第0章有杆泵采油

1、主要内容：主要内容： 抽油装置及泵的工作原理 抽油机悬点运动规律及悬点载荷 抽油机平衡、扭矩及功率计算 影响泵效因素及提高泵效措施 有杆抽油系统设计 有杆抽油系统工况分析有杆泵采油典型特点： 地面能量通过抽油杆、抽油泵传递给井下流体(1) 常规有杆泵采油：抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵。(2) 地面驱动螺杆泵采油：井口驱动头的旋转运动通过抽油杆传递给井下螺杆泵。有杆泵采油分类：常规有杆泵采油是目前我国应用最广泛的采油方式，我国机械采油井占总井数的90%以上，其中有杆泵占机采井的90%以上。全国产液量的60、产油量的75%靠有杆抽油采出。 螺杆泵是一种新型的机械采油设备。螺杆泵是

2、一种新型的机械采油设备。苏联于苏联于19731973年首先研制成功采油用井下年首先研制成功采油用井下单螺杆泵，之后，美国、加拿大、法国单螺杆泵，之后，美国、加拿大、法国等一些国家也相继研制和应用了螺杆泵等一些国家也相继研制和应用了螺杆泵采油。我国从采油。我国从19861986年开始引进和使用螺年开始引进和使用螺杆泵采油。杆泵采油。 采油螺杆泵，就其驱动方式来讲，可采油螺杆泵，就其驱动方式来讲，可分为分为地面驱动地面驱动和和井下驱动井下驱动两类。目前广两类。目前广泛应用的是地面驱动单螺杆泵。泛应用的是地面驱动单螺杆泵。采油方法采油方法螺杆泵采油螺杆泵采油（一）（一）系统组成系统组成 螺杆泵主要由

3、地面驱螺杆泵主要由地面驱动和井下泵两部分组成。动和井下泵两部分组成。驱动部分驱动部分由由防爆电机防爆电机、皮带轮皮带轮、减速箱减速箱和和光杆光杆密封器密封器组成组成。井下泵。井下泵由由接头接头、转子转子、定子定子、定定位衬套位衬套和和扶正器扶正器等组成。等组成。采油方法采油方法螺杆泵采油螺杆泵采油（二）（二）工作原理工作原理 螺杆泵是靠螺杆泵是靠空腔排油空腔排油（即转子与定子间形（即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室），当转子转成的一个个互不连通的封闭腔室），当转子转动时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端动时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔在排出端消失，空腔内的原

4、方向运移。封闭腔在排出端消失，空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端。同时，油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端。同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入。又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入。这样，这样，封闭空腔不断地形成、运移和消失，原封闭空腔不断地形成、运移和消失，原油便不断地充满、挤压和排出，从而把井中的油便不断地充满、挤压和排出，从而把井中的原油不断地吸入，通过油管举升到井口原油不断地吸入，通过油管举升到井口。采油方法采油方法螺杆泵采油螺杆泵采油（三）（三）特点特点1 1）结构简单，占地面积小，有利于海上平台和丛）结构简单，占地面积小，有利于海上平台和丛式井组采油；式井

5、组采油；2 2）只有一个运动件（转子），适合稠油井和出砂）只有一个运动件（转子），适合稠油井和出砂井应用；井应用；3 3）无脉动排油特征；）无脉动排油特征；4 4）阀内无阀件和复杂的流道，水力损失小；）阀内无阀件和复杂的流道，水力损失小；5 5）泵实际扬程受液体粘度影响大，粘度上升，泵）泵实际扬程受液体粘度影响大，粘度上升，泵杨程下降较大。杨程下降较大。采油方法采油方法螺杆泵采油螺杆泵采油（四）（四）国内技术现状国内技术现状1 1）螺杆泵采油技术应用领域比较宽广，不仅在高）螺杆泵采油技术应用领域比较宽广，不仅在高粘、含气、含砂的油井上得到应用，而且在高含粘、含气、含砂的油井上得到应用，而且在高

6、含水、海上油井上也得到了应用。在发挥螺杆泵解水、海上油井上也得到了应用。在发挥螺杆泵解决高粘度、高含气、高含砂油井井液抽汲难的优决高粘度、高含气、高含砂油井井液抽汲难的优越性的同时，配合各种防砂措施和电加热空心抽越性的同时，配合各种防砂措施和电加热空心抽油杆，使螺杆泵的应用领域不断拓宽。油杆，使螺杆泵的应用领域不断拓宽。2 2）通过开发一系列专用配套装置，解决了驱动系）通过开发一系列专用配套装置，解决了驱动系统调控、管柱防脱与扶正、杆柱防脱与扶正、泵统调控、管柱防脱与扶正、杆柱防脱与扶正、泵与抽油杆的对接、抽空保护、清防蜡解堵、工况与抽油杆的对接、抽空保护、清防蜡解堵、工况诊断等技术难题。诊断

7、等技术难题。采油方法采油方法螺杆泵采油螺杆泵采油（四）（四）国内技术现状国内技术现状3 3）通过研究螺杆泵系统所受作用力和力矩，）通过研究螺杆泵系统所受作用力和力矩，建立了描述系统工作状况的数学模型，为建立了描述系统工作状况的数学模型，为螺杆泵采油系统的分析诊断奠定了基础。螺杆泵采油系统的分析诊断奠定了基础。4 4）通过开展螺杆泵工况诊断和优化技术的）通过开展螺杆泵工况诊断和优化技术的研究，可以帮助人们正确判断油井工作状研究，可以帮助人们正确判断油井工作状况，提供地面驱动系统、井筒内杆柱设计况，提供地面驱动系统、井筒内杆柱设计和泵型等方面的优化设计方案，提出调参和泵型等方面的优化设计方案，提出

