游梁式抽油机井抽油装置系统设计及应用

1、哈尔滨石油学院本科毕业课程设计11级石油一班谢晓岳目 录第1章 前言11.1 设计的目的及意义11.2 目前国内外发展趋势11.2.1 国外抽油机生产概况21.2.2 国内抽油机生产概况31.2.3 抽油机发展趋势31.3 设计的主要内容4第2章 抽油泵的选择42.1 油井产量计算52.1.1 单相液体渗流时的流入动态52.1.2 油气两相渗流时的流入状态62.1.3 组合型流入动态72.1.4 油、气、水三相流入动态82.2 冲程及冲次的确定92.3 泵径的计算92.4 泵型的确定102.5 活塞和衬套的配合间隙的确定11第3章 抽油杆的选择113.1抽油杆柱使用长度确定113.2 悬点载荷

2、的计算123.2.1 悬点承受的载荷123.2.2 悬点的最大和最小载荷163.3 抽油杆强度的确定173.4 抽油杆组合的确定组合18第4章 抽油机的选择194.1 抽油机的作用及选择原则194.2 减速箱作用及计算校核减速箱扭矩194.2.1 减速箱的作用194.2.2 计算校正减速箱扭矩204.3 电动机的作用及计算出电动机的功率21第5章 实例分析22=参考文献2427第1章 前言1.1 设计的目的及意义油田开发是一项庞大而复杂的系统工程，必须编制油田开发总体建设方案油田开发工作的指导性文件。采油工程设计更是总体方案的重要组成部分和方案实施的核心，而游梁式抽油机的设计抽油装置系统设计更

3、是采油课程设计的重中之重。该课程为石油工程专业采油模块学生必修课，它是石油工程专业主干课采油工程的扩展和补充。石油工程学生在学完专业基础课和专业课之后，为加深学生对采油工程深入了解，训练学生系统，全面和综合应用采油工程技术方法和设计能力，开设本课程。目的是为了学生综合应用能力打下基础，培养学生毕业后能更快的适应和应用采油工程理论和技术方法解决采油工程问题。有杆泵采油包括游梁式有杆泵采油和地面驱动螺杆泵采油两种方法。其中游梁式有杆泵采油方法以结构简单、适应性强和寿命长等特点，成为目前最主要的采油方法。抽油机是有杆泵抽油的主要地面设备，按是否有梁，可将其分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。游梁式抽油

4、机是通过游梁与曲柄连杆机构将曲柄的圆周运动转变为驴头的上、下摆动。依据详探成果和必要的生产试验资料，在综合研究的基础上对具有工业价值的油田，按石油市场的需求，从油田的实际情况和生产规律出发，提高最终采收率。近些年来，为了满足采油工艺对长冲程、低冲次抽油机的需要，国内近年来研制出多种新型游梁式与无游梁式长冲程、低冲次、节能抽油机。游梁式抽油机的设计受到了抽油机设计工作者的重视，并取得了明显的经济效益，游梁式抽油机的最基本特点是结构简单，制造容易，维修方便，特别是它可以长期在油田全天运转，使用可靠。因此尽管它存在驴头悬点运动的加速度大，平衡效果差，效率低，在长冲程时体积较大和笨重的特点，但依旧是目

5、前应用最广泛的抽油机。1.2 目前国内外发展趋势随着油田的开发，抽油机的投入量日益增加。发展高效、节能、可靠性高的抽油机是石油机械装备工业的当务之急，也是生产厂家始终追求的目标。国外在抽油机的开发上投入精力比较多，研究的时间也比较早。除大量开发生产游梁式抽油机外，一些科研和制造公司正在研制和推出各种非传统型号的抽油机。1.2.1 国外抽油机生产概况目前，世界各国仍然大面积的应用游梁式抽油机，美国生产游梁式抽油机的厂家有十几家，品种、型号繁多，此外，英国、法国、前苏联、罗马尼亚等国均有生产多种抽油机的厂家。美国API Spec11E抽油机规范中规定，抽油机共有77种规格，悬点最大载荷为9214

6、kN，冲程长度0.47.6 m。Lufkin公司是美国生产抽油机最早和最大的公司，在1923年生产了美国第一台游梁抽油机，1931年率先研制了两块平衡重的曲柄平衡抽油机，1959年研制了前置式抽油机，也是最早生产前置式气平衡抽油机的一家公司。目前，Lufkin公司生产B、C、M、A等4种系列抽油机，B系列游梁平衡抽油机有8种规格，悬点最大载荷2449.4 kN，冲程长度0.61.21 m。C系列曲柄平衡抽油机有64种规格，悬点最大载荷24165.5 kN，冲程长度0.764.2 m。M系列前置式抽油机有46种规格，悬点最大载荷64.86193.68 kN，冲程长度1.625.68 m。A系列前

