第3章有桿泵采油1.2.3

1、有桿抽油系統(tǒng)設計有桿抽油系統(tǒng)設計泵效計算泵效計算平衡、扭矩及功率計算平衡、扭矩及功率計算懸點運動規(guī)律及懸點載荷懸點運動規(guī)律及懸點載荷抽油裝置及泵的工作原理抽油裝置及泵的工作原理有桿抽油系統(tǒng)工況分析有桿抽油系統(tǒng)工況分析常規(guī)有桿泵采油常規(guī)有桿泵采油有桿泵采油有桿泵采油抽油機懸點的往復抽油機懸點的往復運動通過抽油桿傳運動通過抽油桿傳遞給井下柱塞泵。遞給井下柱塞泵。地面驅動螺桿泵采油地面驅動螺桿泵采油驅動頭的旋轉運動驅動頭的旋轉運動通過抽油桿傳遞給通過抽油桿傳遞給井下螺桿泵。井下螺桿泵。常規(guī)有桿泵采油是目前我國最廣泛應用的采油方式。常規(guī)有桿泵采油是目前我國最廣泛應用的采油方式。100%50%25%75

2、%20032004200593%93%93%93%89%89%中石油近幾年有桿泵采油比例中石油近幾年有桿泵采油比例97323口 90868口111546口94240口98942口101108口一、抽油裝置一、抽油裝置抽油機抽油桿抽油泵其他附件( (一一) )抽油機抽油機有桿深井泵采油的主要地面設備，它將電能轉化為機有桿深井泵采油的主要地面設備，它將電能轉化為機械能，包括游梁式抽油機和無游梁式抽油機兩種。械能，包括游梁式抽油機和無游梁式抽油機兩種。游梁游梁- -連桿連桿- -曲柄機構曲柄機構減速箱減速箱動力設備動力設備輔助裝置輔助裝置1 1、游粱式抽油機基本參數(shù)、游粱式抽油機基本參數(shù)1.1.驢頭

3、懸點（掛抽油桿處）的最大允許載荷驢頭懸點（掛抽油桿處）的最大允許載荷P Pmaxmax 2.2.懸點最大沖程長度懸點最大沖程長度S Smaxmax3.3.懸點的最大沖數(shù)懸點的最大沖數(shù)n nmaxmax4.4.減速箱曲柄軸最大允許扭矩減速箱曲柄軸最大允許扭矩M Mmaxmax抽油機工作原理抽油機工作原理2 2、游粱式抽油機分類、游粱式抽油機分類（1 1）按基本參數(shù)分類）按基本參數(shù)分類重型 Pmax100kN根據(jù)懸點最大允許載荷根據(jù)懸點最大允許載荷P Pmaxmax的變化范圍的變化范圍根據(jù)懸點最大沖程長度根據(jù)懸點最大沖程長度S Smaxmax的變化范圍的變化范圍輕型 Pmax30kN中型 30kN

4、Pmax100kN短沖程 Smax1m中等沖程 lmSmax3m長沖程 3mSmax6m超長沖程Smax6m超大扭矩 Mmax60kNm根據(jù)懸點最大沖數(shù)根據(jù)懸點最大沖數(shù)n nmaxmax的變化范圍的變化范圍根據(jù)減速箱曲柄軸的最大允許扭矩根據(jù)減速箱曲柄軸的最大允許扭矩MmaxMmax小扭矩 Mmax10kNm大扭矩 30kNmMmax60kNm中等扭矩 10kNmMmax30kNm低沖數(shù) nmax 6min-1中等沖數(shù) 6min-1nmax15min-1高沖數(shù) nmax15min-1根據(jù)抽油機所需的最大功率根據(jù)抽油機所需的最大功率NmaxNmax小功率 Nmax25kW中等功率 25kWNmax

5、52kW大功率 52kWNmax100kW超大功率 Nmax100kW（2 2）按結構分類）按結構分類常規(guī)式：驢頭和曲柄連桿機構分別位 于抽油機支架前后兩邊。前置式：驢頭和曲柄連桿機構都位于 支架的前邊平衡方式：多采用機械平衡平衡方式：多采用氣動平衡運動規(guī)律：上沖程較下沖程慢運動規(guī)律：上下沖程的時間基本相等（3 3）其他抽油機）其他抽油機（4 4）抽油機結構簡圖）抽油機結構簡圖 游梁式抽油機是以游梁支點和曲柄軸中心的連線做固定桿，以曲柄、連桿和游梁后臂為三個活動桿件所構成的曲柄搖桿機構 游梁用型鋼組合焊成，也有用普通工字鋼制成。它用一個中間短軸和兩個軸承支在抽油機支架上。由于游梁負擔抽油機的全

6、部載荷，所以要有一定的強度和剛度。橫梁及連桿可分為兩種結構：一種是將橫梁及連桿制造在一起，其特點是連接件很少，結構很簡單，用在小型抽油機上，它由改變后臂長度來調節(jié)沖程長度。另一種結構是單獨橫梁，一般用于大型抽油機中,它由改變曲柄和連桿的連接點位置來調節(jié)沖程長度。驢頭用來將游梁前端的往復圓弧運動變?yōu)槌橛蜅U的垂直直線往復運動。驢頭弧面半徑R應等于前臂長度。為了保證在一定沖程長度下，將圓弧運動變?yōu)橹本€運動，圓弧面長度應為： S?。?.21.3) Smax式中Smax驢頭懸點（掛抽油桿處）的最大沖程長度。驢頭用鋼板焊成。 平衡重：由于游梁式抽油機上、下沖程的載荷很不均勻，上沖程時，驢頭需提起抽油桿柱和

