第03章有桿泵采油-1

抽油機30253665總井?dāng)?shù)(口)檢泵周期(d)308066963155395利用率(%)95.90.92003年2004年10月2003年2004年10月2003年2004年10月電泵螺桿泵238111601260363總井?dāng)?shù)(口)檢泵周期(d)總井?dāng)?shù)(口)檢泵周期(d)2354154712214486185272879794.4利用率(%)利用率(%)97.695.50.61.12003年2004年10月2003年2004年10月2003年2004年10月2003年2004年10月2003年2004年10月2003年2004年10月

機械采油第三章常規(guī)有桿泵采油主要內(nèi)容：①抽油裝置及泵的工作原理②抽油機懸點運動規(guī)律及懸點載荷③抽油機平衡、扭矩及功率計算④泵效計算⑤有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計⑥有桿抽油系統(tǒng)工況分析第一節(jié)抽油裝置及泵的工作原理一、抽油裝置抽油機抽油桿抽油泵其它附件設(shè)備組成抽油過程介紹

工作時，動力機將高速旋轉(zhuǎn)運動通過皮帶和減速箱傳給曲柄軸，帶動曲柄作低速旋轉(zhuǎn)。曲柄通過連桿經(jīng)橫梁帶動游梁作上下擺動。掛在驢頭上的懸繩器便帶動抽油桿柱作往復(fù)運動。(一)抽油機有桿深井泵采油的主要地面設(shè)備，它將電能轉(zhuǎn)化為機械能，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成往復(fù)運動。包括：游梁式抽油機和無游梁式抽油機兩種游梁式抽油機組成游梁-連桿-曲柄機構(gòu)、減速箱、動力設(shè)備和輔助裝置工作原理圖3-2后置式抽油機結(jié)構(gòu)簡圖③運動規(guī)律不同—后置式上、下沖程的時間基本相等；前置式上沖程較下沖程慢。圖3-2后置式抽油機結(jié)構(gòu)簡圖圖3-3前置式氣動平衡抽油機結(jié)構(gòu)簡圖①游梁和連桿的連接位置不同。不同點：②平衡方式不同—后置式多采用機械平衡；前置式多采用氣動平衡。游梁式抽油機分類后置式和前置式新型抽油機：為了節(jié)能和加大沖程異相型游梁式抽油機異形游梁式抽油機雙驢頭游梁式抽油機鏈條式抽油機寬帶傳動抽油機液壓抽油機節(jié)能加大沖程圖3-4異相型游梁式抽油機異形游梁式抽油機調(diào)徑變矩(懸掛偏置)抽油機下偏杠鈴抽油機鏈條式抽油機液壓增程抽油機游梁式抽油機系列型號表示方法CYJ12—3.3—70(H)F(Y，B，Q)游梁式抽油機系列代號CYJ-常規(guī)型CYJQ-前置型CYJY-異相型懸點最大載荷，10kN光桿最大沖程，m減速箱曲柄軸最大允許扭矩,kN.m減速箱齒輪形代號，H為點嚙合雙圓弧齒輪，省略漸開線人字齒輪平衡方式代號F：復(fù)合平衡Y：游梁平衡B：曲柄平衡Q：氣動平衡(2)抽油泵：抽吸流體工作筒(外筒和襯套)、柱塞及游動閥(排出閥)和固定閥(吸入閥)按照抽油泵在油管上的固定方式可分為：管式泵和桿式泵主要組成分類A-管式泵B-桿式泵管式泵：外筒和襯套在地面組裝好接在油管下部先下入井內(nèi)，然后投入固定閥，最后再把柱塞接在抽油桿柱下端下入泵內(nèi)。管式泵特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低，排量大。但檢泵時必須起出油管，修井工作量大，故適用于下泵深度不很大，產(chǎn)量較高的油井。桿式泵：整個泵在地面組裝好后接在抽油桿柱的下端整體通過油管下入井內(nèi)，由預(yù)先裝在油管預(yù)定深度(下泵深度)上的卡簧固定在油管上，檢泵時不需要起油管。桿式泵特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，排量小，修井工作量小。桿式泵適用于下泵深度大、產(chǎn)量較小的油井。(3)抽油桿：能量傳遞工具。抽油桿的桿體直徑分別為13、16、19、22、25、28mm，抽油桿的長度一般為8000mm或7620mm。接箍是抽油桿組合成抽油桿柱時的連接零件。抽油桿的強度：C級桿(570MPa)、D級桿(810MPa)超高強度抽油桿(EL級桿)玻璃鋼抽油桿空心抽油桿電熱抽油桿連續(xù)抽油桿柔性抽油桿：如鋼絲繩抽油桿特種抽油桿二、