7、置式气平衡抽油机有26种规格，悬点最大载荷78.47213.1 kN，冲程长度1.626.09 m。 俄罗斯生产13种规格游梁抽油机，悬点最大载荷20200 kN，冲程长度0.66 m。还生产20种规格曲柄摇臂式抽油机，悬点最大载荷10200 kN，冲程长度0.46 m。还生产06M型、液压驱动型、平衡液缸型等无游梁抽油机，悬点最大载荷150 kN，最大冲程长度10 m。法国Mape公司生产了12种规格曲柄平衡游梁抽油机，悬点最大载荷160 kN，最大冲程长度4.2 m。还生产H系列长冲程液压驱动抽油机，悬点最大载荷199 kN，最大冲程长度10 m，最大冲次5 min-1。此外，Mape公司

8、还生产立式斜井抽油机和液缸型抽油机，两种抽油机均已形成系列。加拿大生产的液、电、气组合一体式HEP抽油机，悬点最大载荷72103.9 kN，冲程长度1.634.27 m，具有较好的使用性能。罗马尼亚按美国API标准生产了51种规格游梁抽油机，悬点最大载荷194 kN，最大冲程长度4.8 m。还生产35种规格前置式抽油机，悬点最大载荷194 kN，最大冲程长度5.4 m，配用7种规格减速器，最大扭矩105.1 kN·m。此外，罗马尼亚还生产前置式气平衡抽油机，悬点最大载荷152 kN，最大冲程长度4.2 m。目前，世界上抽油机最大下泵深度为4530 m，在美国Reno油田的一口抽油井上

9、使用。俄罗斯抽油机最大下泵深度为4000 m。目前，世界上寿命最长的抽油机是美国Lufkin公司生产的，该公司生产的抽油机寿命一般均在15年以上，其中1台配有2英寸(63.5 mm)蜗轮减速器的小型抽油机，自1921年安装使用以来，到1993年为止已经连续运转了72年，累计运转时间达450000 h，创造了历史上抽油机寿命最高纪录。目前，全世界生产抽油装置的公司有300多家，其中生产抽油机的公司有150多家。美国抽油机品种规格齐全，技术水平先进，质量较好和较稳定，应用范围较广泛10,11。1.2.2 国内抽油机生产概况国内抽油机制造厂有数十家，产品类型已多样化，但游梁式抽油机仍处于主导地位。根

10、据公开发表的资料统计，我国现有6大类共45种新型抽油机，并且每年约有30种新型抽油机专利，十多种新试制抽油机，已形成了系列，基本满足了陆地油田开采的需要12。各种新型节能游梁式抽油机，如双驴头式抽油机、六连杆抽油机、前置型游梁式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、下偏杠铃系列节能抽油机和用窄V形带传动的常规抽油机等均已在全国各个油田推广应用，并取得了显著的经济效益。长冲程、低冲次的无游梁式抽油机的研制也取得了一些进展，如由胜利油田研制的无游梁链条抽油机，经过国内十几个油田稠油及丛式井的推广使用，在低冲次抽油和抽稠油方面已初见成效。此外，桁架结构的滑轮组增距式抽油机、链条滚筒式抽油机

11、已在某些油田进行了工业试验；齿轮增距式长冲程抽油机的研制工作也取得了新的进展；质量轻、成本低、便于调速和调整冲程的液压抽油机经过几年的研制和工业性试采油，也积累了一定的经验。其它形式新颖的抽油机如数控抽油机、连续抽油杆抽油机、车载抽油机、磨擦式抽油机、六连杆游梁式抽油机和斜直井抽油机、直线电机抽油机等也正处于不断改造和试生产过程中1319。另外，根据市场供求信息，2007年，大庆油田装备制造集团研制成功新型抽油机DCYJY-3-53HB抽油机。同时为满足大庆油田建设需要，这个集团还开展了DCYJY10-3-37HB和DCYJY-2.5-26HB低冲次抽油机的系列研发工作，并计划系列开发双驴头低

