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文檔簡介

有桿抽油設(shè)備

第四節(jié)抽油機井參數(shù)的分析與計算第三節(jié)抽油機井參數(shù)的分析與計算一、抽油機懸點載荷及其計算抽油機工作時驢頭懸點始終承受著上下往復變化載荷,如圖1-9所示。

1.計算懸點最大和最小載荷的一般公式根據(jù)對懸點所承受的各種載荷的分析,抽油機工作時,上、下沖程中懸點載荷的組成是不同的。最大載荷發(fā)生在上沖程中,最小載荷發(fā)生在下沖程中,其值分別如下:Pmax=Wr+W1+Iu+Phu+Fu+PvPmin=W/r-Id+Phd-Fd一Pv

如前所述,在下泵深度及沉沒度不很大、井口回壓及沖數(shù)不甚高的稀油直井內(nèi),在計算最大和最小載荷時,通??梢院雎訮v、Fu、、Ph及液柱慣性載荷。

圖1-9抽油機井示意圖2.靜載荷:以物理學分析的方法,這種交變載荷可分為靜載荷、動載荷、摩擦載荷,而理論和現(xiàn)場實踐都已證明摩擦載荷與靜載荷、動載荷相比可以忽略不計,所以這里首先重點介紹靜載荷。是指不隨運動變化的載荷。由圖9可知,抽油機上行(上沖程)時,游動閥是關(guān)閉的,懸點(光桿)所受靜載荷為(抽油桿重、活塞截面以上的液柱重)靜載荷的計算(1)抽油桿(柱)重:Wr=frρ桿gL(2)活塞上的液柱載荷:Wl=(F一fr)ρgL(3)在液體中抽油桿(柱)重:W/r=fr(ρ桿一ρ)gL(4)懸點的靜載荷由上分析可知,上沖程時懸點的靜載荷P上=Wr+Wl=frρ桿gL+(F一fr)ρgL=fr(ρ桿一ρ)gL+FρgL

=W/r+W/l下沖程時懸點的靜載荷P下=W/r二、抽油機井理論示功圖

(又稱為靜力示功圖)抽油機井理論示功圖是描繪抽油機井驢頭懸點載荷與光桿位移的關(guān)系曲線,它是解釋前面介紹的抽油泵(深井泵)抽吸狀況最有效的手段,其基礎(chǔ)是理論示功圖。

圖1-10抽油機井理論示功圖1.理論示功圖理論示功圖是在一定理想條件下繪制出來的,主要是用來與實測示功圖進行對比分析,以此來判斷深井泵的工作狀況。其理想條件為:1)假設(shè)泵、管沒有漏失,泵正常工作;2)油層供液能力充足,泵充滿程度良好;3)不考慮動載荷的影響;4)不考慮砂、蠟、稠油的影響;5)不考慮油井連抽帶噴;6)認為進入泵的液體是不可壓縮的,閥是瞬時開閉的。這樣抽油機井驢頭懸點光桿處載荷與位移的關(guān)系建立在直角坐標系的圖形就稱為理論示功圖,如圖1-10所示。

(1)靜載荷的變化規(guī)律分析圖1-11抽油桿和油管彈性伸縮示意圖由此,懸點的有效沖程即柱塞工作沖程:

Sp=S-(λr+λt)=S一λ式中λ——沖程損失。λ值可以根據(jù)虎克定律來計算:注意,抽油桿柱和油管柱的自重伸長在泵工作的整個過程中是不變的,因此,它們不會影響柱塞沖程。2、理論示功圖的分析圖1-l0中各條曲線的意義分別是:由ABCD構(gòu)成的平行四邊形就是理論示功圖,縱坐標為懸點載荷,橫坐標為沖程。AB線段為增載線,即驢頭從下死點(A)開始上行,游動閥關(guān)閉,活塞以上油管內(nèi)液柱重Wl和桿重Wr都作用于驢頭懸點上,并使桿(變長)、管(減載荷縮短)發(fā)生彈性變形,直到B點極限,活塞并沒有跟著光桿發(fā)生位移,而這一段變形量就稱為沖程損失入,包括桿損λr,和管損λt,此過程中固定閥并沒有打開,直到B點。BC線段為上載荷線,即桿管彈性變形結(jié)束,載荷增至最大(W上=Wr

+W1/),活塞開始跟光桿同步上行至上死點C,此過程中固定閥打開,泵筒進油(液),井口排液,此過程為上沖的有效沖程;到達C點后,上沖程完畢,開始下沖程。

CD線段為卸載線,即驢頭開始下行,游動閥仍處于關(guān)閉狀態(tài),但固定閥開始關(guān)閉。此時懸點載荷在變小,桿管與前一過程發(fā)生相反的彈性變形,直至D點活塞并沒有跟著桿一起下行,其沖程損失也是λ=(λr+λt)。DA線段為下載荷線,即桿管彈性變形結(jié)束,載荷降至最小(Wr