8、调参的依据。的依据。采油方法采油方法螺杆泵采油螺杆泵采油（五）（五）发展趋势发展趋势1 1）为提高排量和扬程，国外各公司在单螺）为提高排量和扬程，国外各公司在单螺杆泵结构优化的同时，积极研究多头螺杆杆泵结构优化的同时，积极研究多头螺杆泵。泵。2 2）为提高螺杆泵的综合性能和使用寿命，）为提高螺杆泵的综合性能和使用寿命，国外各公司在优化定子橡胶的配方和增强国外各公司在优化定子橡胶的配方和增强转子的耐磨、抗腐蚀的同时，还探索使用转子的耐磨、抗腐蚀的同时，还探索使用金属定子、非金属转子。金属定子、非金属转子。采油方法采油方法螺杆泵采油螺杆泵采油（五）（五）发展趋势发展趋势3 3）为降低螺杆泵的制造成

9、本，以提高经济效益，）为降低螺杆泵的制造成本，以提高经济效益，国外各公司在普遍从采用圆钢毛坯加工成型转国外各公司在普遍从采用圆钢毛坯加工成型转子向采用热轧成型转子方向发展的同时，积极子向采用热轧成型转子方向发展的同时，积极发展钢管热轧成型转子。发展钢管热轧成型转子。4 4）为避免杆、管磨损和抽油杆断脱问题，以减）为避免杆、管磨损和抽油杆断脱问题，以减少井下事故，国外各公司不断改进井下驱动的少井下事故，国外各公司不断改进井下驱动的螺杆泵系统，应用规模日益扩大。螺杆泵系统，应用规模日益扩大。采油方法采油方法螺杆泵采油螺杆泵采油（四）（四）国内技术现状国内技术现状5 5）螺杆泵实验室已初具规模，可以

10、检测螺杆泵水）螺杆泵实验室已初具规模，可以检测螺杆泵水力特性、定子橡胶耐油气浸特性、螺杆泵结构参力特性、定子橡胶耐油气浸特性、螺杆泵结构参数等，在不同工况条件下模拟螺杆泵工作特性，数等，在不同工况条件下模拟螺杆泵工作特性，进行综合评价。进行综合评价。6 6）开展了潜油电机驱动螺杆泵的试验，在电机变）开展了潜油电机驱动螺杆泵的试验，在电机变极降速、井下机械降速、变频降速等方面进行了极降速、井下机械降速、变频降速等方面进行了有益的探索。设计试验了地面驱动、油管传动扭有益的探索。设计试验了地面驱动、油管传动扭矩带动井下定子转动螺杆泵，取得了良好的生产矩带动井下定子转动螺杆泵，取得了良好的生产效果。效

11、果。采油方法采油方法螺杆泵采油螺杆泵采油第一节 抽油装置及泵的工作原理一、抽油装置抽油机抽油杆抽油泵其它附件设备组成抽油过程介绍抽油过程介绍 (一)抽油机有杆深井泵采油的主要地面设备，有杆深井泵采油的主要地面设备，它将电能转化为机械能，将旋转它将电能转化为机械能，将旋转运动转化成往复运动。运动转化成往复运动。包括：包括：游梁式抽油机游梁式抽油机和和无游梁式无游梁式抽油机抽油机两种两种游梁式抽油机组成游梁游梁- -连杆连杆- -曲柄机构、减速箱、曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置动力设备和辅助装置工作原理工作时，动力机将高速旋转运动通过皮带工作时，动力机将高速旋转运动通过皮带和减速箱传给曲柄轴

12、，带动曲柄作低速旋和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄作低速旋转。曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下转。曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动。挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆摆动。挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动。柱作往复运动。游梁式抽油机分类后置式后置式和和前置式前置式(一)抽油机运动规律运动规律不同不同后后置式上、下冲程的时置式上、下冲程的时间基本相等；前置式间基本相等；前置式上冲程较下冲程慢。上冲程较下冲程慢。图3-2 后置式抽油机结构简图图3-3 前置式气动平衡抽油机结构简图游梁和连杆的游梁和连杆的连接位置连接位置不不同。同。不同点：不同点：平衡方式平衡方式不同不同后置式多后置式多采用机

13、械平衡；前置式多采采用机械平衡；前置式多采用气动平衡。用气动平衡。新型抽油机：新型抽油机：为了节能和加大冲程为了节能和加大冲程异相型游梁式抽油机异形游梁式抽油机双驴头游梁式抽油机链条式抽油机宽带传动抽油机液压抽油机节能加大冲程图图3-4 异相型游梁式抽油机异相型游梁式抽油机双驴头游梁式抽油机双驴头游梁式抽油机双驴头游梁式抽油机双驴头游梁式抽油机链条式抽油机宽皮带式抽油机液压增程抽油机游梁式抽油机系列型号表示方法CYJ 12CYJ 123.33.370(H) F(Y70(H) F(Y，B B，Q)Q)游梁式抽油机系列代号游梁式抽油机系列代号CYJ-CYJ-常规型常规型CYJQ-CYJQ-前置型前

14、置型CYJY-CYJY-异相型异相型悬点最大载荷，悬点最大载荷，10 kN10 kN光杆最大冲程，光杆最大冲程，m m减速箱曲柄轴最大允许扭矩减速箱曲柄轴最大允许扭矩,kN.m,kN.m减速箱齿轮形代号，减速箱齿轮形代号，H H为点啮合为点啮合双圆弧齿轮，省渐开线人字齿双圆弧齿轮，省渐开线人字齿轮轮平衡方式代号平衡方式代号F F：复合平衡：复合平衡Y Y：游梁平衡：游梁平衡B B：曲柄平衡：曲柄平衡Q Q：气动平衡：气动平衡(2) )抽油泵：抽油泵：机械能转化为流体压能的设备机械能转化为流体压能的设备a.a.结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠；靠

15、；b.b.制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长；制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长；c.c.规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强；规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强；d.d.便于起下；便于起下；e.e.结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助设备。设备。一般要求(2)抽油泵：机械能转化为流体压能的设备主要组成主要组成工作筒工作筒( (外筒和衬套外筒和衬套) )、柱塞及游动阀、柱塞及游动阀( (排出阀排出阀) )和固定阀和固定阀( (吸入阀吸入阀) )分类分类按照抽油泵在油管上的固定方式可按照抽油泵在油管上的固定方式可分为：分为： 管式泵管式泵

