第3章有杆泵采油new-jiao-2011

第三章常规有杆泵采油主要内容：①抽油装置及泵的工作原理②抽油机悬点运动规律及悬点载荷③抽油机平衡、扭矩及功率计算④泵效计算⑤有杆抽油系统设计⑥有杆抽油系统工况分析附录AAPIRP11L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最广泛应用的采油方式，大约有80%以上的油井采油采用该举升方式。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图3-1抽油装置示意图工作时，动力机将高速旋转运动通过皮带和减速箱传给曲柄轴，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摆动。挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动。(一)抽油机有杆深井泵采油的主要地面设备，它将电能转化为机械能，包括游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种。游梁式抽油机组成游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置工作原理游梁式抽油机分类后置式和前置式③运动规律不同—后置式上、下冲程的时间基本相等；前置式上冲程较下冲程慢。①游梁和连杆的连接位置不同。不同点：②平衡方式不同—后置式多采用机械平衡；前置式多采用气动平衡。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新型抽油机：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游梁式抽油机系列型号表示方法CYJ12—3.3—70(H)F(Y，B，Q)游梁式抽油机系列代号CYJ-常规型CYJQ-前置型CYJY-异相型悬点最大载荷，10kN光杆最大冲程，m减速箱曲柄轴最大允许扭矩,kN.m减速箱齿轮形代号，H为点啮合双圆弧齿轮，省略渐开线人字齿轮平衡方式代号F：复合平衡Y：游梁平衡B：曲柄平衡Q：气动平衡(2)抽油泵：机械能转化为流体压能的设备工作筒(外筒和衬套)、柱塞及游动阀(排出阀)和固定阀(吸入阀)a.结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠；一般要求按照抽油泵在油管中的固定方式可分为：管式泵和杆式泵主要组成分类b.制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长；c.规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强；d.便于起下；e.结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助设备。A-管式泵B-杆式泵管式泵：外筒和衬套在地面组装好接在油管下部先下入井内，然后投入固定阀，最后再把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵内。管式泵特点：结构简单、成本低，排量大。但检泵时必须起出油管，修井工作量大，故适用于下泵深度不很大，产量较高的油井。杆式泵：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，由预先装在油管预定深度(下泵深度)上的卡簧固定在油管上，检泵时不需要起油管。杆式泵特点：结构复杂，制造成本高，排量小，修井工作量小。杆式泵适用于下泵深度大、产量较小的油井。(3)抽油杆：能量传递工具。1-外螺纹接头；2-卸荷槽；3-推承面台肩；4-扳手方径；5-凸缘；6-圆弧过渡区抽油杆的杆体直径分别为13、16、19、22、25、28mm，抽油杆的长度一般为8000mm或7620mm，另外，为了调节抽油杆柱的长度，还有长度不等的抽油杆短节。接箍是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件。按其结构特征可分为：普通接箍、异径接箍和特种接箍。普通接箍：连接等直径的抽油杆异径接箍：用于连接不同直径的抽油杆特种接箍：主要有滚轮式接箍和滚珠式接箍，用于斜井或普通油井中降低抽油杆柱与油管之间的摩擦力，减少对油管的磨损扶正器抽油杆的强度：C级杆(570MPa)、D级杆(810MPa)超高强度抽油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：如钢丝绳抽油杆特种抽油杆二、泵的工作原理(一)泵的抽汲过程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和自重作用而关闭。泵吸入的条件：泵内压力(吸入压力)低于沉没压力。1)上冲程泵内压力降低，固定阀在环形空间液柱压力(沉没压力)与泵内压力之差的作用下被打开。泵内吸入液体、井口排出液体。A-上冲程2)下冲程泵排出的条件：泵内压力(排出压力)高于柱塞以上的液柱压力。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的过程。光杆冲程：光杆从上死点到下死点的距离。柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞上部，使泵排出液体。柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭。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。B-下冲程（二)泵的理论排量

泵的工作过程是由三个基本环节所组成，即柱塞在泵内让出容积，井内液体进泵和从泵内排出井内液体。

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：

每分钟的排量为：

每日排量:泵的理论排量冲次：一分钟的时间内抽油泵吸入与排出的周期数。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)简化为简谐运动时悬点运动规律假设条件：r/l0、r/b0

游梁和连杆的连接点B的运动可看做简谐运动，即认为B点的运动规律和D点做圆运动时在垂直中心线上的投影(C点)的运动规律相同。则B点经过t时间(曲柄转角φ)时位移为：图3-7抽油机四连杆机构简图

以下死点为坐标零点，向上为坐标正方向，则悬点A的位移为：A点的加速度为:A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律假设条件：0<r/l<1/4

把B点绕游梁支点的弧线运动近似地看做直线运动，则可把抽油机的运动简化为曲柄滑块运动。A点加速度:A点位移：A点速度:图3-9曲柄滑块机构简图图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；3-按曲柄滑块机构计算二、抽油机悬点载荷计算1.静载荷(一)悬点所承受的载荷包括：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①抽油杆柱载荷上冲程：（即杆柱在空气中的重力）下冲程：（即杆柱在液体中的重力）②作用在柱塞上的液柱载荷上冲程

