第03章有杆泵采油-1

抽油机30253665总井数(口)检泵周期(d)308066963155395利用率(%)95.90.92003年2004年10月2003年2004年10月2003年2004年10月电泵螺杆泵238111601260363总井数(口)检泵周期(d)总井数(口)检泵周期(d)2354154712214486185272879794.4利用率(%)利用率(%)97.695.50.61.12003年2004年10月2003年2004年10月2003年2004年10月2003年2004年10月2003年2004年10月2003年2004年10月

机械采油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

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，将旋转运动转化成往复运动。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图3-2后置式抽油机结构简图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。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。游梁式抽油机分类后置式和前置式新型抽油机：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图3-4异相型游梁式抽油机异形游梁式抽油机调径变矩(悬挂偏置)抽油机下偏杠铃抽油机链条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：抽吸流体工作筒(外筒和衬套)、柱塞及游动阀(排出阀)和固定阀(吸入阀)按照抽油泵在油管上的固定方式可分为：管式泵和杆式泵主要组成分类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。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。接箍是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件。抽油杆的强度：C级杆(570MPa)、D级杆(810MPa)超高强度抽油杆(EL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：如钢丝绳抽油杆特种抽油杆二、

泵的工作原理

活塞上下运动一次称为一个冲程，分为上冲程和下冲程。每分钟内完成上、下冲程的次数称为冲次，用n来表示

悬点在上、下死点间的位移，称为光杆冲程，用S来表示。活塞在上、下死点间的位移，称为活塞冲程，用Sp来表示。(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而关闭。泵吸入的条件：没压力大于泵内压力。A-上冲程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。沉没度：泵在动液面以下的深度。B-下冲程2)下冲程

柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭。泵排出的条件：泵内压力大于柱塞上的液柱压力。

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。

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。

柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞上部，使泵排出液体。（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等于柱塞让出的体积：每分钟的排量为：

每日排量:悬点：抽油杆在驴头上的悬挂点。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固定杆：游梁支点与曲柄轴的连线游动杆：曲柄、连杆、游梁后臂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目的：是研究抽油装置动力学，进行抽油装置的设计、选择以及工作状况分析的基础.(一)简化为简谐运动时悬点运动规律假设条件：r/l0、r/b0时，图3-7抽油机四连杆机构简图B点的运动规律=C点的运动规律(D点做圆运动时在垂直中心线上的投影)。B点经过t时间(曲柄转角φ)时位移为：

游梁和连杆的连接点B的运动可看做简谐运动：

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：悬点的加速度为:悬点的速度为:图3-8简谐运动时悬点位移、速度、加速度曲线r/b0r/l值不可忽略时。(二)简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律假设条件：

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。其中：解的过程由杠杆原理，得：简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律悬点加速度:悬点位移：悬点速度:

最大加速度：适用条件：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，则须按抽油机实际四连杆计算。通过游梁摆角的变化来求得位移

(三)、精确方法已知H，I，G，a，b，l，r任一时间游梁与铅垂线的夹角为：

其中：

游梁摆动时存在一个最小夹角，可按下式计算：其中：因此，任意时刻游梁的角位移为：

可进一步求出悬点的位移、速度和加速度分别为：

考虑四连杆存在如下关系：变形后有：上式证明如下：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

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。动载荷静载荷振动惯性摩擦杆重液重沉没压力井口回压二、抽油机悬点载荷计算(一)悬点所承受的载荷载荷1.静载荷包括：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）失重系数②作用在柱塞上的液柱载荷上冲程:下冲程:A-上冲程B-下冲程游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为：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。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。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。

下冲程液柱与抽油杆柱间的摩擦力约为上冲程中油管与液柱间摩擦力的1.3倍。即：③液体通过游动阀产生的阻力：图3-12标准型凡尔的流量系数

fp柱塞面积fo阀孔面积④杆管摩擦力：⑤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。稠油井内摩擦载荷及大沉没度井的沉没压力产生的载荷突出；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: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过程.抽油杆柱做变速运动所产生的惯性载荷动载荷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：坐标原点选在悬点图3-13随的变化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：自由振动园频率在x处单元体上的惯性力将为：作用在整个抽油杆柱L上的总惯性力：②抽油杆柱的惯性载荷简谐运动时，悬点加速度为：抽油杆柱距悬点x处的加速度为：t0为初变形期经历的时间,

t是从初变形期结束后开始计时,是从下死点开始计时③悬点最大载荷

初变形期后，悬点载荷P等于抽油杆柱静载荷+液柱载荷+振动载荷+惯性载荷，即:

取最大振动载荷出现的时间tm为悬点出现最大载荷的时间,则悬点最大载荷公式：a.油管下端固定初变形期末柱塞相对悬点的速度等于悬点运动速度：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柱塞相对悬点的速度小于悬点运动速度：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曲柄滑块运动、杆柱惯性载荷第三节抽油机平衡、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)平衡原理使电动机在上、下冲程中都做正功且相等。

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：曲柄平衡(旋转平衡)：

复合平衡(混合平衡)：

气动平衡(1)气包内的气体压缩与膨胀(2)多用于大型抽油机；(3)改善抽油机受力状况；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(三)平衡计算—以复合平衡为例图3-14复合平衡上冲程，电机和各重物对悬点做功:下冲程，悬点载荷和电机对各重物做功:(三)平衡计算1)复合平衡图3-14复合平衡平衡半径公式:2)曲柄平衡平衡半径公式：图3-15曲柄平衡3)游梁平衡平衡所需要的游梁平衡块重:图3-16游梁平衡(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。折算在r处的平衡重量：(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：二、曲柄轴扭矩计算及分析图3-17抽油机几何尺寸与曲销受力图所以：对游梁支点O取力矩平衡：(一)计算扭矩的基本公式对曲柄轴取力矩平衡：所以：抽油机曲柄轴的扭矩M：(一)计算扭矩的基本公式所以：其中：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：曲柄轴净扭矩=悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩-平衡扭矩悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩简化条件：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：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(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抽油机几何尺寸图

(三)悬点位移与曲柄转角的关系

欲绘制扭矩曲线，需先求出悬点载荷与曲柄转角的变化关系。悬点载荷数据通常由示功图来获得，可在示功图上读取任意一悬点位移下对应的悬点载荷值。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.曲柄平衡扭矩曲柄轴扭矩曲线：反映曲柄轴扭矩随曲柄转角的变化曲线，简称扭矩曲线。(四)扭矩曲线的应用1.检查是否超扭矩及判