16、和和杆式泵杆式泵A-管式泵B-杆式泵管式泵：管式泵：外筒和衬套在外筒和衬套在地面组装好接在油管下地面组装好接在油管下部先下入井内，然后投部先下入井内，然后投入固定阀，最后再把柱入固定阀，最后再把柱塞接在抽油杆柱下端下塞接在抽油杆柱下端下入泵内。入泵内。杆式泵：杆式泵：整个泵在地面组装好后接在抽油杆柱整个泵在地面组装好后接在抽油杆柱的下端整体通过油管下入井内，由预先装在油的下端整体通过油管下入井内，由预先装在油管预定深度管预定深度( (下泵深度下泵深度) )上的卡簧固定在油管上，上的卡簧固定在油管上，检泵时不需要起油管。检泵时不需要起油管。管式泵特点管式泵特点：结构简单、成本低，泵结构简单、成本

17、低，泵径大，排量大。但检泵时必须起出油管，径大，排量大。但检泵时必须起出油管，修井工作量大，故修井工作量大，故适用于下泵深度不很适用于下泵深度不很大，产量较高的油井。大，产量较高的油井。杆式泵特点杆式泵特点：结构复杂，制造成本结构复杂，制造成本高，排量小，检泵不需起出油管，高，排量小，检泵不需起出油管，修井工作量小。修井工作量小。杆式泵适用于下泵杆式泵适用于下泵深度大、产量较小的油井。深度大、产量较小的油井。组组 成成分类分类（按结构）（按结构）分类分类（按用途）（按用途）工作筒（外筒工作筒（外筒+ +衬套）衬套）管式泵管式泵常规泵常规泵活塞（柱塞）活塞（柱塞）杆式泵杆式泵特种泵特种泵（防砂泵

18、，防气泵）（防砂泵，防气泵）阀阀（游动阀，固定阀）（游动阀，固定阀）(3)抽油杆：能量传递工具。杆体直径杆体直径分别为分别为13、16、19、22、25、28mm等。等。抽油杆的长度抽油杆的长度一般为一般为8000mm或或7620mm。接箍接箍是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件。是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件。抽油杆的强度：抽油杆的强度：C级杆级杆(570MPa)、D级杆级杆(810MPa)光杆光杆光杆：光杆：联接驴头钢丝绳与井下抽油杆，并同井口联接驴头钢丝绳与井下抽油杆，并同井口盘根盒配合密封井口。盘根盒配合密封井口。 普通型普通型两端可互换，当一端磨损后可换两端可互换，当一端磨损后可换

19、另一端使用另一端使用 一端墩粗型一端墩粗型 联接性能好，但两端不能互换。联接性能好，但两端不能互换。 超高强度抽油杆超高强度抽油杆(EL级杆级杆)玻璃钢抽油杆空心抽油杆电热抽油杆连续抽油杆柔性抽油杆：如钢丝绳抽油杆特特种种抽抽油油杆杆普通型抽油杆：普通型抽油杆：结构简单、制造容易、成本低；直径小，有结构简单、制造容易、成本低；直径小，有利于在油管中上下运行。主要用于常规有杆泵抽油方式。利于在油管中上下运行。主要用于常规有杆泵抽油方式。二、泵的工作原理二、泵的工作原理( (一一) )泵的抽汲过程泵的抽汲过程 抽油杆柱带着柱塞向上运动，抽油杆柱带着柱塞向上运动，柱塞上的游动阀受管内液柱压力而柱塞上

20、的游动阀受管内液柱压力而关闭。关闭。泵吸入的条件：泵吸入的条件：泵内压力泵内压力( (吸入压力吸入压力) )低于沉没压力。低于沉没压力。A-上冲程1)1)上冲程上冲程 泵内压力降低，固定阀在环形泵内压力降低，固定阀在环形空间液柱压力空间液柱压力( (沉没压力沉没压力) )与泵内压与泵内压力之差的作用下被打开。力之差的作用下被打开。泵内吸入液体、井口排出液体。泵内吸入液体、井口排出液体。抽油杆伸长加载；油管卸载抽油杆伸长加载；油管卸载而缩短。而缩短。沉没压力：沉没压力：作用在泵上的环形空间液柱压力。作用在泵上的环形空间液柱压力。沉没度：沉没度：泵在动液面以下的深度。泵在动液面以下的深度。B-下冲

21、程2)2)下冲程下冲程柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭。柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭。泵排出的条件：泵排出的条件： 泵内压力泵内压力( (排出压力排出压力) )高于柱塞高于柱塞以上的液柱压力。以上的液柱压力。 柱塞上下抽汲一次为一个冲柱塞上下抽汲一次为一个冲程，在一个冲程内完成进油与排油程，在一个冲程内完成进油与排油的过程。的过程。 光杆冲程光杆冲程：光杆从上死点到下死点的距离。光杆从上死点到下死点的距离。 泵内压力增加，当泵内压力大于柱泵内压力增加，当泵内压力大于柱塞以上液柱压力时，游动阀被顶开。塞以上液柱压力时，游动阀被顶开。 柱塞下部的液体通过游动阀进入柱柱塞下部的液体通过游动阀进入

22、柱塞上部，使泵排出液体。塞上部，使泵排出液体。 上冲程上冲程下冲程下冲程凡凡尔尔状状态态游动凡游动凡尔尔关闭关闭打开打开固定凡固定凡尔尔打开打开关闭关闭泵吸（排）液泵吸（排）液吸液吸液排液排液抽油杆工况抽油杆工况加载加载(伸长）伸长）卸载卸载（缩短）（缩短）油管工况油管工况卸载卸载（缩短）（缩短）加载加载（伸长）（伸长）井口排液井口排液排排S(Ap-Ar)排排S Ar 工作原理工作原理：深井泵是依靠抽油机带动深井泵是依靠抽油机带动抽油杆使活塞在衬套内部做往复运动抽油杆使活塞在衬套内部做往复运动来实现抽油的。来实现抽油的。活塞上下运动一次称为一个活塞上下运动一次称为一个冲程冲程，分为上冲程，分为