7、液柱，而下沖程時，抽油桿依靠自重就可以下落，這樣就使發(fā)動機做功極不均勻。為了使上、下沖程發(fā)動機作功均勻，采用了平衡重的結構；游梁式抽油機平衡重分兩類：一類為游梁平衡重，裝在游梁尾部，一般作成片狀；另一類為曲柄平衡重，裝在曲柄上，類型較多。 減速箱：一般使用的減速箱多為兩級齒輪式，傳動比i=2540左右，在個別情況下也有使用一級齒輪減速箱或鏈條減速箱。由于工作載荷大，一般小功率時采用斜齒，大功率時采用人字齒。并開始采用圓弧齒輪。減速箱采用圓弧齒輪后，其承載能力比相同參數(shù)的漸開線齒輪減速箱體積有所減小，這樣也給抽油機其他部分尺寸的縮小創(chuàng)造了條件。剎車機構：抽油機上所用的剎車機構一般為剎車型或閘瓦型

8、。支架：常用型焊鋼焊成，特輕型的可用一根圓管作支架，重型的可做成三腿或四腿的行架。懸繩器：由卡瓦牙、上下支撐板及頂絲等組成，將鋼絲繩及光桿連成一體。懸繩器上可以安放示功儀，測懸點示功圖。（5 5）抽油機四連桿機構的循環(huán)特性）抽油機四連桿機構的循環(huán)特性 對稱循環(huán)對稱循環(huán) 在實際應用中，采用對稱循環(huán)四桿機構的抽油機并不多 當游梁處于兩極限位置B1C1(對應于懸點下死點）B2C2（對應于懸點上死點）時，曲柄與連桿分別重合于直線OA1B1，A2OB2上，并且兩直線OA1B1，A2OB2共線。顯然懸點上、下沖程所對應的曲柄轉角相等，均為180，當曲柄勻速轉動時，懸點上、下沖程所對應時間相等，即上、下沖程

9、懸點的平均速度相等。 近似對稱循環(huán)近似對稱循環(huán) 常規(guī)抽油機 當游梁處于上、下死點兩極限位置B2C2，B1C1時，曲柄與連桿的重合線分別為A2OB2（懸點上死點）、OA1B1（懸點下死點）, 直線OA1B1，A2OB2所夾的銳角稱為四連桿機構的極位夾角 設曲柄勻速轉動的角速度為 ，則懸點上、下沖程所需時間分別為：上下上t上t下顯然懸點上、下沖程所對應的曲柄轉角分別為： 下1K 當曲柄勻速轉動時，懸點上、下沖程的平均速度不等，懸點下沖程的平均速度大于上沖程時的平均速度。將V上與V下的比值K1稱為四桿機構的行程速比系數(shù)，則為K1： 在近似對稱循環(huán)抽油機中，一般來說: 0.05,K11.05 目前，石

10、油礦場廣泛應用的常規(guī)型抽油機均屬于近似對稱循環(huán)。非對稱循環(huán)非對稱循環(huán) 異相曲柄平衡抽油機 異相曲柄平衡抽油機的游梁后臂長度縮短，減速箱相對于支架的位置后移，從而使四桿機構的極位夾角增大目前，異相機的機構極位夾角為815，行程速比系數(shù)K1在1.051.20之間，因此，異相曲柄平衡抽油機具有較快的下沖程，上沖程平均速度降低，下沖程的平均速度增大，從而使懸點上沖程的最大加速度降低，有利于減少懸點慣性負荷和減速箱輸出扭矩，因而有較好的節(jié)能效果。（6 6）游梁式抽油機系列型號表示方法）游梁式抽油機系列型號表示方法CYJ 123.370(H) F(YCYJ 123.370(H) F(Y，B B，Q)Q)游

11、梁式抽油機系列代號游梁式抽油機系列代號CYJ-CYJ-常規(guī)型常規(guī)型CYJQ-CYJQ-前置型前置型CYJY-CYJY-異相型異相型懸點最大載荷，懸點最大載荷，10 kN10 kN光桿最大沖程，光桿最大沖程，m m減速箱曲柄軸最大允許扭矩減速箱曲柄軸最大允許扭矩,kN.m,kN.m減速箱齒輪形代號，減速箱齒輪形代號，H H為點嚙合雙為點嚙合雙圓弧齒輪，省略漸開線人字齒輪圓弧齒輪，省略漸開線人字齒輪平衡方式代號平衡方式代號F F：復合平衡：復合平衡Y Y：游梁平衡：游梁平衡B B：曲柄平衡：曲柄平衡Q Q：氣動平衡：氣動平衡( (二二) )抽油泵抽油泵1 1、作用作用2 2、主要主要組成組成把機械

12、能轉化為壓能。把機械能轉化為壓能。 1排出閥排出閥;2柱塞柱塞;3吸入閥吸入閥4泵筒泵筒3 3、一般要求、一般要求a.a.結構簡單，強度高，質量好，連接部分密封可靠；結構簡單，強度高，質量好，連接部分密封可靠；b.b.制造材料耐磨和抗腐蝕性好，使用壽命長；制造材料耐磨和抗腐蝕性好，使用壽命長；c.c.規(guī)格類型能滿足油井排液量的需要，適應性強；規(guī)格類型能滿足油井排液量的需要，適應性強；d.d.便于起下；便于起下；e.e.結構上應考慮防砂、防氣，并帶有必要的輔助設備。結構上應考慮防砂、防氣，并帶有必要的輔助設備。管式泵：管式泵：外筒和襯套在地面組裝好接在外筒和襯套在地面組裝好接在油管下部先下入井內

