论文摘要
人工举升工艺技术在世界石油开采中占主导地位，其中常规游梁式抽油机有杆泵采油技术是目前应用最广的人工举升工艺技术。常规游梁式抽油系统应用于低产井时存在能耗高和效率低等问题，既不符合国家提出的节能降耗要求，也降低了开发的经济效益。随着我国各大油田生产进入中后期和越来越多低渗低产油藏的开发，低产油井的数量越来越多，该问题也更加突出。针对上述问题，提出了单曲柄正扭矩柔性抽油机原理并设计出新型抽油机结构，研究了液压自封抽油泵和钢丝绳柔性抽油杆柱的工作特性，优化设计出了用于低产井的低能耗和高效率抽油系统。针对常规游梁式抽油机存在负扭矩和效率低等问题，提出多级相位偏移平衡正扭矩原理和高效柔性传动原理，设计出新型单曲柄正扭矩柔性抽油机结构，推导了抽油机悬点位移、速度、加速度和减速器输出轴净扭矩等运动学和动力学特性参数的计算公式，分析了抽油机的净扭矩特征和抽油机结构参数对运动学及动力学特性参数的影响。分析结果表明，该新型抽油机结构能够实现减速器输出轴净扭矩为正值且波动范围较小，抽油机不同结构参数影响其运动学和动力学特性参数的方式和敏感度存在差异。选用液压自封抽油泵替代常规柱塞抽油泵来降低抽油泵的漏失速率和摩阻，研究了该泵的工作特性。根据液压自封抽油泵的结构及工作原理，分析了泵筒内流体压力变化规律，通过室内实验测试了该泵的漏失和摩阻性能。分析和测试结果表明，在低产井中，上冲程时泵筒内流体压力可近似为恒定的沉没压力，下冲程时可近似为恒定的游动阀排出口压力；液压自封抽油泵的漏失速率近乎为零，上冲程时摩阻基本保持恒定，下冲程时摩阻近似为零，漏失速率和摩阻对柱塞与泵筒间隙的变化不敏感。选用钢丝绳柔性抽油杆柱替代常规钢抽油杆柱来降低抽油杆柱自重和消除接箍断脱问题及活塞效应，研究了柔性抽油杆柱的工作特性。针对钢丝绳抗拉不抗压的力学特性，采用在钢丝绳下端安装加重杆的抽油杆柱结构来避免钢丝绳承受压力作用，分析了抽油杆柱的受力情况，利用微元法推导建立了钢丝绳柔性抽油杆柱振动数学模型。在本文研究单曲柄正扭矩柔性抽油机、液压自封抽油泵和钢丝绳柔性抽油杆柱等工作特性的基础上，建立了抽油系统工作特性的数学模型，采用有限差分方法求解数学模型并编制出求解程序。根据某低产井条件，利用求解程序对抽油系统中的抽油杆柱结构和抽油机结构进行优化。在优化后的抽油系统中，钢丝绳只承受拉力的作用，抽油机减速器输出轴净扭矩为正值且波动范围较小。利用ANSYS Workbench软件中的参数化建模方法，建立了单曲柄正扭矩柔性抽油机主轴、主体支架和横梁及井口支架等关键结构的三维模型；利用软件的有限元静力学分析功能，模拟计算了不同尺寸参数时这些关键结构的应力和应变情况，进行了强度校核并确定了符合安全工作要求的尺寸参数。根据抽油系统优化和有限元静力学分析结果，制造出单曲柄正扭矩柔性抽油机样机，配套了钢丝绳和液压自封抽油泵，通过室内和现场试验来测试抽油系统的性能。室内试验表明，抽油机净扭矩波动范围较小且为正值，电机功率平稳。现场试验表明，抽油机实现了正扭矩，节能效果明显，系统效率显著提高。