12、冲次抽油机。1.2.3 抽油机发展趋势在市场经济条件下，油田开发必须以经济效益为中心。因此，依靠技术，节能降耗，挖潜增效将是油田开发永恒的主题，也是抽油机发展的方向。通过对我国现有45种新型抽油机的分析研究，可以看出我国抽油机全面系统真实的发展趋向，主要体现在以下16个方面2023：(1)向多品种方向发展；(2)科研设计与制造向多方位方向发展；(3)理论与科研向高水平方向发展；(4)向高适应性发展；(5)向高效节能方向发展；(6)向高综合经济效益方向发展；(7)向尽量满足采油工艺需要方向发展；(8)向高技术方向发展；(9)向高可靠性方向发展；(10)向高性能方向发展；(11)向大型化方向发展；

13、(12)向增大冲程方向发展；(13)向长冲程无游梁抽油机方向发展；(14)向精确平衡方向发展；(15)液压抽油机向功能回收型方向发展；(16)向标准化、系列化、通用化方向发展。1.3 设计的主要内容1. 抽油泵的选择（1） 油井产能的选择（2） 冲程及冲次的选择（3） 泵径的计算（4） 泵型的确定（5） 活塞和衬套配合间隙的确定2. 抽油杆的选择（1） 抽油杆长度的确定（2） 悬点载荷的计算（3） 抽油杆强度的确定（4） 抽油杆组合的确定3. 抽油机的选择（1） 抽油机选择原则（2） 计算并校核减速箱扭矩（3） 计算出电动机功率并选电机第2章 抽油泵的选择抽油泵的选择包括泵径、泵的类型及配合间

14、隙的选择。泵径是根据前面确定的冲程s、冲次n、陪产方案给出的设计排量Q以及统计给出的泵效，由计算得出。泵型取决于油井条件：井深小于1000m，含砂量小于0.2%，油井结蜡较严重或油较稠，应采用管式泵；产量较小的中深井或深井，可采用杆式泵。活塞和衬套的配合间隙，要根据原油粘度、井温及含砂量等资料来选择。2.1 油井产量计算2.1.1 单相液体渗流时的流入动态（1）符合线性渗流时的流入动态单相液体渗流时的流入动态根据达西定律，定压边界圆形油层中心一口井及圆形封闭地层中心一口井的产量分别为 （2-1） （2-2）式中 -油井产量（地面），； -油层的有效渗透率，； -油层有效厚度，； -地层油的粘度

15、，； -原油体积系数； -供给边缘压力，； -井底流动压力，； -油井供油（泄油）半径，； -井底半径，； -表皮系数，与油井完善程度有关。在非圆形封闭泄油面积的情况下，其产量公式可根据泄油面积形状和油井位置进行校正，即令公式中的，其中值按泄油面积形状和井的位置查表2-2求得。实际生产中，油井的平均地层压力有时比供给边界压力易求得因此（2-1）和式（2-2）也可写成 （2-3） （2-4）单相液体渗流条件下，油层及流体物性基本不随压力变化，于是，上述产量公式又可写成 （2-5）也称为油井的流动方程。其中 或Jo称为采油指数。（2） 符合非线性渗流时的流入动态当油井产量很高时，在井底附近将不再符

16、合线性渗流，而呈现高速非线性渗流。根据渗流力学中非线性渗流二项式，油井产量与生产压差之间的关系可表示为 （2-6）变形得 （2-7）式中 A，B-与油层及流体物性等有关的系数。因此，在系统试井时，如果单相液流呈非线性渗流，可由试井资料绘制与的关系曲线，该关系曲线为一直线，直线的斜率为B，截距为A。求得A,B后，便可利用原式预测非达西渗流范围内的油井流入动态。2.1.2 油气两相渗流时的流入状态（1）沃格尔方程油气两相渗流时的流入状当地层压力低于饱和压力时，油藏的驱动类型为溶解气驱，此时整个油藏均处于气液两相流动 （2-8）实际油井的完善程度可用流动效率FE来表示，即 （2-9）式中 理想完善井

17、的流压； 同一产量实际非完善井的流压； 非完善井表皮附加压力降。由于油井的污染半径及污染区的渗透率一般难以确定，所以无法用公式直接求表皮系数S及。通常用压力恢复曲线求出S和后，可由下式计算完善井的流压，即 （2-10）完善井S=0，FE=1；非完善井S>0，FE<1；超完善井S<0，FE>1。（2） 斯坦丁方程斯坦丁给出0.5FE1.5范围内的量纲一的流入动态曲线 （2-11） （2-12）（3）哈里森方程哈里森提供了1FE2.5范围内的量纲一的IPR曲线。该曲线可用来计算高流动效率井的IPR曲线和预测低流压下的产量。因哈里森未提供相应的方程，所以只能用查图法计算。2.

