工學(xué)采油工程3

第三章有桿泵采油RodPumpProduction①抽油裝置及泵的工作原理②抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及懸點(diǎn)載荷③抽油機(jī)平衡、扭矩及功率計(jì)算④泵效計(jì)算⑤有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)⑥有桿抽油系統(tǒng)工況分析主要內(nèi)容：人工舉升采油自噴采油采油方法分類人工給井筒流體增加能量，將井底原油舉升到地面。利用油層自身能量將井底原油舉升到地面。采油方法：將流到井底的原油采至地面所用的工藝方法和方式。

氣舉采油深井泵采油人工舉升采油自噴采油采油方法深井泵有桿泵無(wú)桿泵電動(dòng)潛油離心泵水力活塞泵水力射流泵游梁式抽油機(jī)－深井泵地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵鏈條式抽油機(jī)－深井泵有桿泵采油典型特點(diǎn)：

地面能量通過(guò)抽油桿、抽油泵傳遞給井下流體。(1)

常規(guī)有桿泵采油（SuckerRodPumping

）：抽油機(jī)懸點(diǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)抽油桿傳遞給井下柱塞泵。(2)

地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油（ProgressiveCavityPump

）：井口驅(qū)動(dòng)頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)抽油桿傳遞給井下螺桿泵。有桿泵采油分類：常規(guī)有桿泵采油是目前我國(guó)最廣泛應(yīng)用的采油方式，大約有80%以上的油井采用該舉升方式。第一節(jié)抽油裝置及泵的工作原理

PumpingEquipmentandPumpMechanics一、抽油裝置SuckerRodPumpEquipment抽油機(jī)PumpingUnit抽油桿SuckerRod抽油泵Pump附件Accessories設(shè)備組成1.抽油機(jī)常規(guī)有桿泵采油的主要地面設(shè)備，它將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，包括游梁式抽油機(jī)和無(wú)游梁式抽油機(jī)兩種。游梁式抽油機(jī)鏈條式抽油機(jī)LZCB-16鏈傳式抽油機(jī)TLJ12-5.1-53天輪式抽油機(jī)KGJ5-3.6-7HZ寬皮帶式抽油機(jī)ZXC16-5-20F直線往復(fù)式抽油機(jī)⑴游梁式抽油機(jī)組成WalkingBeamPumpingUnit游梁WalkingBeam連桿Pitman曲柄機(jī)構(gòu)Crank-Counter減速箱GearReducer動(dòng)力設(shè)備PrimeMover輔助裝置ServicingUnit游梁連桿曲柄減速箱驢頭曲柄軸工作時(shí)，動(dòng)力機(jī)將高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)皮帶和減速箱傳給曲柄軸，帶動(dòng)曲柄作低速旋轉(zhuǎn)。曲柄通過(guò)連桿經(jīng)橫梁帶動(dòng)游梁作上下擺動(dòng)。掛在驢頭上的懸繩器便帶動(dòng)抽油桿柱作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。⑵游梁式抽油機(jī)工作原理CYJY14-5.5-89HF異相游梁復(fù)合平衡抽油機(jī)CYJ5-1.8-13HPF下偏杠鈴游梁復(fù)合平衡抽油機(jī)⑶游梁式抽油機(jī)的主要類型CYJY10-5-37HB特形雙驢頭游梁式抽油機(jī)CYJQ14-5-73HQ氣動(dòng)平衡游梁式抽油機(jī)CYJB14-5.4-53HF擺桿式游梁式抽油機(jī)CYJY10-3-28HB低矮異形抽油機(jī)CYJQ14-5-73HXP懸掛偏置游梁平衡抽油機(jī)CYJYR3-2.1-9HF旋轉(zhuǎn)驢頭游梁式抽油機(jī)CYJQ16-6-105HB前置式曲柄平衡抽油機(jī)CYJX5-3-26HB斜井游梁式抽油機(jī)思考題：1.游梁式抽油機(jī)與鏈條式抽油機(jī)的主要區(qū)別？2.為什么會(huì)出現(xiàn)不同類型的抽油機(jī)？⑷游梁式抽油機(jī)系列型號(hào)表示方法CYJ12—3.3—70(H)F(Y，B，Q)游梁式抽油機(jī)系列代號(hào)CYJ-常規(guī)型CYJQ-前置型CYJY-異相型懸點(diǎn)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(hào)，H為點(diǎn)嚙合雙圓弧齒輪，省略漸開線人字齒輪平衡方式代號(hào)F：復(fù)合平衡Y：游梁平衡B：曲柄平衡Q：氣動(dòng)平衡2.抽油桿（rodString