13、，然后投入固定閥，油管下部先下入井內，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。最后再把柱塞接在抽油桿柱下端下入泵內。管式泵特點管式泵特點：結構簡單、成本低，排量大。但檢泵時必須結構簡單、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。較高的油井。桿式泵：桿式泵：整個泵在地面組裝好后接在抽油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，由預桿柱的下端整體通過油管下入井內，由預先裝在油管預定深度先裝在油管預定深度( (下泵深度下泵深度) )上的卡簧上的卡簧固定在油管上，檢泵時

14、不需要起油管。固定在油管上，檢泵時不需要起油管。桿式泵特點桿式泵特點：結構復雜，制造成本高，排量小，修井工作結構復雜，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。量小。桿式泵適用于下泵深度大、產(chǎn)量較小的油井。4 4、分類、分類A-A-管式泵管式泵B-B-桿式泵桿式泵( (三三) )抽油桿：抽油桿：能量傳遞工具。能量傳遞工具。1-1-外螺紋接頭；外螺紋接頭；2-2-卸荷槽；卸荷槽；3-3-推承面臺肩；推承面臺肩；4-4-扳手方徑；扳手方徑；5-5-凸緣；凸緣；6-6-圓弧過渡區(qū)圓弧過渡區(qū)抽油桿的桿體直徑抽油桿的桿體直徑分別為分別為1313、1616、1919、222

15、2、2525、28mm28mm，抽油桿的長度抽油桿的長度一般為一般為8000mm8000mm或或7620mm7620mm，另外，為了調節(jié)，另外，為了調節(jié)抽油桿柱的長度，還有長度不等的抽油桿短節(jié)。抽油桿柱的長度，還有長度不等的抽油桿短節(jié)。接箍接箍是抽油桿組合成抽油桿柱時的連接零件。按其結構是抽油桿組合成抽油桿柱時的連接零件。按其結構特征可分為：普通接箍、異徑接箍和特種接箍。特征可分為：普通接箍、異徑接箍和特種接箍。普通接箍：普通接箍：連接等直徑的抽油桿連接等直徑的抽油桿異徑接箍：異徑接箍：用于連接不同直徑的抽油桿用于連接不同直徑的抽油桿特種接箍：特種接箍：主要有滾輪式接箍和滾珠式接箍，用于斜主要

16、有滾輪式接箍和滾珠式接箍，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，井或普通油井中降低抽油桿柱與油管之間的摩擦力，減少對油管的磨損減少對油管的磨損扶正器扶正器抽油桿的強度：抽油桿的強度：C C級桿級桿(570MPa)(570MPa)、D D級桿級桿(810MPa) (810MPa) 、E E級桿級桿(980MPa)(980MPa)扶正器扶正器扶正器扶正器扶正器扶正器超高強度抽油桿超高強度抽油桿玻璃鋼抽油桿玻璃鋼抽油桿空心抽油桿空心抽油桿電熱抽油桿電熱抽油桿連續(xù)抽油桿連續(xù)抽油桿柔性抽油桿柔性抽油桿特特種種抽抽油油桿桿二、泵的工作原理二、泵的工作原理( (一一) )泵的抽汲過程泵的抽汲過

17、程沖沖 程程光桿沖程光桿沖程沖沖 次次（二（二) )泵的理論排量泵的理論排量 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，即柱塞在泵內讓出容積，井內液體進泵和從泵內排出井內液體。內讓出容積，井內液體進泵和從泵內排出井內液體。 每日排量每日排量: :SNkSNfQppt 1440每分鐘的排量為：每分鐘的排量為： SNfVpm 在理想情況下，活塞上、下一次進入和排出的液體在理想情況下，活塞上、下一次進入和排出的液體體積都等于柱塞讓出的體積：體積都等于柱塞讓出的體積： SfVp 第二節(jié)第二節(jié) 抽油機懸點運動規(guī)律及載荷抽油機懸點運動規(guī)律及載荷一、抽油機懸點運動規(guī)律

18、一、抽油機懸點運動規(guī)律( (一一) )簡化為簡諧運動時懸點運動規(guī)律簡化為簡諧運動時懸點運動規(guī)律假設條件：假設條件：r/lr/l 0 0、r/br/b 0 0 游梁和連桿的連接點游梁和連桿的連接點B B的運動可的運動可看做看做簡諧運動簡諧運動，即認為，即認為B B點的運動規(guī)點的運動規(guī)律和律和D D點做圓運動時在垂直中心線上點做圓運動時在垂直中心線上的投影的投影(C(C點點) )的運動規(guī)律相同。的運動規(guī)律相同。則則B B點經(jīng)過點經(jīng)過t t時間時間( (曲柄轉角曲柄轉角)時時位移為：位移為：)cos1()cos1(trrSB 圖圖3-7 3-7 抽油機四連桿機構簡圖抽油機四連桿機構簡圖 以下死點為坐

