抽油杆直接驱动的直旋螺杆泵设计

发布时间：2020-08-11 22:30

【摘要】：有杆抽油机驱动的抽油泵采油是当前国内外应用最为广泛的机械采油技术,但是传统的柱塞或活塞抽油泵效率低下、适应范围窄,对某些恶劣的抽油环境不适应,特别是随着地下油田的不断开采,出现了高含水、高含砂以及稠油井,甚至造成采油系统的提前报废。而用螺杆泵采油能够有效的克服上述缺点,特别适应于对高含砂以及稠油井的开采。为此,本文将传统的往复上下直驱式的有杆抽油机与新型的杆螺杆泵结合,提出并设计一种基于抽油杆驱动的直旋螺杆泵。论文基于有杆抽油机提出了直旋螺杆泵的结构,通过价值分析原理对直旋螺杆泵进行性能价值分析与评价,从而选择性能价值最好的直旋螺杆泵进行详细设计与动力学性能仿真分析。论文主要工作为:(1)以游梁式抽油机为例介绍了有杆抽油机的主要组成,以及传统活塞(柱塞)式抽油泵的工作原理,分析了传统活塞泵或柱塞泵工作在“空抽”状态以及抽汲含气、含砂油和稠油时,使泵效率降低,以及可能损坏抽油泵零部件或设备的原因。进而基于直旋动力传动机构设计了直旋单向旋转的单螺杆泵,以及直旋往复旋转的螺杆泵结构方案。(2)基于价值工程原理建立了直旋螺杆泵设计方案的性能价值指标体系、权重集以及性能价值的评价模型,并针对单向旋转直旋单螺杆泵、单向旋转直旋双螺杆泵、往复旋转直旋单螺杆泵以及往复旋转直旋双螺杆泵的结构方案进行了性能价值评价。基于评价结果选择了性能价值最高的直旋螺杆泵作为计算分析的具体结构方案。(3)介绍了基于性能价值评价所选择的螺杆泵主要零部件结构及其特点;建立了往复旋转双螺杆泵的性能特性曲线,对直旋动力传动机构、螺杆泵本体、同步齿轮传动装置等直旋螺杆泵的主要零部件,进行了理论机理分析和详细的参数设计计算。(4)建立了基于抽油杆直驱的直旋往复旋转双螺杆泵系统的动力学数学模型;将系统数学模型转换为状态空间法描述的仿真模型,并对系统进行仿真,分析抽油杆及螺杆泵的运动速度、加速度以及螺杆泵转子的驱动转矩等动力学特性的变化规律。
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE933.3
【图文】：

抽油系统,抽油机,工作原理图

抽油杆上下往复直线驱动抽油泵抽油系统称为有杆抽油机抽油系统。有杆抽油机抽油逡逑系统主要由抽油机、抽油杆及抽油泵、环形套管以及井口装置等组成。抽油机是深井有杆逡逑泵采油的地面主要设备。常见的抽油机是游梁式抽油机，由其组成的抽油系统如图２．１所逡逑／Ｊｎ邋0逡逑－＊—６逡逑逦５逡逑—４逡逑３逡逑（＝＝）逡逑卜油层：２－抽油泵：３－油管：４－赛管：５－抽油杆；６－动液面：７－井口：逦８－计贵站：９－输油管：１０－驴头：ＩＩ－游梁：１２－连杆：逡逑１３－曲柄；１４－减速箱：１５－电动机逡逑图２．１游j式抽油机抽油系统工作原理图逡逑游梁式抽油机，主要由电机、游梁－连杆－曲柄机构、减速器、平衡重等部分组成。工逡逑作时，电机通过减速器将高速旋转运动变换为曲柄轴的低速转动，曲柄通过连杆经横梁带逡逑动游梁和平衡重作上下往复摆动，游梁前端的“驴头”为圆弧状，使挂在“驴头”上的悬绳器逡逑的钢索总是垂直牵引抽油杆柱作ｔ冲程和下冲程的往复直线运动。“驴头”通过钢索拖动抽逡逑油（光）杆上下运动，以驱动gc油泵gc汲石油到地面。“驴头”及其驱动的抽油杆和抽油泵逡逑总成方与平衡重方的运动方向相反，且双方力矩基本相等。一方势能增加（升高）时，正逡逑好吸收另一方减少（降低）的势能，以达到节能的效果。此时电机所输出的功率主要消耗逡逑在机械摩擦耗能和提升油液的抽汲势能上，故这类抽油机效率比较高。逡逑２．２基于抽油杆直驱的活塞（柱塞抽油）泵逡逑２．２．１活塞（柱塞）抽油泵的工作原理逡逑基于有杆抽油系统的传统的抽油泵主耍为活塞（或柱塞）式抽油泵