/),活塞開始跟光桿同步下行至下死點A,此過程中固定閥關(guān)閉,游動閥打開,油管進液,此過程為下沖程的有效沖程。圖1-10中AC為光桿沖程,AD為活塞沖程。

三.實測示功圖實測示功圖是由專門測試儀器在抽油機井口懸繩器處測得,如圖1-l2所示。是由測試記錄筆畫的不規(guī)則的封閉曲ABCD和預先設(shè)定的基線(S)組成,縱坐標方向表示驢頭懸點載荷的大小。橫坐標表示懸點的相對位移。

圖1-12抽油機井實測示功圖實測最大載荷和最小載荷由圖形中最高、最低位置B、D點量出高度,再由測試儀的力比(實際值與圖上數(shù)值的比)就可以計算出本井懸點實測最大載荷和最小載荷。由圖形中A點到C點橫向(水平)量出其長度,再由測試儀的減程比(實際長度值與圖上數(shù)值的比)就可以計算出本井光桿的最大沖程。抽油機井實測示功圖對抽油機井的日常管理和抽油狀況分析是相當重要的,生產(chǎn)現(xiàn)場可對實測的示功圖與該井的理論示功圖進行對比分析。

把理論示功圖繪制在實測示功圖上的方法(1-)以實測示功圖的基線(沖程線)為橫坐標,在基線的左端作縱坐標表示載荷線(光桿載荷);(2)根據(jù)油井抽吸參數(shù)計算出W/r和W/l的值,計算公式見上述。然后再由測試儀器(動力儀)的力比計算出W/r和W/l在示功圖上的值;(3)沖程損失的計算:計算公式見前述。由于其計算較復雜,現(xiàn)場多數(shù)不進行具體數(shù)值計算,實際上也不影響分析;(4)根據(jù)W/r和W/l在示功圖上的數(shù)值大小,畫在實測示功圖上,其橫向長短與基線相同,如圖11中的虛線A/D/與B'C/。

3.考慮慣性載荷和振動載荷后的理論示功圖

在實際計算慣性載荷時,通常只計算其最大值。其經(jīng)驗計算公式為:Imax=WrSn2/1440圖1-13考慮慣性和振動后的理論示功圖4、驢頭懸點最大載荷、最小載荷的計算根據(jù)抽油機運動的特點,抽油機在上下沖程中懸點載荷是不同的,上沖程時為最大載荷,下沖程時為最小載荷。在忽略摩擦載荷和振動載荷的條件下,其計算公式如下:Pmax=Wr

+W1/

+ImaxPmin=Wl’一Imax如果把抽油機驢頭懸點看作曲柄滑塊機構(gòu)運動,曲柄旋轉(zhuǎn)半徑與連桿長度之比為1/4,且只考慮液柱、桿及桿柱慣性載荷時,可用下列經(jīng)驗公式進行計算:Pmax=Wl+Wr(b+Sn2/1440)。Pmin、=Wr(b一Sn2/1440)式中,b=1一ρ液/ρ鋼如果把抽油機驢頭懸點看作簡諧運動,并考慮液柱的慣性載荷時,可用下列經(jīng)驗公式進行計算:Pmax=(Wl+Wr)(1+Sn2/1790)Pmin=Wr(1一Sn2/1790)經(jīng)過以上分析,可以得出以下結(jié)論:一般情況下,游梁式抽油機懸點的最大載荷發(fā)生在上沖程靜變形結(jié)束后的一瞬間;最小載荷發(fā)生在下沖程靜變形結(jié)束后的一瞬間。

四、典型的實測示功圖分析典型示功圖是指某一因素的影響十分明顯,其形狀代表了該因素影響下的基本特征的示功圖。在實際情況下,雖然有多種因素影響示功圖的形狀,但總有其主要因素,所以,示功圖的形狀也就反映著主要因素影響下的特征。

1、氣體和余隙容積對示功圖的影響

余隙越大,殘存的氣量越多,泵口壓力越低,則吸入閥打開滯后得越多,即BB/線越長。下沖程時,氣體受壓縮,泵內(nèi)壓力不能迅速提高,卸載變慢(如CD/),使排出閥滯后打開(D/點)。泵的余隙越大,進入泵內(nèi)的氣量越多,則DD/線越長,示功圖的“刀把”越明顯。當進泵氣量很大而沉沒壓力很低時,泵內(nèi)氣體處于反復壓縮和膨脹狀態(tài),吸入和排出閥處于關(guān)閉狀態(tài),出現(xiàn)“氣鎖”,如圖1-14的點畫線所示。但氣鎖會因沉沒壓力升高而自動解除。氣體和余隙容積使泵的有效沖程變小,示功圖面積變小,泵效降低。