泵的工作原理

活塞上下運動一次稱為一個沖程，分為上沖程和下沖程。每分鐘內(nèi)完成上、下沖程的次數(shù)稱為沖次，用n來表示

懸點在上、下死點間的位移，稱為光桿沖程，用S來表示。活塞在上、下死點間的位移，稱為活塞沖程，用Sp來表示。(一)泵的抽汲過程

抽油桿柱帶著柱塞向上運動，柱塞上的游動閥受管內(nèi)液柱壓力而關(guān)閉。泵吸入的條件：沒壓力大于泵內(nèi)壓力。A-上沖程1)上沖程

泵內(nèi)壓力降低，固定閥在環(huán)形空間液柱壓力(沉沒壓力)與泵內(nèi)壓力之差的作用下被打開。

泵內(nèi)吸入液體、井口排出液體。沉沒度：泵在動液面以下的深度。B-下沖程2)下沖程

柱塞下行，固定閥在重力作用下關(guān)閉。泵排出的條件：泵內(nèi)壓力大于柱塞上的液柱壓力。

柱塞上下抽汲一次為一個沖程，在一個沖程內(nèi)完成進油與排油的過程。

泵內(nèi)壓力增加，當(dāng)泵內(nèi)壓力大于柱塞以上液柱壓力時，游動閥被頂開。

柱塞下部的液體通過游動閥進入柱塞上部，使泵排出液體。（二)泵的理論排量

泵的工作過程是由三個基本環(huán)節(jié)所組成，即柱塞在泵內(nèi)讓出容積，井內(nèi)液體進泵和從泵內(nèi)排出井內(nèi)液體。

在理想情況下，活塞上、下一次進入和排出的液體體積等于柱塞讓出的體積：每分鐘的排量為：

每日排量:懸點：抽油桿在驢頭上的懸掛點。四連桿機構(gòu)可以簡化為簡諧運動和曲柄滑塊運動四連桿機構(gòu)固定桿：游梁支點與曲柄軸的連線游動桿：曲柄、連桿、游梁后臂第二節(jié)抽油機懸點運動規(guī)律及載荷一、抽油機懸點運動規(guī)律目的：是研究抽油裝置動力學(xué)，進行抽油裝置的設(shè)計、選擇以及工作狀況分析的基礎(chǔ).(一)簡化為簡諧運動時懸點運動規(guī)律假設(shè)條件：r/l0、r/b0時，圖3-7抽油機四連桿機構(gòu)簡圖B點的運動規(guī)律=C點的運動規(guī)律(D點做圓運動時在垂直中心線上的投影)。B點經(jīng)過t時間(曲柄轉(zhuǎn)角φ)時位移為：

游梁和連桿的連接點B的運動可看做簡諧運動：

以下死點為坐標零點，向上為坐標正方向，則懸點A的位移為：懸點的加速度為:懸點的速度為:圖3-8簡諧運動時懸點位移、速度、加速度曲線r/b0r/l值不可忽略時。(二)簡化為曲柄滑塊機構(gòu)時懸點運動規(guī)律假設(shè)條件：

把B點繞游梁支點的弧線運動近似地看做直線運動，則可把抽油機的運動簡化為曲柄滑塊運動。其中：解的過程由杠桿原理，得：簡化為曲柄滑塊機構(gòu)時懸點運動規(guī)律懸點加速度:懸點位移：懸點速度:

