抽油机的可行性研究报告

抽油机

(一)项目建设的必要性

近年来,我国大部分油田已进入注水开发的中后期,开发深度和难度与日俱增,油田供液能力明显不足,虽然对采油设备采取了多种技术措施,但机械采油设备仍占据主导地位.据统计,我国目前机械采油井的数量占油井总数的90%以上,其中由抽油机组成的抽油设备的抽油井占80%左右,采油量占总产量的75%以上.

为了提高稠油井的产量和油藏的开采效率,需要采用"小泵探抽"和"大泵提液"采油工艺,这样就要求采油设备必须具有长冲程和大载荷的特点.实践表明,游梁式抽油机尽管是使用制造经验较为成熟的机型,是现有有杆抽油设备的主力,但是把其发展成为长冲程大载荷抽油机的困难较大,而无游梁抽油机在这方面具有较大的优越性.在无游梁式抽油机中,液压抽油机具有传能密集可使整机结构紧凑,重量轻,适应井况范围广,冲程长度和冲程次数的调节方便等特点.因此,液压抽油机在我国可望会得到较快发展,并会在今后几年内出现几种不同形式的液压抽油机用于油田的采油作业.针对我国海洋油田及陆地油田的开发实际,尤其针对我国西部油田开发前景,液压抽油机的开发与应用前景是相当广阔的,也是势在必行的.

(二)资源现状,问题与需求分析

1,国际现状及发展趋势

当前,石油钻采装备制造业处在发展的黄金时期.主要是全球经济增长刺激能源的巨大需求,高油价的到来促使石油设备制造产业的快速发展.近年来,我国通过贸易销售和施工队伍带到国外的石油石化设备逐年增加,"中国制造"有了一定信誉.

世界上生产原油的国家特别是石油输出国,大多数不具有石油装备的制造能力.如中东,南美等一些产油国,一直从国际市场采购.同时,尽管美国一直是石油装备国际市场的主要占有者,但西方国家的石油装备价格很高,一些发展中的产油国在寻找替代的货源,一些西方的石油公司为了降低成本也在寻找替代的货源.在总体质量,技术水平与国际水平基本相当的情况下,我国的石油装备则在价格上具有优势,一些用量较大的设备如井口装置,抽油机,石油管材等,国际市场份额不断扩大.

①现状

A,产品

抽油机至今是采油设备中最常用的设备,在世界上约占机械采油的80%以上.美国Lufkin公司是最有名的抽油机制造公司,世界上最大载荷的抽油机是该公司生产的A系列前置式气平衡抽油机,最大载荷为194kN.抽油机一般寿命在15年以上.Lufkin公司早期曾生产过一台配有2(1/2)〃涡轮涡杆减速器的小型抽油机,自从1921年安装使用直到1996年已经连续运转75年之久,累计运转时间为470000小时,目前还可使用,是世界上最长寿命的抽油机.法国Mape公司生产的H系列液压驱动长冲程抽油机最大载荷为199kN.

B,生产工艺

在国外,抽油机的生产已经基本上被几家大的机械制造公司所垄断,如美国最早,最大的抽油机制造公司拉夫金(Lufkin)公司,原苏联最大的抽油机生产基地阿塞拜疆石油机械制造集团.这些企业生产规模大,采用先进的部件优化技术,将抽油机系统按功能分解成若干模块,按照标准化,通用化,系列化的方式组织生产,企业的设计,制造及管理水平较高.以较少的生产模块,最大限度地满足不同用户多种类型,规格抽油机的需要,给企业带来了较高的经济效益.根据美国拉夫金公司的产品样本,他们所生产的79种型号的抽油机由十类近100种模块组合而成,其生产的零部件具有高度的通用性,也较彻底地解决了零部件的通用和互换问题.由于采用模块化设计方法,既满足了多品种,小批量的市场需求,又解决了企业规模化问题,产品质量也有了保证.

②发展趋势

近年国外采油(气)设备的发展趋势是向大排量,大功率,耐高温,耐高压方向发展;向自动化,智能化和遥控监测方向发展;向具有保护,报警,优化记录及显示功能方向发展;向采油工艺多适应性发展,即能适应含水,含气,含沙,含石腊,稠油和低渗透油藏的采油需要,又能满足定向井,水平井和深井采油工艺的需要.

