的国家，目前有几十家公司研制各种无游梁抽油机，品种多达几十种。此外，法国的玛普公司、力士石油器材公司，加拿大的石油热能发展有限公司都是实力雄厚的无游梁抽油机研制公司，前苏联的阿塞拜疆石油机械科研所和国立石油机械制造科学设计院，是前苏联无游梁抽油机研究制造的两大基地。我国无游梁抽油机研制起步较晚，但近年来发展很快，已投入使用和正在设计、研究、开发、制造的无游梁抽油机达数十种之多。无游梁抽油机的最大优点在于没有笨重的游梁，大大降低运动系统的惯性负荷，容易实现长冲程，相对损失小，有效冲程大。其发展潜力很大，推广应用前景广阔，但由于其起步较晚，
24、还存在着诸多缺点和不足，例如：结构复杂、运动件多、成本高、维护困难、电气元件多且质量不高、钢丝绳寿命短等7。1.2.3 国内常规抽油机的改造现状目前国内常规抽油机的改造方案主要有以下几种形式：(1)将常规游梁抽油机改造成旋转驴头抽油机，近年来江汉石油学院对河南油田的部分常规抽油机进行了旋转驴头式改造，使其增大了冲程，得到了重新利用。(2)二次平衡改造，抽油机二次平衡技术是近几年提出的新技术，二次平衡的平衡方式多种多样，从各油田的使用情况来看，平衡效果很好，节能效果明显。(3)长庆、江汉、大庆等油田进行过电动机反转、曲柄偏置、改变四杆机构等各种形式的节能改造。1.2.4 国内抽油机发展趋势通过对
25、我国新型抽油机的分析研究，可以看出我国抽油机的发展趋向，主要体现在以下16个方面:(1)向多品种方向发展； (2)科研设计与制造向多方位方向发展；(3)理论与科研向高水平方向发展；(4)向高适应性发展；(5)向高效节能方向发展；(6)向高综合经济效益方向发展；(7)向尽量满足采油工艺需要方向发展；(8)向高技术方向发展；(9)向高可靠性方向发展；(10)向高性能方向发展；(11)向大型化方向发展；(12)向增大冲程方向发展；(13)向长冲程无游梁抽油机方向发展；(14)向精确平衡方向发展；(15)液压抽油机向功能回收型方向发展；(16)向标准化、系列化、通用化方向发展8。1.3 研究目标(1)
26、改进后的常规十型抽油机与改造前相比其单机日均耗电量下降15%以上；(2)在相同工况条件下，抽油机井的地面效率提高20%以上；(3)改进后的抽油机安装方便，便于维护。1.4 研究内容(1)针对常规十型抽油机工作的典型工况进行系统的全效率分析，找出影响该抽油机系统效率低的各种因素，针对主要因素对其进行设计改造。(2)在现有文献的基础上，对我国开发研制的各种节能抽油机在其结构、运动特性、节能效果上进行对比和评价，选择一种高效的节能抽油机的结构形式对常规抽油机进行节能改造。(3)结合现有游梁抽油机的工作原理，对常规抽油机和节能抽油机的运动及动力性能、悬点载荷计算、减速箱曲柄转矩计算进行详尽的分析，为后
27、续设计改造提高理论依据。(4)对常规抽油机改造后的系统效率和节能效果进行评价。1.5 技术路线(1)分析国内常规型游梁式抽油机运动及平衡机理；(2)分析国内节能型游梁式抽油机运动及节能机理；(3)对比分析常规抽油机和节能抽油机的系统效率；第2章 游梁式抽油机基本理论游梁式抽油机的工作原理是：电动机将电能转换为旋转运动，再经过减速箱减速后，利用四连杆机构将旋转运动转变为直线往复运动，通过驴头、悬绳器、光杆、抽油杆带动深井泵抽油3。游梁式抽油机的基本工作理论包括：运动学分析、悬点载荷计算、平衡问题、减速器输出轴的扭矩计算和抽油机功率的确定。本章叙述的基本工作理论是基于抽油机曲柄旋转角速度等于常数这