）主要功能：傳遞能量抽油桿的長(zhǎng)度一般為8000mm或7620mm，另外，為了調(diào)節(jié)抽油桿柱的長(zhǎng)度，還有長(zhǎng)度不等的抽油桿短節(jié)。抽油桿的強(qiáng)度：C級(jí)桿、D級(jí)桿、K級(jí)桿常規(guī)鋼抽油桿的機(jī)械性能鋼級(jí)抗拉強(qiáng)度(MPa)屈服強(qiáng)度(MPa)使用范圍C794－965620重負(fù)荷油井D620－794412輕、中負(fù)荷油井K588－794372輕、中負(fù)荷并有腐蝕介質(zhì)的油井接箍（Coupling）是抽油桿組合成抽油桿柱時(shí)的連接零件。按其結(jié)構(gòu)特征可分為：普通接箍、異徑接箍和特種接箍。普通接箍：連接等直徑的抽油桿異徑接箍：用于連接不同直徑的抽油桿特種接箍：主要用于斜井或普通油井中，降低抽油桿柱與油管之間的摩擦力，減少對(duì)油管的磨損。扶正器CenteringGuide3.抽油泵Pump主要功能：將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體壓能。a.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，質(zhì)量好，連接部分密封可靠；一般要求：b.制造材料耐磨和抗腐蝕性好，使用壽命長(zhǎng)；c.規(guī)格類型能滿足油井排液量的需要，適應(yīng)性強(qiáng)；d.便于起下；e.結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮防砂、防氣，并帶有必要的輔助設(shè)備。工作筒(外筒和襯套)柱塞游動(dòng)閥(排出閥)固定閥(吸入閥)主要組成主要類型按泵徑大?。?8mm、44mm、56mm、70mm、83mm、95mm等按與油管連接方式：管式泵和桿式泵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下入井內(nèi)，然后投入固定閥，最后把柱塞接在抽油桿柱下端下入泵內(nèi)。桿式泵：整個(gè)泵在地面組裝好后接在抽油桿柱的下端整體通過(guò)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。管式泵與桿式泵的主要區(qū)別思考題？二、泵的工作原理PumpMechanics光桿沖程：光桿從上死點(diǎn)到下死點(diǎn)的距離，用S表示。沖程：光桿（或柱塞）上、下運(yùn)動(dòng)一次稱為一個(gè)沖程。柱塞沖程：柱塞在上、下死點(diǎn)間的位移。沖次:每分鐘內(nèi)完成沖程的次數(shù)，用N來(lái)表示。幾個(gè)基本概念動(dòng)液面--生產(chǎn)時(shí)的環(huán)空液面深度Lf靜液面--關(guān)井時(shí)的環(huán)空液面深度Ls沉沒度--生產(chǎn)時(shí)的環(huán)空液面距泵口距離hf沉沒壓力—泵吸入口的壓力①上沖程

UpStroke1.抽油泵的工作原理泵吸入的條件：泵內(nèi)壓力(吸入壓力)低于沉沒壓力。液柱載荷由油管轉(zhuǎn)移到抽油桿上抽油桿柱帶著柱塞向上運(yùn)動(dòng)，柱塞上的游動(dòng)閥受管內(nèi)液柱壓力而關(guān)閉。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。A-上沖程②下沖程

downStroke柱塞下行，固定閥在重力作用下關(guān)閉。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(shí)，游動(dòng)閥被頂開。柱塞下部的液體通過(guò)游動(dòng)閥進(jìn)入柱塞上部，使泵排出液體。泵排出的條件：泵內(nèi)壓力(排出壓力)高于柱塞以上的液柱壓力。液柱載荷由抽油桿轉(zhuǎn)移到油管上Ｂ-下沖程2.泵的理論排量泵的工作過(guò)程是由三個(gè)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(jìn)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(jìn)入和排出的液體體積都等于柱塞讓出的體積：每分鐘的排量為：每天排量:小結(jié)1.游梁式抽油裝置主要由抽油機(jī)、抽油泵、抽油桿組成。2.抽油機(jī)主要由游梁-連桿-曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝置3.抽油泵分為管式泵和桿式泵，主要由工作筒(外筒和襯套)、柱塞、游動(dòng)閥(排出閥)和固定閥(吸入閥)組成。4.泵吸入的條件：泵內(nèi)壓力(吸入壓力)低于沉沒壓力。5.泵排出的條件：泵內(nèi)壓力(排出壓力)高于柱塞以上的液柱壓力。完第二節(jié)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及載荷一、抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律PolishedRodMotionLaw(一)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律假設(shè)條件：r/l0、r/b0游梁和連桿的連接點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)可看做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，即認(rèn)為B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和D點(diǎn)做圓運(yùn)動(dòng)時(shí)在垂直中心線上的投影(C點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。則B點(diǎn)經(jīng)過(guò)t時(shí)間(曲柄轉(zhuǎn)角φ)時(shí)位移為：

抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖A點(diǎn)的速度為A點(diǎn)的加速度為在上下死點(diǎn)處()速度為零，加速度絕對(duì)值最大在上、下沖程的中點(diǎn)()加速度為零，速度絕對(duì)值最大：(二)簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律假設(shè)條件：0<r/ι<1/4λ=r/ι