陆地的机械采油系统,将着重发展游梁式抽油机,以适应长冲程,低冲次,低成本,节约能源,维修次数少,占地面积小,长寿命等的需要.无游梁式抽油机,储能型液压抽油机将得到发展.适应采稠油的,深油井的螺杆式抽油机,数控,自动化,智能型抽油机也将得到发展.

2,国内资源的数量,质量与分布情况

液压传动是现代工业必不可少的能量密集型传动方式,它可以最大限度地减小设备体积和重量,以液压传动技术为特征的液压抽油机可以最大限度地发挥油井产能和延长地面及井下设备的使用寿命,具有很好的采油经济性,尤其是针对稠油开采和油田的后期开发液压抽油机则更具魅力.目前,在国外液压抽油机已发展到了一个较高的技术水平,形成一系列性能优良的抽油机产品,并得到了油田生产的广泛应用;在国内由于液压元件制造水平的制约,液压抽油机的发展比较迟缓,但随着我国液压技术和机电一体化技术的迅速发展,相信在今后一个时期以机电液一体化技术为特征的液压抽油机会得到较快的发展.

我国尽管液压抽油机的研究起步较晚,但其发展却是非常迅速的,至目前不仅出现了一些结构性能均具特色的液压抽油机结构方案,而且也出现了少量液压抽油机产品样机.针对我国液压抽油机的发展状况.

①吉林工业大学研制的YCJ-II型液压抽油机.YCJ-II型液压抽油机是典型的"液压泵—液压缸"结构方案,它主要由提升装置,传力装置,导向装置,换向装置及机架组成它的提升装置主要由一个主油缸和两个平衡油缸所组成;它的传力装置主要由传力板,调节轮及悬绳器所组成;它的导向装置主要由导轨和导向轮所组成;它的换向装置主要由无触点行程开关和电液换向阀等组成该机工作参数为:悬点载荷157KN,最大冲程长度5m,总程次数3—5/min,配备电机功率45KW.该机在1987年11月完成了厂内台架试验,1989年12月末开始在辽河油田进行了油田应性试验;试验表明,该机的液压和电气了系统是可行的,在北方冬季野外可连续运行,与常规抽油机相比可节能25%—33%,并具有结构简单等特点,但是该机在工业性试验中也暴露出了一些问题,还有待作进一步的改进同时,与国外抽油机相比,还具有以下不足之处:首先该机所采取的安全保护措施还有欠缺,达不到油田对抽油机高可靠性的要求;其次先进的机电液一体化技术的应用还很不够等等.

②兰州石油机械研究所研制的YCJ12—10—250(I型液压抽油机),YCJ12—10—2500型滚筒式液压抽油机是典型的"液压泵—液压马达"结构方案.该机采有组块拼装式结构,全机分成液压组块,绞车组块和支架组块.整机工用效能参数为:悬点载荷1200KN,最大冲程长度10m,额定扭矩2500N·m,最大扭矩4000N·m,最高冲次5min-1,整机重量26t.该机于1993年通过部级鉴定验收,它的液压系统由主油路,辅助油路和安全保护油路三部分组成它的主油路采用了效率较高的液压闭式回路.为了避免主泵零排量(即换向)时的发热和保护润滑,其溢流部分全部经主泵回流至油箱.该机的基本工作原理为:利用主泵提供的流量和流向均变化的压力油驱动液马达实现正反转,然后通过液马达驱动滚筒的正反转;在滚筒上有正反向缠绕的两根钢丝绳,这两根钢丝绳的其中一端分别固定在滋筒上,另一端分别与抽油杆和平衡重相连,通过滚筒的正反转带动实现抽油机悬点的上下往复运动,该机采用了机械平衡方式.

此外,在该机制液压系统中设置了安全保护装置可以保证不出大的事故.试验表明,该机具有冲程长,重量轻,冲程长度和速度可无级调节,井口占地面积很小,整机运行平稳,节能和换向冲击小等优点,是一种很有发展前途的新机型.

③功率回收型液压抽油机,该液压抽油机是针对遭受抽油机中下冲程作业动力机付出的能量,抽油杆下落及换向制动的释放能不能全部回收和平衡效果不完善等缺点而设计的,该液压抽油机中利用了"变量泵—马达"这—关键性元件,它既可作泵也可作为马达,它的设计原理是将平衡问题归人功率回收问题来考虑,通过能量的储存与转换使功率回收最完全,平衡最完美.该机具有结构紧凑,体积小,重量轻,耗能少,成本低,可实现长冲程,低冲次,大载荷的特点;此外该机还具有安全保护功能.