23、上冲程和下冲程。和下冲程。 每分钟内完成上、下冲程的次数称为每分钟内完成上、下冲程的次数称为冲次冲次，用，用n n来表示来表示 悬点在上、下死点间的位移，称为悬点在上、下死点间的位移，称为光杆冲程光杆冲程，用用S S来表示。来表示。 活塞在上、下死点间的位移，称为活塞在上、下死点间的位移，称为活塞冲程，活塞冲程，用用SpSp来表示。来表示。 （二（二) )泵的理论排量泵的理论排量 泵的工作过程泵的工作过程是由三个基本环节所组成，即是由三个基本环节所组成，即柱塞在泵内让出容柱塞在泵内让出容积积，井内液体进泵井内液体进泵和和从泵内排出井内液体从泵内排出井内液体。 SfVp 在理想情况下，活塞上、下

24、一次进入和排出在理想情况下，活塞上、下一次进入和排出的液体体积都等于柱塞让出的体积：的液体体积都等于柱塞让出的体积： SNfVpm每分钟的排量为：每分钟的排量为： SNfQpt1440每日排量每日排量: :泵的理论排量泵的理论排量第二节 抽油机悬点运动规律及载荷研究目的：是研究目的：是研究抽油装置动力学，从而进行抽油研究抽油装置动力学，从而进行抽油装置的设计、选择以及工作状况分析的基础装置的设计、选择以及工作状况分析的基础 悬点：悬点：抽油杆在驴头上的悬挂点。抽油杆在驴头上的悬挂点。运动规律：运动规律：位移位移 S S、速度、速度 v v 、加速度、加速度 a a 。第二节 抽油机悬点运动规律

25、及载荷固定杆：游梁支点与曲柄轴固定杆：游梁支点与曲柄轴 的连线的连线游动杆：曲柄、连杆游动杆：曲柄、连杆、 游梁后臂游梁后臂四四连连杆杆机机构构四连杆机构可以简化为简谐运动和曲柄滑块运动四连杆机构可以简化为简谐运动和曲柄滑块运动)cos1 ()cos1 (trrSB第二节 抽油机悬点运动规律及载荷一、抽油机悬点运动规律一、抽油机悬点运动规律( (一一) )简化为简谐运动时悬点运动规律简化为简谐运动时悬点运动规律假设条件：假设条件：r/l 0、r/b 0图3-7 抽油机四连杆机构简图 游梁和连杆的连接点游梁和连杆的连接点B的运动的运动可看做可看做简谐运动简谐运动，即认为，即认为B点的点的运动规律

26、和运动规律和D点做圆运动时在垂点做圆运动时在垂直中心线上的投影直中心线上的投影(C点点)的运动的运动规律相同。规律相同。则则B点经过点经过t时间时间(曲柄转角曲柄转角)时位移为：时位移为：驴头在下死点驴头在下死点 曲柄垂直向上曲柄垂直向上 0)cos1 (trbaSbaSBA 以下死点为坐标零点，以下死点为坐标零点，向上为坐标正方向上为坐标正方向向，则悬点，则悬点A A的位移为：的位移为：trbadtdvWAAcos2A A点的加速度为点的加速度为: :trbadtdSvAAsinA A点的速度为点的速度为: :图3-8 简谐运动时悬点位移、速度、加速度曲线(二)简化为曲柄滑块机构时悬点运动规

27、律假设条件：假设条件： 把把B点绕游梁支点的弧线运动近似点绕游梁支点的弧线运动近似地看做直线运动，则可把抽油机的地看做直线运动，则可把抽油机的运动简化为曲柄滑块运动。运动简化为曲柄滑块运动。 图图3-9 曲柄滑块机构简图曲柄滑块机构简图A A点点加速度加速度: :bardtdvWAA)2cos(cos2A A点位移：点位移：barSA)sin2cos1 (2A A点速度点速度: bardtdSvAA)2sin2(sinlrlr 0br 4/10)2sin2(sinrbavA)2cos(cos2rbaaArlBOBBrlBB , ,180BO, 0悬点处于上死点，上在悬点处于下死点，上，在解的过

28、程解的过程)2sincos1 (2rbasA)cos1(1)cos1()cos1()cos1(coscos)coscos()()(22 rlrlrrllrBOBCCOBOBOBOBBXsrbasbas最大ArBBsBBBAB角度时，冲程位移：点的点的最大位移：lr其中：其中：22222sin211sin1sin1cossinsinsinsinsin,二项式定理的关系：与可建立利用正弦定理，由lrlrDBOsin21cos1sin211)cos1(222rxrxBB所以由杠杆原理，得：由杠杆原理，得：BAxbas2sin2sin2sin21sincossin221sinsin21cos1 2rb

29、arbarbadtdsvrbasAAA2coscos2cos22cos2rbarbadtdvaAAcos41 sincossin4sin2sin2sin2sin2sin2222rbarbarbarbaddaA最大加速度：最大加速度：没解或则令0cos4118000sin0cos41 sin)1 (2)1 (220maxlrsrbaaA)1 (2)1 (22180maxlrsrbaaA适用条件适用条件：应用于一般计算和分析，应用于一般计算和分析，在精确计算和分析及抽油机设计时，在精确计算和分析及抽油机设计时，则须按抽油机实际四连杆计算。则须按抽油机实际四连杆计算。通过游梁通过游梁摆角的变摆角的变

30、化来求得化来求得位移位移As (三三)、精确方法计算悬点运动规律、精确方法计算悬点运动规律已知已知H H，I I，G G，a a，b b，l l，r r任一时间游梁与铅垂线任一时间游梁与铅垂线的的夹角夹角为：为： 其中：其中： 2arccos222bJlJbcossinarctanrGHrI22)cos()sin(rGHrIJ代入和将cossinarctan2arccos222rGHrIbJlJb 游梁摆动时存在一个游梁摆动时存在一个最小夹角最小夹角 ，可按，可按下式计算：下式计算：min2)(arccos2220minbKrlKb22)(GHIKGHIo arctan其中：因此，任意时刻游梁