28、一基础之上的。2.1 游梁式抽油机运动学分析910游梁式抽油机运动分析的主要任务是：求出驴头悬点的位移、速度和加速度随时间变化的规律，为载荷分析和扭矩计算提供运动学依据。在曲柄角速度等于常数的情况下，问题也就归结为求解悬点位移、速度和加速的随曲柄转角的变化规律。本章对抽油机理论的研究均以后置式常规游梁式抽油机(如图2.1)为例进行讨论。1驴头； 2游梁；3横梁；4连杆； 5曲柄；6减速器7电动机；8刹车；9底座； 10支架；11悬绳器； 12光杆卡瓦； 13吊绳；图2.1常规游梁式抽油机结构图2.1.1 游梁式抽油机四杆机构的几何关系为了便于研究，对抽油机四杆机构的参数采用下列符号表示(如图2
29、.2)：A：游梁前臂长度，m；C：游梁后臂长度, m；P：连杆长度，m；R：曲柄半径，m；K：极距，减速器输出轴中心到游梁支撑中心的距离，m；H：游梁支撑中心到底座底部的高度，m；I：游梁支撑中心到减速器输出轴中心的水平距离，m；J：曲柄销轴承中心到游梁支撑中心的距离，m；G：减速器输出轴中心线到底座底部的高度，m；：曲柄转角，以曲柄半径R处于12点钟位置作为零度，沿曲柄旋转方向度量；：零度线与K的夹角，由零度线到K沿曲柄旋转方向度量；：C与P之间的夹角；：P与R之间的夹角；：C与K之间的夹角；t：光杆在最高位置时，C与K之间的夹角；b：光杆在最低位置时，C与K之间的夹角；：C与J之间的夹角；
30、：K与J之间的夹角；k：K与R之间的夹角，由K到R沿曲柄旋转方向度量；：曲柄旋转角速度 s-1；n：冲次 min-1 。为了便于分析计算，特规定本章所有计算式中的“”号的意义是：“+”号用于曲柄顺时针方向旋转，“-”号用于曲柄逆时针旋转。则常规型游梁式抽油机几何关系计算式如下： (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) (2.8) (2.9) (2.10)图2.2 常规游梁式抽油机机构运动简图2.1.2 游梁式抽油机运动特性分析(1)悬点位移悬点位移： Si=Ai =A(-) (2.11)悬点最大位移：=A(-) (2.12)位置因数： (2.13)(
31、2)悬点速度利用速度瞬心法(见图2.3)可得图2.3 速度瞬心法图解 (2.14)式中游梁摆动的角速度为： (2.15)悬点速度v(m/s)： (2.16)无因次速度： (2.17)(3)悬点加速度游梁摆动的角加速度： (2.18)悬点加速度： (2.19)无因次加速度： (2.20)(4) 游梁式抽油机运动特性抽油机悬点的位移、速度和加速度均是曲柄转角的周期函数，其大小和变化规律反映了抽油机的运动特性，对抽油机的悬点载荷以及减速器输出轴的扭矩特性均有较大影响。当抽油机曲柄半径相对于其它杆长来说很小时(R/C、R/P、R/K0)悬点运动可近似看成为简谐运动。位置因数以及无因次速度和无因次加速度
32、的计算公式可简化为： (2.21) (2.22) (2.23)上、下死点位置时的实际加速度与按简谐运动公式计算出的加速度之比值称为运动指标,用表示.下死点时的运动指标: (2.24)上死点时的运动指标: (2.25)运动指标越接近1,悬点的实际运动规律越接近简谐运动.运动指标取决于游梁式抽油机四连杆机构的杆长比值，R/P与R/C越小, 越接近1,而这也意味着相同冲程长度下四连杆机构的尺寸也越大。2.2 游梁式抽油机的悬点载荷910游梁式抽油机通过抽油杆柱带动井下抽油泵工作时，在抽油机驴头悬点上作用有三类载荷：(1)静载荷，是包括抽油杆柱自重以及油管内外液体静压力作用于抽油泵柱塞上的液柱静载荷。
