新型丛式井抽油机性能分析及可靠性研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：新型丛式井抽油机性能分析及可靠性研究作者：孙文学科专业：机械设计及理论指导教师：王三民教授2017年3月ThePerformanceAnalysisandReliabilityStudyoftheNovelPumpingUnitforClusterWellsBySunWenUndertheSupervisionofProfessorWangSan-minADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpar

2、tialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMachineDesignandTheoryXi’anP.R.ChinaMarch2017摘要摘要抽油机是油气田开采生产中重要的机械设备。抽油机电能消耗占油田生产总电能消耗的30%以上，因此，研究高效节能抽油机具有重要的现实意义。丛式井组具有钻井成本低、便于油井集中管理等优点。随着勘探和钻井技术的日臻成熟，近年来丛式井在油气田开采中得到了快速的发展。丛式井排采井场一般按直线形态均匀分布有多个排采井，相邻井井距较近，适合

3、一机多井采油或者排水采气，但由于缺乏成熟可行的丛式井抽油机，目前依然采用单井单机开采模式，使得丛式井潜在优势没有得到充分有效发挥。由于高效节能、成本低的优良特点，丛式井抽油机具有良好的应用前景，因此，本文提出了新型丛式井抽油机设计方案，开展了运动学分析、动力学分析、系统平衡特性分析及节能机理分析，进行了新型丛式井抽油机样机制造及现场试验，并且开展了新型丛式井抽油机关键零部件可靠性研究，进行了新型丛式井抽油机系统可靠性分析。论文主要工作与创新点如下：提出了新型丛式井抽油机设计方案，进行了运动学分析、动力学分析、系统平衡特性分

4、析及节能机理分析，研究了新型丛式井抽油机在理论工况下的不同载荷状态下的工作性能，并与单井异相抽油机的工作性能进行对比，验证了新型丛式井抽油机在理论工况下的可行性和合理性。进行了新型丛式井抽油机基于Pro/E的数字化设计，开展了样机研制及现场试验；在典型的低渗透油藏特性井场的稳定采油工况下，采集了试验井场实际地面示功图数据，研究了新型丛式井抽油机在实际工况下的工作性能，并与单井异相抽油机的工作性能进行对比；分析了样机试验井场现场测试结果。结果表明：抽油机采用对称平衡方式在低渗透油藏有良好的平衡效果；新型丛式井抽油机减速器净扭

5、矩曲线变化较为平缓，减速器净扭矩最大值大幅降低，载荷波动系数明显减小，电动机装机功率与有效输出功率明显降低；适用于6口油井的新型丛式井抽油机样机与井数相同的异相机组相比，节能27%左右，装机功率降低至少37.5%，减速器额定净扭矩降低至少34%左右，重量降低至少56%左右。对于低渗透油藏，本机显示出比较显著的高效节能特性和良好的动力特性。开展了链板零件P-S-N曲线的理论研究，提出了链板零件P-S-N曲线的理论处理方法，并进行了疲劳可靠性试验。本文充分利用链板材料的P-S-N曲线信息，结合历史链条及链板疲劳试验P-S-N曲

6、线规律，提出了链板零件P-S-N曲线的理论处理方法；随后开展了链板零件的疲劳可靠性试验，并进行了数据分析，通过基于链板疲劳可靠性试验确定的链板零件实际P-S-N曲线与理论方法确定的链板零件P-S-N曲线作对比，验证了本文提出的链板零件P-S-N曲线理论处理方法的可行性与合理性。结果表明：对于板式I西北工业大学博士学位论文链条LH1066链板，本文提出的链板零件理论P-S-N曲线与基于疲劳试验确定的链板零件实际P-S-N曲线比较接近，当给定可靠度较高时，理论曲线偏于安全。基于链板零件P-S-N曲线的理论研究，开展了板式链条疲

7、劳强度可靠性设计方法与寿命预测方法的研究，进行了链条现场试验，给出了新型丛式井抽油机板式链条常规设计时安全系数选用的合理值。本文给出了链条疲劳可靠性设计与寿命预测的具体方法；进行了新型丛式井抽油机板式链条理论工况下的疲劳强度可靠性设计与实际工况下的寿命预测，并且通过与板式链条常规设计原则、新型丛式井抽油机板式链条现场试验结果相对比，验证了板式链条疲劳强度可靠性设计方法与寿命预测方法的可行性，进一步验证了链板零件P-S-N曲线理论处理方法的可行性，并且按照板式链条常规设计原则设计时，给出了新型丛式井抽油机板式链条安全系数选用

8、的合理值。开展了滚轮滑轨磨损可靠性研究，提出了滚轮滑轨磨损可靠性及可靠性灵敏度的分析方法。本文基于Archard模型，建立了接触应力及滑动距离的计算模型，确定了磨损系数和允许磨损量的选择依据，给出了滚轮滑轨磨损可靠性及可靠性灵敏度分析的数学模型和分析方法；基于新型丛式井抽油机的实际工况，进行了滚轮滑轨运