0前言
0.1课题研究背景及意义
0.2示功图测试技术及其发展（国内外研究现状）
0.4 论文研究内容
<<；偏心柔性抽油系统结构优化设计>>
<<；游梁式抽油机采油系统矢量控制节能方法研究>>
2.1游梁式抽油机运动特性分析
2.2游梁式抽油机各杆件受力分析
2.3曲柄轴扭矩分析
2.3.1游梁式抽油机扭矩平衡计算及其调整
抛物面雷达物位计2.4悬点载荷计算
2地面系统能耗单元划分及测试研究
2.1有杆抽油系统各部分效率的分解
应用有杆抽油系统将地面的电能传递给井下液体，从而举升井下液体，这是一个能
量不断传递和转化的过程。在能量的每次传递时，都将损失一定的能量，每一次供给能量扣除能量损耗后，就是有效能量。机采系统有效做功能量与系统输入能量之比即抽油系统的系统效率。有杆抽油系统的能量损耗分为地面设备的损耗和井下设备的损耗。地面设备的损耗主要是电动机的功率损失和机械摩擦损失，其大小反应了有杆抽油系统地面设备的运行情况。井下设备的损耗主要是机械摩擦损失、弹性变形损失和水力损失，其大小反映了有杆抽油系统井下设备的运行情况[83-89]。
有杆系统示意图
根据机采系统工作的特点，可将有杆抽油系统的效率分为两部分：即地面效率和井下效率（以光杆悬绳器为界），则系统效率η：
P光即为抽油机的光杆功率，是指光杆提升液体和克服井下各种阻力所消耗的功率。
P水即抽油系统的有效功率，是指在一定的扬程下，将一定排量的井下液体提升到
地面所需要的功率。
P入即抽油系统的输入功率，是指拖动抽油机的电动机的输入功率。
2.2.1有杆抽油系统各部分的功率（瞬时效率分析）
2.2.2地面效率
地面部分的能量损失发生在电动机、皮带、减速箱、四连杆机构中，因此地面效率η地为：
为了对抽油机系统地面设备内部能量损失做更加深入的研究，根据地面结构可将地面效率分解为电动机、皮带减速箱和四连杆机构三部分，即：
考虑到抽油机四连杆机构可能发生的能量倒转现象，引入一个有效载荷系数K，则上式可表示为：
K为抽油机有效载荷系数，表示四连杆机构中的能量倒转现象对地面效率的一个影响因数。（怎么解决）
2.2.3地面部分效率和能耗分布
根据地面部分的特点和测试原理，将地面部分分4个节电，分别是：电机、皮带-减速器、四连杆、抽油杆。在理想状态下（地面系统的各个部件均在高效率下运行，即电动机特性曲线和机械传动的额定效率），地面系统各节点的能量损失和传动效率见下表。 的有效功率为9.52KW，功率损失为5.48KW，系统的总效率为63.5%。由此可见，在地面系统中大约有36.5%的功率在能量转换和传递中损失掉了。
根据现场生产实际情况，按照可独立进行节能改造或实施节能措施的原则，将整个有杆抽油系统分为
6个单元：电控箱单元、电机单元、抽油机单元。在采油的过程中，由于多种因素的影响，地面系统的实际运行效率远远低于理想值。以CYJ10-3-37HB抽油机为例，在举升
高度为316m，产液量为106m3/d，冲程为3m，冲次为12min-1，电动机装机功率为15KW 的条件下，对有杆抽油系统整个运动部件的能耗进行了实际测量，其能耗情况见表2-2。
由表2-2可知，有杆抽油系统在生产运行中，其输入功率为14.2KW，转换为有效功率3.18KW，在能量转换和传递过程中，功率损失为11.02KW，有杆抽油系统的总效率只有22.4%，而系统的77.6%能量损失掉了。由表2-2还可以看出，在实际生产状态下，有杆抽油系统的能量损失由大到小的排列顺序为：电控箱+电动机单元>抽油机单元>抽油杆单元>井口单元>抽油泵单元。
有杆抽油系统的能量转换是由电能转换为机械能，再由机械能转换为液体位能。在能量的转换和传递
过程中，能量损失较大，致使有杆抽油系统的总效率较低，理想状态与实际工作状态相差较大，如电动机效率相差24%。能量损失较大的元件主要有电动机、皮带-减速器、抽油杆和抽油泵等。这里既有有杆抽油系统结构本身的问题，也有有杆抽油系统与油井合理匹配的问题[90-95]。影响有杆抽油系统能耗的主要因素有以下几个方面。
⑴有杆抽油系统机构的限制，扭矩波动系数较大。
茶籽粉⑵有杆抽油系统在实际工作中，均在轻载或中等载荷下工作，负载利用率低。
⑶有杆抽油系统拖动电动机的装机功率过大，大马拉小车，其功率利用率较小，
运行效率偏低，功率损失增大。
一次性封条
⑷减速器和四连杆机构的润滑，胶带的型号、松紧程度，盘根盒填料的材质、松
紧程度，平衡度的好坏等都将影响有杆抽油系统能量传递的效率。
⑸井液的物性参数、油气比的大小，影响抽油泵的充满系数，抽油杆管的弹性变
