游梁式抽油机设计

目录前言 (3)第1章 选题背景 (5)1.1研究目的和意义 (5)1.2国内外抽油机的发展概况 (6)1.2.1 国外抽油机的发展概况 (6)1.2.2 国内抽油机的发展概况 (8)1.3游梁式抽油机的特点、现状和发展趋势 (10)第2章 总体方案设计 (13)2.1抽油机的基本工作原理 (13)2.2抽油机的基本简图 (14)2.3抽油机设计原理的确定 (15)2.4抽油机总传动方案： (18)2.5平衡方式的确定 (19)2.6安装尺寸与机构相关参数 (20)第3章 基本参数的确定 (21)3.1游梁式抽油机的运动学分析 (21)3.1.1 几何尺寸分析 [10] (22)3.1.2 悬点的位移、速度、加速度的分析 (24)3.2游梁式抽油机悬点载荷计算 (26)3.2.2悬点动载荷的大小和变化规律 (33)3.2.3悬点的最大载荷和最小载荷 (35)3.2.4 摩擦力对悬点载荷的影响 (36)3.2.5游梁抽油机的抽汲工况 (38)3.3游梁式抽油机减速器曲柄轴净扭矩的计算 (38)3.4游梁式抽油机扭矩特性参数 (41)3.5游梁式抽油机电机功率的确定 (43)3.6游梁式抽油机的平衡计算 (46)第4章 变速机构的传动比分配及其结构确定 (47)4.1变速机构的传动比分配 (47)第5章 主要部件的设计 (49)5.1曲柄 (49)5.2 连杆 (49)5.3 游梁 (50)5.4 驴头 (51)5.5 横梁 (52)5.6常规游梁抽油机装配体 (53)参考文献 (55)致谢 (56)前言油田开采原油的方法分为两类： 一类是利用地层本身的能量来举 升原油，称为自喷采油法，常见于新开发且储量大的一些油田；另一 类是到了油田开发的中后期，地层本身能量不足以使原油产生自喷， 必须人为地利用机械设备将原油举升到地面， 称为人工举升采油法或 机械采油法 [1] 。

上述采油方法中不利用抽油杆传递能量的抽油设备统称为无杆 抽油设备， 利用抽油杆上下往复进行驱动的抽油设备统称为有杆抽油 设备。

利用抽油杆旋转运动驱动井下单螺旋泵装置， 虽然也有抽油杆， 但习惯上不列入有杆抽油设备 [3] 。

有杆泵采油技术是应用最早也最为广泛的一种人工举升机械采 油方法。

有杆抽油系统主要有三部分组成：一是地面驱动设备即抽油 机，它由电动机、减速器和四连杆机构(包括曲柄、连杆和游梁)等组 成：二是井下的抽油泵(包括吸入阀、泵筒、柱塞和排出阀等)，安装 于油管的下端：三是抽油杆，它把地面驱动设备的运动和动力传给井 下抽油泵。

抽油机是一种把原动机的连续圆周运动变成往复自线运动， 通过 抽油杆带动抽油泵进行抽油的机械设备。

游梁式抽油机是机械采油设 备中问世最早的抽油机机种，1919 年美国就开始批量生产这种抽油 机。

游梁式抽油机，也称梁式抽油机、游梁式曲柄平衡抽油机，指含 有游梁，通过连杆机构换向，曲柄重块平衡的抽油机，俗称磕头机。

对于本次研究的抽油机设计，主要是通过自我认识和学习的知 识，对抽油机设计有个全方位的了解和认识，在设计中不仅要完成抽 油机的设计，同时也是通过对抽油机设计，了解设计的基本常识。

