6碳纤维连续抽油杆作业车

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目 录

1 绪论 ......................................................................................................................... 1

1.1 碳纤维杆的发展情况 .................................................................................... 1

1.1.1 碳纤维杆的国外发展 ......................................................................... 1 1.1.2 碳纤维杆的国内发展 ......................................................................... 1 1.1.3 碳纤维杆的结构特点 ......................................................................... 2 1.2 碳纤维连续抽油杆作业车的发展及特点 .................................................... 4

1.2.1 碳纤维连续抽油杆作业车的发展情况 ............................................. 4 1.2.2 碳纤维杆作业车的结构特点 ............................................................. 5

2 碳纤维杆作业车夹持装置方案对比分析 ............................................................. 9

2.1 齿轮组方案对比 ............................................................................................ 9 2.2 动力方案对比 .............................................................................................. 10 3 碳纤维杆作业车夹持装置设计分析 ................................................................... 10

3.1 夹持装置的工作原理 .................................................................................. 11 3.2 链传动设计 .................................................................................................. 12

3.2.1 夹持块整体结构受力分析 ............................................................... 12 3.2.2 链条设计 ........................................................................................... 12 3.2.3 链轮设计 ........................................................................................... 14 3.2.4 链传动的张紧与润滑 ....................................................................... 16 3.3 齿轮组设计 .................................................................................................. 16

3.3.1选定齿轮类型，精度等级，材料和齿数 .......................................... 16 3.3.2 齿轮扭矩 ........................................................................................... 17 3.3.3 弯曲疲劳许用应力 ........................................................................... 17 3.3.4 试算小齿轮分度圆直径 ..................................................................... 18 3.3.5计算齿比高 .......................................................................................... 18 3.3.6 载荷系数 ........................................................................................... 18 3.3.7 齿形系数 ........................................................................................... 18 3.3.8 比较选择系数 ................................................................................... 19 3.3.9 尺寸计算 ........................................................................................... 19 3.3.10 齿轮零件图 ..................................................................................... 19 3.4 链轮轴设计 .................................................................................................. 20

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3.4.1 基本参数 ........................................................................................... 20 3.4.2 链轮上的力 ....................................................................................... 20 3.4.3 初步确定轴直径 ............................................................................... 20 3.4.4 轴结构设计 ....................................................................................... 20 3.4.5 力分析简图 ....................................................................................... 23 3.4.6 求轴上载荷 ....................................................................................... 23 3.4.7 按弯扭合成应力校核轴的强度 ....................................................... 26 3.5 液压马达选择 .............................................................................................. 26

3.5.1 功率计算 ........................................................................................... 26 3.5.2 转速 ................................................................................................... 26 3.5.3 扭矩 ................................................................................................... 27 3.5.4 选择 ................................................................................................... 27 3.5.5 连接 ................................................................................................... 27 3.6 液压缸选择 .................................................................................................. 27

3.6.1 夹紧缸的选择 ................................................................................... 27 3.6.2 张紧缸 ............................................................................................... 29 3.6.3 缸体材料及固定 ............................................................................... 29 3.7 夹持块支架设计 .......................................................................................... 30 3.8 张紧链轮支架设计 ...................................................................................... 32 3.9 整体架设计 .................................................................................................. 32 3.10 横向位移、纵向位移德设计 .................................................................... 32 3.11 传送链移动边位移设计 ............................................................................ 33 4 碳纤维杆作业车下放作业的平衡分析和设计 ................................................... 34 5 碳纤维杆作业车起下夹持装置经济性评价 ....................................................... 37 6 结论 ....................................................................................................................... 39 参考文献 ..................................................................................................................... 40 致谢 ............................................................................................. 错误！未定义书签。

Ⅱ

1 绪论

抽油杆是有杆泵抽油系统的重要部件之一。我国三抽(抽油机、抽油杆和抽油泵)井的井数占生产油井总数的80%，其原油产量占全国原油总产量的70%。抽油杆在工作过程中，承受不对称循环载荷和腐蚀介质的作用，其主要失效形式是疲劳断裂或腐蚀疲劳断裂。目前国内外使用的抽油杆主要是钢质普通抽油杆，它具有较高的抗疲劳强度、运输操作方便、价廉等优点，但是它存在密度大，耗能高，目前只能用于泵挂深度小于3000m的油井泵径(38mm)，不能用于超深井泵挂深度3000～4500m，每根抽油杆的最大长度为9.14m，组成抽油杆柱时，用接箍将抽油杆连接起来，抽油杆接头的失效率占抽油杆总失效率的50%以上，而且由于接箍的外径较大，减少了接箍外径与油管内径之间的空间，增加了井液向地面流动的阻力，抗腐蚀性能较差等缺点。因此，普通钢质抽油杆不能满足深井、超深井、腐蚀井等特殊油井原油开采的需要，成为有杆泵抽油系统中的薄弱环节[1]。

碳纤维连续抽油杆采用一种新型材料，在我国采油系统的应用获得了初步的成功，尤其在这一技术中的产品性能、节能效果，与国外的专用作业车比较有一定的优势，显示出了其大面积推广的巨大经济价值。

1.1 碳纤维杆的发展情况

1.1.1 碳纤维杆的国外发展

20世纪90年代初，为了克服普通钢抽油杆质量大、耗能高、失效频繁、活塞效应大、起下作业速度慢、易偏磨的缺点[2]，美国利用其航空航天和材料技术的优势，成功研制碳纤维杆、专用的油井作业设备和碳纤维杆–钢抽油杆的混合抽油杆柱设计软件。1991年至1995年美国在33口抽油井中使用碳纤维杆，平均泵挂深度为1444m，碳纤维杆的长度占整个抽油杆柱长度的平均比例为61.8%，井底的平均温度42.7℃，平均日产液91.7t。其中有1口井正常运行了4a，另1口含H2S的井正常运行了3a。这33口井在4年半的矿场试验中共作业45井次，最主要的失效形式是钢接头疲劳断裂和碳纤维杆端部连接部位失效，其次是由于碳纤维杆受压应力引起失效[3]。 1.1.2 碳纤维杆的国内发展