把B點(diǎn)繞游梁支點(diǎn)的弧線運(yùn)動(dòng)近似地看做直線運(yùn)動(dòng)，則可把抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖A點(diǎn)加速度:A點(diǎn)位移：A點(diǎn)速度:按曲柄滑塊計(jì)算的懸點(diǎn)速度變化為歪曲的正弦曲線、加速度為歪曲的余弦曲線曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型可做一般的計(jì)算和分析。簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模型只能做估算和簡(jiǎn)單分析。（三）懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確分析二、抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算TheCalculationofPolishedRodLoad1.靜載荷StaticLoad(一)懸點(diǎn)所承受的載荷包括：抽油桿柱載荷；作用在柱塞上的液柱載荷；沉沒壓力對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響；井口回壓對(duì)懸點(diǎn)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）②作用在柱塞上的液柱載荷上沖程：游動(dòng)閥關(guān)閉，作用在柱塞上的液柱載荷為下沖程游動(dòng)閥打開，液柱載荷作用于油管，而不作用于懸點(diǎn)。A-上沖程③沉沒壓力(泵口壓力)對(duì)懸點(diǎn)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(jìn)入泵內(nèi)，此時(shí)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(duì)懸點(diǎn)載荷沒有影響。沉沒壓力進(jìn)閥阻力原油密度④井口回壓對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響

液流在地面管線中的流動(dòng)阻力所造成的井口回壓對(duì)懸點(diǎn)將產(chǎn)生附加的載荷。上沖程：增加懸點(diǎn)載荷:下沖程：減小抽油桿柱載荷:上沖程懸點(diǎn)靜載荷:下沖程懸點(diǎn)靜載荷:2.動(dòng)載荷(慣性載荷、振動(dòng)載荷)DynamicLoad①慣性載荷(忽略桿液彈性影響)

抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驢頭帶著抽油桿柱和液柱做變速運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生抽油桿柱和液柱的慣性力。抽油桿柱的慣性力：液柱的慣性力：

為油管過(guò)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(diǎn)載荷；后半沖程中加速度為負(fù)，即加速度向下，則慣性力向上，從而減小懸點(diǎn)載荷。懸點(diǎn)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(diǎn)載荷；后半沖程慣性力向下，將增大懸點(diǎn)載荷。加速度抽油桿柱引起的懸點(diǎn)最大慣性載荷上沖程：下沖程：液柱引起的懸點(diǎn)最大慣性載荷上沖程：下沖程中液柱不隨懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，沒有液柱慣性載荷懸點(diǎn)最大慣性載荷上沖程：下沖程：②振動(dòng)載荷(PV)由于抽油桿柱作變速運(yùn)動(dòng)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(dòng)，它所產(chǎn)生的振動(dòng)載荷亦作用于懸點(diǎn)上。其數(shù)值與抽油桿柱的長(zhǎng)度、載荷變化周期及抽油機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。振動(dòng)載荷計(jì)算見問(wèn)題（二）。3.摩擦載荷(F)(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(diǎn)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(guò)游動(dòng)閥的摩擦力（閥阻力）下沖程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影響，減小懸點(diǎn)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(yùn)動(dòng)速度。把懸點(diǎn)看做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，則②液柱與油管間的摩擦力

上沖程時(shí)，游動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的摩擦力的方向向下，故增大懸點(diǎn)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桿管摩擦力：⑤液體通過(guò)游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力：④柱塞與襯套之間的摩擦力：在直井內(nèi)通常不超過(guò)抽油桿質(zhì)量的1.5%。由實(shí)驗(yàn)確定的閥流量系數(shù)(二)懸點(diǎn)最大和最小載荷PeakPolishedRodLoad&MinimumPolishedRodLoad1.計(jì)算懸點(diǎn)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，其值為：Ⅰu、Ⅰd—上、下沖程中慣性載荷；Phu、Phd—上、下沖程中井口回壓造成的懸點(diǎn)載荷；Fu、Fd－上、下沖程中的最大摩擦載荷；Pv—振動(dòng)載荷；Pi—上沖程中沉沒壓力作用在活塞上產(chǎn)生的載荷。2.計(jì)算懸點(diǎn)最大載荷的其它公式一般井深及低沖數(shù)油井簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、桿柱和液柱慣性載荷簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、桿柱慣性載荷簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、桿柱和液柱慣性載荷忽略振動(dòng)、摩擦、沉沒壓力、回壓、液柱慣性載荷第三節(jié)抽油機(jī)平衡、扭矩與功率計(jì)算TheBalance,TorqueandPowerofPumpingUnit一、抽油機(jī)平衡計(jì)算TheCalculationofBalance1.不平衡原因

上下沖程中懸點(diǎn)載荷不同，造成電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中所做的功不相等。2.不平衡造成的后果