形，使抽油杆与油管间产生摩擦，加大了井筒内的能量损失。
上述影响有杆抽油系统能耗的主要因素既有抽油设备、油井井况的原因，又有管理
的问题[96-100]。因此，在进行有杆抽油系统的节能优化过程中，必须考虑抽油设备、井况以及管理这三个方面的问题。
2.2有杆抽油系统各分效率的测试方法
2.2.1 测试参数要求
⑴抽油机选择最大冲程与相应冲次进行组合匹配测试。
⑵抽油井测试时其平衡度保持在85%~100%之间。
⑶测试时液面深度分别为200、400、600、800m四个点，液面深度变化范围±10m。
⑷泵效波动小于3%。
⑸电网电压波动保持在±10V以内。
2.2.2测试布点
为了测试抽油机系统的分效率，可在整个系统布点9处，如图2-2所示。
⑴测点1：测点1位于电动机动力输入处，在该点测各种电参数。
用电功率表可以在测点1测得电动机的输入功率P入，即P1。除此之外还要测输入的电流、电压、无功功率（功率因数cosϕ）等。用下冲程时的最大电流与上冲程时的最大
电流之比，可以确定抽油机工作的平衡度；根据电压是否变化，可以了解整个系统的平
稳程度；无功功率或功率因数则说明所测抽油机系统对整个供电系统的影响。喷墨打印机墨盒
⑵测点2、3：测点2位于电动机输出轴端，测点3位于减速箱的曲柄输出端。
用动态应变仪分别测2、3点处的扭矩M，同时用转速计测该两点处的转速n；然后就可分别求出电动机的输出功率P2和减速箱输出功率P3。
⑶测点4：测点4位于悬绳器处。
在该点装示功仪可测得光杆的载荷与位移的关系曲线即示功图；根据所测示功图的面积及示功仪的比例系数就可以求得光杆功率P光（即P4）。
厨房纸巾架2.2.3注意事项
⑴应在抽油机稳态工作条件下进行测试工作，例如停机一段时间后，再开机时，
不要马上进行测量。另外，在系统电压波动很大时，所测得的数据也将是不同的。
⑵进行测试时，必须各测试点同时测试，以保证数据的准确可靠。另外应注意抽
油机工作的周期性，使测量时间间距与工作周期相同，否则将引起误差。
⑶由于抽油机工作时为交变载荷，随着抽油机曲柄角度的变化，输入的电功率也
产生周期性的变化，因此，用一般功率表测量电机输入功率，根本无法读数。为此，采
用电度表-秒表法测出一段时间内所消耗的电能来计算平均输入功率。
2地面系统能耗分析（效率辨识）
2.1抽油机耗能主要原因
2.1.1抽油机的能耗状况
1999 年我国抽油机系统采油年耗电总量1.05×1010KWh，占油气生产总用电比例的49.2%，年电费支出达42 亿。每台在用的抽油机平均年维护费用约3000 元，全国抽油
机年维护费用约2.25亿元，而因维护设备影响油井产量约相当1.2亿元，两项合计3.45
亿元；全国抽油机采油操作成本总额45.65 亿元。抽油机系统是油田生产量大面广、投
入较大的项目。降低抽油机系统的生产成本、提高原油生产效率，是当前各油田需要解
决的重要问题。若每口抽油井实用功率按10KW计算，5×104台抽油机每天耗电近12×10 ６KWh，年耗电近4.4×109 KWh。若我们将抽油机的系统效率平均提高15%，就全国而言每年可节电近1.575×109 KWh，节约费用6.3 亿元。这不仅可以节约大量能源，还可以缓解油田用电紧张状况。
常规游梁式抽油机自诞生以来，历经百年使用，经历了各种工况和各种地域油田的考验，经久不衰。目前仍在国内外油田普遍使用。常规机以其结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位[16-20]。但是
由于常规机的结构特征，决定了它平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。在采油成本中，抽油机电费占30%左右，年耗电量占油田总耗电量的20～30%，为油田耗电的第二位，仅次于注水。
常规抽油机的主要问题是能耗大，效率低。我国油田在用的常规型游梁式抽油机系
统效率较低，其平均系统效率仅有16%～23%。美国的常规型抽油机系统效率较高，但
也仅为46%。究其原因，在于系统总效率是系统在地面和井下七个组成单元的分效率和
相关反馈系数的乘积。显然要提高抽油机系统的总效率实现节能是一个复杂的系统工程问题，任何一环的分效率变低，都会是总效率变低，由此可见降低系统高能耗的迫切性
和难度。但由于在同一工况、井况和同一时刻下，井下的损耗因地面游梁机型不同而发
生的差异不会很大，另外，地下部分已经有可用的节能预测软件。因此，本文仅从抽油
机的地面效率角度研究其节能问题。