19、標零點，以下死點為坐標零點，向上為坐標正方向向上為坐標正方向，則懸點，則懸點A A的位移為：的位移為：A A點的加速度為點的加速度為: :A A點的速度為點的速度為: :)cos1(trbaSbaSBA trbadtdSVAA sin trbadtdVaAA cos2 ( (二二) )簡化為曲柄滑塊機構時懸點運動規(guī)律簡化為曲柄滑塊機構時懸點運動規(guī)律假設條件：假設條件：0r/l1/40r/l1/4 把把B B點繞游梁支點的弧線運動近似地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看做直線運動，則可把抽油機的運動簡化為曲柄滑塊運動。為曲柄滑塊運動。圖圖3-9 3-9 曲柄滑塊機

20、構簡圖曲柄滑塊機構簡圖A A點位移：點位移：barSA)sin2cos1(2 A A點速度點速度: : bardtdSVAA)2sin2(sin A A點加速度點加速度: :bardtdVaAA)2cos(cos2 ba)sin11(1)cos1(rbaXS22BA 圖圖3-10 3-10 懸點速度變化曲線懸點速度變化曲線圖圖3-11 3-11 懸點加速度變化曲線懸點加速度變化曲線二、抽油機懸點載荷計算二、抽油機懸點載荷計算1.1.靜載荷靜載荷( (一一) )懸點所承受的載荷懸點所承受的載荷包括包括：抽油桿柱載荷；作用在柱塞上的液柱載荷；沉沒壓：抽油桿柱載荷；作用在柱塞上的液柱載荷；沉沒壓力對

21、懸點載荷的影響；井口回壓對懸點載荷的影響力對懸點載荷的影響；井口回壓對懸點載荷的影響抽油桿柱載荷抽油桿柱載荷上沖程：上沖程：（即桿柱在空氣中的重力）（即桿柱在空氣中的重力）gLqgLfWrsrr 下沖程：下沖程：（即桿柱在液體中的重力即桿柱在液體中的重力）LgqgLfWrlsrr )( bqqqrslsrr / )(slsb / )( 作用在柱塞上的液柱載荷作用在柱塞上的液柱載荷上沖程上沖程 游動閥關閉，作用在柱塞上的液柱載荷為：游動閥關閉，作用在柱塞上的液柱載荷為： 下沖程下沖程 游動閥打開，液柱載荷作用于油管，而不作用于懸點。游動閥打開，液柱載荷作用于油管，而不作用于懸點。沉沒壓力沉沒壓力

22、( (泵口壓力泵口壓力) )對懸點載荷的影響對懸點載荷的影響上沖程上沖程 在沉沒壓力作用下，井內液體克服泵入口設備的阻力在沉沒壓力作用下，井內液體克服泵入口設備的阻力進入泵內，此時液流所具有的壓力即吸入壓力。吸入壓力作進入泵內，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)生用在柱塞底部產(chǎn)生向上向上的載荷的載荷: :下沖程下沖程 吸入閥關閉，沉沒壓力對懸點載荷沒有影響。吸入閥關閉，沉沒壓力對懸點載荷沒有影響。gLffWlrpl )( pinpiifppfpP)( 井口回壓對懸點載荷的影響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)液流在地面管線中的流

23、動阻力所造成的井口回壓對懸點將產(chǎn)生附加的載荷。生附加的載荷。 2.2.動載荷動載荷( (慣性載荷、振動載荷慣性載荷、振動載荷) )慣性載荷慣性載荷( (忽略桿液彈性影響忽略桿液彈性影響) ) 抽油機運轉時，驢頭帶著抽油桿柱和液柱做變速運動，抽油機運轉時，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。因而產(chǎn)生抽油桿柱和液柱的慣性力。)(rphhuffpP 下沖程：下沖程：減小抽油桿柱載荷減小抽油桿柱載荷: :rhhdfpP 抽油桿柱抽油桿柱的慣性力：的慣性力：ArragWI 液柱液柱的慣性力：的慣性力： AllagWI 為油管過流斷面變化引起液柱加速度變化的系數(shù)為油管過流斷面

24、變化引起液柱加速度變化的系數(shù) rtfrpffff油管直徑，mm油管過流斷面面積， cm2油管管壁橫截面積，cm240.3 50.362.012.819.911.7上沖程上沖程: :前半沖程加速度為正，即加速度向上，則慣性力向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。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懸點加速度在上、下沖程中大小和方向是變化的。下沖程下沖程: :與上沖程相反，前半沖程慣性力

25、向上，減小懸點載與上沖程相反，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。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液柱引起的懸點最大慣性載荷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： lr130Ng2SWlr130N2SgW)lr1(2SgWI2r2r2rru )1(17902lrSNWr 取r/l=1/4時，14402SNWIrru 下沖程：)1(1790)1(222lrSNWlrSgWIrrrd 上沖程： lrSNWlrSgWIlllu11790)1(222上沖程：luruuIII 下沖程：rddII 振動載荷

26、 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構有關。(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，減小懸點載荷上、下沖程受力分析上、下沖程受力

27、分析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，則液柱與油管間的摩擦力 上沖程時，游動閥關閉，油管內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。602maxSNS max222)1(ln)1(12 mmmmLFrl 抽油桿柱載荷抽油桿柱載荷、液柱載荷液柱載荷及及慣性載荷慣性載荷是構成懸點載荷的是構成懸點載荷的三項基本載荷。稠油井內存在三項基本載荷。稠油井內存在摩擦載荷摩擦載荷及大沉沒度的井及大沉沒度的