活塞,球阀,排油,抽油泵

逑抽油泵、防砂泵、防气泵、抽稠泵、斜井泵以及深gc泵等，目前应用最广泛的是常规抽油逡逑泵，也是最基础的抽油泵。主要用于一般油井的石油抽汲，其原理如图２．２所示。逡逑抽油杆Ｌ逡逑｜排汕球阀｜逡逑ｉｍｒ逡逑上冲程逦１进油球阀广逦下冲ｓ逡逑图２．２活塞式抽油泵工作过程逡逑当抽油机工作在上冲程时，抽油杆带动活塞向上运动，在活塞及排油球阀上腔（杆管逡逑环空）内的油液作用下使排油球阀处于关闭状态，活塞及排油球阀下腔的泵腔容积逐渐增逡逑大，其内压力随之逐渐降低而形成真空状态。在真空负压作用下，进油球阀打开，油液通逡逑过进油阀阀孔进入到泵腔内，而活塞及排油球阀上方杆管环空内的液体就被不断地举升到逡逑地面上来。逡逑当抽油机工作在下冲程时，抽油杆带动活塞向下运动，活塞及排油球阀下腔内的油液逡逑压力升高，立即将进油球阀关闭，在活塞下腔内液柱压力大于上腔内液柱压力时，排油球逡逑阀打开，泵内油液在压力差作用下通过排油球阀流入活塞上部，进而使泵排出油液。逡逑抽油泵工作一个抽油周期就是活塞上下冲程往复运动一次。这样周而复始地连续不断逡逑将油液举升到地面上来。逡逑２．２．２活塞（柱塞）泵在抽油系统中存在的问题逡逑在新开的油井中

螺杆泵,滚珠,传动系统

为解决传统柱塞（活塞）泵存在的上述问题，其工作原理是将抽油杆的往复直线运动逡逑变换为旋转运动以驱动螺杆泵转子旋转以抽汲石油。本论文提出基丁邋？抽油杆直驱的螺打gc逡逑油泵是一种新型的直旋螺杆泵，抽油杆直驱的螺杆泵传动系统如图２．３所示。系统由抽油逡逑杆、滚珠花键螺旋轴、滚珠花键导轨套、滚珠螺旋套、方向控制离合器以及螺杆泵转子等逡逑组成。gc油杆在抽油机驱动下做往复直线运动，滚珠花键螺旋轴上开有沿横截面圆周均匀逡逑分布的多头（３？６头）花键直线导轨滚道槽，以及与其交叉的多头（３？６头）滚珠螺旋滚逡逑道槽。由滚珠花键螺旋轴、滚珠花键导轨套、滚珠螺旋套、方向控制离合器以及花键滚珠逡逑和螺旋滚珠等组成滚珠直旋动力传动机构。在靠近抽油杆附近处的滚珠花键导轨套作用逡逑下，通过球形滚珠防止滚珠花键螺旋轴转动，迫使其沿导轨做直线往复运动。做往复直线逡逑运动的滚珠花键螺旋轴，通过其螺旋滚道槽作用球形滚珠驱动滚珠螺旋套往复旋转。若滚逡逑珠螺旋套往复旋转直接驱动螺杆泵转子往复旋转抽汲石油，则螺杆泵为直旋往复旋转螺杆逡逑泵；若往复旋转的滚珠螺旋套带动方向控制离合器驱动并控制螺杆泵转子中向旋转gc汲石逡逑油，则螺杆泵为直旋单向旋转螺杆泵。逡逑￣￣．逡逑Ｉ－抽油杆２－滚珠花链螺旋轴３－滚珠花键导轨套逡逑４－滚珠螺旋转旋垶５－方向控制离合器６－螺杆泵转子逡逑图２．３螺杆泵滚珠直旋传动系统逡逑在有杆抽油机抽油系统图２．丨中，只需将传统的活塞（或柱塞）泵置换成直旋螺杆泵逡逑即可

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