專利名稱：一種api游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種API游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)方案。
目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)抽油機(jī)的廠家很多，大部分廠家的設(shè)計(jì)思路是在生產(chǎn)API游梁式抽油機(jī)時(shí)，應(yīng)用國(guó)外抽油機(jī)制造商推薦的尺寸，其中主要是應(yīng)用美國(guó)拉夫金公司推薦的游梁式抽油機(jī)制造尺寸；在生產(chǎn)國(guó)內(nèi)普通型游梁式抽油機(jī)時(shí)，應(yīng)用國(guó)標(biāo)推薦的尺寸。無論是國(guó)外生產(chǎn)廠家推薦的抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)的尺寸還是國(guó)標(biāo)推薦的抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)的尺寸，都不能保證抽油機(jī)在任何油田都達(dá)到性能最優(yōu)。由于決定抽油機(jī)性能的基本參數(shù)是懸點(diǎn)載荷，而懸點(diǎn)載荷是與油田的具體情況有關(guān)系的，不同油田由于具體情況不同，抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷也不同，甚至有很大差別。要進(jìn)行抽油機(jī)性能的優(yōu)化，就不可避免的要確定抽油井地面示功圖，它是抽油機(jī)動(dòng)力分析的起始條件，只有準(zhǔn)確地確定作為設(shè)計(jì)依據(jù)的示功圖，才能準(zhǔn)確地對(duì)抽油機(jī)各部件的受力狀態(tài)和減速器扭矩變化規(guī)律等進(jìn)行分析，才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方法之間、優(yōu)化結(jié)果之間的可比性。到目前為止，國(guó)內(nèi)外在以動(dòng)力特性為目標(biāo)進(jìn)行抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)抽油機(jī)產(chǎn)品時(shí)，其地面示功圖都是通過人為的選擇某一種特殊井況來確定的，這樣設(shè)計(jì)出的抽油機(jī)很難包容該機(jī)所應(yīng)承擔(dān)的全部工作狀態(tài)，因而運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有可能出現(xiàn)過載狀態(tài)，為了彌補(bǔ)這一缺陷，只能靠盲目地提高機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)的安全系數(shù)，造成抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)冗腫。因此，為了合理地進(jìn)行抽油機(jī)設(shè)計(jì)，有必要確定一個(gè)能夠包容該種抽油機(jī)全部工作狀況的地面示功圖來作為它在動(dòng)力優(yōu)化過程中的設(shè)計(jì)依據(jù)，這就是“模型示功圖”。為了分析抽油機(jī)功圖情況，從而得出模型示功圖，為抽油機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，收集了中原油田六個(gè)采油廠的稠油和稀油工況下抽油機(jī)的上千口油井的示功圖，得到了各種功圖資料10000多張，去掉不正常工況下的功圖，得到3000多份有用功圖。并同時(shí)收集了對(duì)應(yīng)各種功圖的泵徑、下泵深度、沉沒度、泵掛組合、含水率、原油粘度等資料。用多元統(tǒng)計(jì)分析的方法確定了無因次因變量(無因次最大動(dòng)載荷、無因次最小動(dòng)載何、無因次下死點(diǎn)動(dòng)載何、無因次上死點(diǎn)動(dòng)載荷)與無因次自變量(無因次沖次、無因次液體荷)的線性關(guān)系，得出了線性回歸方程，通過解線性回歸方程可求得抽油機(jī)在各種工況下的示功圖。根據(jù)分析結(jié)果和API抽油機(jī)的設(shè)計(jì)原理總結(jié)出了稠油和稀油工況下API各種型號(hào)抽油機(jī)模型示功圖的判定原則，得出了API抽油機(jī)20個(gè)常用機(jī)型在稀油、稠油工況下的模型示功圖。