28、井沉沒沉沒壓力產(chǎn)生的載荷壓力產(chǎn)生的載荷；在低沉沒度井內，由于泵的充滿程度差，；在低沉沒度井內，由于泵的充滿程度差，會發(fā)生柱塞與泵內液面的撞擊，將產(chǎn)生較大會發(fā)生柱塞與泵內液面的撞擊，將產(chǎn)生較大沖擊載荷沖擊載荷，從而，從而影響懸點載荷。影響懸點載荷。液體通過游動閥產(chǎn)生的阻力：液體通過游動閥產(chǎn)生的阻力： 220327291SNffghfFplplv 柱塞與襯套之間的摩擦力：柱塞與襯套之間的摩擦力：14094. 0 eppddF桿管摩擦力：桿管摩擦力：NfFrt(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，其值為：在下泵深度及沉沒度不很大，

29、井口回壓及沖數(shù)不高的稀油直井內，在計算最大和最小載荷時，通常可以忽略Pv、F、Pi、Ph及液柱慣性載荷，則：ivuhuulrPPFPIWWP maxvdhddrPFPIWP min)1 (1790)(2maxlrSNWgLffLqIWWPrlrprrulr 令：gLfWgLfLqWlpllrrr )(則：)1(17902maxlrSNWWWPrlr rdrIWP min)1(17902lrSNWLgqrr 2.2.考慮抽油桿柱彈性時懸點最大載荷的計算考慮抽油桿柱彈性時懸點最大載荷的計算初變形期：初變形期：從上沖程開始到液柱載荷加載完畢的過程。從上沖程開始到液柱載荷加載完畢的過程。懸點加載、卸載

30、過程 實際上，抽油桿柱是彈性體，在抽油過程中必然會發(fā)生不同程度的彈性振動。 抽油機從上沖程開始到液柱載荷加載完畢(即所謂“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。由于抽汲液體一般都具有較大的彈性，而且液柱質量并沒有集中作用在柱塞上；另外，液柱一般都不會在柱塞上(即抽油桿下端)產(chǎn)生明顯的動載荷。因此，下面討論中忽略了液柱對抽油桿柱動載荷的影響。2.2.考慮抽油桿柱彈性時懸點最大載荷的計算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初變形期之后，抽油桿柱帶著活塞隨懸點做變速運動

31、。在此過程中，除了液柱和抽油桿柱產(chǎn)生的速運動。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靜載荷之外，還會在抽油桿柱上引起動載荷動載荷。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)生的振動載荷振動載荷初變形期：初變形期：從上沖程開始到液柱載荷加載完畢的從上沖程開始到液柱載荷加載完畢的過程。過程。抽油桿柱做變速運動所產(chǎn)生的慣性載荷抽油桿柱做變速運動所產(chǎn)生的慣性載荷動動載載荷荷忽略液柱對抽油桿柱動載荷的影響忽略液柱對抽油桿柱動載荷的影響抽油桿柱自由縱振產(chǎn)生的振動載荷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

32、程為在初變形期末激發(fā)起的抽油桿的縱向振動微分方程為: :抽油桿柱的自由縱振在懸點上引起的振動載荷為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：用分離變量法求解為：坐標原點坐標原點選在懸點選在懸點22222xuatu 初始條件初始條件; 00 tuLxtut 0邊界條件邊界條件; 00 xu0 Lxxu LxntnnVtxunnn 212sin)12sin()12()1(8),(0020 tnnaVEfxuEfFnnrxrv02020)12sin()12()1(8 懸點的的振動載懸點的的振動載荷是荷是 的周期的周期函數(shù)。函數(shù)。t0所以，最大振動載荷發(fā)生在所以，最大振動載荷

33、發(fā)生在 處，實際上處，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)由于存在阻尼，振動將會隨時間衰減，故最大振動載荷發(fā)生在生在 處，即：處，即：.25,20 t20 tvaEfFrv maxaLtm 02 抽油桿柱的慣性載荷抽油桿柱的慣性載荷 慣性載荷的大小取決于抽油桿柱的質量、懸點加速度及其慣性載荷的大小取決于抽油桿柱的質量、懸點加速度及其在桿柱上的分布。懸點加速度的變化決定于抽油機的幾何結構。在桿柱上的分布。懸點加速度的變化決定于抽油機的幾何結構。 初變形期之后抽油桿柱隨懸點做變速運動，必然會由于初變形期之后抽油桿柱隨懸點做變速運動，必然會由于強迫運動而在抽油桿柱內產(chǎn)生附加的動載

34、荷。為了使問題簡強迫運動而在抽油桿柱內產(chǎn)生附加的動載荷。為了使問題簡化，化，把強迫運動產(chǎn)生的動載荷只考慮為抽油桿柱隨懸點做加把強迫運動產(chǎn)生的動載荷只考慮為抽油桿柱隨懸點做加速度運動而產(chǎn)生的慣性載荷速度運動而產(chǎn)生的慣性載荷。簡諧運動時，懸點加速度為：簡諧運動時，懸點加速度為：tSa cos220抽油桿柱距懸點抽油桿柱距懸點x x處的加速度為：處的加速度為：)(cos22axtSax 在在x x處單元體上的慣性力將為：處單元體上的慣性力將為：積分后可得任一時間作用在整個抽油桿柱積分后可得任一時間作用在整個抽油桿柱L L上上的總慣性力：的總慣性力：dxaxtSgqdFri)(cos22 aLttsa