游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为：

下冲程

游动阀打开，液柱载荷作用于油管，而不作用于悬点。③沉没压力(泵口压力)对悬点载荷的影响上冲程

在沉没压力作用下，井内液体克服泵入口设备的阻力进入泵内，此时液流所具有的压力即吸入压力。吸入压力作用在柱塞底部产生向上的载荷:下冲程吸入阀关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响。④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回压对悬点将产生附加的载荷。

上冲程：增加悬点载荷:下冲程：减小抽油杆柱载荷:2.动载荷(惯性载荷、振动载荷)①惯性载荷(忽略杆液弹性影响)

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。抽油杆柱的惯性力：液柱的惯性力：

为油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数上冲程:前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下，从而增加悬点载荷；后半冲程中加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上，从而减小悬点载荷。悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的。下冲程:与上冲程相反，前半冲程惯性力向上，减小悬点载荷；后半冲程惯性力向下，将增大悬点载荷。抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷上冲程：取r/l=1/4时，下冲程：液柱引起的悬点最大惯性载荷上冲程：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上冲程：下冲程：②振动载荷

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悬点上。其数值与抽油杆柱的长度、载荷变化周期及抽油机结构有关。(在考虑抽油杆柱弹性时最大载荷计算时介绍)3.摩擦载荷(1)抽油杆柱与油管的摩擦力（杆管）上冲程主要受(1)、(2)、(4)影响，增加悬点载荷(2)柱塞与衬套之间的摩擦力（柱塞与衬套）(3)液柱与抽油杆柱之间的摩擦力（杆液）(4)液柱与油管之间的摩擦力（管液）(5)液体通过游动阀的摩擦力（阀阻力）下冲程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影响，减小悬点载荷①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下冲程，摩擦力方向向上。阻力的大小随抽油杆柱的下行速度而变化，最大值为：主要决定因素：液体粘度和抽油杆的运动速度。把悬点看做简谐运动，则②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方向向下，故增大悬点载荷。③杆管摩擦力：⑤液体通过游动阀产生的阻力：④柱塞与衬套之间的摩擦力：

抽油杆柱载荷、液柱载荷及惯性载荷是构成悬点载荷的三项基本载荷。稠油井内存在摩擦载荷及大沉没度的井沉没压力产生的载荷；在低沉没度井内，由于泵的充满程度差，会发生柱塞与泵内液面的撞击，将产生较大冲击载荷，从而影响悬点载荷。(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，最小载荷发生在下冲程，其值为：在下泵深度及沉没度不很大，井口回压及冲数不高的稀油直井内，在计算最大和最小载荷时，通常可以忽略Pv、F、Pi、Ph及液柱惯性载荷，则：令：则：2.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动载荷。初变形期末抽油杆柱运动引起的自由纵振产生的振动载荷初变形期：从上冲程开始到液柱载荷加载完毕的过程。抽油杆柱做变速运动所产生的惯性载荷动载荷忽略液柱对抽油杆柱动载荷的影响①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:边界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:用分离变量法求解为：坐标原点选在悬点第8大节悬点的的振动载荷是的周期函数。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：石油工程系焦国盈图3-13随的变化②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、悬点加速度及其在杆柱上的分布。悬点加速度的变化决定于抽油机的几何结构。简谐运动时，悬点加速度为：抽油杆柱距悬点x处的加速度为：

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。为了使问题简化，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。在x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油杆柱L上的总惯性力：③悬点最大载荷

初变形期后，悬点载荷P是抽油杆柱载荷、液柱载荷、及振动、惯性载荷叠加而成，即:t0为初变形期经历的时间

取最大振动载荷出现的时间为悬点出现最大载荷的时间,则得到计算悬点最大载荷的公式：a.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：b.油管下端未固定初变形期末悬点运动速度：

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：油管下端未固定时悬点最大载荷为：3.计算悬点最大载荷的其它公式一般井深及低冲数油井简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷简谐运动、杆柱惯性载荷简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷例1已知某油井使用CYJ5-2.1-13HB型抽油机，L＝930m，dp=56mm，Ｓ＝1.4m，n=9次/分，d=21/2"，dr=3/4"，o=900Kg/m3，fw=33％。试计算(1)悬点最大和最小载荷;

(2)各种载荷占最大载荷的百分比。解：1.计算混合物的密度

2.由抽油机型号CYJ-5-2.1-13HB，查l＝1800mm由Ｓ＝1.4米，查r＝495mm,

查表dr=3/4"时，qr=23.8N/m，在相对密度为0.933的液体中,qr’=21.0N/m。各种载荷占最大载荷的比例：由此可见,作用在抽油机驴头悬点的载荷以静载荷(抽油杆柱载荷和液柱载荷)为主,惯性载荷所占比例很小,尤其是在低冲数情况下。小结