31、的因此，任意时刻游梁的角位移角位移为：为： min可进一步求出悬点的可进一步求出悬点的位移、速度位移、速度和和加速度加速度分别为：分别为： min asA )sin()sin()sin(02JbKrbavA )sin()cos()cos(02JbKrbaaA考虑四连杆存在如下关系：考虑四连杆存在如下关系：sin)(sinsinllJsin)sin()sin()sin()sin()sin(lbKbKloosin)sin(lJ变形后有：变形后有：)sin(cossin)sin(sincossinsinsin0032brlKrbaarbavAA上式证明如下：上式证明如下：)sin()sin(BDDB

32、BDooDoBoBLLrLLvLrrLvLv又联立上两式有sinsinDBLL即rvBsinsin故图3-10 悬点速度变化曲线 1-按简谐运动计算；2-精确计算；3-按曲柄滑块机构计算图图3-11 3-11 悬点加速度变化曲线悬点加速度变化曲线1-1-按简谐运动计算；按简谐运动计算；2-2-精确计精确计算；算；3-3-按曲柄滑块机构计算按曲柄滑块机构计算)1(220maxlrSa)1(22180maxlrSa二、抽油机悬点载荷二、抽油机悬点载荷计算(一)悬点所承受的载荷 抽油机在工作时悬点所承受的载荷，是进行抽抽油机在工作时悬点所承受的载荷，是进行抽油设备选择及工作状况分析的重要依据。油设备

33、选择及工作状况分析的重要依据。 动载荷动载荷静载荷静载荷其他载荷其他载荷杆重杆重液重液重沉没压力沉没压力井口回压井口回压振动振动惯性惯性摩擦摩擦二、抽油机悬点载荷二、抽油机悬点载荷计算1.静载荷静载荷(一)悬点所承受的载荷包括包括：抽油杆柱载荷；作用在柱塞上的液柱载荷；沉没：抽油杆柱载荷；作用在柱塞上的液柱载荷；沉没压力对悬点载荷的影响；井口回压对悬点载荷的影响压力对悬点载荷的影响；井口回压对悬点载荷的影响抽油杆柱载荷抽油杆柱载荷上冲程上冲程gLqgLfWrsrr（即杆柱在空气中的重力）bqqqrslsrr/ )(slsb/ )(下冲程下冲程LgqgLfWrlsrr)(（即杆柱在液体中的重力）

34、失重系数失重系数gLffWlrpl)(作用在柱塞上的液柱载荷作用在柱塞上的液柱载荷上冲程上冲程: :下冲程下冲程: :A-上冲程B-下冲程游动阀关闭，作用在柱塞上的游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为：液柱载荷为： 游动阀打开，液柱载荷作用游动阀打开，液柱载荷作用于油管，而不作用于悬点。于油管，而不作用于悬点。沉没压力沉没压力( (泵口压力泵口压力) )对悬点载荷的影响对悬点载荷的影响上冲程上冲程 在沉没压力作用下，井在沉没压力作用下，井内液体克服泵入口设备的阻力内液体克服泵入口设备的阻力进入泵内，此时液流所具有的进入泵内，此时液流所具有的压力即吸入压力。吸入压力作压力即吸入压力。吸入压力作用

35、在柱塞底部产生用在柱塞底部产生向上向上的载荷的载荷: :下冲程下冲程 吸入阀关闭，沉没吸入阀关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响。压力对悬点载荷没有影响。pinpiifppfpP)(井口回压对悬点载荷的影响井口回压对悬点载荷的影响 液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压对悬点将产生附加的载荷。回压对悬点将产生附加的载荷。 )(rphhuffpP上冲程：增加悬点载荷上冲程：增加悬点载荷:rhhdfpP 下冲程：减小抽油杆柱载荷:2.2.动载荷动载荷( (惯性载荷、振动载荷惯性载荷、振动载荷) )惯性载荷惯性载荷( (忽略杆液弹性影响忽略杆液弹性影响) ) 抽

36、油机运转时，驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，抽油机运转时，驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，因而产生抽油杆柱和液柱的惯性力。惯性力与质量有关，因而产生抽油杆柱和液柱的惯性力。惯性力与质量有关，与悬点加速度的大小成正比，其方向与加速度方向相反。与悬点加速度的大小成正比，其方向与加速度方向相反。ArrWgWI抽油杆柱抽油杆柱的惯性力：的惯性力：AllWgWI 液柱液柱的惯性力：的惯性力：rtfrpffff 为油管过流断面变化引起液柱加速为油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数度变化的系数 上冲程上冲程: :前半冲程前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下

37、，从而向下，从而增加增加悬点载荷；悬点载荷；后半冲程后半冲程中加速度为负，即加中加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上，从而速度向下，则惯性力向上，从而减小减小悬点载荷。悬点载荷。悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的。下冲程下冲程: :与上冲程相反，与上冲程相反，前半冲程前半冲程惯性力向上，惯性力向上，减小减小悬点载荷；悬点载荷；后半冲程后半冲程惯性力向下，将惯性力向下，将增大增大悬点载荷。悬点载荷。图3-10 悬点速度变化曲线 1-按简谐运动计算；2-精确计算；3-按曲柄滑块机构计算图3-11 悬点加速度变化曲线1-按简谐运动计算；2-精确计算

38、；3-按曲柄滑块机构计算)1(220maxlrSa)1(22180maxlrSaArrWgWI 抽油杆柱抽油杆柱的惯性力：的惯性力：AllWgWI 液柱液柱的惯性力：的惯性力：rtfrpffff 为油管过流断面变化引起液柱加速为油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数度变化的系数 上冲程上冲程: :前半冲程前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下，从而向下，从而增加增加悬点载荷；悬点载荷；后半冲程后半冲程中加速度为负，即加中加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上，从而速度向下，则惯性力向上，从而减小减小悬点载荷。悬点载荷。悬点加速度在上、下冲程中大小和方