根據(jù)經(jīng)過調(diào)查和分析得出的稠油和稀油工況下游梁式抽油機(jī)的模型示功圖，以國(guó)際市場(chǎng)通用的API抽油機(jī)為設(shè)計(jì)線索，通過編制抽油機(jī)桿件優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，對(duì)API常用機(jī)型的游梁式抽油機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了稠油和稀油工況下游梁式抽油機(jī)的主體機(jī)構(gòu)尺寸，并對(duì)抽油機(jī)的性能進(jìn)行了計(jì)算分析。通過分析可知，本方案設(shè)計(jì)的API抽油機(jī)比世界上最大的抽油機(jī)制造商-美國(guó)拉夫金公司給出的游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)方案在主要性能指標(biāo)上都要好得多。
收集了中原油田采油一、二、三、四、五、六廠的稠油和稀油工況下抽油機(jī)的上千口油井的示功圖，得到了各種功圖資料10000多張，去掉不正常工況下的功圖，得到3000多份有用功圖。并同時(shí)收集了對(duì)應(yīng)各種功圖的泵徑、下泵深度、沉沒度、泵掛組合、含水率、原油粘度等資料。用多元統(tǒng)計(jì)分析的方法確定了無因次因變量(無因次最大動(dòng)載荷、無因次最小動(dòng)載何、無因次下死點(diǎn)動(dòng)載何、無因次上死點(diǎn)動(dòng)載荷)與無因次自變量(無因次沖次、無因次液體荷)的線性關(guān)系，得出了線性回歸方程，通過解線性回歸方程可求得抽油機(jī)在各種工況下的示功圖。根據(jù)分析結(jié)果和API抽油機(jī)的設(shè)計(jì)原理總結(jié)出了稠油和稀油工況下API各種型號(hào)抽油機(jī)模型示功圖的判定原則，得出了API抽油機(jī)20個(gè)常用機(jī)型在稠油工況下的“模型示功圖”(如表1所示)和稀油工況下的“模型示功圖”(如表2所示)，以游梁式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)尺寸(曲柄半徑R、連桿長(zhǎng)度P、游梁后臂長(zhǎng)度C、游梁后臂長(zhǎng)度A、游梁支承中心到減速器輸出軸中心的水平距離I、游梁支承中心到減速器輸出軸中心的垂直距離H-G)為設(shè)計(jì)變量，分別以上沖程扭矩因數(shù)最小、上沖程加速度最小、均方根功率最小、連桿拉力最小、游梁水平力最小為目標(biāo)函數(shù)，按API常規(guī)抽油機(jī)的要求設(shè)定約束條件，利用網(wǎng)格法對(duì)多目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)，設(shè)計(jì)步長(zhǎng)為平衡扭矩5KN.m、四連桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)0.01m，以多數(shù)目標(biāo)函數(shù)為最優(yōu)時(shí)的設(shè)計(jì)變量為優(yōu)化目標(biāo)，分別計(jì)算出在各目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的情況下游梁式抽油機(jī)曲柄平衡扭矩、平均功率、均方根功率、平衡率、上沖程最小凈扭矩、下沖程最小凈扭矩、最小曲柄凈扭矩、最大連桿力、游梁中心支承處最大水平力、交變載荷系數(shù)、上沖程最大加速度、上沖程最小扭矩因素等性能指標(biāo)，并計(jì)算出相應(yīng)的抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)尺寸和曲柄平衡重，分別求出稠油工況下抽油機(jī)綜合性能最優(yōu)時(shí)的主體機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)尺寸(如表3所示)和稀油工況下抽油機(jī)綜合性能最優(yōu)時(shí)的主體機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)尺寸(如表4所示)。
表1 稠油工況下API游梁式抽油機(jī)常用機(jī)型模型示功圖
表2 稀油工況下API游梁式抽油機(jī)部分機(jī)型模型示功圖