1、简谐运动与曲柄滑块机构的区别？哪种方式更接近实际？

2、作用在悬点的抽油杆柱载荷是Wr还是W’r？

3、惯性载荷在上冲程中对悬点是增载还是减载？

4、最大载荷和最小载荷发生在悬点的什么位置？第三节抽油机平衡、扭矩与功率计算一、抽油机平衡计算不平衡原因不平衡造成的后果

上下冲程中悬点载荷不同，造成电动机在上、下冲程中所做的功不相等。①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，造成功率的浪费，降低电动机的效率和寿命；

②由于负荷极不均匀，会使抽油机发生激烈振动，而影响抽油装置的寿命。

③破坏曲柄旋转速度的均匀性，影响抽油杆和泵正常工作。(一)平衡原理

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，从而使电动机在上下冲程中都做相等的正功。

所以，为了使抽油机平衡，在下冲程中需要储存的能量或上冲程中需要释放的能量应该是悬点载荷在上下冲程中所做功之和的一半。下冲程：上冲程：平衡条件：(二)平衡方式气动平衡：机械平衡游梁平衡：游梁尾部加平衡重；曲柄平衡(旋转平衡)：平衡块加在曲柄上；复合平衡(混合平衡)：

游梁尾部和曲柄上都有平衡重。(1)气包内的气体压缩与膨胀(2)多用于大型抽油机；(3)节约钢材；(4)改善抽油机受力状况；(5)加工质量要求高(如气包的密封性等)。(三)平衡计算1)复合平衡平衡半径公式:2)曲柄平衡平衡半径公式：图3-14复合平衡图3-15曲柄平衡3)游梁平衡达到平衡所需要的游梁平衡块重:

(四)抽油机平衡检验方法1)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。如果上冲程快，下冲程慢，说明平衡过量。2)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。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。图3-16游梁平衡二、曲柄轴扭矩计算及分析(一)计算扭矩的基本公式

抽油过程中减速箱输出轴(曲柄轴)的扭矩M等于曲柄半径与作用在曲柄销处的切线力T的乘积，即：复合平衡抽油机：曲柄平衡抽油机：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思考题：上述公式的推导。简化条件：忽略游梁摆角和游梁平衡重惯性力矩的影响。复合平衡抽油机:曲柄平衡抽油机：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(二)扭矩因数计算图3-17抽油机几何尺寸与曲销受力图(三)悬点位移与曲柄转角的关系扭矩曲线—驴头在下死点位置时的角—驴头在上死点位置时的角—随φ角而变的b和K之间的夹角冲程百分数：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.净扭矩；2.油井负荷扭矩；3.曲柄平衡扭矩(四)扭矩曲线的应用1.检查是否超扭矩及判断是否发生“背面冲突”2.判断及计算平衡平衡条件：3.功率分析减速箱输出的瞬时功率:

减速箱的平均输出功率：电动机输出的平均功率：电动机输入的平均功率：4.效率分析电机、皮带传动、减速箱的效率分析。“背面冲突”：抽油过程中曲柄轴上出现负扭矩现象时，减速箱的主动轮变为从动轮的现象。(五)最大扭矩计算公式2.计算最大扭矩的近似公式(1)抽油机悬点运动简化为简谐运动(2)忽略抽油机系统的惯性和游梁摆角的影响(3)最大峰值扭矩发生在曲柄转角为90时简化条件：有效平衡值：抽油机结构不平衡重及平衡重在悬点产生的平衡力。它表示了被实际平衡掉的悬点载荷值。在平衡条件下：1.根据扭矩曲线计算最大扭矩3.计算最大扭矩的经验公式苏联拉玛扎诺夫于1957年提出：根据国内油井扭矩曲线的峰值建立的经验公式：三、电动机选择和功率计算

电动机的选择关系到电能的利用效率和能否充分发挥抽油设备与油层生产能力。a.负荷是脉冲的，而且变化大；游梁式抽油装置的特点：

目前国产抽油机所选配的电动机大多是高起动转矩系列的三相异步封闭式鼠笼型电动机。b.启动条件困难，要求有大的启动转矩；c.所用的电动机功率不太大，但总的数量大；d.在露天工作，要求电动机维护简单、工作可靠。电动机功率与曲柄轴上的扭矩关系式为：由于抽油机悬点载荷是变化的，所以电动机功率与传到曲柄轴上的扭矩也是变化的，因此在变负荷条件下，电动机选择的一般是根据扭矩的变化规律，按等值扭矩来计算，即：等值扭矩Me

：用一个不变化的固定扭矩代替变化的实际扭矩，使其电动机的发热条件相同，则此固定扭矩即为实际变化的扭矩的等值扭矩。等值扭矩与最大扭矩之间的关系作简谐运动时，扭矩呈正弦规律变化：真实运动规律：考虑到不平衡等因素，实际计算时建议采用：电动机功率：(3)光杆功率计算的近似计算：水力功率：在一定时间内将一定量的液体提升一定距离所需要的功率。光杆功率：通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率。(1)根据实测示功图准确计算：(2)根据示功图绘制扭矩曲线准确计算光杆平均功率。第9大节第四节泵效计算泵效：在抽油井生产过程中，实际产量与理论产量的比值。影响泵效的因素(3)漏失影响(1)抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩(2)气体和充不满的影响(4)体积系数的影响泵效η↗，泵的工作效率↗。若泵效η＝0.7～0.8，则认为泵工作状态良好油井有自喷能力(带喷井)η>1一、柱塞冲程柱塞冲程小于光杆冲程抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩泵效小于1交变载荷作用图3-19抽油杆和油管弹性伸缩示意图