本 次抽油机的设计，主要包含抽油机的整体设计：抽油机的四杆机构、 电动机选取、运动分析、V 带的选择以及各种工作参数的选择等。

对 包括抽油机在内的有杆采油系统悬点载荷计算进行研究， 对抽油机的 电机功率的选择。

根据游梁式抽油机四连杆机构的几何关系和运动特 点，对游梁式抽油机的几何结构、运动参数、动力特性等进行分析。

对抽油机的主要零部件（游梁、连杆、曲柄）强度校核。

本次设计不 仅是一次抽油机设计，对以后的设计也有这很大的帮助。

第 1章 选题背景1.1研究目的和意义游梁式抽油机是国内外石油工业的传统采油方式之一， 在我国石 油开采中有杆抽油系统一直占主导地位。

在我国各油田中，大约 80% 以上的油井采用有杆抽油系统。

游梁式抽油机以其结构简单、制造容 易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油 机械中占有举足轻重的地位。

但游梁式抽油机也存在很多缺点，如系统的效率低、能耗大、抽 油时间以及平衡性能差等。

其中， 游梁式抽油机的主要问题是能耗大， 效率低。

我国油田在用的常规型游梁式抽油机系统效率较低，其平均 系统效率仅有 16%～23%。

因此，有杆抽油系统的节能问题已成为国 内外研究者关注的热点和重点，油田推广应用各种节能型抽油机、电 机及电控箱，虽然这些节能产品的使用提高了抽油机井系统效率，但 也随之产生一些问题，如它们能否组合使用,组合使用后的节能效果 是否是单个节能产品节能效果的算术叠加等。

因此，研究游梁式抽油 机连杆机构尺度优化及结构设计问题具有非常重要的经济效益和社 会意义。

游梁式抽油机是油田目前主要使用的抽油机类型之一， 主要由了 驴头—游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装备等四大 部分组成。

工作时，电动机的传动经变速箱、曲柄连杆机构变成驴头 的上下运动， 驴头经光杆、 抽油杆带动井下抽油泵的柱塞作上下运动，从而不断地把井中的原油抽出井筒。

游梁式抽油机是一种变形的四杆机构， 它是以游梁支点和曲轴中 心连线做固定杆，以曲柄、连杆和游梁后臂为 3 个活动件的曲柄连杆 机构， 该连杆机构各杆件尺寸的不同组合将会直接影响抽油机的动力 性能，我们将就此连杆机构的尺度综合问题展开谈论，在其他设计参 数一定的情况下， 通过优选杆长组合来讨论抽油机的重要质量指标— —悬点加速度的变化情况，从而进一步判断抽油机的性能优劣。

为了判断游梁式抽油机的动力性能优劣， 提出了游梁式抽油机连 杆机构尺度综合优选方法。

建立尺度综合的数学模型，对尺度进行综 合的优选。

并据此对抽油机的运动特性进行分析。

根据悬点的系列位 移、速度及加速度曲线，对抽油机的运动特性进行分析。

用最优尺度 综合产生的抽油机悬点最大加速度曲线变化更加平稳，峰值更小；以 此设计的抽油机运动更加平稳，有一定的节能效果，该方法也可用于 类似四连杆机构的设计。

1.2国内外抽油机的发展概况1.2.1 国外抽油机的发展概况在国外，研究开发与应用抽油机已有 100 多年的历史。

在这一百 多年的采油实践中，抽油机发生了很大的变化，特别是近 20 年来， 世界抽油机技术发展较快，先后研究开发了多种新型抽油机。

起特性 主要有以下九个方面：(1) 为了适应各种地质油藏条件和采油的工况，研制与应用了液压缸式抽油机、气压缸式抽油机、长冲程低冲次抽油机和螺杆泵采油 系统等。

(2) 为了满足陆地、城市、农村水利喷灌区、山区、沼泽、森林 地带、沙漠地区、浅海和海滩、海洋地区和更复杂地区抽油的需要， 研制与应用了低矮型抽油机、城市抽油机、前置式抽油机、前置式气 平衡抽油机、紧凑型抽油机、两点式抽油机和井架型抽油机等。