18、1.3 组合型流入动态 （1）完善井的组合型IPR曲线当油藏压力高于饱和压力Pb，而流压Pwf低于饱和压力时，油藏中将同时存在单相油流与油、气两相流动。在单相油流区域流入动态曲线为一直线；在油、气两相流动区域流入动态曲线可用沃格尔方程描述；在饱和压力点处，由于压力、流量连续，所以流入动态曲线也应该连续。单相原油流动部分。当PwfPb时，油藏中全部为单相液体流动，此时流入动态可表示为 （2-13）单相液流采油指数 （2-14）流压等于饱和压力时的产量为 油、气两相流动部分。当Pwf<Pb时，油藏中出现油、气两相流动，IPR曲线由直线变成曲线。如果用Pb及代替沃格尔方程中的及qomax，则可

19、用沃格尔方程来描述Pwf<Pb时的流入动态，即 （2-15）分别对式（2-13）和式（2-15）求导，并注意到在点，IPR曲线为光滑曲线，左右导数应相等，则得 （2-16）将代入式（1-3）得 （2-17） 当油井在流压低于饱和压下生产时，有层中为气液两相流动，因此仅用上述的单相流采油指数来分析油井的生产能力是不够的。如果用两相流状态（流压低于饱和压力）下采油指数分析其产油能力、进行油井之间的生产能力的比较将更加具有实际意义。两相流动状态下的采油指数可定义为增大生产压差时的产量增加值，其值等于流入动态曲线上某一点斜率的负倒数，即式中 油、气两相流条件（Pwf<Pb）下的采油指数。上

20、式可以看出，两相渗流条件下采油指数与井底流压有关，即流入动态曲线上个点的采油指数是不同的，采油指数随压流降低而减小。2.1.4 油、气、水三相流入动态沃格尔建立的IPR曲线末考虑含水情况，而就大多数注水开发油田而言，随着采出情况的增加，油井早晚要见水，如果流压低于饱和压力，就会出现油气水三相渗流。佩特布拉斯根据油流的沃格尔方程和水油的定生产指数，从几何的角导出油气水三相渗流时的IPR曲线及计算公式 式中 qomax井底流压为零时的最大产油量； qimax井底流压为零时的最大产液量； fw含水率 J采油指数测试时，如果Pwftest<Pb时，则如果Ptext>Pb时，则2.2 冲程及

21、冲次的确定发动机的活塞从一个极限位置到另一个极限位置做的功。冲程的长度对引擎的活塞速度有直接的关系，冲程变大后活塞速度也会随之增加，机械损耗也就越大，这将直接限制了引擎的最高转速。活塞运动均速公式为：冲程*2 / 转速。一般引擎的活塞均速不会超过20m/s，无论引擎排气量大小或者运作转速范围。活塞速度越快对于引擎寿命也越不利。冲次指在抽油机井中，抽油杆每分钟上下往复运动的次数。现在油田上用的抽油机，冲次都在4以上。产量高的油井，喜欢冲次高的抽油机。因为产液量大，冲次跟不上趟，就是“小马拉大车”，影响产量。但是低产井的抽油机如果冲次降不下来，属“大马拉小车”，常常会出现空抽现

22、象，抽油机的效率就会降低。冲程和冲次是确定抽油泵直径、计算悬点载荷的前提，选择时应遵守下述原则： 1）一般情况下应采用大冲程、小泵径的工作方式，这样既可以减小气体对泵效的影响，也可以降低液柱载荷，从而减小冲程损失。 2）对于原油比较稠的井，一般是选用大泵径、大冲程和低冲次的工作方式。 3）对于连抽带喷的井，则选用高冲次快速抽汲，以增强诱喷作用。 4）深井抽汲时，要充分注意振动载荷影响的s和n配合不利区。5）所选择的冲程和冲次应属于抽油机提供的选择范围之内。2.3 泵径的计算抽油泵是由抽油机带动把井内原油举升到地面的常用井下装置。普通抽油泵主要由泵筒、吸入阀、活塞、排除阀四大部分组成。按照抽油泵