此外,近几年我国石油科技工作者还提出了许多很具特点的新型液压抽油机结构方案,如齿轮齿条长冲程液压抽油机等等.

3,存在问题分析

(1)减速器的质量和寿命问题

由于钢材价格上涨,为了降低成本,抽油机用的减速器材质由铸钢变为铸铁,质量严重下降,易出现打齿,减速器故障造成采油停止的经济损失巨大.

(2)传统抽油机采用重量平衡,天长日久,无用耗能巨大.

4,需求分析

随着油田抽油设备研究水平的提高,抽油机采油井的数量呈现逐年上升的趋势.据介绍,全国目前有7.5万多口机械采油井,年耗电量高达105亿千瓦时,同时全国每年新增机械采油井大约5000口以上,每年需新增和更换抽油机7000—8000台,需新增和补充抽油杆几百万米和抽油泵上万台套.

据不完全统计,大庆油田有约3万台传统抽油机工作,辽河油田大约有7000—8000台传统抽油机工作,大港油田有5000—7000台传统抽油机在工作,这些抽油机每年需要按一定比例进行更新.

中国制造的传统型抽油机在世界具有良好的声誉,每年有上万台抽油机出口需求.

辽河油田总机厂抽油机2005年产量为800台,2006年预计1000台.大港油田总机厂抽油机2005年产量为1000台,2006年预计1200台,并且供不应求.

无论是自产液压抽油机,还是为石油机械企业配套液压驱动部分,都有广阔的市场.

5,工作基础和共建部门的资源优势

(1)天津大学机械工程学院机械工程系简介

机械工程学科是国家一级博士点学科,涵盖机械制造及其自动化,机械电子工程,机械设计及理论3个二级博士点学科,车辆工程和工业设计硕士点,博士后流动站,机械工程领域硕士点,以及机械设计制造及其自动化和工业设计两个本科专业;国家工科机械基础教学基地;教育部先进陶瓷及加工技术重点实验室,天津市先进制造技术与装备重点实验室也设在本学科.学科现有一个教学中心和七个各具特色的研究所.本学科现有国家杰出青年1名,长江学者2名,教授19名,副教授和讲师64名,工程技术人员80余名.近五年来承担国家杰出青年基金,国家863,国家自然科学基金重大国际合作,以及国家,部委和企业委托课题百余项,获国家教学成果二等奖1项,天津市教学成果一等奖2项,以及各种部委科技和人才奖励多项.

数控与液压技术研究所隶属于机械电子工程二级学科,主要从事机,电,液一体化方面的教学与研究.所内拥有教授2人(博士生导师1人),副教授5人(硕士生导师3人).在校博士及硕士研究生30余人.为本科生及研究生开设的课程有:机器人动力学,数控技术,传感器技术,液压传动与气压传动,工控机等.近年来先后承担国家863高技术(5项),国家自然科学基金(1项),教育部博士点基金(1项),天津市自然科学基金(2项),及各大企业科研项目.40余篇,其中被SCI/EI/ISTP收录10余篇,获得省部级奖励5项.

天津大学机械工程学院主要研究成果介绍

①并联构型装备

完成人:黄田等人.

1997年在国内率先开展并联构型装备(ParallelKinematicMachines)设计理论,关键技术和样机建造工作.承担国际合作,国家,部委和横向课题多项,研制成功多种机床和机器人,并实现小批试制.在并联机构创新设计,工作空间分析与综合,精度设计与运动学标定,静,动态分析与设计,轨迹规划,开放式数控系统建造,以及装备的可重构布局等方面取得一批成果.获部委科技奖励2项,在ASME,IEEE,CIRP,MMT等学术刊物上100余篇,被SCI/EI收录60余篇次,申请或授权国际和国家专利11项,在国际上有一定的学术声誉.

nA,三自由度并联机床

3-HSS是在天津市科技攻关和天津大学211工程项目资助下研制成功的我国首台商品化三自由度并联机床,后得到天津市重点和重大科技攻关项目支持,开发出卧式5坐标加工中心.

n

nB,Diamond机构

Diamond机构是天津大学发明的2平动自由度并联机构,得到国家"863",国家自然科学基金,英国皇家学会英中国际合作项目资助.该机构是著名的Delta机构的一种2维形式,适于电子,轻工,食品和医药行业中的高速抓取操作.开发样机出口英国,创我国机器人整机出口首例,并在工业界得到应用.