液柱载荷交替地由油管转移到抽油杆柱和由抽油杆柱转移到油管，使杆柱和管柱发生交替地伸长和缩短。(一)静载荷作用下的柱塞冲程

抽油杆柱和油管柱的自重伸长在泵工作的整个过程中是不变的，它们不会影响柱塞冲程。图3-19抽油杆和油管弹性伸缩示意图冲程损失：柱塞冲程：根据虎克定律：对多级抽油杆：*冲程损失与活塞截面积、液体的密度成正比，与下泵深度的平方成正比。

多级抽油杆的冲程损失：冲程损失计算公式：

例1已知某油井使用CYJ5-2.1-13HB型抽油机，L＝930m，dp=56mm，Ｓ＝1.4m，n=9次/分，d=21/2"，dr=3/4"，o=900Kg/m3，fw=33％。试计算(1)悬点最大和最小载荷;(2)各种载荷占最大载荷的百分比。解：1.计算混合物的密度2.由抽油机型号CYJ-5-2.1-13HB，查l＝1800mm由Ｓ＝1.4米，查r＝495mm,dr=3/4"时，qr=23.8N/m，在相对密度为0.933的液体中,qr’=21.0N/m。各种载荷占最大载荷的比例：例2试计算例1中该井的冲程损失及其降低的泵效。解:

Sp=S-λ=1.4-0.407=0.993m3/4“抽油杆fr＝2.83×10－4m2结论：即使供液充足，泵工作正常，该井泵效也难超过70％。

＝0.407m冲程损失的影响因素分析：(2)抽油杆和油管的性质、组合；(3)下泵深度；(4)抽油泵的规格。(1)油层供液状况和生产流体的性质；(二)考虑惯性载荷后柱塞冲程的计算当悬点上升到上死点时，抽油杆柱有向下的(负的)最大加速度和向上的最大惯性载荷，抽油杆在惯性载荷的作用下还会带着柱塞继续上行。当悬点下行到下死点后，抽油杆的惯性力向下，使抽油杆柱伸长，柱塞又比静载变形时向下多移动一段距离。柱塞冲程增加量：

由于抽油杆柱上各点所承受的惯性力不同，计算中近似取其平均值，即：

根据虎克定律，惯性载荷引起的柱塞冲程增量为：

因此，考虑静载荷和惯性载荷后的柱塞冲程为：上冲程：下冲程：考虑静载荷和惯性载荷后的活塞冲程为：

P惯↑→Sp↑→η↑。P惯↑→Pmax↑,Pmin↓→工作条件变坏，还会使充满程度减小

不能用快抽汲增加惯性载荷的办法来增加活塞冲程

(三)抽油杆柱的振动对柱塞冲程的影响

理论分析和实验研究表明：抽油杆柱本身振动的相位在上下冲程中几乎是对称的，即如果上冲程末抽油杆柱伸长，则下冲程末抽油杆柱缩短。因此，抽油杆振动引起的伸缩对柱塞冲程的影响是一致，即要增加都增加，要减小都减小。其增减情况取决于抽油杆柱自由振动与悬点摆动引起的强迫振动的相位配合。液柱载荷交变作用抽油杆柱变速运动抽油杆柱振动抽油杆柱变形

因此，抽油杆柱振动对柱塞冲程的影响存在着冲次、冲程配合的有利与不利区域。二、泵的充满程度气锁：抽汲时由于气体在泵内压缩和膨胀，吸入和排出阀无法打开，出现抽不出油的现象。余隙比：充满系数：充满系数推导过程p139。图3-20气体对冲满程度的影响泵充满程度的影响因素分析：(1)生产流体的性质—气液比

R愈小，就越大。增加泵的沉没深度或使用气锚。(2)防冲距

泵吸入口压力下死点静止状态下柱塞与泵吸入口的距离K值越小，值就越大。尽量减小防冲距，以减小余隙。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丝扣、泵的连接部分及泄油器不严、流体含有腐蚀介质、油井出砂、结蜡、井身弯曲等。影响泵效漏失漏失很难计算，除了新泵可根据试泵实验测试结果和相关式估算外，泵由于磨损、砂蜡卡和腐蚀所产生的漏失以及油管丝扣、泵的连接部分和泄油器不严等所产生的漏失很难计算。柱塞与衬套间隙漏失计算静止条件下的漏失量：活塞向上运动时上带液量：总漏失量为：