23、在井下的固定方式，可分为管式泵和杆式泵。管式泵又称油管泵，特点是把外筒、衬套和吸入阀在地面组装好并接在杆式抽油泵油管下部先下入井中，然后把装有排出阀的活塞用抽油杆通过油管下入泵中。 衬套由材料加工成若干节，衬入外筒内部。活塞是用无缝钢管制成的中空圆柱体，外表面光滑带有环状沟槽，作用是让进入活塞与衬套间隙的砂粒聚集在沟槽内，防止砂粒磨损活塞与衬套，并且沟槽中存的油起润滑活塞表面的作用。检泵起泵时为泄掉油管中的油，可采用可打捞的吸入阀（固定阀），通过下放杆柱，让活塞下端的卡扣咬住吸入阀的打捞头，把吸入阀提出。但是这种泵由于吸入阀打捞头占据泵内空间，使泵的防冲距和余隙容积大，容易受气体的影

24、响而降低泵效。目前大多数下入管式泵的井，是在油管下部安装泄油器，通过打开泄油器卸掉油管中的油。在下入大泵的井中，由于活塞直径大于油管内径，不能通过油管下入活塞，采用的方法是先把活塞随油管下入井中，后下入抽油杆柱，利用一个称为脱节器的装置与泵中活塞对接。管式泵结构简单，成本低，在相同油管直径下允许下入的泵径较杆式泵大，因而排量大。但检泵时必须起下油管，修井工作量大，故适用于下泵深度不大，产量较高的井。杆式泵杆式抽油泵又称为插入泵，其中定筒式顶部固定杆式泵特点是有内外两 杆式抽油泵个工作筒，外工作筒上端装有椎体座及卡簧（卡簧的位置为下泵深度），下泵时把外工作筒随油管先下入井中，然后装有衬

25、套、活塞的内工作筒接在抽油杆的下端下入到外工作筒中并由卡簧固定。另外还有固定点在泵筒底部的定筒式底部固定杆式泵，以及将活塞固定在底部，由抽油杆带动泵筒上下往复运动的动筒式底部固定杆式泵。检泵时不需要起出油管，而是通过抽油杆把内工作筒拔出。杆式泵检泵方便，但结构复杂，制造成本高，在相同的油管直径下允许下入的泵径教管式泵要小，适用于下泵深度较大，产量较小的油井。目前常规抽油泵存在金属活塞和衬套加工要求高，制造不方便，且易磨损的缺点。泵的工作原理是在泵工作时过程中，活塞是主动件，作用是通过改变泵内的压力。泵阀是从动件，仅当满足阀球下方的压力大于其上方压力时才打开，让液体通过阀座孔向上流，否则阀关闭阻

26、止液体向下流。上冲程抽油杆带着活塞向上运动，活塞上的游动阀受阀球自重和管内压力作用关闭。泵内（活塞下方）容积增大压力降低，固定阀在环形空间液柱压力（沉没压力）与泵内压力差的作用下被打开，原油进泵，同时井口排出液体。 下冲程抽油杆带着活塞向下运动，固定阀关闭，活塞挤压泵中液体使泵内压力升高到高于活塞上方压力时，游动阀被顶开，泵中液体排到活塞上方的油管中同时由于光杆进入井筒，在井口挤出相当于光杆体积的液体。泵径pd是根据前面确定的冲程s、冲次n、陪产方案给出的设计排量Q以及统计给出的泵效，由计算得出。2.4 泵型的确定 泵型取决于油井条件：井深小于1000m，含砂量小于0.2%，油井结蜡

27、较严重或油较稠，应采用管式泵；产量较小的中深井或深井，可采用杆式泵。2.5 活塞和衬套的配合间隙的确定活塞和衬套的配合间隙，要根据原油粘度、井温及含沙量等资料来选择。参考表（2-1）表2-1配合等级配合尺寸，mm适用条件一级二级三级0.020.070.070.120.120.17下泵深度大、含砂少、粘度较低的油井含砂不多的油井含砂多、粘度高的浅井第3章 抽油杆的选择3.1抽油杆柱使用长度确定抽油杆是抽油机井的细长杆件，它上接光杆，下接抽油泵起传递动力的作用。 抽油杆单根长度为7.6或8米,材质一般是高碳钢表面镀硬铬,在油管内用内螺纹箍一根根连接起来一直延伸到地下油层处的活塞上,通过往复运动来泵

28、油。目前的油井长度一般在两千米左右,以胜利油田为例,最深的以达三千余米。选择合适的抽油杆是十分重要的。我国生产的抽油杆从级别上分有C、D、K三种级别。C级抽油杆用于轻、中型负荷的抽油机井；D级抽油杆用于中、重负荷的抽油机井；K级抽油杆用于轻、中负荷有腐蚀性的抽油机井。大庆油田使用的抽油杆为C级和D级抽油杆。由于各个抽油杆生产厂家采取的加工工艺不一，使用的加工材料不一，抽油杆的机械性能也各不相同。一般由下边公式计算得出 (3-1)式中 LP下泵深度，m； H油层中部深度，m； Pwf流压，MPa； PS沉没压力。MPa； g重力加速度，； 井液密度， (3-2)式中 泵充满系数； Rp经泵生产气

