采油工程第3章有桿泵采油(1-1)

第三章常規(guī)有桿泵采油

抽油裝置及泵的工作原理抽油機懸點運動規(guī)律及懸點載荷抽油機平衡、扭矩及功率計算泵效計算有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計有桿抽油系統(tǒng)工況分析附錄AAPIRP11L有桿泵采油典型特點：

地面能量通過抽油桿、抽油泵傳遞給井下流體。(1)

常規(guī)有桿泵采油：抽油機懸點的往復(fù)運動通過抽油桿傳遞給井下柱塞泵。(2)

地面驅(qū)動螺桿泵采油：井口驅(qū)動頭的旋轉(zhuǎn)運動通過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最廣泛應(yīng)用的采油方式，大約有80%以上的油井采油采用該舉升方式。第三章常規(guī)有桿泵采油第一節(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)備組成三抽設(shè)備一、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

三抽設(shè)備第一節(jié)抽油裝置及泵的工作原理

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，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游梁式抽油機分類

后置式和前置式一、抽油裝置游梁連桿曲柄機構(gòu)減速箱動力設(shè)備輔助裝置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。

后置式抽油機結(jié)構(gòu)簡圖

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。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)能加大沖程一、抽油裝置抽油機常規(guī)型游梁式抽油機異型游梁式抽油機旋轉(zhuǎn)驢頭游梁式抽油機調(diào)徑變矩游梁式抽油機鏈條式抽油機皮帶式抽油機抽油機鏈傳式抽油機天輪式抽油機直線往復(fù)式抽油機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：氣動平衡一、抽油裝置(2)抽油泵：機械能轉(zhuǎn)化為流體壓能的設(shè)備工作筒(外筒和襯套)、柱塞及游動閥(排出閥)和固定閥(吸入閥)按照抽油泵在油管中的固定方式可分為：管式泵和桿式泵主要組成：分類：按照抽油泵性能特點可分為：常規(guī)泵、防砂泵、防氣泵、抽稠泵等等工作筒(外筒和襯套)柱塞固定閥(吸入閥)游動閥(排出閥)一、抽油裝置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。一、抽油裝置(3)抽油桿：

能量傳遞工具。1-外螺紋接頭；2-卸荷槽；3-推承面臺肩；4-扳手方徑；5-凸緣；6-圓弧過渡區(qū)一、抽油裝置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，另外，為了調(diào)節(jié)抽油桿柱的長度，還有長度不等的抽油桿短節(jié)。接箍是抽油桿組合成抽油桿柱時的連接零件。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，減少對油管的磨損。扶正器抽油桿的強度：C級桿(570MPa)、D級桿(810MPa)……一、抽油裝置超高強度抽油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一、抽油裝置二、泵的工作原理(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)液柱壓力和自重作用而關(guān)閉。泵吸入的條件：泵內(nèi)壓力(吸入壓力)低于沉沒壓力。（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。上沖程（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(排出壓力)高于柱塞以上的液柱壓力。

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。光桿沖程：光桿從上死點到下死點的距離。

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、泵的工作原理下沖程（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都等于柱塞讓出的體積：每分鐘的排量為：每日排量:泵的理論排量沖次：一分鐘的時間內(nèi)抽油泵吸入與排出的周期數(shù)。二、泵的工作原理第二節(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(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

抽油機四連桿機構(gòu)簡圖

游梁和連桿的連接點B的運動可看做簡諧運動，即認為B點的運動規(guī)律和D點做圓運動時在垂直中心線上的投影(C點)的運動規(guī)律相同。則B點經(jīng)過t時間(曲柄轉(zhuǎn)角φ)時位移為：

抽油機四連桿機構(gòu)簡圖

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：A點的加速度為:A點的速度為:簡諧運動時懸點位移、速度、加速度曲線一、抽油機懸點運動規(guī)律(二)簡化為曲柄滑塊機構(gòu)時懸點運動規(guī)律假設(shè)條件：0<r/l<1/4

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。

曲柄滑塊機構(gòu)簡圖A點加速度:A點位移：A點速度:一、抽油機懸點運動規(guī)律思考題1：試推導(dǎo)簡化為曲柄滑塊機構(gòu)時懸點位移計算模型。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)計算一、抽油機懸點運動規(guī)律0.6280.404-0.6281.052CYJQ10-5.0-53HY0.4040.313-0.4040.858YCYJ14-5-73HB0.2930.293-0.2100.586CYJ12-5-73HB1.4811.481-1.4810.720600型最大加速度m/s2下沖程末最大加速度m/s2下沖程初最大加速度m/s2最大速度m/s抽油機型號