所以只考虑柱塞间隙漏失时，漏失系数为：归结起来，影响泵效的因素有以下方面：（1）环境因素：

井深及井身结构、供液能力、流体物性

流体物性——气液比、饱和压力、含水、粘度、流体密度、含砂量、含蜡量、腐蚀性介质。（2）机械因素（硬件）：泵（结构、质量、材料、安装、泵隙、抗蚀性、耐磨性）抽油杆（尺寸、强度等）（3）工作方式（软件）：泵深、抽汲参数（D、S、n）、套压控制等。四、提高泵效的措施(1)选择合理的工作方式①选用大冲程、小冲次，减小气体影响，降低悬点载荷，特别是稠油的井。②连喷带抽井选用大冲数快速抽汲，以增强诱喷作用。③深井抽汲时，S和N的选择一定要避开不利配合区。(3)改善泵的结构，提高泵的抗磨、抗腐蚀性能。(2)确定合理沉没度，降低气液比，减少进泵气量。①对刚由自喷转抽井，合理控制套管气

初期有一定的自喷能力，可合理控制套管气，利用气体能量举液，使油井连喷带抽，提高产量和泵效；对于不带喷的井合理控制套管气，可起到稳定液面和产量的作用，并可减小因脱气而引起的原油粘度的增高。(4)合理利用气体能量及减少气体影响②对于正常抽油的井，确定合理沉没度和防冲距

提高泵的充满系数的有效途径是降低进泵气液比和余隙系数。确定合理沉没度和防冲距。

增大沉没度一方面可减少泵的吸入口处的自由气量，另一方面会增加下泵深度，增大悬点载荷和系统能耗及柱塞的冲程损失。(5)使用必要的井下设备（油管锚减少冲程损失)①使用油管锚减少冲程损失②泵下安装气砂锚可提高泵效和延长抽油泵的工作寿命。③砂锚。延长抽油泵的工作寿命。④气锚或井下气液分离器。减小气液比.提高泵效。用于气液比较高的油井。气锚分离原理第五节有杆抽油系统设计抽油杆设计：抽油杆柱的长度、直径、组合及材料。抽油杆柱长度确定→确定下泵深度→确定生产压差

→稳定系统试井资料。确定直径目的：为了保证抽油杆安全工作确定直径→材料及强度来确定其直径。

一、抽油杆强度计算及杆柱设计

抽油杆柱工作时承受着交变负荷,在抽油杆柱内产生了由σmin到σmax的不对称循环应力。

在交变负荷作用下，抽油杆柱往往是由于疲劳而发生破坏，而不是在最大拉应力下破坏。

最大拉应力:最小拉应力:受力情况:式中：Pmin、Pmax——驴头悬点的最小\最大载荷,N;可用公式计算，或者用动力仪测得；

fr——抽油杆的截面积,mm2;σmin、σmax——分别为抽油杆所受最大拉应力与最小拉应力，MPa。交变应力：随时间作交替变化的应力称交变应力(重复应力)；疲劳破坏：称构件在交变应力作用下的破坏，其实质上就是指裂纹的发生、发展和构件最后断裂的全部过程。抽油杆柱不是在最大拉应力下破坏的原因：

如果在最大拉应力下发生破坏，那么抽油杆柱的断裂事故，主要应该发生在拉应力最大的上部，但是矿场使用抽油杆的实践表明，在上中下部都有断裂。因此抽油杆必须根据疲劳强度来进行计算。1.И.А奥金格公式②采用下部加重杆柱，既可提高抽油杆刚度和强度，又可克服活塞下行阻力，以减小弯曲。注意：①对于深井，通常多级组合抽油杆柱。强度条件：(一)抽油杆强度计算方法

例某井实测悬点最大载荷为44kN，最小载荷为16kN,采用直径为¾´´，许用折算应力[σ-1]为90MPa的钢制抽油杆，抗拉强度σb=620MPa，取使用系数F=0.9。试校核抽油杆的强度。

解:（1）折算应力法¾´´抽油杆Ar=285.161mm2=285.161×10-6m2此油杆折算应力小于其许用应力，满足折算应力强度条件选择在一定抽汲条件下的抽油杆直径及组合：

叙：对于深井，为了节约钢材，减少悬点载荷，或增加抽油杆的下入深度，从等强度原则出发，通常都采用上部直径大，下部直径小的多级组合抽油杆柱。（如采用直径7/8英寸和3/4英寸的两级组合或三级组合杆柱等）多级抽油杆组合的选择原则：等强度原则即每级杆柱上部断面的折算应力均相等。

(下部为小直径杆柱，上部为大直径杆柱。抽油杆柱末端载荷最小，越往上，载荷越大，当抽油杆柱横截面上的折算应力等于材料的许用应力时，就应更换较大直径或强度较高的抽油杆。依次类推，直到抽油杆延伸到井口为止。)即

式中：为第一级抽油杆柱上端面的折算应力；

第二级抽油杆柱上端面的折算应力。2.修正古德曼图图3-29修正古德曼图安全区强度条件：抽油杆使用系数取决于流体的性质解:（2）修正Goodman应力法应力范围比：式中σmax－σmin──抽油杆的应力范围；