①上沖程中電動(dòng)機(jī)承受著極大的負(fù)荷，下沖程中抽油機(jī)帶著電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，造成功率的浪費(fèi)，降低電動(dòng)機(jī)的效率和壽命；②由于負(fù)荷極不均勻，會(huì)使抽油機(jī)發(fā)生激烈振動(dòng)，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。3.平衡原理BalancePrinciple在下沖程中把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在上沖程中利用儲(chǔ)存的能量來(lái)幫助電動(dòng)機(jī)做功，從而使電動(dòng)機(jī)在上下沖程中都做相等的正功。為使抽油機(jī)平衡，下沖程中需要儲(chǔ)存的能量或上沖程中需要釋放的能量是懸點(diǎn)載荷在上下沖程中所做功之和的一半。下沖程：上沖程：平衡條件：－上沖程懸點(diǎn)做的功－上沖程電動(dòng)機(jī)做的功BalanceMethod1.氣動(dòng)平衡：(1)氣包內(nèi)的氣體壓縮與膨脹(2)多用于大型抽油機(jī)；(3)節(jié)約鋼材；(4)改善抽油機(jī)受力狀況；(5)加工質(zhì)量要求高

(如氣包的密封性等)。(二)平衡方式2.機(jī)械平衡①游梁平衡：游梁尾部加平衡重；②曲柄平衡(旋轉(zhuǎn)平衡)：平衡塊加在曲柄上；③復(fù)合平衡(混合平衡)：游梁尾部和曲柄上都有平衡重。1.游梁平衡達(dá)到平衡所需要的游梁平衡塊重:(三)平衡計(jì)算BalanceCalculationXuc－抽油機(jī)本身的不平衡值。2.曲柄平衡平衡半徑公式：Wcb—曲柄平衡塊總重；Rc—曲柄本身的重心到曲柄軸心距離Wc—曲柄自重(兩塊)；r—曲柄半徑；3.復(fù)合平衡平衡半徑公式:Wcb—曲柄平衡塊總重；Wb—游梁平衡塊重；Wc—曲柄自重(兩塊)；Rc—曲柄本身的重心到曲柄軸心距離(四)抽油機(jī)平衡檢驗(yàn)方法1.測(cè)量驢頭上、下沖程的時(shí)間平衡條件下上、下沖程所用的時(shí)間基本相等。如果上沖程快，下沖程慢，說(shuō)明平衡過(guò)量。2.測(cè)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。若上沖程的電流峰值大于下沖程的電流峰值，說(shuō)明平衡不夠。二、曲柄軸扭矩計(jì)算及分析(一)計(jì)算扭矩的基本公式

抽油過(guò)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，即：Fp－曲柄銷所受的連桿拉力；Wc’－折算到曲柄半徑r處的平衡重復(fù)合平衡抽油機(jī)：曲柄平衡抽油機(jī)：游梁平衡抽油機(jī)：不同平衡方式的抽油機(jī)扭矩精確計(jì)算相關(guān)式θ—從水平位算起的游梁擺角；α－連桿和曲柄之間夾角；β—游梁后臂與連桿之夾角。簡(jiǎn)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(jī):曲柄平衡抽油機(jī)：游梁平衡抽油機(jī)：不同平衡方式的抽油機(jī)扭矩簡(jiǎn)化計(jì)算相關(guān)式扭矩因數(shù)：懸點(diǎn)載荷在曲柄軸上造成的扭矩與懸點(diǎn)載荷的比值。抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡值B：等于連桿與曲柄銷脫開時(shí)，為了保持游梁處于水平位置而需要加在光桿上的力。(方向向下為正)Mcmax—曲柄最大平衡扭矩。(三)扭矩曲線扭矩曲線抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)測(cè)示功圖懸點(diǎn)載荷與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系扭矩因數(shù)與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系凈扭矩負(fù)荷扭矩平衡扭矩(四)扭矩曲線的應(yīng)用1.檢查是否超扭矩及判斷是否發(fā)生“背面沖突”2.判斷及計(jì)算平衡平衡條件：“背面沖突”：抽油過(guò)程中曲柄軸上出現(xiàn)負(fù)扭矩現(xiàn)象時(shí)，減速箱的主動(dòng)輪變?yōu)閺膭?dòng)輪。3.功率分析減速箱輸出的瞬時(shí)功率:減速箱的平均輸出功率：電動(dòng)機(jī)輸出的平均功率：電動(dòng)機(jī)輸入的平均功率：ηcyj為減速箱傳動(dòng)效率ηm為皮帶傳動(dòng)效率(五)最大扭矩計(jì)算公式2.計(jì)算最大扭矩的近似公式(1)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)(2)忽略抽油機(jī)系統(tǒng)的慣性和游梁擺角的影響(3)最大峰值扭矩發(fā)生在曲柄轉(zhuǎn)角為90