C,

TriVariant机械手

TriVariant是天津大学发明的5坐标混联机械手,得到海外青年学者合作研究基金,国家自然基金重大国际合作,天津市制造业现代化专项和工业界资助.该机械手突破了著名Tricept机械手的知识产权,可广泛用于汽车,航空,建筑等行业的焊接,切割,喷涂,高速加工和装配操作.

②基于网络和状态监控的嵌入式层次化开放结构数控系统与装备

完成人:王太勇等人

该项目受国家自然基金项目,天津市重点攻关项目,天津市重点基金项目

核心技术成果:

嵌入式开放结构数控系统(具备网络功能,状态监控,故障诊断,层次化结构和二次开发平台)

网络化制造:远程数据传输,异地加工,车间群控网络,企业网络

嵌入式平台:32位MCU+DSP+实时操作系统=高精度高可靠性高性价比

层次化结构:经济型,中档型和高档型数控系统功能结构和系列化产品格局

智能化开放结构:第三方软硬件模块的兼容与广泛集成

引导型的二次开发平台:集成化的功能拓展和性能优化环境

智能化系统重构技术:从底层算法到上层交互的系统配置和功能自定义

在线功能仿真和性能校验评估,保证二次开发结果的安全性与稳定性.

该项目已经在天津天大精益数控技术有限公司产业化

③智能机器人

水下机器人系统动力学与控制

完成人:王树新

A,小型海洋监测与探测自航行器

在国家863计划资助下,研制成功具有原创性,可实现自主航行,注水下沉,座底长期监测,分离上浮形式的小型海洋监测与探测自航行器.

B,水下滑翔器

研制成功国内首台拥有自主知识产权的温差能驱动水下滑翔器,具有工作时间长,工作深度深,噪声小等特点,该系统可实现水平滑翔与垂直升降运动,在海洋监测与军事领域都具有广阔的应用前景.

以外科手术机器人,水下自航行器为典型对象,开展智能机器人设计理论,控制与导航技术研究,以及样机建造与工程应用等.承担完成国家863计划,中法国际合作项目,国家自然科学基金项目和天津市科技攻关项目等课题,研制成功"妙手"外科手术机器人系统等多种样机和产品,获省部级科技奖励6项,在高水平学术刊物与会议上发表学术论文50余篇,申请或授权发明专利12项.

C,"妙手"显微外科手术机器人系统

"妙手"系统采用主从遥控操作方式,包括主操作手(左手和右手),从操作手(左手和右手),图象系统,控制系统,各种手术器械和其他辅助器械,从操作臂(从手)具有力检测功能,主操作臂(主手)具有力感觉功能.系统可完成切割,夹持,缝合与打结,特别是微细血管缝合等复杂手术操作.

④陶瓷精密加工

完成人:任成祖

以先进陶瓷,单晶硅,人工晶体为代表的硬脆材料在现代人类生活中正发挥着越来越重要的作用.本方向从20世纪80年代开始从事陶瓷发动机研制工作,先后承担部级研究课题12项,省部级课题15项,在硬脆材料加工理论,磨削理论,硬脆材料高效率加工技术,精密及超精密加工技术,硬脆材料制品开发应用中的关键技术等方面形成研究特色.获部委级科技奖励4项,200余篇,被SCI/EI收录50余篇次.陶瓷球生产工艺已具备产业化能力.

(2)朝阳弘源重型设备制造有限公司技术力量简介

朝阳弘源重型设备制造有限公司始建于2002年11月份,座落于朝阳市友谊大街1段59号,注册资金50万元,总资产1000万元,占地面积4002㎡,建筑面积1700㎡.

公司现有高级职称人员3人,中级职称人员7人,初级职称人员5人,技师5人.其中:韩景宽高级工程师是从中国石油部招聘的,该同志70年代,80年代先后从事过322型军用雷达中的六种装置设计;数控机床,钻床,镗铣床,加工中心,千吨油压机的设计,90年代从事专利研发工作,曾设计出:农用五联机,农家六用机,微型烟尘净化四等产品,目前正在研发高节能节油设备和农用多联机等.该同志既有理论基础又有充足实践经验,对我企业的技术工作起到了保驾护航的作用.