σall－σmin──许用应力范围。

合理的抽油杆组合比例，不仅应保证各级抽油杆的＜100％，而且各级抽油杆的值应比较接近。同时，为了有效地使用抽油杆，还应保持较高的数值。(二)抽油杆柱设计步骤(2)等强度设计方法(1)不等强度设计方法套管抽油泵油管(三)抽油机的选择

抽油机是使用寿命较长的采油设备。选择时既要考虑油井当前的生产能力，同时又要考虑抽油机寿命期内可能的最大生产能力(产液量)。既要考虑设备能力的利用率，同时又要考虑安全系数，做到安全可靠。1.计算法步骤:

(1)根据油井可能的最大产量、地层压力(液面深度)确定可能的最大泵径、下泵深度和冲程、冲数以及抽油杆组合；(2)计算悬点最大载荷；(3)计算减速箱输出轴最大扭矩；(4)根据抽油机悬点最大载荷，曲柄最大扭矩及抽汲参数，查抽油机技术规范，就可选出抽油机型号。(5)选出抽油机型号后，结合抽油机的冲程、冲数挡次，进行排液能力、悬点载荷等核算。既要保证安全生产，又使设备充分发挥效益。2、图解法(自学)（1）坐标：横坐标为下泵深度，纵坐标为泵的实际排量（即油井产量）。（2）图形：Ⅰ图为排量在0～200m3/d范围内的选择图解；Ⅱ图为排量在200～400m3/d范围内的选择图解。

1）粗折线表示某种型号抽油机和一定结构抽油杆、抽油泵相配合时的最大使用范围；（即把整个图形分成7个区，分别代表7种类型的抽油机）

2）圆圈中的数字表示泵径(单位mm)3）虚线标志每种泵与某种型号抽油机相配合时的最大排量线，称为最大排量线，与横坐标接近平行。4）最大下泵深度线：是另一组与纵坐标接近平行的线。5）折线和虚线所包围的区域就是某抽油机－抽油泵装置的使用范围。55最大排量线最大下泵深度线0Lpq55最大排量线最大下泵深度线0Lpq

例3：已知某油井，确定产液量Q＝50m3/d，下泵深度L＝1000m，试选用抽油设备并确定其抽汲参数。解：（1）先择抽油机型号和泵径。由于游梁抽油机选择图分为短冲程、中冲程和长冲程。而本例中没有特别要求，一般查用中冲程。根据游梁式抽油机的选择图解，得Q＝50m3/d，L＝1000m时，抽油机型号为：CYJ5－2.5－18，泵径D＝51mm。（2）选择抽油杆及油管尺寸。

根据抽油机型号CYJ5－2.5－18与泵径D=51mm的组合，查抽油机和油管尺寸组合为：抽油杆尺寸为两级抽油杆柱油管尺寸为抽油杆柱选用15NiM0合金钢。（3）确定抽汲参数。该抽油机最大冲程为Smax=2.5m，最大冲数nmax=12min-1，从游梁式抽油机的选择图解查出，最大排量Qmax=62m3/d。根据比例关系：

由此得，该井抽汲参数为：D=51mm，S=2.5m，n=10min－1（四）抽油泵的选择

1.泵径的选择

根据下泵深度与排量要求，查抽油机选择图，即可得到所需泵径大小(图中圆圈中的数字表示泵径，mm)。

2.泵的类型选择

对产量较大的浅井，应选用管式泵、对产量较小的中深井和深井，应选用杆式泵。

3.泵的间隙配合的选择活塞与衬套的间隙要根据原油粘度、含砂量等资料来确定。见下表。活塞与衬套间隙选择

二、有杆抽油井生产系统设计有杆抽油系统组成：有杆抽油系统设计内容：(1)油层(2)井筒(4)地面出油管线(3)采油设备(机、杆、泵等)(4)工况指标预测。(1)油井流入动态计算；(2)采油设备(机、杆、泵等)选择；(3)抽汲参数(冲程、冲次、泵径和下泵深度等)确定；有杆抽油系统设计目标：经济、有效地举升原油。IPR井筒多相流规律运动学和动力学规律地面多相流规律(1)油井和油层数据；(2)流体物性参数；(3)油井生产数据。有杆抽油系统设计依据：有杆抽油系统设计理论基础：有杆抽油系统设计基础数据：油藏供液能力节点系统分析方法有杆抽油井生产系统设计思路：(1)

IPR计算(3)温度场计算(2)(4)(5)计算(6)(7)抽油杆柱设计(8)泵效分析(9)产量迭代计算(10)工况指标计算三、钢杆-玻璃钢杆组合杆柱抽油技术玻璃钢杆优点(1)