時(shí)簡(jiǎn)化條件：1.根據(jù)扭矩曲線計(jì)算最大扭矩有效平衡值：抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡重及平衡重在懸點(diǎn)產(chǎn)生的平衡力。它表示了被實(shí)際平衡掉的懸點(diǎn)載荷值。在平衡條件下：3.計(jì)算最大扭矩的經(jīng)驗(yàn)公式蘇聯(lián)拉瑪扎諾夫于1957年提出：根據(jù)國(guó)內(nèi)油井扭矩曲線的峰值建立的經(jīng)驗(yàn)公式：三、電動(dòng)機(jī)選擇和功率計(jì)算(一)電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

電動(dòng)機(jī)的選擇關(guān)系到電能的利用效率和能否充分發(fā)揮抽油設(shè)備與油層生產(chǎn)能力。

目前國(guó)產(chǎn)抽油機(jī)所選配的電動(dòng)機(jī)大多是高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩系列的三相異步封閉式鼠籠型電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)功率與曲柄軸上的扭矩關(guān)系式為：由于抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷、電動(dòng)機(jī)功率與曲柄軸扭矩是變化的，因此電動(dòng)機(jī)選擇的一般是根據(jù)扭矩的變化規(guī)律，按等值扭矩計(jì)算，即：等值扭矩Me

：用一個(gè)不變化的固定扭矩代替變化的實(shí)際扭矩，使其電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱條件相同，則此固定扭矩即為實(shí)際變化的扭矩的等值扭矩。等值扭矩與最大扭矩之間的關(guān)系作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，扭矩呈正弦規(guī)律變化：真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律：考慮到不平衡等因素，實(shí)際計(jì)算時(shí)建議采用：電動(dòng)機(jī)功率：（二）抽油效率計(jì)算(3)光桿功率計(jì)算的近似計(jì)算：水力功率：在一定時(shí)間內(nèi)將一定量的液體提升一定距離所需要的功率。光桿功率：通過(guò)光桿來(lái)提升液體和克服井下?lián)p耗所需要的功率。(1)根據(jù)實(shí)測(cè)示功圖準(zhǔn)確計(jì)算：(2)根據(jù)示功圖繪制扭矩曲線準(zhǔn)確計(jì)算光桿平均功率。η為泵效地面效率：電動(dòng)機(jī)效率皮帶和減速箱效率四連桿機(jī)構(gòu)效率盤根盒效率抽油桿效率抽油泵效率管柱效率井下效率：抽油效率(系統(tǒng)效率)：第四節(jié)泵效計(jì)算PumpVolumetricEfficiencyCalculation泵效PumpVolumetricEfficiency：在抽油井生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值。影響泵效的因素(1)抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮(2)氣體和充不滿的影響(4)體積系數(shù)的影響(3)漏失影響一、柱塞沖程plungerstrokelength柱塞沖程小于光桿沖程抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮泵效小于1交變載荷作用

液柱載荷交替地由油管轉(zhuǎn)移到抽油桿柱和由抽油桿柱轉(zhuǎn)移到油管，使桿柱和管柱發(fā)生交替地伸長(zhǎng)和縮短。(一)靜載荷作用下的柱塞沖程

抽油桿柱和油管柱的自重伸長(zhǎng)在泵工作的整個(gè)過(guò)程中是不變的，它們不會(huì)影響柱塞沖程。沖程損失計(jì)算式：柱塞沖程：沖程損失：

抽油桿和油管彈性伸縮示意圖上沖程（左）：載荷由從油管轉(zhuǎn)移到抽油桿，抽油桿伸長(zhǎng)，油管縮短。下沖程（右）：載荷由從抽油桿轉(zhuǎn)移到油管，油管伸長(zhǎng)，抽油桿縮短。Sp多級(jí)抽油桿的沖程損失：沖程損失的影響因素分析：(2)抽油桿和油管的性質(zhì)、組合；(3)下泵深度；(4)抽油泵的規(guī)格。(1)油層供液狀況和生產(chǎn)流體的性質(zhì)；(二)考慮慣性載荷后柱塞沖程的計(jì)算

當(dāng)懸點(diǎn)上升到上死點(diǎn)時(shí)，抽油桿柱有向下的(負(fù)的)最大加速度和向上的最大慣性載荷，抽油桿在慣性載荷的作用下還會(huì)帶著柱塞繼續(xù)上行。

當(dāng)懸點(diǎn)下行到下死點(diǎn)后，抽油桿的慣性力向下，使抽油桿柱伸長(zhǎng)，柱塞又比靜載變形時(shí)向下多移動(dòng)一段距離。柱塞沖程增加量：根據(jù)虎克定律，慣性載荷引起的柱塞沖程增量為：上沖程：下沖程：