我国在20世纪90年代开始研制，引进碳纤维连续抽油杆。1998年前后国内开始研制该产品。2000年陈厚等介绍了以环氧树脂作为树脂基体，以碳纤维作为增强材料，采用拉挤成型工艺生产树脂基碳纤维杆，并分析和讨论了该连续生产过程中易出现的问题。他们提出的工艺可连续成型，自动化程度高，且成型制品力学性能优异，是生产连续抽油杆的一种较好的工艺方法。2000年开始，顾雪林和杨小平等进行了碳纤维杆的制造和作业工艺及装备的研究，已制备出耐温等级分别为90、120和150℃的碳纤维杆，其中耐温等级为90℃的杆已正常生产并投入现场使用。在乙烯基酯树

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脂碳纤维拉挤复合材料方面申请了具有自主知识产权的专利，在碳纤维杆与金属接头的连接方面取得了突破性进展，在产品实验室疲劳实验和所有下井的工况试验中获得100%的成功。2001年吴则中等人详细介绍了美国碳纤维杆碳纤维的研究、生产、油田应用等情况，指出：碳纤维抽油杆适用于高含水油井、深井、超深井和腐蚀井的原油开采，目前我国有抽油井约8万口，原油平均含水80%以上，泵挂深度2000m以深的井数占总井数的15%以上，腐蚀井的井数也占总井数15%以上，因此，碳纤维抽油杆在我国有广阔的应用前景。2003年李颖等人介绍了碳纤维杆在胜利油田胜利采油厂的试验情况，使用表明碳纤维杆能带来明显的节能效果，同时油井产量还有明显增加的现象，碳纤维杆有很好的应用前景。顾雪林、李颖等人共进行了19井次16口油井的矿场试验，解决了接头可靠性和下井作业的可靠性等应用难题，实际节能超过35%，一般可接近50%；悬点最大载荷可减少25%左右，载荷幅度减小，可降低抽油机型号1～2个等级，直接节约固定资产投入约10万元/口油井；最大泵径61.86mm；部分油井使用碳纤维抽油杆提高的油井产量达到原金属抽油杆的110%，平均提高泵效24%；还可解决大泵深抽的采油技术难题。最大下泵深度为2800m，其中碳纤维抽油杆为1850m，最长的油井使用时间已超过1a。碳纤维杆在胜利、大港、中原等油田的使用总数已接近50口油井。

碳纤维杆采油系统在我国油田的应用获得了初步的成功，尤其是产品性能和节能效果，均超过了国外的技术水平，显示出其大面积推广的巨大经济价值。但是，该采油系统的相关配套技术研究尚未深入开展，应用中尚未充分发挥出该产品的潜力。 1.1.3 碳纤维杆的结构特点

碳纤维连续抽油杆呈带状，可缠绕到滚筒上（见图1–1），它的横截面为矩形（见图1–2）。增强材料：心部为碳纤维；上下表面覆盖玻璃纤维布，以提高碳纤维抽油杆的横向强度；左右两侧面和棱角覆盖芳纶纤维布或玻璃纤维布，以提高抽油杆的耐磨性能。基体为乙烯树脂，采用拉挤工艺生产。

1–转轴；2–支撑环；3–滚筒；4–碳纤维杆

图1–1 缠绕在滚筒上的碳纤维抽油杆

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1–碳纤维；2–玻璃纤维布；3–芳纶纤维布或玻璃纤维布

图1–2 碳纤维杆截面

碳纤维杆两端部的连接结构见图1–3，其两表面上各贴一条用碳纤维复合材料做的加强带，并打3个螺钉孔。钢接头的一端符合API抽油杆规范，以便和钢抽油杆、抽油光杆相连接；另一端开一个槽，有3个内螺纹孔。将碳纤维抽油杆的端部插入钢接头的槽中，用3个螺钉固定。

1–碳纤维抽油杆；2–加强带；3–螺钉；4–钢接头

图1–3 碳纤维杆端部连接结构

安装抽油杆柱时，先用普通油井作业设备将一定长度的钢抽油杆或加重杆下入井内，接着将碳纤维抽油杆下端的钢接头与钢抽油杆或加重杆相连接，再用碳纤维抽油杆的油井作业设备，以30.5m/min的速度将 碳纤维抽油杆下入井内，最后将普通光杆与碳纤维抽油杆的上端钢接头相连。其结构与玻璃钢抽油杆–钢抽油杆的混合抽油杆柱相似，其区别仅在于混合抽油杆柱相当于由两种密度和弹性系数不同的弹簧组成，区别仅是这两个系统的总刚度和总密度不同。钢抽油杆和加重杆的作用是使碳纤维抽油杆在工作过程中始终处于受拉应力状态，并调整混合抽油杆柱的自振频率，使其接近抽油机的冲数而使混合抽油杆柱发生共振，达到增加泵冲程的目的。

与常规抽油杆相比，碳纤维杆具有良好的综合性能，优点有以下几点： 1）密度小，可以降低光杆载荷和减速器的扭矩，节电。碳纤维抽油杆的密度为1.59g/cm3，约为钢抽油杆的五分之一。碳纤维抽油杆–钢抽油杆的混合抽油杆柱的质

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