(三)项目内容

1,目标

(1)总目标

项目在2008年形成的年产2000台HY系列液压抽油机液压系统的生产能力.

(2)阶段目标

①在2006年8月31日前完成技术方案可行性分析和技术方案仿真.

②在2006年12月31日前完成3台样机试制.

③在2007年内完成500台HY系列液压抽油机液压系统的批量生产.

④在2008年形成2000台HY系列液压抽油机液压系统的生产能力.

2,主要工作任务分工和技术方案

(1)关键技术研发

项目的关键技术研发主要是委托天津大学机械工程学院机械工程系对HY系列液压抽油机液压部分进行研发设计.

进度安排

①2006年5月15日—2006年6月30日技术方案的可行性分析.

②2006年7月1日—2006年8月31日技术方案的仿真.

③2006年9月1日—2006年10月31日在样机设计与制造过程中提供对液压抽油机液压部分技术咨询服务.

④2006年11月1日—2006年12月31日样机现场试验过程中对液压抽油机液压部分进行技术咨询.

(2)新产品试制

朝阳弘源重型设备制造有限公司在天津大学机械工程学院机械工程系专家的指导下,于2006年9月—2006年12月进行HY系列液压抽油机液压系统3台样机试制.

(3)技术方案

①液压抽油机工作原理

液压抽油机主要由电动机,液压泵和蓄能器,液压缸和控制器等组成.液压抽油机的工作过程如下:

首次开机或长时间停机后开机起动时,控制器发出指令液压泵启动.

系统的周性工作过程:

上冲程:电动机带动同轴的液压泵工作,输出的油液进入液压缸推动缸杆向下运动,拉动抽油杆上冲程.其运动速度可以通过液压泵的排量来实现.

下冲程:当液压缸向下运动碰到行程开关7时,液压缸在抽油杆和地下泵重力势能的作用下向下运动,使液压缸中的油液向油箱排出.下降过程中抽油杆的速度,能根据抽油杆上的负载和油液的粘度来调节优化,可以确保地下泵能在最佳工况下工作.速度调节是通过液压缸卸载的排量来实现.

②液压抽油机的工作特点

这种液压抽油机具有节能效果显著,生产效率高,安全性好的特点.在技术性能上与机械式抽油机比较具有以下优势:

A,这种抽油机对下降势能(位能)可充分地进行功率回收.因此,电动机的驱动功率可大幅度减少,与同等机械式抽油机比较,电动机的功率是机械式抽油机电动机功率的一半.同时,抽油机电动机始终处于最佳的运行状态.

B,与机械式抽油机相比具有优良的工况适应性,使原油泵具有较高的填充率,避免井下原油泵出现吸空现象.

C,在井下发生卡泵现象时,能自动地对井上及井下采油设备给以安全保护.当液压缸未能在规定时间到达时,控制器发出讯号,停止泵的工作,使系统关闭.

D,本方案的抽油机可在-50—50℃环境温度下正常运行.

E,调节方便,过渡平滑.

③项目产品的先进性,成熟性,节能性,环保性

国内外对液压抽油机的研究和生产厂家很多,但我们可以看到液压抽油机在我国还没有广泛采用.原因是有的抽油机设计太复杂,油路太复杂,工作中,液压件易出故障,难维修,价格高.

提出的HY系列液压抽油机立足结构简单,实用耐用,成本低,易维修,节能性好等特点.

所采用的液压设计方法,制造工艺都是很成熟的工艺,该公司与天津大学机械工程学院正在做HY系列液压抽油机量产工艺研究.

由于替代传统抽油机中的驱动系统,节能是一定的,现在估计约节能40%.

设计,制造和使用过程不会对环境造成任何坏的影响.

④今后研发的液压抽油机除具有现有抽油机所具有的大部分优点外,还应具有以下几方面的特点:

A,高的可靠性.由于抽油机的工作环境条件相当严酷,而且在大多数时间是在无人管理的状态下工作的,这样就要求抽油机必须具有相当的可靠性,其易损件要少,且便于维修,以降低采油成本,提高油井的采油时率和采油经济性.