29、油比； 含水率； 标准状况压力，； t泵的温度，K。3.2 悬点载荷的计算抽油机在工作时悬点所承受的载荷，是进行抽游设备选择及工作状况分析的重要的依据。因此，在进行抽油设备选择之前，必须掌握抽油机悬点载荷的计算的计算方法。3.2.1 悬点承受的载荷 抽油机在正常工作时，悬点所承受的载荷根据其性质可分为静载荷、动载荷以及其它载荷。静载荷通常是指抽油杆柱和液柱所承受的重量以及液柱对抽油杆的浮力所产生的悬点载荷；动载荷是指抽油杆柱运动时的振动惯性以及摩擦所产生的悬点载荷；其它载荷主要有沉没压力以及井口回压在悬点上形成的载荷。1、抽油杆柱的重力产生的悬点静载荷 由于抽油杆柱所受的重

30、力在上、下冲程中始终作用在悬点上，其方向向下，故增加了悬点载荷。上冲程中抽油杆柱的重力作用在悬点上的载荷为 (3-3)式中 Wr抽油杆住的重量，N； 抽油杆（钢）密度，=7850； g重力加速度，取9.807； Ar抽油杆截面面积，； L抽油杆柱长度，m下冲程中，由于抽油杆柱承受液体的浮力。方向向下，故作用在悬点上的载荷为抽油杆柱在液体中的重量，即 (3-4)式中 Wrl抽油杆柱在液体中的重力，N； 抽汲液的密度，。2. 液柱的重量产生的悬点载荷在上冲程中，液柱的重量经抽油杆住作用于悬点，其方向向下，是悬点载荷增加，其值为 (3-5)式中 Wl上冲程中由液柱的重力产生的悬点载荷，N；

31、 Ap活塞面积，。在下冲程过程中，液柱的重力作用于油管上，因而对悬点的载荷没有影响。3.振动载荷与惯性载荷抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕，这一过程称为初变形期。初变形期之后，抽油杆才带动活塞随悬点一起运动。抽油杆柱本身是一个弹性体，在周期性交变力的作用下做周期性变速运动，因而将引起抽油杆柱做周期性的弹性振动。这种振动还将产生振动冲击力，这个力作用在悬点上便形成振动载荷。同时，变速运动将产生惯性力，作用于悬点上便形成惯性载荷。数据和实践表明，液柱载荷一般都不会在活塞上(即抽油杆下端)产生明显的振动载荷，因此，在下面的讨论中忽略了液柱的振动载荷。 （1） 抽油杆住的振动引

32、起的悬点载荷 在初变形期末激发起得抽油杆柱的纵向振动，可用一段固定，一端自由的细长杆的自由纵振动微分方程来描述，即 (3-6)式中 u抽油杆柱任一截面的弹性位移； x自悬点到抽油杆柱任意截面的距离； a弹性波在抽油杆柱中的传播速度，等于抽油杆中的声速； t从初变形期末算起的时间。（2）抽油杆柱与液柱的惯性产生的悬点载荷驴头带动抽油杆柱和液柱变速运动时同时存在加速度，因而产生惯性力。如果忽略抽油杆柱和液柱的弹性影响，则可以认为抽油杆柱和液柱各点和悬点的运动规律完全一致。抽油杆柱与液柱的惯性力的大小与其质量和加速度的乘积成正比，方向则与加速度方向相反。由上述分析可知，悬点在接近上、下死点

33、加速度最大，因此，惯性载荷也在接近上、下死点时达到最大值。并且，惯性载荷在上死点附近方向向上，减小悬点载荷；在下死点附近方向向下，增加悬点载荷。  如果采用曲柄滑块机构模型来计算加速度，抽油杆柱和液柱在上、下冲程中产生的最大惯性载荷值分别为 (3-7) (3-8) (3-9) (3-10)式中 Firu，Filu抽油杆柱和液柱在上冲程中产生的最大惯性载荷，N； Fird抽油杆柱在下冲程中产生的最大惯性载荷，N； 油管过流断面扩大引起液柱加速度降低的系数； Ati油管的过流断面面积。实际上，由于抽油杆柱和液柱的弹性，抽油杆和液柱各点的运动与悬点的运动并非一致，因此，上述按悬点最大加速度