最大加速度：適用條件：應(yīng)用于一般計算和分析，在精確計算和分析及抽油機設(shè)計時，則須按抽油機實際四連桿計算。通過游梁擺角的變化來求得位移

(三)、精確方法已知H，I，G，a，b，l，r任一時間游梁與鉛垂線的夾角為：

其中：

游梁擺動時存在一個最小夾角，可按下式計算：其中：因此，任意時刻游梁的角位移為：

可進一步求出懸點的位移、速度和加速度分別為：

考慮四連桿存在如下關(guān)系：變形后有：上式證明如下：圖3-10懸點速度變化曲線1-按簡諧運動計算；2-精確計算；3-按曲柄滑塊機構(gòu)計算圖3-11懸點加速度變化曲線1-按簡諧運動計算；2-精確計算；3-按曲柄滑塊機構(gòu)計算

抽油機在工作時懸點所承受的載荷，是進行抽油設(shè)備選擇及工作狀況分析的重要依據(jù)。動載荷靜載荷振動慣性摩擦桿重液重沉沒壓力井口回壓二、抽油機懸點載荷計算(一)懸點所承受的載荷載荷1.靜載荷包括：抽油桿柱載荷；作用在柱塞上的液柱載荷；沉沒壓力對懸點載荷的影響；井口回壓對懸點載荷的影響①抽油桿柱載荷上沖程（即桿柱在空氣中的重力）下沖程（即桿柱在液體中的重力）失重系數(shù)②作用在柱塞上的液柱載荷上沖程:下沖程:A-上沖程B-下沖程游動閥關(guān)閉，作用在柱塞上的液柱載荷為：游動閥打開，液柱載荷作用于油管，而不作用于懸點。③沉沒壓力(泵口壓力)對懸點載荷的影響上沖程在沉沒壓力作用下，井內(nèi)液體克服泵入口設(shè)備的阻力進入泵內(nèi)，此時液流所具有的壓力即吸入壓力。吸入壓力作用在柱塞底部產(chǎn)生向上的載荷:下沖程吸入閥關(guān)閉，沉沒壓力對懸點載荷沒有影響。④井口回壓對懸點載荷的影響

液流在地面管線中的流動阻力所造成的井口回壓對懸點將產(chǎn)生附加的載荷。上沖程：增加懸點載荷:下沖程：減小抽油桿柱載荷:2.動載荷(慣性載荷、振動載荷)①慣性載荷(忽略桿液彈性影響)

抽油機運轉(zhuǎn)時，驢頭帶著抽油桿柱和液柱做變速運動，因而產(chǎn)生抽油桿柱和液柱的慣性力。慣性力與質(zhì)量有關(guān)，與懸點加速度的大小成正比，其方向與加速度方向相反。抽油桿柱的慣性力：液柱的慣性力：

為油管過流斷面變化引起液柱加速度變化的系數(shù)

上沖程:前半沖程加速度為正，即加速度向上，則慣性力向下，從而增加懸點載荷；后半沖程中加速度為負，即加速度向下，則慣性力向上，從而減小懸點載荷。懸點加速度在上、下沖程中大小和方向是變化的。下沖程:與上沖程相反，前半沖程慣性力向上，減小懸點載荷；后半沖程慣性力向下,將增大懸點載荷。抽油桿柱引起的懸點最大慣性載荷上沖程：取r/l=1/4時，下沖程：液柱引起的懸點最大慣性載荷上沖程：下沖程中液柱不隨懸點運動，沒有液柱慣性載荷懸點最大慣性載荷上沖程：下沖程：②振動載荷

抽油桿柱本身為一彈性體，由于抽油桿柱作變速運動和液柱載荷周期性地作用于抽油桿柱，從而引起抽油桿柱的彈性振動，它所產(chǎn)生的振動載荷亦作用于懸點上。其數(shù)值與抽油桿柱的長度、載荷變化周期及抽油機結(jié)構(gòu)有關(guān)。(在考慮抽油桿柱彈性時最大載荷計算時介紹)③

摩擦載荷(1)抽油桿柱與油管的摩擦力（桿管）上沖程主要受(1)、(2)、(4)影響，增加懸點載荷(2)柱塞與襯套之間的摩擦力（柱塞與襯套）(3)液柱與抽油桿柱之間的摩擦力（桿液）(4)液柱與油管之間的摩擦力（管液）(5)液體通過游動閥的摩擦力（閥阻力）下沖程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影響，減小懸點載荷①抽油桿柱與液柱之間的摩擦力