35、EfdxaxtgSqFrrLi20sinsin2)(cos2 抽油桿柱的慣性力并不正比于加速度的瞬時值，而是正比于在 期間懸點速度的增量。當 時，抽油桿柱的慣性力隨t而減??；當 時，抽油桿柱的慣性力等于零；當 時，慣性力改變方向，其絕對值隨 t增大。 aLaLt22taLt22aLt22t懸點最大載荷懸點最大載荷 初變形期后，懸點載荷初變形期后，懸點載荷P P是抽油桿柱載荷、液柱載荷、是抽油桿柱載荷、液柱載荷、及振動、慣性載荷疊加而成，即及振動、慣性載荷疊加而成，即: :t t0 0為初變形期經(jīng)歷的時間為初變形期經(jīng)歷的時間 取最大振動載荷出現(xiàn)的時間為懸點出現(xiàn)最大載荷的時間取最大振動載荷出現(xiàn)的時

36、間為懸點出現(xiàn)最大載荷的時間, ,則得到計算懸點最大載荷的公式：則得到計算懸點最大載荷的公式：aLt02 sinsin2) 12sin() 12() 1(8000202 aLttttSaEftnnaEfWWFFWWPrnnrlrivlr sin)(sin200maxtaLtSaEfaEfWWPrrlr a.a.油管下端固定油管下端固定 在油管下端固定的情況下，初變形期末柱塞對懸點的相在油管下端固定的情況下，初變形期末柱塞對懸點的相對運動速度等于懸點運動速度，即對運動速度等于懸點運動速度，即油管下端固定時懸點最大載荷為：油管下端固定時懸點最大載荷為：b.b.油管下端未固定油管下端未固定初變形期末懸

37、點運動速度：初變形期末懸點運動速度： 初變形期末柱塞對懸點的相對運動速度將小于懸初變形期末柱塞對懸點的相對運動速度將小于懸點運動速度，并且：點運動速度，并且：油管下端未固定時懸點最大載荷為：油管下端未固定時懸點最大載荷為： sin)1()sin(2maxaLSaEfWWPrlr sin2.S sin2S)sin(2maxaLSaEfWWPrrlr 0sin2sin2tssrr 3.3.計算懸點最大載荷的其它公式計算懸點最大載荷的其它公式一般井深及低沖數(shù)油井一般井深及低沖數(shù)油井簡諧運動、桿柱和液柱慣性載荷簡諧運動、桿柱和液柱慣性載荷簡諧運動、桿柱慣性載荷簡諧運動、桿柱慣性載荷簡諧運動、桿柱和液柱

38、慣性載荷簡諧運動、桿柱和液柱慣性載荷 1371maxSNWWPlrI 179012maxSNWWPlrII)1(17902maxlrSNbWWPrlIII )17901(2maxSNWWPrlIV )17901)(2maxSNWWPlrV 抽油機3-8-83-9-203-11-183-10-163-8-93-4-17實測(P測- P)/ P測,%4.804.754.064.254.444.67+0.25.785.565.105.055.266.42+74.534.474.684.84-2.75.525.194.844.824.925.20+0.94.604.203.803

39、.763.924.40+4.54.504.333.943.914.034.15-4.35不同公式計算的Pmax和實測結果的對比（kN) 用公式計算的結果接近于上述6口井的實際測量結果，而公式計算的結果普遍偏高，公式和公式普遍偏低 第三節(jié)第三節(jié) 抽油機平衡、扭矩與功率計算抽油機平衡、扭矩與功率計算一、一、 抽油機平衡計算抽油機平衡計算不平衡原因不平衡原因 不平衡造成的后果不平衡造成的后果 上下沖程中懸點載荷不同，造成電動機在上、下沖程中所上下沖程中懸點載荷不同，造成電動機在上、下沖程中所做的功不相等。做的功不相等。上沖程中電動機承受著極大的負荷，下沖程中抽油機帶著上沖程中電動機承受著極大的負荷，

40、下沖程中抽油機帶著電動機運轉，造成電動機運轉，造成功率的浪費功率的浪費，降低電動機的效率和壽命；，降低電動機的效率和壽命； 由于負荷極不均勻，會使抽油機發(fā)生激烈振動，而影響由于負荷極不均勻，會使抽油機發(fā)生激烈振動，而影響抽油裝置的壽命。抽油裝置的壽命。 破壞曲柄旋轉速度的破壞曲柄旋轉速度的均勻性均勻性，影響抽油桿和泵正常工作。，影響抽油桿和泵正常工作。( (一一) )平衡原理平衡原理 在下沖程中把能量儲存起來，在上沖程中利用儲存的能在下沖程中把能量儲存起來，在上沖程中利用儲存的能量來幫助電動機做功，從而使電動機在上下沖程中都做相等量來幫助電動機做功，從而使電動機在上下沖程中都做相等的正功。的正