34、计算的惯性载荷将大于实际值。下面讨论考虑抽油杆柱的弹性同时考虑到弹性波在抽油杆中的传播速度时，抽油杆柱产生的惯性力。 (3-11)式中 从悬点下死点算起的上冲程时间。由式子可以看出：抽油杆柱的惯性力并不正比于加速度的瞬时值，而是正比于在时间内悬点速度的增量。当时，抽油杆柱的惯性力随而减小；当时，抽油杆柱的惯性力等于零；当时，惯性力将改变方向，并且随而增大。4.摩擦载荷 抽油机工作时，作用在悬点上的摩擦载荷由以下五部分组成。（1）抽油杆柱与油管的摩擦力（2）柱塞与衬塞的摩擦力（3）抽油杆柱与液柱之间的摩擦力 (3-12) (3-13)式中 Frl抽油杆柱与液柱之间的摩擦力，N； 井内液

35、体的动力粘度，Pa·s； m油管内径与抽油杆直径之比； dti油管内径，m； dr抽油杆直径，m； vmax抽油杆柱最大下行速度，m/s。 （4）液柱与油管之间的摩擦力液柱与油管之间的摩擦力发生在上冲程，其方向向下，故增大悬点载荷。 (3-14) （5）液体通过游动阀的摩擦力在高粘度大产量油井内，液体通过游动阀产生的阻力往往是造成抽油杆柱下部弯曲的主要原因，对悬点载荷造成不可忽略的影响。式中 hi液体通过游动阀的压头损失，m； Vl液体通过阀时的流速，m/s； g重力加速度； vp活塞运动速度，m/s； Ap活塞截面积，； Av阀孔截面积； 阀流量系数。 5.其他载荷除上述各种载荷以

36、外，还有如沉没压力和管线回压产生的载荷等都会影响到悬点载荷。沉没压力的影响只发生在上冲程，它将减小悬点载荷。液流在地面管线中得流动阻力所造成的井口回压，将对悬点产生附加载荷，其性质与油管内的作用载荷相同，即上冲程中增加悬点载荷，下冲程减少悬点载荷。因二者可以部分抵消，一般计算中常忽略。3.2.2 悬点的最大和最小载荷抽油机在上、下冲程中悬点载荷的组成是不同的。最大载荷和最小载荷的计算式分别为上冲程 (3-15)下冲程 (3-16)式中 Wmax，Wmin悬点承受的最大和最小载荷，N； Fbu，Fbd上、下冲程中井中回压造成的悬点载荷，N； Fu，Fd上、下冲程中的最大摩擦载荷，N； Fv振动载

37、荷，N； Fs上冲程中沉没压力产生的悬点载荷，N。在下泵深度及沉没度不是很大，井口回压及冲数不是很高的稀油直井内，常可以忽略Fv，Fu，Fd，Fs，Fb及Filu则最大和最小载荷可分别简化为 (3-17) (3-18)令 (3-19) (3-20)则悬点所承受的最大和最小载荷公式分别写成另一种形式，即 (3-21)式中 抽油杆柱在液柱中的重量，即抽油杆柱所受的重力与液体对其浮力之差，N； 占据整个油管流通面积的液体重量，也为上、下冲程静载荷，N； s光杆冲程，m； n冲次，。抽油杆柱在工作时的受力情况是相当复杂的，所有用来计算悬点最大载荷的公式都只能得到近似结果。除了一般计算公式外，有时还采用

38、了一些其他比较简便的公式计算。3.3 抽油杆强度的确定抽油杆的制造材料决定了抽油杆的强度及其它性能，应根据油井中的流体性质和井况来确定。不同直径的抽油杆组合，应保证各种杆径的抽油杆在工作都能够满足强度要求。下面主要介绍抽油杆强度强度的确切方法。抽油杆的强度校核是保证抽油杆安全工作的前提条件，其校核方法有计算和图表法两种。  （1）计算法抽油杆工作时承受着交变载荷，因此，抽油杆到发的最小应力到最大应力变化的非对称循环应力作用，即 (3-22) (3-23)非对称循环应力条件下的抽油杆柱强度条件为 (3-24) (3-25) (3-26)式中 分别为抽油杆柱的折算应力、循环应力的应力幅度