39、向是变化的悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的。下冲程下冲程: :与上冲程相反，与上冲程相反，前半冲程前半冲程惯性力向上，惯性力向上，减小减小悬点悬点载荷；载荷；后半冲程后半冲程惯性力向下，将惯性力向下，将增大增大悬点载荷。悬点载荷。抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷lrsNWlrNSgWlrSgWIrrrru117901302)1 (2222上冲程：14402SNWIrru取取r/l=1/4时时，)1 (1790)1 (222lrSNWlrSgWIrrrd下冲程：液柱引起的悬点最大惯性载荷液柱引起的悬点最大惯性载荷lrSNWlrSgWIlllu11790)1

40、(222上冲程：上冲程：下冲程中液柱不随悬点运动，没有液柱惯性载荷下冲程中液柱不随悬点运动，没有液柱惯性载荷悬点最大惯性载荷悬点最大惯性载荷luruuIII上冲程：上冲程：rddII 下冲程：下冲程：rtfrpffff振动载荷振动载荷 抽油杆柱本身为一弹性体，由于抽油抽油杆柱本身为一弹性体，由于抽油杆柱作变速运动和液柱载荷周期性地作杆柱作变速运动和液柱载荷周期性地作用于抽油杆柱，从而引起抽油杆柱的弹用于抽油杆柱，从而引起抽油杆柱的弹性振动，它所产生的振动载荷亦作用于性振动，它所产生的振动载荷亦作用于悬点上。其数值与悬点上。其数值与抽油杆柱的长度抽油杆柱的长度、载载荷变化周期荷变化周期及及抽油机

41、结构抽油机结构有关有关。( (在考在考虑抽油杆柱弹性时最大载荷计算时介绍虑抽油杆柱弹性时最大载荷计算时介绍) )3. 3. 摩擦载荷摩擦载荷(1)(1)抽油杆柱与油管的摩擦力抽油杆柱与油管的摩擦力 （杆管）（杆管）(2)(2)柱塞与衬套之间的摩擦力柱塞与衬套之间的摩擦力 （柱塞与衬套）（柱塞与衬套）(3)(3)液柱与抽油杆柱之间的摩擦力液柱与抽油杆柱之间的摩擦力 （杆液）（杆液）(4)(4)液柱与油管之间的摩擦力液柱与油管之间的摩擦力 （管液）（管液）(5)(5)液体通过游动阀的摩擦力液体通过游动阀的摩擦力 （阀阻力）（阀阻力）上冲程主要受上冲程主要受(1)(1)、(2)(2)、(4)(4)影

42、响，增加悬点载荷影响，增加悬点载荷下冲程主要受下冲程主要受(1)(1)、(2)(2)、(3)(3)、(5)(5)影响，减小悬点载荷影响，减小悬点载荷max222)1(ln)1(12vmmmmLFrl602maxSNS抽油杆柱与液柱之间的摩擦力抽油杆柱与液柱之间的摩擦力 抽油杆柱与液柱间的摩擦发生在抽油杆柱与液柱间的摩擦发生在下冲程下冲程，摩擦力，摩擦力方向向上方向向上。阻力的大小随抽油杆柱的下行速度而变化，。阻力的大小随抽油杆柱的下行速度而变化，最大值为：最大值为：主要决定因素：主要决定因素：液体粘度和抽油杆的运动速度。液体粘度和抽油杆的运动速度。把悬点看做简谐运动，则把悬点看做简谐运动，则r

43、tddm 液柱与油管间的摩擦力液柱与油管间的摩擦力 上冲程时，游动阀关闭，油管内的液柱上冲程时，游动阀关闭，油管内的液柱随抽油杆柱和柱塞上行，液柱与油管间发生随抽油杆柱和柱塞上行，液柱与油管间发生相对运动而引起的摩擦力的相对运动而引起的摩擦力的方向向下方向向下，故，故增增大悬点载荷大悬点载荷。 下冲程下冲程液柱与抽油杆柱液柱与抽油杆柱间的摩擦力间的摩擦力约为上冲程中约为上冲程中油管与液柱油管与液柱间摩擦力的间摩擦力的1.31.3倍。即：倍。即：3.1rltlFF液体通过游动阀产生的阻力：液体通过游动阀产生的阻力：图图3-12 标准型凡尔的流量系数标准型凡尔的流量系数 22322)(1029.

44、71SNffFoplvf p 柱塞面积柱塞面积f o 阀孔面积阀孔面积NfFrt杆管摩擦力：杆管摩擦力：14094. 0eppddF柱塞与衬套之间的摩擦力：柱塞与衬套之间的摩擦力： 抽油杆柱载荷抽油杆柱载荷、液柱载荷液柱载荷及及惯性载惯性载荷荷是构成悬点载荷的三项基本载荷。是构成悬点载荷的三项基本载荷。稠油井内稠油井内摩擦载荷摩擦载荷及大沉没度井的及大沉没度井的沉没压力产生的载荷沉没压力产生的载荷突出；在低沉突出；在低沉没度井内，由于泵的充满程度差，没度井内，由于泵的充满程度差，会发生柱塞与泵内液面的撞击，将会发生柱塞与泵内液面的撞击，将产生较大产生较大冲击载荷冲击载荷，从而影响悬点，从而影响

45、悬点载荷。载荷。ivuhuulrPPFPIWWPmaxvdhddrPFPIWPmin(二)悬点最大和最小载荷1.计算悬点最大载荷和最小载荷的一般公式最大载荷发生在上冲程最大载荷发生在上冲程最小载荷发生在下冲程最小载荷发生在下冲程其值为：其值为：)1 (1790)(2maxlrSNWgLffLqIWWPrlrprrulr在下在下泵深度及沉没度不很大泵深度及沉没度不很大、井口回压及井口回压及冲数不高的稀油直井内冲数不高的稀油直井内，在计算最大和最，在计算最大和最小载荷时，通常可以忽略小载荷时，通常可以忽略PvPv、F F、PiPi、PhPh及液柱惯性载荷，则：及液柱惯性载荷，则：gLfWgLfLq