表3 稠油工況下本方案優(yōu)化得出的API抽油機(jī)桿長(zhǎng)優(yōu)化尺寸表
表4 稀油工況下本方案優(yōu)化得出的API抽油機(jī)尺寸表
目前，國(guó)內(nèi)抽油機(jī)制造商生產(chǎn)的API游梁式抽油機(jī)都是按照美國(guó)拉夫金公司公布的尺寸生產(chǎn)的，為了對(duì)比，給出了美國(guó)拉夫金公司同機(jī)型的抽油機(jī)的主體機(jī)構(gòu)的尺寸，因?yàn)槔蚪鸸竟嫉挠瘟菏匠橛蜋C(jī)的主體尺寸未按稠油和稀油工況區(qū)分，所以，在不同工況下，其游梁式抽油機(jī)的尺寸是一致的。(如表5所示)。
表5 拉夫金公司API抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)尺寸表
為了對(duì)本方案設(shè)計(jì)的稠油工況下和稀油工況下抽油機(jī)的技術(shù)性能有進(jìn)一步的了解，采用在同種情況下與美國(guó)拉夫金公司同型號(hào)抽油機(jī)進(jìn)行性能對(duì)比的方法。表示游梁式抽油機(jī)性能的主要指標(biāo)是①均方根功率(Nav)是游梁式抽油機(jī)的主要能耗指標(biāo)，其值越小代表游梁式抽油機(jī)的節(jié)能效果越好；②平衡率(η)是代表游梁式抽油機(jī)平衡性的指標(biāo)，平衡率越小抽油機(jī)的平衡性越好；③上沖程最小凈扭矩(Mn上)代表游梁式抽油機(jī)上沖程過程中曲柄扭矩的最小值，上沖程凈扭矩越小，抽油機(jī)上沖程過程中的能耗和受的沖擊載荷越小；④下沖程最小凈扭矩(Mn下)代表游梁式抽油機(jī)下沖程過程中曲柄扭矩的最小值，下沖程凈扭矩越小，抽油機(jī)下沖程過程中的能耗和受的沖擊載荷越小；⑤、上、下沖程曲柄凈扭矩的絕對(duì)值(|Mng|)代表抽油機(jī)曲柄運(yùn)轉(zhuǎn)一周過程中曲柄凈扭矩的最小值，其值越小，表示抽油機(jī)的整體節(jié)能效果越好及受的沖擊載荷越??；⑥梁式抽油機(jī)游梁支承軸承水平力(R34)代表游梁式抽油機(jī)游梁支承軸承水平方向受的最大力，是對(duì)抽油機(jī)的可靠性影響較敏感的力，其值越小，表示抽油機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好；⑦連桿最大受力(R32)表示抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中連桿受的最大力，是對(duì)抽油機(jī)的可靠性影響較大的力，其值越小，表示抽油機(jī)可靠性越好；⑧交變載荷系數(shù)(CIf)表示抽油機(jī)減速器扭矩變化均勻程度的一個(gè)指標(biāo)，其值越接近于1，表示抽油機(jī)扭矩變化越均勻。
為了進(jìn)行主要性能指標(biāo)的對(duì)比，用FORTRAN語言編制了抽油機(jī)性能分析程序。根據(jù)稠油工況下和稀油工況下給定的游梁式抽油機(jī)的尺寸，計(jì)算相應(yīng)工況下的抽油機(jī)的主要性能指標(biāo)，并將計(jì)算出的主要性能指標(biāo)與同種情況下美國(guó)拉夫金公司的同型號(hào)抽油機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。
表6 稠油工況下拉夫金公司API抽油機(jī)主要性能表
(一)稠油工況下游梁式抽油機(jī)主要性能指標(biāo)的對(duì)比首先計(jì)算了稠油工況下美國(guó)拉夫金公司同型號(hào)的抽油機(jī)的主要性能指標(biāo)(如表6)，接著計(jì)算了稠油工況下本設(shè)計(jì)方案的抽油機(jī)的主要性能指標(biāo)(如表7)，并將兩種抽油機(jī)主要性能指標(biāo)作了對(duì)比(表中，Nav為均方根功率，η為平衡率，Mn上為上沖程最小凈扭矩，Mn下為下沖程最小凈扭矩，|Mng|為上、下沖程曲柄凈扭矩絕對(duì)值，R32為連桿最大受力，R34為游梁支承軸承最大水平力，CIf為交變載荷系數(shù))。
表7 稠油工況下本方案API抽油機(jī)主要性能表
由表6和表7可以看出，本方案設(shè)計(jì)的稠油工況下抽油機(jī)的方案主要性能指標(biāo)與拉夫金公司抽油機(jī)相比，均方根功率減少18.3％，平衡率下降0.06，上沖程最小凈扭矩減少20.7％，下沖程最小凈扭矩減少14.3％，最小曲柄凈扭矩減少73.25％，連桿最大受力減少23.05％，游梁支承軸承水平受力減少20.65％，交變載荷系數(shù)減少0.32。因此，本方案設(shè)計(jì)的稠油工況下抽油機(jī)的方案主要性能指標(biāo)明顯優(yōu)于拉夫金公司抽油機(jī)相應(yīng)的性能指標(biāo)。