由于抽油桿柱上各點(diǎn)所承受的慣性力不同，計(jì)算中近似取其平均值，即：

因此，考慮靜載荷和慣性載荷后的柱塞沖程為：(三)抽油桿柱的振動(dòng)對(duì)柱塞沖程的影響

理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明：抽油桿柱本身振動(dòng)的相位在上、下沖程中幾乎是對(duì)稱的，即如果上沖程末抽油桿柱伸長(zhǎng)，則下沖程末抽油桿柱縮短。因此，抽油桿振動(dòng)引起的伸縮對(duì)柱塞沖程的影響是一致，即要增加都增加，要減小都減小。其增減情況取決于抽油桿柱自由振動(dòng)與懸點(diǎn)擺動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)的相位配合。液柱載荷交變作用抽油桿柱變速運(yùn)動(dòng)抽油桿柱振動(dòng)抽油桿柱變形抽油桿柱振動(dòng)對(duì)柱塞沖程的影響存在著沖次、沖程配合的有利與不利區(qū)域。N′o為多級(jí)抽油桿的固有頻率二、泵的充滿程度氣鎖：抽汲時(shí)由于氣體在泵內(nèi)壓縮和膨脹，吸入和排出閥無(wú)法打開，出現(xiàn)抽不出油的現(xiàn)象。氣液比：充滿系數(shù)：余隙比：氣體對(duì)充滿程度的影響思考題：氣鎖現(xiàn)象能否自動(dòng)消除？充滿系數(shù)推導(dǎo)過(guò)程氣體對(duì)充滿程度的影響泵充滿程度的影響因素分析：(1)生產(chǎn)流體的性質(zhì)—?dú)庖罕?/p>

R愈小，

就越大。增加泵的沉沒深度或使用氣錨。(2)防沖距泵吸入口壓力下死點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài)下柱塞與泵吸入口的距離K值越小，

值就越大。盡量減小防沖距，以減小余隙。三、泵的漏失(1)排出部分漏失(2)吸入部分漏失(3)其它部分漏失如油管絲扣、泵的連接部分及泄油器不嚴(yán)等影響泵效漏失漏失很難計(jì)算，除了新泵可根據(jù)試泵實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和相關(guān)式估算外，泵由于磨損、砂蠟卡和腐蝕所產(chǎn)生的漏失以及油管絲扣、泵的連接部分和泄油器不嚴(yán)等所產(chǎn)生的漏失很難計(jì)算。柱塞與襯套間隙漏失計(jì)算柱塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)上帶液量：所以只考慮柱塞間隙漏失時(shí)，漏失系數(shù)為：靜止條件下的漏失量：總漏失量為：四、提高泵效的措施(1)選擇合理的工作方式①選用大沖程、小沖次，減小氣體影響，降低懸點(diǎn)載荷，特別是稠油的井。②連噴帶抽井選用大沖數(shù)快速抽汲，以增強(qiáng)誘噴作用。③深井抽汲時(shí)，S和N的選擇一定要避開不利配合區(qū)。(2)確定合理沉沒度。(3)改善泵的結(jié)構(gòu)，提高泵的抗磨、抗腐蝕性能。(4)使用油管錨減少?zèng)_程損失(5)合理利用氣體能量及減少氣體影響氣錨分離原理氣液第五節(jié)有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SuckerRodPumpingSystemDesign確定下泵深度Pumpdepthselection抽油桿柱設(shè)計(jì)

Designofthesuckerrodstring抽油機(jī)和抽汲參數(shù)選擇

Pumpingunitandparameterselection電動(dòng)機(jī)選擇

PrimemoverselectionSuckerrod有桿抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)pumpingsystemdesign一、確定下泵深度

Pumpdepthselection配產(chǎn)方案+IPR曲線PwfPs=Pwf－

△PLsPwfPs△P泵入口處壓力方程:產(chǎn)量降低或增加下泵深度Ps=Pwf－

△PLsPwfPs△P沉沒度過(guò)高的后果：氣體影響增大沉沒壓力降低泵充不滿沉沒度過(guò)低的后果：沉沒度hs的確定原則:⑴Rp<80m3/m3的稀油，定時(shí)或連續(xù)放套管氣生產(chǎn)時(shí)，hs>50m。⑵Rp>80m3/m3，控制套壓生產(chǎn)時(shí)，hs>150m。⑶對(duì)于高產(chǎn)稠油井，hs>250m，以保證泵的充滿程度。

抽油桿柱工作時(shí)承受著交變負(fù)荷所產(chǎn)生的非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力作用。

在交變負(fù)荷作用下，抽油桿柱往往是由于疲勞而發(fā)生破壞，而不是在最大拉應(yīng)力下破壞。因此抽油桿柱必須根據(jù)疲勞強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行計(jì)算Parameters：Length、Diameter、Grades、Sections桿長(zhǎng)、桿徑、桿強(qiáng)度級(jí)別、桿級(jí)數(shù)二、抽油桿柱設(shè)計(jì)Roddesign（1）奧金格公式1.桿柱強(qiáng)度計(jì)算方法RodStrengthCalculation折算應(yīng)力：循環(huán)應(yīng)力幅：許用應(yīng)力：對(duì)稱循環(huán)疲勞極限應(yīng)力：⑵修正古德曼圖ModifiedGoodmandiagram