46、Wlpllrrr)(令：则：)1 (17902maxlrSNWWWPrlrrdrIWPmin)1 (17902lrSNWLgqrr2.2.考虑抽油杆柱弹性时悬点最大载荷的计算考虑抽油杆柱弹性时悬点最大载荷的计算 初变形期之后，抽油杆柱带着活塞随悬点做变初变形期之后，抽油杆柱带着活塞随悬点做变速运动。在此过程中，除了液柱和抽油杆柱产生的速运动。在此过程中，除了液柱和抽油杆柱产生的静载荷之外，还会在抽油杆柱上引起静载荷之外，还会在抽油杆柱上引起动载荷动载荷。初变形期末抽油杆柱运动引起的初变形期末抽油杆柱运动引起的自由纵振自由纵振产生的振动载荷产生的振动载荷初变形期初变形期：从上冲程开始到液柱载荷加

47、载完毕的过程。从上冲程开始到液柱载荷加载完毕的过程。抽油杆柱做抽油杆柱做变速运动所产生的惯性载荷变速运动所产生的惯性载荷动动载载荷荷忽略液柱对抽油杆柱动载荷的影响忽略液柱对抽油杆柱动载荷的影响22222xuatu抽油杆柱自由纵振产生的振动载荷抽油杆柱自由纵振产生的振动载荷 在初变形期末激发起的抽油杆的纵向振动微分方程为在初变形期末激发起的抽油杆的纵向振动微分方程为: :; 00 xu0Lxxu边界条件边界条件; 00tuLxtut0初始条件初始条件抽油杆柱的自由纵振在悬点上引起的振动载荷为抽油杆柱的自由纵振在悬点上引起的振动载荷为: :tnnaVEfxuEfFnnrxrv02020)12sin

48、()12()1(8用分离变量法求解为：用分离变量法求解为：LxntnnVtxunnn212sin)12sin()12()1(8),(0020坐标原点选在悬点图3-13 随 的变化vFt0悬点的的振动载荷悬点的的振动载荷是是 的周期函数。的周期函数。t0vaEfFrvmax所以，最大振动载荷发生在 处，实际上由于存在阻尼，振动将会随时间衰减，故最大振动载荷发生在 处，即：.25,20t20taLtm02抽油杆柱的惯性载荷抽油杆柱的惯性载荷 惯性载荷的大小取决于抽油杆柱的质量、悬点加惯性载荷的大小取决于抽油杆柱的质量、悬点加速度及其在杆柱上的分布。悬点加速度的变化决定于速度及其在杆柱上的分布。悬点

49、加速度的变化决定于抽油机的几何结构。抽油机的几何结构。tSacos220简谐运动时，悬点加速度为：简谐运动时，悬点加速度为：)(cos22axtSax抽油杆柱距悬点抽油杆柱距悬点x x处的加速度：处的加速度： 初变形期之后抽油杆柱随悬点做变速运动，必然会由初变形期之后抽油杆柱随悬点做变速运动，必然会由于强迫运动而在抽油杆柱内产生附加的动载荷。为了使问于强迫运动而在抽油杆柱内产生附加的动载荷。为了使问题简化，题简化，把强迫运动产生的动载荷只考虑为抽油杆柱随悬把强迫运动产生的动载荷只考虑为抽油杆柱随悬点做加速度运动而产生的惯性载荷点做加速度运动而产生的惯性载荷。dxaxtSgqdFri)(cos2

50、2aLttsaEfdxaxtgSqFrrLi20sinsin2)(cos2在在x x处单元体上的惯性力将为：处单元体上的惯性力将为：积分后可得任一时间作用在整个抽积分后可得任一时间作用在整个抽油杆柱油杆柱L L上的总惯性力：上的总惯性力：sinsin2)12sin()12()1(8000202aLttttSaEftnnaEfWWFFWWPrnnrlrivlrsin)(sin200maxtaLtSaEfaEfWWPrrlr悬点最大载荷悬点最大载荷 初变形期后，悬点载荷初变形期后，悬点载荷P P是抽油杆柱载荷、液是抽油杆柱载荷、液柱载荷、及振动、惯性载荷叠加而成，即柱载荷、及振动、惯性载荷叠加而成

51、，即: :t t0 0为初变形期经历的时间为初变形期经历的时间 取最大振动载荷出现的时间取最大振动载荷出现的时间t tm m为悬点出现最大为悬点出现最大载荷的时间载荷的时间, ,则得到计算悬点最大载荷的公式：则得到计算悬点最大载荷的公式：0sin2sin2tssrr)sin(2maxaLSaEfWWPrrlra.a.油管下端固定油管下端固定 在油管下端固定的情况下，初变形期末柱塞对在油管下端固定的情况下，初变形期末柱塞对悬点的相对运动速度等于悬点运动速度，即悬点的相对运动速度等于悬点运动速度，即油管下端固定时悬点最大载荷为：油管下端固定时悬点最大载荷为：b.b.油管下端未固定油管下端未固定初变

52、形期末悬点运动速度：初变形期末悬点运动速度：sin2S 初变形期末柱塞对悬点的相对运动速度将小于悬初变形期末柱塞对悬点的相对运动速度将小于悬点运动速度，并且：点运动速度，并且：sin2.Ssin)1 ()sin(2maxaLSaEfWWPrlr油管下端未固定时悬点最大载荷为：油管下端未固定时悬点最大载荷为：3.3.计算悬点最大载荷的其它公式计算悬点最大载荷的其它公式1371maxSNWWPlrI179012maxSNWWPlrII)1 (17902maxlrSNbWWPrlIII)17901 (2maxSNWWPrlIV)17901)(2maxSNWWPlrV一般井深及低冲数油井一般井深及低冲

53、数油井简谐运动、杆柱和液柱惯性简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷载荷简谐运动、杆柱惯性载简谐运动、杆柱惯性载荷荷简谐运动、杆柱和液柱惯简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷性载荷曲柄滑块运动、杆柱惯性载荷曲柄滑块运动、杆柱惯性载荷第三节第三节 抽油机平衡、扭矩与功率计算抽油机平衡、扭矩与功率计算一、一、 抽油机平衡计算抽油机平衡计算不平衡原因不平衡原因 上下冲程中悬点载荷不同，上下冲程中悬点载荷不同，造成电动机在上、下冲程中所造成电动机在上、下冲程中所做的功不相等。做的功不相等。不平衡造成的后果不平衡造成的后果 上冲程中电动机承受着极大的负荷，下冲程上冲程中电动机承受着极大的负荷，下冲程中抽油机带着电动机运转