抽油桿柱與液柱間的摩擦發(fā)生在下沖程，摩擦力方向向上。阻力的大小隨抽油桿柱的下行速度而變化，最大值為：主要決定因素：液體粘度和抽油桿的運動速度。把懸點看做簡諧運動，則②液柱與油管間的摩擦力

上沖程時，游動閥關(guān)閉，油管內(nèi)的液柱隨抽油桿柱和柱塞上行，液柱與油管間發(fā)生相對運動而引起的摩擦力的方向向下，故增大懸點載荷。

下沖程液柱與抽油桿柱間的摩擦力約為上沖程中油管與液柱間摩擦力的1.3倍。即：③液體通過游動閥產(chǎn)生的阻力：圖3-12標準型凡爾的流量系數(shù)

fp柱塞面積fo閥孔面積④桿管摩擦力：⑤柱塞與襯套之間的摩擦力：

抽油桿柱載荷、液柱載荷及慣性載荷是構(gòu)成懸點載荷的三項基本載荷。稠油井內(nèi)摩擦載荷及大沉沒度井的沉沒壓力產(chǎn)生的載荷突出；在低沉沒度井內(nèi)，由于泵的充滿程度差，會發(fā)生柱塞與泵內(nèi)液面的撞擊，將產(chǎn)生較大沖擊載荷，從而影響懸點載荷。(二)懸點最大和最小載荷1.計算懸點最大載荷和最小載荷的一般公式最大載荷發(fā)生在上沖程，最小載荷發(fā)生在下沖程:在下泵深度及沉沒度不很大、井口回壓及沖數(shù)不高的稀油直井內(nèi)，在計算最大和最小載荷時，通?？梢院雎訮v、F、Pi、Ph及液柱慣性載荷，則：令：則：2.考慮抽油桿柱彈性時懸點最大載荷的計算

初變形期之后，抽油桿柱帶著活塞隨懸點做變速運動。在此過程中，除了液柱和抽油桿柱產(chǎn)生的靜載荷之外，還會在抽油桿柱上引起動載荷。初變形期末抽油桿柱運動引起的自由縱振產(chǎn)生的振動載荷;初變形期:從上沖程開始到液柱載荷加載完畢過程.抽油桿柱做變速運動所產(chǎn)生的慣性載荷動載荷①抽油桿柱自由縱振產(chǎn)生的振動載荷

在初變形期末激發(fā)起的抽油桿的縱向振動微分方程為:邊界條件初始條件抽油桿柱的自由縱振在懸點上引起的振動載荷為:用分離變量法求解為：坐標原點選在懸點圖3-13隨的變化懸點的的振動載荷是的周期函數(shù)。所以，最大振動載荷發(fā)生在處，實際上由于存在阻尼，振動將會隨時間衰減，故最大振動載荷發(fā)生在處，即：自由振動園頻率在x處單元體上的慣性力將為：作用在整個抽油桿柱L上的總慣性力：②抽油桿柱的慣性載荷簡諧運動時，懸點加速度為：抽油桿柱距懸點x處的加速度為：t0為初變形期經(jīng)歷的時間,

t是從初變形期結(jié)束后開始計時,是從下死點開始計時③懸點最大載荷

初變形期后，懸點載荷P等于抽油桿柱靜載荷+液柱載荷+振動載荷+慣性載荷，即:

取最大振動載荷出現(xiàn)的時間tm為懸點出現(xiàn)最大載荷的時間,則懸點最大載荷公式：a.油管下端固定初變形期末柱塞相對懸點的速度等于懸點運動速度：油管下端固定時懸點最大載荷為：b.油管下端未固定初變形期末柱塞相對懸點的速度小于懸點運動速度：油管下端未固定時懸點最大載荷為：3.計算懸點最大載荷的其它公式一般井深及低沖數(shù)油井簡諧運動、桿柱和液柱慣性載荷簡諧運動、桿柱慣性載荷簡諧運動、桿柱和液柱慣性載荷曲柄滑塊運動、桿柱慣性載荷第三節(jié)抽油機平衡、扭矩與功率計算一、抽油機平衡計算不平衡原因：

不平衡造成的后果：

上下沖程中懸點載荷不同①上沖程中電動機承受著極大的負荷，下沖程中抽油機帶著電動機運轉(zhuǎn)，造成功率的浪費，降低電動機的效率和壽命；②由于負荷極不均勻，會使抽油機發(fā)生激烈振動，而影響抽油裝置的壽命。