(二)稀油工況下主要性能指標(biāo)的對(duì)比首先計(jì)算了稀油工況下美國(guó)拉夫金公司同型號(hào)的抽油機(jī)的主要性能指標(biāo)(如表8)，接著計(jì)算了稀油工況下本設(shè)計(jì)方案的抽油機(jī)的主要性能指標(biāo)(如表9)，并將兩種抽油機(jī)主要性能指標(biāo)作了對(duì)比表8 稀油工況下拉夫金公司抽油機(jī)主要性能表
表9 稀油工況下本設(shè)計(jì)方案抽油機(jī)主要性能表
由表8和表9可以看出，稀油工況下本方案設(shè)計(jì)的抽油機(jī)主要性能指標(biāo)與美國(guó)拉夫金公司給定的同型號(hào)抽油機(jī)指標(biāo)相對(duì)比，均方根功率減少20.8％，平衡率下降0.03，上沖程最小凈扭矩減少16.7％，下沖程最小凈扭矩減少11.8％，曲柄軸凈扭矩減少55.4％，連桿最大受力增加11.7％，游梁支承軸承水平最大受力減少13.67％，交變載荷系數(shù)減少0.246。從主要指標(biāo)上看，除連桿最大受力稍有增加外，大部分性能指標(biāo)明顯優(yōu)于拉夫金公司給定的抽油機(jī)的性能參數(shù)。
本發(fā)明專利的具體實(shí)施方式
是由于很多油田的區(qū)塊有相似性，所以抽油機(jī)的通用性也較強(qiáng)，針對(duì)某一特定的區(qū)塊，在選配游梁式抽油機(jī)時(shí)，首先收集該區(qū)塊足夠樣本的抽油機(jī)井示功圖，同時(shí)收集對(duì)應(yīng)各種功圖的泵徑、、下泵深度、沉沒度、泵掛組合、含水率、原油粘度等資料，通過分析，得出適應(yīng)于該區(qū)塊的“模型示功圖”，如果其功圖與中原油田總結(jié)出來的稠油工況或稀油工況的“模型示功圖”相似(見表1和表2)，就可以直接按表3設(shè)計(jì)稠油工況下的API游梁式抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸，按表4設(shè)計(jì)稀油工況下的API游梁式抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸，就能得到性能較好的API游梁式抽油機(jī)產(chǎn)品。
附

圖1為該種API模塊化抽油機(jī)的示意圖。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明專利涉及一種游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)方案的主要特征是實(shí)踐證明，游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)與油田的具體情況有密切關(guān)系，設(shè)計(jì)游梁式抽油機(jī)時(shí)盲目套用國(guó)外抽油機(jī)制造商推薦的尺寸或國(guó)標(biāo)推薦的尺寸存在很多缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的抽油機(jī)產(chǎn)品不能適應(yīng)各油田的具體情況，因此，在抽油機(jī)的性能上達(dá)不到較好的效果，到目前為止，國(guó)內(nèi)抽油機(jī)制造單位基本都是采用國(guó)外抽油機(jī)制造商推薦的尺寸(API抽油機(jī))或國(guó)標(biāo)推薦的尺寸(國(guó)標(biāo)抽油機(jī))，或是人為的選擇某一示功圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)出的抽油機(jī)的性能不理想。