54、，造成中抽油机带着电动机运转，造成功率的浪费功率的浪费，降低电动机的效率和寿命；降低电动机的效率和寿命； 由于负荷极不均匀，会使抽油机发生由于负荷极不均匀，会使抽油机发生激烈振动，而影响激烈振动，而影响抽油装置的寿命。抽油装置的寿命。 破坏曲柄旋转速度的破坏曲柄旋转速度的均匀性均匀性，影响抽，影响抽油杆和泵正常工作。油杆和泵正常工作。( (一一) )平衡原理平衡原理 在下冲程中把能量储存起来，在上冲程中在下冲程中把能量储存起来，在上冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功，从而使电利用储存的能量来帮助电动机做功，从而使电动机在上下冲程中都做相等的正功。动机在上下冲程中都做相等的正功。 所以，为了使

55、抽油机平衡，在所以，为了使抽油机平衡，在下冲程中需下冲程中需要储存的能量要储存的能量或或上冲程中需要释放的能量上冲程中需要释放的能量应该应该是悬点在上下冲程中所做功之和的一半。是悬点在上下冲程中所做功之和的一半。下冲程：下冲程：dwmdAAA上冲程：上冲程：wumuAAA平衡条件：平衡条件：mumdAA2duwAAA( (二二) )平衡方式平衡方式气动平衡气动平衡机械平衡机械平衡游梁平衡：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( (旋转平衡旋转平衡) )：平衡块加在曲柄上；平衡块加在曲柄上；复合平衡复合平衡( (混合平衡混合平衡) )： 游梁尾部和曲柄上都有平衡重。游梁

56、尾部和曲柄上都有平衡重。(1) 气包内的气体压缩与膨胀气包内的气体压缩与膨胀(2) 多用于大型抽油机；多用于大型抽油机；(3) 节约钢材；节约钢材；(4) 改善抽油机受力状况；改善抽油机受力状况；(5) 加工质量要求高加工质量要求高(如气包的密封性等如气包的密封性等)。( (三三) ) 平衡计算平衡计算1)1)复合平衡复合平衡图3-14 复合平衡cbcccbbubcblrWWRWrbcWXWrbaWWR2平衡半径公式平衡半径公式: :2)2)曲柄平衡曲柄平衡平衡半径公式：平衡半径公式：cbcccbubcblrWWRWXrWrbaWWR2图3-15 曲柄平衡3)3)游梁平衡游梁平衡ubrbXca

57、WWW)2(1达到平衡所需要的游梁平衡块重达到平衡所需要的游梁平衡块重: : 图3-16 游梁平衡( (四四) )抽油机平衡检验方法抽油机平衡检验方法1)1)测量驴头上、下冲程的时间测量驴头上、下冲程的时间平衡条件下上、下冲程所用的时间基本相等。平衡条件下上、下冲程所用的时间基本相等。如果上冲程快，下冲程慢，说明平衡过量。如果上冲程快，下冲程慢，说明平衡过量。2)2)测量上、下冲程中的电流测量上、下冲程中的电流平衡条件下上、下冲程的电流峰值相等。平衡条件下上、下冲程的电流峰值相等。如果上冲程的电流峰值大于下冲程的电流峰值，如果上冲程的电流峰值大于下冲程的电流峰值，说明平衡不够说明平衡不够。3)

58、3)观察法观察法 声音、皮带松紧、启动是否顺利等声音、皮带松紧、启动是否顺利等4)4)通过计算机井下诊断绘制扭矩曲线通过计算机井下诊断绘制扭矩曲线上、下峰值扭矩相差不大，出现负值小上、下峰值扭矩相差不大，出现负值小二、曲柄轴扭矩计算及分析二、曲柄轴扭矩计算及分析( (一一) )计算扭矩的基本公式计算扭矩的基本公式 抽油过程中减速箱输出轴抽油过程中减速箱输出轴( (曲柄轴曲柄轴) )的的扭矩扭矩M M等于等于曲柄半径曲柄半径与作用在曲柄销处的与作用在曲柄销处的切线力切线力T T的乘积，即：的乘积，即：rTM sinsinsin)(cosrWrgaacWbcPbaMcAbcom复合平衡抽油机：复合

59、平衡抽油机：sinsinsinrWrPbaMccr曲柄平衡抽油机：曲柄平衡抽油机：sinsin)(cosrgaacWbcPbaMAbwb游梁平衡抽油机：游梁平衡抽油机：不同平衡方式的抽油机扭矩精确计算相关式不同平衡方式的抽油机扭矩精确计算相关式推导要点：力矩平衡、三角几何关系推导要点：力矩平衡、三角几何关系sinsinrbaPMTFp简化条件：忽略游梁摆角和游梁平衡重惯性力矩的影响。sin)(maxcbcomMWacBPTFM复合平衡抽油机:sin)(maxccrMBPTFM曲柄平衡抽油机：)(bwbWacBPTFM游梁平衡抽油机：扭矩因数：悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩与悬点载荷的比值。抽油机

60、结构不平衡值B：等于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁处于水平位置而需要加在光杆上的力。(方向向下为正)不同平衡方式的抽油机扭矩简化计算相关式不同平衡方式的抽油机扭矩简化计算相关式(二)扭矩因数计算sinsinrbaPMTFp图3-17 抽油机几何尺寸与曲销受力图bLkrrkLb2)cos(2cos022221)(3600(三)悬点位移与曲柄转角的关系扭矩曲线b驴头在下死点位置时的 角t驴头在上死点位置时的 角随角而变的b和K之间的夹角tbbPR冲程百分数：冲程百分数：抽油机运动规律实测示功图悬点载荷与曲柄转角的关系扭矩因素与曲柄转角的关系图3-18 濮1-3井扭矩曲线1.1.净扭矩；净扭矩；2