(3) 为了适应垂直井、斜井、丛式井和水平井抽油工况，研制了 斜井抽油机、 丛式井抽油机、 双驴头抽油机和高效能丛式井抽油机等。

(4) 为了满足稠油和深井开采的需要，研制与应用了各种大型抽 油机。

例如常规型抽油机最大载荷 160kN，前置式抽油机最大载荷 193kN；前置式气平衡抽油机最大载荷 213kN。

(5) 为了提高抽油系统效率，减少抽油机动载荷与振动载荷，研 制了增大冲程游梁抽油机和增大冲程无游梁抽油机及长冲程无游梁 抽油机(分立式和卧式两种)。

(6) 为了提高采油经济效益，降低能源消耗，减少抽油成本，研 制与应用了各种新型节能抽油机和节能部件。

例如异相型抽油机、前 置式抽油机、前置式气平衡抽油机、大圈式抽油机、轮式抽油机、全 胶带传动抽油机、井架型抽油机、滚筒式抽油机、缸体式抽油机、玻 璃钢抽油杆用抽油机、自动化抽油机和智能抽油机等。

节能部件有： 高转差率电动机、天然气发动机、抽油机节能控制柜、窄 V 联组胶 带、同步胶带、齿型胶带等。

上述抽油机和部件能节电 10%～50%。

(7) 为了提高抽油机精确平衡效果，达到节电和提高抽油机运动平稳性与使用寿命， 研制与应用了各种平衡方式抽油机。

例如变平 衡力矩抽油机、气平衡抽油机、气囊平衡抽油机、双井平衡抽油机和 自动平衡抽油机等。

(8) 为了满足边远地区没有电源的抽油井试油或采油以及间歇 抽油的需要， 研制与应用了车装式抽油机，采用天然气发动机或汽 油机、柴油机驱动抽油机， 具有使用移动灵活等特点。

(9) 为了提高采油效率，实现自动化开采石油，研制与应用了各 种自动化抽油机和智能抽油机，采用先进的微机系统控制、检测和诊 断抽油机运行与故障， 以确保高效安全经济抽油。

1.2.2 国内抽油机的发展概况我国游梁式抽油机的制造虽然只有 40 多年的历史， 但发展很快。

目前已有生产厂家三十多个，抽油机的规格有十余种。

国内抽油机按起传动、换向系统和平衡方式分类，主要有以下几 种：(1)常规游梁式抽油机及其改型抽油机常规游梁式抽油机是油田生产的主力机型，最大的冲程为 6 米。

该机构简单，机械换向简单，机械换向平稳；同时在传动件中很少使 用寿命较短、可靠性较差的扰性构件，因此使用和维护都比较简单， 可靠性也高， 是现有各抽油机中最成熟的机种， 且适用于全天候工作， 至今在众多有杆式抽油机的应用中仍占据主导地位。

(2)四杆传动机构抽油机这类抽油机主要是以曲柄滑块机构为主机够的增程式、 浮动轮式等几种。

但该抽油机结构复杂， 安装维护困难， 目前在油田应用很少。

(3)六杆机构的抽油机为了克服四杆机构抽油机的缺点， 有研制了数种采用六杆传动机 构的抽油机。

但这种机型结构复杂，可靠性不高，动力性改善并不明 显。

(4) 滚筒式抽油机滚筒式抽油机是利用换向机构驱动滚筒正、反转，并带动柔性见 饶国天轮驱动悬点做上、下往复运动的抽油机。

这类抽油机没能在油 田大面积推广，原因是换向系统的可靠性和寿命较低，而且冲击和噪 音大，平衡困难。

(5)链条式抽油机链条式抽油机是利用轨迹链条上的特殊链节， 带动往返架往复运 动，从而驱动悬点上、下运动的抽油机。

平衡方式主要是气平衡和重 块平衡。

但前者存在密封和失载保护等问题，故障率高；后者惯性载 荷大，链条和特殊链节的受力情况恶化，故障率较高。

而且该类抽油 机维修费用大大高于常规型游梁式抽油机。

(6)液压式抽油机它是以液压传动技术为特征的抽油机。

它可以最大限度地发挥油 井产能，延长地面和井下设备的使用寿命，具有很好的产油经济性。

但在国内，由于液压元件制造水平的制约，液压抽油机可靠性不高， 维护比较困难，故起发展比较迟缓。

1.3游梁式抽油机的特点、现状和发展趋势游梁式抽油机是有杆抽油设备系统的地面装置， 它由动力机、 减速器、 机架和四连杆机构等部分组成。