圖11-14有氣體影響的示功圖2、沉沒度的影響當沉沒度過小及供油不足使液體不能充滿工作筒時的示功圖如圖1-15所示。充不滿的圖形特點是下沖程中懸點載荷不能立即減小,只有當柱塞遇到液面時,才迅速卸載。所以,卸載線較氣體影響的卸載線(圖1-14)上的凸形弧線(CD/)陡而直。有時,當柱塞碰到液面時,振動載荷線會出現(xiàn)波浪。快速抽汲時往往因撞擊液面而發(fā)生較大的沖擊載荷,使圖形變形得很厲害。

圖1-15沉沒度太小的示功圖3.漏失對示功圖的影響1)游動閥、柱塞與泵筒間的漏失

由于游動閥、柱塞與泵筒間漏失的影響,固定閥在B’點才打開,滯后了BB/這樣一段柱塞行程;而在接近上沖程時又在C/點提前關(guān)閉。這樣柱塞的有效吸入沖程為B/C/,在此情況下使示功圖變小,泵效降低。當漏失量很大時,由于漏失液體對柱塞的“充填”作用很大,上沖程載荷遠低于最大載荷,如圖1-16中的AC/”所示,吸入閥始終是關(guān)閉的,泵的排量等于零,泵效為零。

圖1-16泵排出部分漏失的示功圖2)固定閥漏失下沖程開始后,由于固定閥漏失,泵內(nèi)壓力不能及時提高而延緩了卸載過程(圖1-17的CD/線),同時使游動閥不能及時打開。只有當柱塞速度大于漏失速度后,泵內(nèi)壓力提高到大于液柱壓力,才將排出閥打開,而卸去液柱載荷。下沖程的后半沖程中因柱塞速度減小,當小于漏失速度時,泵內(nèi)壓力降低使游動閥提前關(guān)閉(A/點),懸點提前加載。到達下死點時,懸點載荷已增加到A”。由于固定閥的漏失而造成排出閥打開滯后(DD/)和提前關(guān)閉(A/A),活塞的有效排出沖程為D/A/。這種情況下使泵效降低。圖1-17固定閥漏失極限情況當吸入閥嚴重漏失時,排出閥一直不能打開,懸點不能卸載(圖1-18)。吸入部分和排出部分同時漏失時的示功圖是分別漏失時的圖形的疊合,近似于橢圓形(圖1-19)。圖1-18固定閥嚴重漏失圖11-19吸入閥和排出閥同時漏失4.柱塞遇卡的示功圖柱塞在泵筒內(nèi)被卡死在某一位置時,在抽汲過程中柱塞無法移動而只有抽油桿的伸縮變形,圖形形狀與被卡位置有關(guān)。圖1-20為柱塞卡在泵筒中部時的實測示功圖。上沖程中,懸點載荷先是緩慢增加,將被壓縮而彎曲的抽油桿柱拉直,到達卡死點位置后,抽油桿柱受拉而伸長,懸點載荷以較大的比例增加。下沖程中,先是恢復彈性變形,到達卡死點后,抽油桿柱被壓縮而發(fā)生彎曲。所以,在卡死點的前后段,懸點以不同的比例增載或減載,示功圖出現(xiàn)兩個斜率段。

圖1-20活塞卡在泵筒中部4.帶噴井的示功圖對于具有一定自噴能力的抽油井,抽汲實際上只起誘噴和助噴作用。在抽汲過程中,游動閥和固定閥處于同時打開狀態(tài),液柱載荷基本加不到懸點。示功圖的位置和載荷變化的大小取決于噴勢的強弱及抽汲液體的粘度。圖1-21和1-22為不同噴勢及不同粘度的帶噴井的實測示功圖。

圖1-21噴勢強、油稀帶噴圖1-22噴勢弱、油稠帶噴5.抽油桿斷脫的示功圖抽油桿斷脫后的懸點載荷實際上是斷脫點以上的抽油桿柱重量,只是由于摩擦力的作用,才使上、下載荷線不重合。圖形的位置取決于斷脫點的位置。圖1-23為抽油桿柱在接近中部斷脫時的示功圖。抽油桿柱的斷脫位置可根據(jù)下式來估算:L=hC/(bqrg)斷脫位置比較低的示功圖同有些帶噴井的示功圖在形狀上是相似的。但帶噴井泵效高、產(chǎn)量大,而抽油桿柱斷脫的井的產(chǎn)量卻等于零

圖1-23抽油桿斷脫6.其它情況油井結(jié)蠟及出砂和活塞在泵筒中下入位置不當,都會反映在示功圖上。如圖1-24及圖1-25分別為出砂井和結(jié)蠟井在正常抽油時所測得的示功圖。圖1-24出砂井圖1-25結(jié)蠟井其他情況圖1-26為管式泵活塞下得過高,在上沖程中活塞全部脫出工作筒的油井所測得的示功圖。由于活塞脫出工作筒,在上沖程中懸點突然卸載。圖1-27為防沖距過小,活塞在,下死點與固定閥相撞的示功圖。

圖1-26管式

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