四種不同類型抽油機在沖程5m、沖次4次/min時懸點最大速度與加速度

不同抽油機懸點運動規(guī)律對比分析一、抽油機懸點運動規(guī)律二、抽油機懸點載荷計算(一)懸點所承受的載荷靜載荷動載荷懸點載荷：光桿載荷、懸繩器處的載荷、驢頭上所受到的力。PcPt上沖程地層動液面⑧液柱的慣性力和振動力靜載荷動載荷⑦桿柱慣性力和振動力①③④⑥①抽油桿柱重力②抽油桿柱下端面承受的液體作用力②④泵柱塞與襯套間的摩擦力⑤桿管摩擦力⑥管液摩擦力③多級抽油桿柱接合處承受的液體作用力(一)懸點所承受的載荷下沖程PcPt地層動液面靜載荷動載荷⑧抽油桿柱慣性力和振動力②③④⑤⑥①抽油桿柱重力④泵柱塞與襯套間的摩擦力②抽油桿柱下端面承受液體壓強所產(chǎn)生的力③多級抽油桿柱接合處承受液體壓強所產(chǎn)生的力⑤流體通過游動閥孔所產(chǎn)生的力⑦桿管摩擦力(一)懸點所承受的載荷⑥桿液摩擦力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。(一)懸點所承受的載荷抽油桿柱的慣性力：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。(一)懸點所承受的載荷上沖程下沖程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：(一)懸點所承受的載荷振動載荷：

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)(一)懸點所承受的載荷(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，其值為：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的過程。抽油桿柱做變速運動所產(chǎn)生的慣性載荷動載荷忽略液柱對抽油桿柱動載荷的影響(二)懸點最大和最小載荷抽油桿和油管彈性伸縮示意圖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(二)懸點最大和最小載荷

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：②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(zhì)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(jié)構(gòu)。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：

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(nèi)產(chǎn)生附加的動載荷。為了使問題簡化，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速度運動而產(chǎn)生的慣性載荷。(二)懸點最大和最小載荷在x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L上的總慣性力：(二)懸點最大和最小載荷③懸點最大載荷

初變形期后，懸點載荷P是抽油桿柱載荷、液柱載荷、及振動、慣性載荷疊加而成，即:t0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,則得到計算懸點最大載荷的公式：(二)懸點最大和最小載荷a.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：b.油管下端未固定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點運動速度，并且：油管下端未固定時懸點最大載荷為：(二)懸點最大和最小載荷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(二)懸點最大和最小載荷第三節(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，造成電動機在上、下沖程中所做的功不相等。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

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的正功。

所以，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：一、抽油機平衡計算(二)平衡方式氣動平衡機械平衡游梁平衡：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。(1)氣包內(nèi)的氣體壓縮與膨脹(2)多用于大型抽油機；(3)節(jié)約鋼材；(4)改善抽油機受力狀況；(5)加工質(zhì)量要求高(如氣包的密封性等)。一、抽油機平衡計算(三)平衡計算1)復(fù)合平衡平衡半徑公式:一、抽油機平衡計算復(fù)合平衡2)曲柄平衡平衡半徑公式：曲柄平衡一、抽油機平衡計算3)游梁平衡達到平衡所需要的游梁平衡塊重: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。一、抽油機平衡計算抽油機結(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。(方向向下為正)抽油機幾何尺寸與曲銷受力圖二、曲柄軸扭矩計算及分析(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，即：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)式思考題2：上述公式的推導(dǎo)。根據(jù)O’處的力矩平衡計算簡化條件：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: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。不同平衡方式的抽油機扭矩簡化計算相關(guān)式二、曲柄軸扭矩計算及分析復(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簡化計算相關(guān)式二、曲柄軸扭矩計算及分析(二)扭矩因數(shù)計算

抽油機幾何尺寸與曲銷受力圖二、曲柄軸扭矩計算及分析(三)懸點位移與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系扭矩曲線—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.曲柄平衡扭矩二、曲柄軸扭矩計算及分析“背面沖突”：抽油過程中曲柄軸上出現(xiàn)負扭矩現(xiàn)象時，減速箱的主動輪變?yōu)閺膭虞喌默F(xiàn)象。(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.判斷及計算平衡平衡條件：3.功率分析減速箱輸出的瞬時功率:減速箱的平均輸出功率：電動機輸出的平均功率：電動機輸入的平均功率：4.效率分析電機、皮帶傳動、減速箱的效率分析。二、曲柄軸扭矩計算及分析(五)最大扭矩計算公式2.計算最大扭矩的近似公式(1)抽油機懸點運動簡化為簡諧運動(2)忽略抽油機系統(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時簡化條件：1.根據(jù)扭矩曲線計算最大扭矩二、曲柄軸扭矩計算及分析有效平衡值：抽油機結(jié)構(gòu)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。在平衡條件下：二、曲柄軸扭矩計算及分析3.計算最大扭矩的經(jīng)驗公式蘇聯(lián)拉瑪扎諾夫于1957年提出：根據(jù)國內(nèi)