33、(2)动载荷，是由于抽油杆柱和油管内液体作不等速运动而产生的杆柱动载荷以及作用于柱塞上的液柱动载荷。(3)各种摩擦阻力产生的载荷。在抽油机驴头悬点上下往复运动过程中，载荷作周期性变化，反应悬点载荷随其位移变化规律的图形称为光杆示功图。在抽油机设计中，对示功图的分析是十分必要的。2.2.1 悬点静载荷与静力示功图(1)抽油杆柱自重 (2.26)式中抽油杆柱自重，；每米抽油杆柱自重， ；抽油杆柱总长或挂泵深度，m。抽油杆柱在液体中的自重： (2.27)式中井液密度，；抽油杆密度，对钢制抽油杆=7.85。(2)作用于柱塞的液柱载荷 (2.28)式中柱塞面积，；重力加速度，=9.81；泵的沉没深度，；
34、油井动液面深度，。(3)悬点静载荷上冲程悬点静载荷为： (2.29)下冲程悬点静载荷为： (2.30)(4)静力示功图在由下冲程转为上冲程时，抽油杆柱伸长；在由上冲程转为下冲程时，抽油杆柱缩短。伸长或缩短的变形量为： (2.31) (2.32)式中抽油杆柱静变形，；抽油杆截面积，； 抽油杆钢材弹性模量，2.12108 ； 抽油杆弹性常数，。当油管底部不锚定时，在由下冲程转为上冲程时，油管柱缩短；在由上冲程转为下冲程时，油管柱伸长。其静变形量为； (2.33) (2.34)式中油管柱静变形，；油管截面积，；油管弹性常数，。总的静变形量： (2.35)式中为变形分配系数， (2.36)抽油泵柱塞的
35、有效冲程长度： (2.37)图2.4 静力示功图在上冲程开始阶段的静变形期内，悬点载荷由逐渐上升，到静变形结束时(即悬点位移等于时)，达到。在下冲程开始阶段的静变形期内，悬点载荷由逐渐减少，到静变形结束时(即悬点位移等于时)，又减小到。这就是悬点静载荷随悬点位移的变化规律，用图形表示，称为静力示功图(如图2.4)。它代表了悬点载荷变化的基本规律，是悬点载荷计算的基础，也是分析实际示功图的基础。2.2.2 悬点动载荷与动力示功图(1)动载荷计算抽油杆柱和液柱在不等速运动过程中产生惯性力而作用于悬点的载荷称为动载荷。上冲程动载荷： (2.38)下冲程动载荷： (2.39)式中抽油杆柱动载荷 (2.
36、40)液柱动载荷 (2.41) 加速度修正系数 (2.42)油管流通面积，；作用于柱塞环形面积上的液柱重量，。 (2.43)(2)动力示功图将动载荷的变化叠加到静力示功图上，就得到简化动力示功图，见图2.5。图中A、B、C、D四个特殊点的已知，可求出对应的曲柄转角和加速度，因此各点的悬点载荷为： (2.44) (2.45) (2.46) (2.47)式中 下死点时的悬点加速度()；上冲程静变形结束时的悬点加速度()；上死点时的悬点加速度()；下冲程静变形结束时的悬点加速度()。图2.5 简化动力示功图整个冲程悬点载荷的计算公式如下： (2.48)(3)考虑弹性振动后的动载荷和动力示功图因抽油杆