本設(shè)計(jì)專利采用對(duì)中原油田的抽油機(jī)井大量示功圖在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法，得出了適合類似中原油田這種區(qū)塊的抽油機(jī)井“模型示功圖”，“模型示功圖”分稠油工況下的模型示功圖與稀油工況下的模型示功圖，根據(jù)模型示功圖進(jìn)行API游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的游梁式抽油機(jī)，根據(jù)對(duì)收集的中原油田示功圖分析總結(jié)出的稠油工況下的API游梁式抽油機(jī)的“模型示功圖”和稀油工況下的API游梁式抽油機(jī)的“模型示功圖”，以游梁式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)尺寸(曲柄半徑R、連桿長(zhǎng)度P、游梁后臂長(zhǎng)度C、游梁后臂長(zhǎng)度A、游梁支承中心到減速器輸出軸中心的水平距離I、游梁支承中心到減速器輸出軸中心的垂直距離H-G)為設(shè)計(jì)變量，分別以上沖程扭矩因數(shù)最小、上沖程加速度最小、均方根功率最小、連桿拉力最小、游梁水平力最小為目標(biāo)函數(shù)，按API常規(guī)抽油機(jī)的要求設(shè)定約束條件，利用網(wǎng)格法對(duì)多目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)，設(shè)計(jì)步長(zhǎng)為平衡扭矩5KN.m、四連桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)0.01m，以多數(shù)目標(biāo)函數(shù)為最優(yōu)時(shí)的設(shè)計(jì)變量為優(yōu)化目標(biāo)，分別計(jì)算出在各目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的情況下游梁式抽油機(jī)曲柄平衡扭矩、平均功率、均方根功率、平衡率、上沖程最小凈扭矩、下沖程最小凈扭矩、最小曲柄凈扭矩、最大連桿力、游梁中心支承處最大水平力、交變載荷系數(shù)、上沖程最大加速度、上沖程最小扭矩因素等性能指標(biāo)，并計(jì)算出相應(yīng)的抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)尺寸和曲柄平衡重，分別求出稠油工況和稀油工況下抽油機(jī)綜合性能最優(yōu)時(shí)的游梁式抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)尺寸，即曲柄半徑R、連桿長(zhǎng)度P、游梁后臂長(zhǎng)度C、游梁后臂長(zhǎng)度A、游梁支承中心到減速器輸出軸中心的水平距離I、游梁支承中心到減速器輸出軸中心的垂直距離H-G，根據(jù)這些尺寸，就可以設(shè)計(jì)出適合類似中原油田這種地質(zhì)狀況的游梁式抽油機(jī)產(chǎn)品。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的游梁式抽油機(jī)，包括API抽油機(jī)20種常用機(jī)型的產(chǎn)品，制造單位在生產(chǎn)上述機(jī)型的游梁式抽油機(jī)產(chǎn)品時(shí)，如果適合類似中原油田這種具體狀況，就可以得到較好性能的游梁式抽油機(jī)產(chǎn)品。
全文摘要
目前，游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)都是人為選用的一張示功圖來進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于這不能代表抽油機(jī)的所有工況，因此，設(shè)計(jì)出的抽油機(jī)不能達(dá)到性能最優(yōu)，本文給出了用“模型示功圖來進(jìn)行游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)的基本思路，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料對(duì)類似中原油田工況的稀油工況和稠油工況的模型示功圖進(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)得出的模型示圖功對(duì)API游梁式抽油機(jī)20個(gè)常用機(jī)型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)分析對(duì)比，所設(shè)計(jì)抽油機(jī)性能明顯優(yōu)于國(guó)外同類型機(jī)產(chǎn)品。
文檔編號(hào)E21B43/00GK1888375SQ200510014349
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2005年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日
發(fā)明者姜士湖 申請(qǐng)人:姜士湖