重量轻，可减少设备投资，节省能源和增加下泵深度。(2)弹性好，可以实现超冲程。(3)耐腐蚀，可减少断脱事故。玻璃钢杆缺点(1)价格贵：是钢质抽油杆的1.6～1.8倍。(2)不能承受轴向压缩载荷，使用温度不能超过93.3℃。(3)报废杆不能溶化回收利用。目前钢—玻璃钢组合杆柱设计理论与普通全钢杆设计相同。第六节有杆抽油系统工况分析(1)了解油层生产能力及工作状况，分析是否已发挥了油层潜力，分析、判断油层不正常工作的原因；(2)了解设备能力及工作状况，分析设备是否适应油层生产能力，了解设备潜力，分析判断设备不正常的原因；(3)分析检查措施效果。分析目的：油层与抽油设备协调，油井高效生产。分析内容：一、抽油井液面测试与分析（一）动液面、静液面及采油指数静液面（Ls或Hs）：关井后，环空液面恢复到静止（与地面压力平平衡）时的液面。

对应于油藏压力。动液面（Lf或Hf）：油井以油管生产时，环形空间的液面。

对应于井底压力流压。Ls、Lf——分别为从井口到静液面、动液面的深度。Hs、Hf——分别为从油层中部到静液面、动液面的高度。图3-25静液面与动液面的位置沉没度hs：动液面到泵吸入口的高度

根据气油比和原油进泵压力损失而定。生产压差：

静液面-动液面△H＝Hs-Hf

与静液面和动液面之差相对应的压力差。折算液面：把在一定套压下测得的液面折算成套管压力为零时的液面，即：图3-25静液面与动液面的位置采油指数：？抽油井井底流动方程：Q＝K(Hs-Hf)=K(Lf-Ls)l

采油指数的大小反映油层供油能力的好坏。K─采油指数，t/d·m；注意：当存在PC时，就相对于有一段液柱压力，h－存在PC时，环空液面升高的一段高度。（所以动液面高度升高了，而动液面深度减少了。因此要减去这个液柱高度，才是PC=0的深度。）即(二)液面位置的测量测量仪器：回声仪测量原理：利用声波在环形空间流体介质中的传播速度和测得的反射时间来计算其位置：1.有音标的井图3-25静液面与动液面的位置图3-26声波反射曲线2.无音标井根据波动理论和声学原理，声波在气体中的传播速度为：利用气体状态方程确定气体密度：因为：则：声波速度为：简化为：K=1.28～1.29Q－m3/d;求动液面/静液深度的公式及步骤：1.求动液面深度,由声波曲线求得:2.求静液面深度(1)若告之，则由(2)若告之

,则由例：某抽油井，已知目前的采液指数为0.041×10-3m3/d·Pa，产液量50m3/d，含水30%，音标下至190m处，在生产时测液面，从回声仪记录曲线量得AB=34mm,AC=75mm,试求静液面和动液面的深度。解：（1）（2）（3）而（三）抽油井井底压力的测量测试方法：①在油管下部安装振弦压力计来测量井下压力;

②从环形空间下入小型压力计来测井下压力。(四)含水井油水界面及工作制度与含水的关系①含水井正常抽油时，油水界面稳定在泵的吸入口处。低气油比含水油井：在泵下加深尾管来降低流压，提高产量。低含水高气油比井(除带喷者外)：加深尾管会降低泵的充满系数，因为进入尾管后从油中分出的气体将全部进入泵内。图3-27含水井的油水界面当p油层=p水层

改变p,fw基本不变油井含水不随工作制度而改变；(2)当p油层>p水层

增大总采液量即降低p，fw将上升(3)当p油层<p水层

增大总采液量即降低p，fw将下降②抽油井工作制度与含水的变化关系确定含水井工作制度时：①对油水层压力相同及水层压力高于油层压力的井，把产液量增大到设备允许的抽汲量是合理的。②利用油井在不同工作制度下产液量与含水的变化情况来判断油水层的压力关系。图3-27含水井的油水界面③井底流压计算：当为纯油井时,图3-27含水井的油水界面

当PC=0二、地面示功图分析示功图：载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图。地面示功图或光杆示功图：悬点载荷与位移关系的示功图。(一)理论示功图的绘制假设条件和坐标的确定1.绘制的假设条件

(1)光杆在上下冲程只承受静载荷作用

(2)只考虑活塞以上液柱载荷引起抽油杆和油管的弹性变形（不考虑动载荷影响）

(3)深井泵的工作完全正常2.坐标的确定

(1)横坐标表示按比例记录的光杆移动距离。（mm）减程比指光杆冲程在图上长度与光杆冲程的实际长度之比。常用的减程比有：1/45;1/30;1/15;

S=1.6~3.3m选1/45;S=0.8~1.6m选1/30;S=0.3~0.8m选1/15;

改变减程比是由减程轮来完成的。(2)纵坐标表示按比例记录的光杆上的负荷力比——驴头实际负荷（N）与驴头负荷在图上的长度（mm）之比。（或指光杆载荷按比例缩小为示功图上的长度）

常用力比有：1支点：120（10N/mm）

2支点：100（10N/mm）

3支点：80（10N/mm）(二)理论示功图及解释图B-弹簧系统(从光杆到活塞的传递运动中存在滞后现象)。1.在静载荷作用下的理论示功图如图所示。横坐标——光杆位移，纵坐标——光杆载荷