37、柱、管柱、液柱自由振动在抽油杆柱顶端产生的振动载荷Wv为： (2.49)式中 k常数，其数值取决于ct/L,当此数值为0-1时k=0，当此数值为1-3时k=1，当此数值为3-5时k=2，当此数值为5-7时k=3；c抽油杆内声波传动速度 m/s；考虑弹性振动后的动力示功图如图2.6所示，它比简化动力示功图更接近于实际示功图15。图2.6 考虑振动后的动力示功图2.2.3 悬点最大载荷与最小载荷悬点载荷当中的最大与最小载荷是非常关键的数据，在实测示功图上，可以直接看出，但油井工况复杂，不可能找出一种适用于所有井况的载荷计算公式。目前计算抽油机载荷极值的公式有许多，但都在一定的假设条件下得出的，都有
38、一定的局限性。主要的公式有美国石油学会公式13、威尔诺夫斯基-阿道宁公式14 和简化的计算公式。2.3 游梁式抽油机减速器的扭矩计算910(1)减速器扭矩计算公式本章以曲柄平衡的游梁式抽油机(见图2.7)为例研究减速器的扭矩计算。图2.7曲柄平衡游梁式抽油机扭矩计算图为了便于研究特设定下列符号：摆动件自重(游梁、驴头、横梁等)，；摆动部件重心至游梁支承的距离，；摆动部件的转动惯量，；游梁与水平线之间的夹角；曲柄处于水平位置时平衡重与曲柄对减速器输出轴中心的力矩，；平衡相位角，即曲柄轴中心到曲柄平衡重重心之连线与曲柄半径R的夹角；由R到连线按旋转方向度量；四连杆机构的传动效率。B游梁抽油机的结构
39、不平衡重：考虑四连杆机构的摩擦损失和摆动部件的转动惯性，再加上曲柄平衡扭矩，则曲柄轴上的净扭矩的一般计算公式为： (2.50)式中扭矩因数，；代表单位悬点载荷在曲柄轴上产生的扭矩； (2.51)为常数；时，；，。(2)减速器扭矩曲线和扭矩特性参数在曲柄旋转一周的过程中，减速器扭矩随作周期性的变化，其变化规律可用扭矩曲线图(图2.8)来表示。曲柄平衡的游梁式抽油机的减速器扭矩曲线由载荷扭矩Tw()、平衡扭矩Ty()及净扭矩Tn()3条曲线组成。图2.8 减速器扭矩曲线图游梁式抽油机减速器的扭矩特性参数主要有平均扭矩、最大扭矩 、扭矩指数、最小扭矩 、均方根扭矩和周期载荷系数，其中平均扭矩、最大扭
40、矩、最小扭矩均可在扭矩曲线图上求出。扭矩指数：扭矩指数是平均扭矩与最大扭矩的比值，用百分数表示： (2.52)在相同油井工况情况下，与抽油机的结构型式及尺寸参数有关，越大，曲柄轴的扭矩变化更为平缓理想。均方根扭矩：均方根扭矩是选择电动机额定功率的依据，是一个重要的扭矩特性参数 (2.53)周期载荷系数： 是表示抽油机减速器扭矩变化均匀程度的一个参数。越接近1，表示扭矩变化越均匀。 (2.54)2.4 游梁式抽油机的功率计算9(1)光杆功率光杆功率Pr是指在悬绳器处测得的为了提升光杆载荷而消耗的功率，也就是游梁式抽油机的输出功率。 (2.55)(2)电动机额定功率 (2.56)抽油机的总效率(3
41、)电动机平均输入功率 (2.57)式中：平均输入功率 kW，平均轴功率 kW， 均方根轴功率 kW， 空载损耗功率 kW， 电动机系数(kW)-1。(4)平均无功功率 (2.58)式中U电压，Ie均方根电流。(5)平均功率因数 (2.59)从以上的计算中可以看出,若FCL降低，则平均功率因数将得到提高。第3章 游梁式抽油机节能研究 3.1 机采系统效率分析10 26将井下的液体举升至地面的有效功与抽油机采油系统输入功之比就是系统效率。我国抽油机采油系统效率平均在25%左右，耗电量占油田开发总耗电量的25%-30%，如果机采系统效率能够得到有效提高，就可以节约大量能源，缓解油田用电紧张的状况，既有经济效益又有社会效益。3.1.1 系统效率分解一般将抽油机井的系统效率分解为地面效率和井下效率： (3.1)系统效率地面效率井下效率地面效率包括电动机效率、