2.1.2 影响抽油机耗能的主要因素
抽油机的悬点载荷状况是影响抽油机能耗的主要因素。人们普遍认为，游梁机工作
效率不高的主要原因是其载荷特性与所用普通三相异步电动机的转矩特性不相匹配，电
机负载率过低，致使电机以较低的效率运行造成的[21-25]。
抽油机的结构和抽油泵工作的特点，形成了抽油机特有的负荷特性——带有冲击的
周期交变载荷。在抽油机运行的一个周期内：上冲程时，悬点要提升沉重的抽油杆和油
液柱需要减速器传递很大的正向转矩；下冲程时，输出轴被下落的悬点负荷（抽油杆自
重）正向拖动，使主动轴反向做功，减速器要传递较大的反向转矩。
电机在一个冲程中的某些时段被下落的抽油杆反向拖动，运行于再生发电状态，抽
油杆下落所释放的机械能有部分转变成了电能回馈电网，但所回馈的电能不能全部被电
网吸收，引起附加能量损失。
抽油机工作时，电机所受的负荷变化极大，在每一冲程的末尾，减速器输出轴上往
往出现负转矩。在这种情况下，电机会处于发电运行状态。目前，游梁式抽油机主要采
用曲柄平衡，即使在平衡良好的情况下，减速器输出轴仍然存在较大正峰值转矩和较大
的负转矩。平衡程度越差，其正、负转矩的峰值越大，抽油机的能耗也就随之增加。同
时负转矩的存在又加速了曲柄销的破坏，使减速器的齿轮经常受反向负荷，降低了抽油
机的使用寿命。
继常规机后，各种类型抽油机不断涌现，但其发展还是受到一定限制。国产数控抽
油机采用了完全不同于传统游梁式抽油机的机架、传动系统和电动机，对游梁式抽油机
没有任何继承，但因价格昂贵不能推广使用。链条式抽油机存在换向冲击载荷大和钢丝
绳易断，导轨刚度不足、容易变形等缺点。液压抽油机漏油发热，可靠性差，且液压抽
油机的维护保养比游梁式抽油机复杂的多，影响其进一步的推广使用。新型抽油机的投
入使用比对在用抽油机进行节能改造需要更多的投入，且其中大多数新机种在可靠性和
操作的方便性方面与常规游梁式抽油机相比存在着许多问题，加之受现场操作人员文化
技术水平限制，对节能所带来的经济效益不十分关心等诸多因素，使大部分新型抽油机
得不到良好的推广和应用。因此，研究抽油机的节能优化具有很大的现实意义和经济价
值。
2.2电机参数辨识
<<；超高效异步电机损耗模型及降耗措施研>.>
<<；偏心柔性抽油系统结构优化设计>>
<<；无速度传感器矢量控制系统的若干问题研究>>
<<；异步电机变频调速节能控制运行研究>.>
压延玻璃<<；游梁式抽油机采油系统矢量控制节能方法研究>>
2.3 三相电机功率及效率分析
从广义角度来讲，异步电机损耗主要包括两项，即铜耗和铁耗，这两项损耗中既包括由基波电流和基波磁场产生的铜耗与铁耗，也包括由皆波电流产生的附加损耗。计算上述损耗的方法主要可分为两种，一是基于传统磁路分析的损耗计算方法另一种是基于磁场分析的损耗计算方法。前者在以往电机设计中普遍采用，例如，在我国、、系列异步电机设计过程中，不同设计方案均是依据该方法得出,'一，但这种方法存在一定弊端，例如经验系数繁多、无法分析损耗局部分布等而基于现代计算机技术的数值计算方法可弥补这方面不足，随着计算机技术的发展，其己成为电机设计及分析中不可或缺的工具，其中应用最为广泛的是有限元法，该方法可以方便处理任意结构、任意边界条件以及复杂的源分布所带来的问题，同时还可以计及非线性等复杂问题`,“。鉴于此，有限元法在电机设计及损耗分析中得到了越来越广泛应用。为此，本章主要围绕电机损耗的计算方法开展研究。为了描述电机在有杆抽油系统运行过程中的功率特性，有必要将异步电机分电动机和发电机两种运行状态进行分析[101-105]。分析方法有两种：一是经验方法；二是理论方法。
经验方法
在缺少异步电机的实际性能曲线时，进行电机的电流及功率分析可采用如下近似公式：(1) 电机的输出功率
由电动机输出轴扭矩和电动机转速可以求出电动机的输出功率，即：
式中，P2为电动机的输出功率，kW；Td为电动机输出轴扭矩，kN·m；n为电动机转速，r/min。
(2) 电机电流（定子电流）
电动机定子电流与电机轴功率有关，近似公式可写为：
式中，I 为定子电流，A；I0为电动机的空载电流，为电机的额定参数，A；IN为电动机额定电流，A；P2为电动机输出功率，kW；PN为电动机额定功率，kW。
(3) 电机输入功率（有功功率）
根据电机的工作原理，电机的输入功率等于电机的输出功率与电机功耗之和，近似公式可写
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