B,高的适应性.随着油田的不断开发,石油开采条件日益复杂化,这样就要求新型液压抽油机能够适应井况的不断变化,且具有较大的使用范围适应油田不同井况的采油要求在现代技术条件下,应尽可能地采用先进的机电液一体技术和智能化技术,使抽油机能够自动监测井况,并能根据油井开采条件的变化自动调整其工作参数.

C,相当的先进性.在现代技术条件下,在进行新型液压抽油机的研发过程中应采用先进的现代设计方法和制造方法,在保护设备可靠性的前提下应尽可能地扩展设备的功能,如冲程长度和冲程次数的自适应调整,平衡系统参数的自适应调整,修井时的让开井口甚至代替修井机或通井机进行油井的小修及检泵作业,自诊断和监测功能,安全保护等.

⑤产品工艺流程

A,缸体活塞半成品加工

B,系统装配

⑥主要设备选型

A,数控铣削加工中心

B,内圆磨床

C,外圆磨床

D,液压件测试设备

3,人才队伍建设方案

(1)项目负责人及参加项目主要人员情况

朝阳弘源重型设备制造有限公司和天津大学机械工程学院机械工程系组成产学合作技术联盟,组建项目建设领导小组,成员如下:

组长:朝阳弘源重型设备制造有限公司总经理吕广久

副组长:天津大学机械工程学院机械工程系教授秦旭达

成员:朝阳弘源重型设备制造有限公司高级工程师吕广海

朝阳弘源重型设备制造有限公司高级工程师韩景宽

天津大学机械工程学院机械工程系讲师杜玉红

天津大学机械工程学院机械工程系教授李修仁

天津大学机械工程学院机械工程系硕士生王金路

天津大学机械工程学院机械工程系硕士生张剑刚

(2)凝聚,培养技术人才队伍方案

①朝阳弘源重型设备制造有限公司将从社会招聘液压专业的工程技术人员4名,数控机床操作人员9名,熟练的金属切削机床操作工人30名,钳工及装配钳工20名.

②天津大学机械工程学院机械工程系将对朝阳弘源公司新招聘的员工进行岗前培训.

③朝阳弘源重型设备制造有限公司的专业技术人员将有送往天津大学机械工程学院机械工程系进修机会

④朝阳弘源重型设备制造有限公司将对所有员工提供合理报酬,生产一线人员实行计件工资制,技术人员与管理人员工资与效益挂钩.

(四)保障措施

1,项目的组织方式及效益分配

(1)组织方式

朝阳弘源重型设备制造有限公司和天津大学机械工程学院机械工程系组成产学合格技术联盟,组建项目建设领导小组,协调项目建设.

(2)效益分配

项目建设的风险由朝阳弘源重型设备制造有限公司承担.据测算,项目完成后,年产HY系列液压抽油机液压系统产品2000台,实现销售收入10000万元,年上缴增值税及附加400万元.根据合同双方将对HY系列液压抽油机液压系统产品的效益实行5:5分成(按年产2000台估算,双方将各得净利润300万元左右).

2,经费需求

(1)朝阳弘源重型设备制造有限公司2007年内按建成年产2000台HY系列液压抽油机液压系统项目,总投资4011.56万元,其中固定资产投资2011.56万元,流动资金2000万元.

(2)天津大学机械工程学院机械工程系所需经费220万元,由朝阳弘源重型设备制造有限公司提供.

(3)朝阳弘源重型设备制造有限公司2006年3台样机试制经费284.55万元.其中新增关键设备数控铣削加工中心1台,外圆磨床1台,内圆磨床1台,计278万元;原辅材料费3.55万元,工艺研制费1万元,其它费用2万元,计6.55万元.

3,资金来源

项目固定资产投资2011.56万元,其中申请银行贷款700万元,申请辽宁省科技厅产学合作技术联盟专项资金50万元,自筹1261.56万元,流动资金2000万元,申请银行贷款1400万元,自筹600万元.

合作研发HY系列液压抽油机液压系统工程可行性研究报告

朝阳市工程咨询中心编制(2006)

研磨

热处理

磨削

精车

检验

粗车

下料

缸体,活塞

液压泵,阀

日本进口密封圈

电机

电控柜

液压系统组装

液压油

试验

成品