图A-抽油杆为刚体（从光杆到活塞的传递运动中无时间滞后）。循环过程：下死点A加载完成B上死点C卸载完成D下死点AABC为上冲程静载荷变化线。AB为加载过程，加载过程中，游动凡尔和固定凡尔处于关闭状态；在B点加载完毕，变形结束，柱塞与泵筒开始发生相对位移，固定凡尔打开而吸入液体。BC为吸入过程（BC=sP为泵的冲程），游动凡尔处于关闭状态。CDA为下冲程静载荷变化线。CD为卸载过程，游动凡尔和固定凡尔处于关闭状态；在D点卸载完毕，变形结束，柱塞与泵筒发生向下相对位移，游动凡尔被顶开、排出液体。DA为排出过程，固定凡尔处于关闭状态。图3-28静载理论示功图（1）横纵坐标的含义

oa＝Pmin＝W’r，ob’＝Pmax＝W’r+W’l，

ab’＝W’l，b’c＝Ｓ，b’b＝λ，bc＝Ｓp。（2）点线面的含义abc为上冲程：

ab为加载线，a点为下死点，游动凡尔和固定凡尔均关闭；bc为活塞上冲程，b点游动凡尔关闭，固定凡尔打开，活塞上行；cda为下冲程：cd为减载线，c点为上死点，游动凡尔和固定凡尔均关闭；d点，游动凡尔打开，固定凡尔关闭；活塞开始下行；da线为活塞下冲程。注意：①各点的位置和凡尔开关情况；

②各条线的含义；

③平行四边形面积为深井泵做功的大小。（3）绘制理论示功图的步骤①制作坐标②计算光杆载荷在图上的高度③计算冲程损失在图上的高度④计算光杆冲程在图上的高度2.考虑惯性载荷后的理论示功图图3-29考虑惯性和振动后的理论示功图S/2(三)典型示功图分析1.泵正常工作时的示功图特征：减载过程变缓，右上角呈刀把形；加载过程也变缓。2.气体对示功图的影响—图3-30泵的充满系数：泵效气体使泵效降低的值：图3-30

有气体影响的示功图气锁特征：示功图上出现刀把现象，充满程度越差，刀把就越长。卸载线较气体影响的卸载线陡而直。

充不满所降低的泵效:

充满系数:泵效为：3.泵充不满对示功图的影响

图3-31充不满的影响充不满现象：地层产液在上冲程末未充满泵筒的现象。液击现象：泵充不满生产时，柱塞与泵内液面撞击引起抽油设备受力急剧变化的现象。

4.漏失对示功图的影响(1)排出部分漏失特征：加载滞后，减载提前；左下角变尖，右上角变圆，图形向右移。泵效为：严重时B'C'＝0，p<pmax，固定凡尔不能打开，油井抽不出油。

图3-32泵排出部分漏失的示功图

图3-33吸入部分漏失（2）吸入部分漏失柱塞的有效吸入行程：泵效：特征：加载提前，减载滞后，加载线变缓；左下角变圆，右上角变尖，图形向左移。特征：上下冲程，悬点始终不能卸载。（3）固定凡尔严重漏失的示功图

图3-34吸入阀严重漏失（4）吸入部分和排出部分同时漏失

图3-35吸入和排出阀同时漏失5.活塞遇卡的示功图特征：上冲程中，在卡点前，悬点加载缓慢（斜率小）；卡点后，加载较快（斜率大）；下冲程正好相反，示功图上出现两个斜率段。

图3-36活塞卡在泵筒中部6.带喷井的示功图

特征：1.图形呈水平狭窄条带环行；

2.油井出油。

图3-37喷势强、油稀带喷

图3-38喷势弱、油稠带喷7.抽油杆断脱的示功图

抽油杆断脱位置：

特征：

1.图形呈水平狭窄条带环行；

2.油井不出油。图3-39抽油杆断脱8.油稠时的示功图(1)抽稠油正常时，油稠阻力大→P上，P下。(2)油稠充不满时，此时的示功图是充不满与油稠阻力大的叠加油稠时的正常示功图油稠充不满的示功图9.其它情况图3-40出砂井图3-41结蜡井图3-42管式泵活塞脱出工作筒图3-43防冲距过小活塞碰固定凡尔的示功图三、抽油机井工况诊断技术抽油机井工况诊断技术：①计算抽油杆柱断面上的应力分布和示功图；②估算泵口压力；③判断油井潜能；④计算活塞冲程和泵效；⑤检验泵及油管锚的机械状况；⑥计算和绘制扭矩曲线，并进行平衡和功率的计算与分析。抽油井计算机诊断的内容：光杆示功图数学模型计算机井下示功图抽油设备工况(一)诊断技术的理论基础信号发送器信号接收器井下动态信号的传导线应力波设备工况信号记录应力波在抽油杆柱中传播过程可用带阻尼的波动方程描述：用以截尾傅立叶级数表示的悬点动负荷函数D