41、功。 所以，為了使抽油機平衡，在所以，為了使抽油機平衡，在下沖程中需要儲存的能量下沖程中需要儲存的能量或或上沖程中需要釋放的能量上沖程中需要釋放的能量應該是懸點載荷在上下沖程中所應該是懸點載荷在上下沖程中所做功之和的一半。做功之和的一半。下沖程：下沖程：dwmdAAA 上沖程：上沖程：wumuAAA 平衡條件：平衡條件：mumdAA 2duwAAA ( (二二) )平衡方式平衡方式氣動平衡：氣動平衡：機械平衡機械平衡游梁平衡：游梁平衡：游梁尾部加平衡重；游梁尾部加平衡重；曲柄平衡曲柄平衡( (旋轉平衡旋轉平衡) )：平衡塊加在曲柄上；平衡塊加在曲柄上；復合平衡復合平衡( (混合平衡混合平衡)

42、)： 游梁尾部和曲柄上都有平衡重。游梁尾部和曲柄上都有平衡重。(1) (1) 氣包內的氣體壓縮與膨脹氣包內的氣體壓縮與膨脹(2) (2) 多用于大型抽油機；多用于大型抽油機；(3) (3) 節(jié)約鋼材；節(jié)約鋼材；(4) (4) 改善抽油機受力狀況；改善抽油機受力狀況；(5) (5) 加工質量要求高加工質量要求高( (如氣包的密封性等如氣包的密封性等) )。SWWAru)(1 SWArd 上沖程中懸點所做的功： 下沖程中懸點所做的功: 由于慣性載荷在上沖程和下沖程中所做的總功等于零，所以在中沒有考慮Au、Ad慣性力。 SWWSWSWWAAAlrrlrduw)2(22 采用多大的平衡力才能使下沖程中

43、存儲的能量，或上沖程中平衡重所做的功等于SWWlr)2( ( (三三) ) 平衡計算平衡計算?1)1)復合平衡復合平衡平衡半徑公式平衡半徑公式: :2)2)曲柄平衡曲柄平衡平衡半徑公式：平衡半徑公式： cbcccbbuccblrWWRWrbcWXWrbaWWR 2cbcccbubcblrWWRWXrWrbaWWR 2圖圖3-14 3-14 復合平衡復合平衡圖圖3-15 3-15 曲柄平衡曲柄平衡3)3)游梁平衡游梁平衡( (四四) )抽油機平衡檢驗方法抽油機平衡檢驗方法1)1)測量驢頭上、下沖程的時間測量驢頭上、下沖程的時間平衡條件下上、下沖程所用的時間基本相等。平衡條件下上、下沖程所用的時間

44、基本相等。如果上沖程快，下沖程慢，說明平衡過量。如果上沖程快，下沖程慢，說明平衡過量。2)2)測量上、下沖程中的電流測量上、下沖程中的電流平衡條件下上、下沖程的電流峰值相等。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。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。達到平衡所需要的游梁平衡塊重達到平衡所需要的游梁平衡塊重: : uclrbXcaWWW )2(圖圖3-16 3-16 游梁平衡游梁平衡二、曲柄軸扭矩計算及分析二、曲柄軸扭矩計算及分析( (一一) )計算扭矩的基本公式計算扭矩的基本公式不同平衡方式的抽油機扭矩精確計算相關式不同平

45、衡方式的抽油機扭矩精確計算相關式 抽油過程中減速箱輸出軸抽油過程中減速箱輸出軸( (曲柄軸曲柄軸) )的扭矩的扭矩M M等于等于曲柄半徑曲柄半徑與與作用在曲柄銷處的作用在曲柄銷處的切線力切線力T T的乘積，即：的乘積，即：rTM 曲柄平衡抽油機：曲柄平衡抽油機：復合平衡抽油機：復合平衡抽油機：sinsinsin)(cosrWrgaacWbcPbaMcAbcom游梁平衡抽油機：游梁平衡抽油機：sinsin)(cosrgaacWbcPbaMAbwb sinsinsinrWrPbaMccr 圖圖3-17 3-17 抽油機幾何尺寸與曲銷受力圖抽油機幾何尺寸與曲銷受力圖PrbaMp sinsin 懸點載

46、荷P在曲柄上造成的扭矩Mp,稱油井負荷扭矩： sinsinrba把式中的乘積稱扭矩因數(shù)，用 表示： sinsinrbaTF PMTFp 扭矩因數(shù)也就是懸點載荷在曲柄軸上造成的扭矩Mp與懸點載荷P的比值，即 TF復合平衡抽油機: sin)(maxcbcomMWacBPTFM 曲柄平衡抽油機： sin)(maxccrMBPTFM 簡化條件：忽略游梁擺角和游梁平衡重慣性力矩的影響。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。抽油機結構不平衡值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。(方向向下為正)不同平衡方式的抽油機扭矩簡化計算相關式)(bwbWacBP

47、TFM 游梁平衡抽油機： sinsinrbaPMTFp ( (二二) )扭矩因數(shù)計算扭矩因數(shù)計算 sinsinrbaPMTFp bLkrrkLb2)cos(2cos022221 )(3600 ( (三三) )懸點位移與曲柄轉角的關系懸點位移與曲柄轉角的關系扭矩曲線扭矩曲線抽油機運動規(guī)律抽油機運動規(guī)律實測示功圖實測示功圖懸點載荷與曲懸點載荷與曲柄轉角的關系柄轉角的關系扭矩因數(shù)與曲扭矩因數(shù)與曲柄轉角的關系柄轉角的關系沖程百分數(shù)：沖程百分數(shù)：tbbPR 驢頭在下死點位置時的驢頭在下死點位置時的 角角驢頭在上死點位置時的驢頭在上死點位置時的 角角隨隨角而變的角而變的b b和和K K之間的夾角之間的夾角