修正古德曼圖安全區(qū)應(yīng)力范圍比：抽油桿使用系數(shù)取決于流體的性質(zhì)T—抽油桿最小抗張強(qiáng)度

強(qiáng)度條件：2.抽油桿柱設(shè)計(jì)方法RodStringDesignMethods由下向上計(jì)算每段桿柱頂端面的最大、最小載荷,計(jì)算每段桿柱頂端面的應(yīng)力范圍比PLi。確定頂端面應(yīng)力范圍比為[PL]的第一級(jí)桿長(zhǎng)L1，第二級(jí)桿長(zhǎng)L2=L-L1，桿徑加粗一級(jí)繼續(xù)計(jì)算。L1確定頂端面應(yīng)力范圍比為[PL]的第二級(jí)桿長(zhǎng)L2，第三級(jí)桿長(zhǎng)L3=L-L1-L2，桿徑加粗一級(jí)繼續(xù)。L２L1L3L1L２L1L3(1)不等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法L1L1除最上面一極桿柱的上端面外，其余各級(jí)桿柱的上端面都處于許用應(yīng)力范圍比的上限。例如從上到下各級(jí)桿長(zhǎng)：

200m，500m，800m各級(jí)桿柱上端面的應(yīng)力范圍比：

35%，90%，90%此時(shí)桿柱在安全范圍內(nèi)最輕。L1L1如最上面一極桿柱上端面處的應(yīng)力范圍比與其余各級(jí)桿柱的上端面的應(yīng)力范圍比相差很多，則降低許用應(yīng)力范圍比，重新設(shè)計(jì)，直到各級(jí)桿柱的上端面的應(yīng)力范圍比接近為止。例如從上到下各級(jí)桿長(zhǎng)：

400m，400m，700m各級(jí)桿柱上端面的應(yīng)力范圍比：

71%，72%，69%此時(shí)各級(jí)桿柱強(qiáng)度近似相等。(2)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法三.抽油機(jī)和抽汲參數(shù)選擇

Pumpingunitandparameterselection1.沖程、沖次的確定常規(guī)流體條件和下泵深度的井，應(yīng)選長(zhǎng)沖程、中等沖次。既減小氣體影響，又降低液柱載荷。對(duì)于稠油或下泵深度較深的井，應(yīng)選用長(zhǎng)沖程、低沖次。既防止充不滿、又減少?zèng)_程損失。對(duì)于連抽帶噴的井，則選用高沖次快速抽汲以增強(qiáng)誘噴作用。對(duì)于深井要充分注意振動(dòng)載荷影響的S和n的不利配合區(qū)。2.泵型的選擇－油井設(shè)計(jì)產(chǎn)量，m3/d－泵效（可取區(qū)塊統(tǒng)計(jì)值）注意：應(yīng)選取泵徑系列中大于或等于計(jì)算值的泵徑。⑴泵徑:⑵泵型:管式泵、桿式泵、皮碗泵泵深小于400m的淺井，含砂小于0.1％，選皮碗泵；泵深小于1000m、大產(chǎn)量，含砂小于0.2％，結(jié)蠟嚴(yán)重、油稠，選管式泵；產(chǎn)量小、中深和深井，選桿式泵；深井、大產(chǎn)量，選無(wú)桿泵。3.抽油機(jī)選擇步驟：初選沖程、沖次和泵徑；在可能的最大產(chǎn)量下，確定下泵深度和桿柱組合；計(jì)算懸點(diǎn)最大最小載荷和曲柄軸最大扭矩；根據(jù)最大載荷、最大扭矩，以及選用的沖程、沖次，確定抽油機(jī)型號(hào)。進(jìn)行抽油機(jī)和桿柱校核，如不合格再進(jìn)行調(diào)整。簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)：真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律：考慮到不平衡等因素，建議采用：電動(dòng)機(jī)功率：四、電動(dòng)機(jī)選擇

Primemoverselection五、有桿抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有桿抽油系統(tǒng)組成：有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1)油層(2)井筒(4)地面出油管線(3)采油設(shè)備(機(jī)、桿、泵等)(4)工況指標(biāo)預(yù)測(cè)。(1)油井流入動(dòng)態(tài)計(jì)算；(2)采油設(shè)備(機(jī)、桿、泵等)選擇；(3)抽汲參數(shù)(沖程、沖次、泵徑和下泵深度等)確定；有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)：經(jīng)濟(jì)、有效地舉升原油。IPR井筒多相流規(guī)律運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律地面多相流規(guī)律有桿抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟：(1)IPR計(jì)算(3)溫度場(chǎng)計(jì)算(2)(4)(5)計(jì)算(6)(8)抽油桿柱設(shè)計(jì)(9)泵效分析(10)產(chǎn)量迭代計(jì)算(11)工況指標(biāo)計(jì)算(7)確定Dp、S、n第六節(jié)有桿抽油系統(tǒng)工況分析