39、； 非对称循环疲劳极限应力，即抽油杆的许用应力，与抽油杆的材质有关。（2）图表法利用修正古德曼图的方法图中阴影区为安全区，如图所示：其条件为其中 (3-27)式中 抽油杆最大许用应力； 最小抗张强度； SF抽油杆使用系数。修正古德曼图给出的是许用应力范围，常用应力范围比来衡量抽油杆柱使用情况： (3-28)式中 应用范围比，一般要求小于100%，并且有较高的值，以提高抽油杆的利用率； 抽油机的许用应力范围和实际使用应用范围。3.4 抽油杆组合的确定组合通常人们把确定抽油杆柱组合称为抽油杆柱设计，其具体设计计算步骤为：（1）根据下泵深度及泵径，假设一液柱载荷Wlk （2）给最大和最小荷载分别赋初

40、值：；（3）给定最下级抽油杆直径drj，取计算段长度为以抽油泵为计算段的起点，其距油层中部的高度为Ho=Hp； （4）计算段上端距油层中部的高度：,则该计算段的中心距油层中部的高度为：； （5）计算该段中心Havi处的井温以及原油与混合物的粘度； （6）求该段的最大载荷增量和最小载荷增量，并进行累积： (3-29) （7）校核该段抽油油杆，如不满足强度，则将抽油杆直径增大为dr（j+1），返回步骤4）重新计算该段；如满足强度条件，则取起点H0=H1,返回步骤4）继续计算上一段，直到井口为止；（8）计算液柱载荷Wlcal，并与假设的液柱载荷WLK比较，如满足精度要求，则计算结束；否则重新假设液柱

41、载荷Wl（k+1）=（Wlk+Wlcal）/2，返回步骤2）再次计算。第4章 抽油机的选择4.1 抽油机的作用及选择原则抽油机是开采石油的机械设备，通过加压的办法使石油出井。当选择抽油机时，要使计算的悬点最大载荷小于所选用抽油机的需用载荷，同时所选择的抽油机能够提供目前确定的冲程、冲次。4.2 减速箱作用及计算校核减速箱扭矩4.2.1 减速箱的作用减速箱可称之为减速机和减速器，可分为工业用减速箱与汽用减速箱，前者可分类为蜗轮蜗杆减速箱、齿轮减速箱、蜗杆减速箱、蜗轮减速箱以及行星减速箱等，按传动级数主要分为单级、二级、多级。而后者是一般用于四轮驱动的车，这样可以避免在转弯的时候四个轮胎的转速一样

42、而导致的转弯不足和意外的发生。（1）作用减速箱的作用主要是降低电动机的输出或提高电动机的输出。另外，动力源（汽油机或柴油机）的转速一般和我们需要的转速是有差异的，输出转速都很高，为了得到我们需要的转速或转矩，需要将动力源的转速降低，减速箱能到起这样的作用。但是减速箱还有改变运动方向、实现不同转速等用途。（2）特点 1）工业用减速箱结合国际技术要求制造，具有很高的科技含量； 2）节省空间，可靠耐用，承受过载能力高，功率高；3）能耗低，性能优越，有自动限速功能； 4）振动小，噪音低，节能高，反应快； 5) 采用优质材料，钢性铸铁箱体，散热好，在轻负荷工况功率

43、消耗小；6）经过精密加工，适与各类电机配套，形成机电一体化；7）应用广泛，完全能保证并提供减速电机产品使用质量。4.2.2 计算校正减速箱扭矩1.计算扭矩的基本公式抽油机结构受力分析，根据力矩平衡可得： (4-1) (4-2) (4-3)式中 aA悬点运动加速度，； FT，Fp分别为作用在曲柄销处的切线力和连杆的拉力，N； 折算到曲柄上回旋半径r处的平衡重量，N。公式中均消去Fp，可求得复合平衡条件下的扭矩。游梁平衡抽油机，则扭矩计算公式为： (4-4)考虑抽油机本身的结构不平衡，忽略游梁摆角及游梁平衡重的惯性力矩产生的影响，则扭矩计算公式简化为 (4-5)2.计算最大扭矩公式（1）计算最大扭

44、矩的近似公式当把抽油机悬点运动简化为简谐运动，并忽略抽油机系统的惯性和游梁摆角的影响，以及认为最大峰值扭矩发生在曲柄转角为90°时，可得 (4-6)将代入上式，整理得 (4-7)（2）最大扭矩的经验公式 (4-8)在选择减速器时要使计算的最大扭矩小于所选电动机的许用功率。4.3 电动机的作用及计算出电动机的功率电动机是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。（1）电动机功率的计算选择电动机时，除了确定适合于抽油机工作特点的类型之外，还要确定适合各型抽油机工作能力的电动机容量，即功率大小。已知传动功率、冲次n、传动比i和电动机转数nm，电