48、bt圖圖3-18 3-18 濮濮1-31-3井扭矩曲線井扭矩曲線1.1.凈扭矩；凈扭矩；2.2.油井負荷扭矩；油井負荷扭矩；3.3.曲柄平衡扭矩曲柄平衡扭矩只要對各種抽油機預先計算出每種沖程下的扭矩因數(shù) ，就可以很容易利用實測懸點載荷(示功圖)由公式計算曲柄軸扭矩。TF表示曲柄及其平衡重在曲柄軸上造成的扭矩Mc ，稱曲柄平衡扭矩： sinrWMcc sin)(cccbRWRW 曲柄軸上的凈扭矩M為懸點載荷P造成的扭矩Mp與曲柄平衡重造成的扭矩Mc之差，即：cpMMM sinmaxcMPTF 平衡條件：平衡條件：maxmaxduMM ( (四四) )扭矩曲線的應用扭矩曲線的應用1.1.檢查是否超

49、扭矩及判斷是否發(fā)生檢查是否超扭矩及判斷是否發(fā)生“背面沖突背面沖突”2.2.判斷及計算平衡判斷及計算平衡3.3.功率分析功率分析4.4.效率分析效率分析電機、皮帶傳動、減速箱的效率分析。電機、皮帶傳動、減速箱的效率分析。電動機輸入的平均功率：電動機輸入的平均功率：mmomiNN 電動機輸出的平均功率：電動機輸出的平均功率：cyjrmoNN 減速箱的平均輸出功率：減速箱的平均輸出功率： 202021)(21dMdNNr減速箱輸出的瞬時功率減速箱輸出的瞬時功率: : )()(MN 抽油過程中曲柄抽油過程中曲柄軸上出現(xiàn)負扭矩軸上出現(xiàn)負扭矩現(xiàn)象時，減速箱現(xiàn)象時，減速箱的主動輪變?yōu)閺牡闹鲃虞喿優(yōu)閺膭虞喌默F(xiàn)

50、象。動輪的現(xiàn)象。 抽油機平衡是為了使電動機的負載盡可能地達到均勻。如前所述，在抽油設計中，一般都是以上、下沖程中電動機做的功相等作為平衡標準來計算平衡。在檢驗平衡和進行調整平衡的計算時，通常是以上、下沖程高峰扭矩相等為標準，即： 如果 ，則上重下輕，說明平衡不夠，需要增大平衡扭矩；反之，則說明平衡過重，需要減小平衡扭矩。復合平衡和曲柄平衡抽油機，通常采用改變平衡半徑R的方法來調節(jié)平衡扭矩。只有在調整R還不能滿足要求的情況下，才改變平衡重塊數(shù)。maxmaxduMM maxmaxduMM平衡分析 對上、下沖程高峰扭矩不等的抽油井，為使其達到平衡，首先要計算需要的曲柄最大平衡扭矩：dubddbuuc

51、wacBPTFwacBPTFM sinsin)()(max ud、上、下沖程高峰扭矩所對應的曲柄轉角； uPu Pu、Pd與u、d對應的懸點載荷； 與u、d對應的扭矩因數(shù)；uTFdTF相應的平衡半徑為：cbcccWRWMR maxR)sin(sinmaxmaxducbduWMMR 可根據(jù)上、下沖程中扭矩曲線峰值差來計算平衡半徑的調整值R 為正時，將平衡塊位置向外移動；為負時，則向內移動。 對實際油井調整平衡前后的扭矩曲線的統(tǒng)計分析結果表明：只要 ，抽油機就能保持良好的平衡狀況， 8 . 0 大大小小MM( (五五) )最大扭矩計算公式最大扭矩計算公式1.1.根據(jù)扭矩曲線計算最大扭矩根據(jù)扭矩曲線

52、計算最大扭矩11未平衡未平衡 22平衡良好平衡良好)(4)(2minmaxmaxmaxPPSCPSMeI 2.2.計算最大扭矩的近似公式計算最大扭矩的近似公式(1) (1) 抽油機懸點運動簡化為簡諧運動抽油機懸點運動簡化為簡諧運動(2) (2) 忽略抽油機系統(tǒng)的慣性和游梁擺角的影響忽略抽油機系統(tǒng)的慣性和游梁擺角的影響(3) (3) 最大峰值扭矩發(fā)生在曲柄轉角為最大峰值扭矩發(fā)生在曲柄轉角為9090 時時簡化條件：簡化條件：在平衡條件下：在平衡條件下：2)(minmaxPPCe rRWRWabWacBCcccbbe/ )( 有效平衡值有效平衡值 ：抽油機結構不平衡重及平衡重在懸點產(chǎn)生抽油機結構不平衡重及平衡重在懸點產(chǎn)生的平衡力。它表示了被實際平衡掉的懸點載荷值。的平衡力。它表示了被實際平衡掉的懸點載荷值。eC3.3.計算最大扭矩的經(jīng)驗公式計算最大扭矩的經(jīng)驗公式蘇聯(lián)拉瑪扎諾夫于蘇聯(lián)拉瑪扎諾夫于19571957年提出：年提出：根據(jù)國內油井扭矩曲線的峰值建立的經(jīng)驗公式：根據(jù)國內油井扭矩曲線的峰值建立的經(jīng)驗公式：)(236. 0300minmaxmaxPPSSMII)(202. 01800minmaxmaxPPSSMIII三、電動