③破壞曲柄旋轉(zhuǎn)速度的均勻性，影響抽油桿和泵正常工作。(一)平衡原理使電動機在上、下沖程中都做正功且相等。

為了使抽油機平衡，在下沖程中需要儲存的能量或上沖程中需要釋放的能量應(yīng)該是懸點在上下沖程中所做功之和的一半。下沖程：上沖程：平衡條件：(二)平衡方式氣動平衡機械平衡游梁平衡：曲柄平衡(旋轉(zhuǎn)平衡)：

復(fù)合平衡(混合平衡)：

氣動平衡(1)氣包內(nèi)的氣體壓縮與膨脹(2)多用于大型抽油機；(3)改善抽油機受力狀況；游梁平衡：游梁尾部加平衡重曲柄平衡(旋轉(zhuǎn)平衡)：

平衡塊加在曲柄上復(fù)合平衡(混合平衡)：

游梁尾部和曲柄上都有平衡重(三)平衡計算—以復(fù)合平衡為例圖3-14復(fù)合平衡上沖程，電機和各重物對懸點做功:下沖程，懸點載荷和電機對各重物做功:(三)平衡計算1)復(fù)合平衡圖3-14復(fù)合平衡平衡半徑公式:2)曲柄平衡平衡半徑公式：圖3-15曲柄平衡3)游梁平衡平衡所需要的游梁平衡塊重:圖3-16游梁平衡(四)抽油機平衡檢驗方法1)測量驢頭上、下沖程的時間平衡條件下上、下沖程所用的時間基本相等。如果上沖程快，下沖程慢，說明平衡過量。2)測量上、下沖程中的電流平衡條件下上、下沖程的電流峰值相等。如果上沖程的電流峰值大于下沖程的電流峰值，說明平衡不夠。折算在r處的平衡重量：(一)計算扭矩的基本公式抽油過程中減速箱輸出軸(曲柄軸)的扭矩M等于曲柄半徑與作用在曲柄銷處的切線力T的乘積：二、曲柄軸扭矩計算及分析圖3-17抽油機幾何尺寸與曲銷受力圖所以：對游梁支點O取力矩平衡：(一)計算扭矩的基本公式對曲柄軸取力矩平衡：所以：抽油機曲柄軸的扭矩M：(一)計算扭矩的基本公式所以：其中：復(fù)合平衡抽油機：曲柄平衡抽油機：游梁平衡抽油機：不同平衡方式的抽油機扭矩精確計算相關(guān)式扭矩因數(shù)：懸點載荷在曲柄軸上造成的扭矩與懸點載荷的比值：曲柄軸凈扭矩=懸點載荷在曲柄軸上造成的扭矩-平衡扭矩懸點載荷在曲柄軸上造成的扭矩簡化條件：忽略游梁擺角和游梁平衡重慣性力矩的影響。復(fù)合平衡抽油機:曲柄平衡抽油機：游梁平衡抽油機：抽油機結(jié)構(gòu)不平衡值B：等于連桿與曲柄銷脫開時，為了保持游梁處于水平位置而需要加在光桿上的力(向下為正)不同平衡方式的抽油機扭矩簡化計算相關(guān)式(二)扭矩因數(shù)計算

？？？？圖3-17抽油機幾何尺寸圖

(三)懸點位移與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系

欲繪制扭矩曲線，需先求出懸點載荷與曲柄轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。懸點載荷數(shù)據(jù)通常由示功圖來獲得，可在示功圖上讀取任意一懸點位移下對應(yīng)的懸點載荷值。扭矩曲線—驢頭在下死點位置時的角—驢頭在上死點位置時的角—隨φ角而變的b和K之間的夾角沖程百分數(shù)：抽油機運動規(guī)律實測示功圖懸點載荷與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系扭矩因素與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖3-18濮1-3井扭矩曲線1.凈扭矩；2.油井負荷扭矩；3.曲柄平衡扭矩曲柄軸扭矩曲線：反映曲柄軸扭矩隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線，簡稱扭矩曲線。(四)扭矩曲線的應(yīng)用1.檢查是否超扭矩及判