AnalysisofRodPumpPerformance(1)了解油層生產(chǎn)能力及工作狀況，分析是否已發(fā)揮了油層潛力，分析、判斷油層不正常工作的原因；(2)了解設(shè)備能力及工作狀況，分析設(shè)備是否適應(yīng)油層生產(chǎn)能力，了解設(shè)備潛力，分析判斷設(shè)備不正常的原因；(3)分析檢查措施效果。分析目的：油層與抽油設(shè)備協(xié)調(diào)，油井高效生產(chǎn)。分析內(nèi)容：一、抽油井液面測(cè)試與分析

Liquidlevelanalysis&test（一）動(dòng)液面、靜液面及采油指數(shù)靜液面（Ls或Hs）HydrostaticLevel

：對(duì)應(yīng)于油藏壓力。動(dòng)液面（Lf或Hf）WorkingLiquidLevel

：對(duì)應(yīng)于井底壓力流壓。生產(chǎn)壓差Drawdown

：與靜液面和動(dòng)液面之差相對(duì)應(yīng)的壓力差。沉沒度（hs）SubmergenceDepth

：根據(jù)氣油比和原油進(jìn)泵壓力損失而定。

靜液面與動(dòng)液面的位置LsPwfPsLsPwfPs生產(chǎn)壓差△P=Ls－Lf有無(wú)誤差?沒有考慮井底到泵口的流動(dòng)阻力采液指數(shù)JL=QL/(Ls－Lf)折算液面：ReducedLiquidLevel把在一定套壓下測(cè)得的液面折算成套管壓力為零時(shí)的液面。LsPwfPs(二)液面位置的測(cè)量LiquidLevelTesting測(cè)量?jī)x器：回聲儀測(cè)量原理：利用聲波在環(huán)形空間流體介質(zhì)中的傳播速度和測(cè)得的反射時(shí)間來(lái)計(jì)算其位置：Echometer1.有音標(biāo)的井聲波反射曲線LsPwfPs2.無(wú)音標(biāo)的井液面反射曲線油管接箍反射曲線雙聲道回聲儀聲波在氣體中的傳播速度為：由氣體狀態(tài)方程，聲波速度為：簡(jiǎn)化為：(三)含水井油水界面及工作制度與含水的關(guān)系含水井正常抽油時(shí)，油水界面穩(wěn)定在泵的吸入口處。⑴低氣油比含水油井：在泵下加深尾管來(lái)降低流壓，提高產(chǎn)量。⑵低含水高氣油比井(除帶噴者外)：加深尾管會(huì)降低泵的充滿系數(shù)，因?yàn)檫M(jìn)入尾管后從油中分出的氣體將全部進(jìn)入泵內(nèi)。

含水井的油水界面用多相管流計(jì)算更準(zhǔn)確二、深井泵工作狀況分析示功圖：載荷隨位移的變化關(guān)系曲線所構(gòu)成的封閉曲線圖。地面示功圖或光桿示功圖：懸點(diǎn)載荷與位移關(guān)系的示功圖。地面示功圖(一)理論示功圖及其分析

IdealDynamometerCard1.靜載荷作用下的理論示功圖ABC為上沖程靜載荷變化線。CDA為下沖程靜載荷變化線。靜載理論示功圖CD為卸載過(guò)程，游動(dòng)閥和固定閥處于關(guān)閉狀態(tài)；在D點(diǎn)卸載完畢，變形結(jié)束，柱塞與泵筒發(fā)生向下相對(duì)位移，游動(dòng)閥被頂開、排出液體。DA為排出過(guò)程，固定閥處于關(guān)閉狀態(tài)。AB為加載過(guò)程，游動(dòng)閥和固定閥處于關(guān)閉狀態(tài)；在B點(diǎn)加載完畢，變形結(jié)束，柱塞與泵筒開始發(fā)生相對(duì)位移，固定閥打開而吸入液體。BC為吸入過(guò)程（BC=sP為泵的沖程），游動(dòng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。2.考慮慣性、振動(dòng)載荷后的理論示功圖考慮慣性載荷后的理論示功圖考慮振動(dòng)載荷后的理論示功圖(二)典型示功圖分析典型示功圖：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。1.氣體和充不滿對(duì)示功圖的影響有氣體影響的示功圖①氣體影響示功圖氣鎖泵的余隙越大，進(jìn)入泵內(nèi)的氣量越多，則線DD’越長(zhǎng)，示功圖的“刀把”越明顯。GasLock下沖程：氣體受壓縮，泵內(nèi)壓力不能迅速提高，使排出閥滯后打開(點(diǎn)D’)，卸載變慢(CD’)。上沖程：由于在下沖程末余隙內(nèi)還殘存一定數(shù)量的溶解氣和壓縮氣，上沖程開始后泵內(nèi)壓力因氣體的膨脹而不能很快降低，使固定閥打開滯后，游動(dòng)閥關(guān)閉遲緩(點(diǎn)B’)，加載變慢。余隙越大，殘存的氣量越多，BB’