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1、抽油机井相关计算,尤立红 2014年4月,Page 2,目 录,抽油机悬点载荷计算,抽油机的平衡计算,抽油机其他相关计算,抽油机悬点所承受载荷的变化能够反映出深井泵工作的好坏，通过悬点载荷可以分析抽油泵的工作情况，同时也是选择抽油设备的重要依据。因此，必须了解悬点所承受的载荷及其计算方法。,Page 3,抽油机井,一、悬点所承受的载荷的分析,Page 4,杆柱重力 液柱重力 泵的沉没压力和井口回压,杆柱的惯性载荷 液柱的惯性载荷 摩擦载荷 振动载荷 冲击载荷,静荷载,动载荷,回压,在计算悬点载荷时，一般只考虑抽油杆柱的重力、液柱的重力及抽油杆柱引起的惯性载荷。,Page 5,下冲程,游动阀关闭
2、，悬点所承受的是抽油杆柱在空气中的重力。,游动阀打开，抽油杆柱受到液体浮力的作用，悬点所承受的是抽油杆在液体中的重力。,上冲程,Wr= rs g L= qrL,Wr= Wr-F=r(s-L)g L = qrL,( 一 ) 抽油杆柱重力,Page 6,( 一 )抽油杆柱重力,Wr 抽油杆柱在空气中的重力，N； r抽油杆的截面积，； s抽油杆的密度，kg/m3； g 重力加速度，m/s2； L 抽油杆的长度（即下泵深度），m； qr每米抽油杆在空气中的重力，N/m。,Wr 抽油杆柱在液体中的重力，N； F 抽油杆柱所受的浮力，N； qr 每米抽油杆柱在液体中的重力，N/m； L 井中液体的密度，k
3、g/m3。,相关计算,1、混合液密度 2、失重系数:考虑抽油杆柱受液体浮力的失重系数。,L=w w+o(1- w),w水的密度，kg/m3； o油的密度，kg/m3； w含水率，%。,b=(s-L)/s,每米抽油杆的质量,Page 9,下冲程,由于游动阀关闭，固定阀打开，液柱载荷通过抽油杆作用驴头悬点上。,由于固定阀关闭，游动阀打开，液柱载荷通过游动阀转移到油管上，因而下冲程悬点不承受液柱载荷。,上冲程,WL= （p- r）L g L,0,( 二 ) 液柱重力,WL 作用在活塞上的液柱载荷，N； p 活塞的截面积，。,上冲程中，在沉没压力作用下，井内液体克服泵的入口设备的阻力进入泵内，此时液流
4、所具有的压力 叫吸入压力 。此压力作用在柱塞底部而产生向上的载荷。 液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口压力对悬点将产生附加的载荷。其性质与油管内液体产生的载荷相同。上冲程中增加悬载荷；下冲程中减小抽油杆柱载荷。 由于沉没压力和井口回压在上冲程中造成的悬点载荷方向相反，可以相互抵消一部分，所以，在一般近似计算中可以忽略这两项。,（三）惯性载荷,抽油机工作时，驴头带动抽油杆和液柱作周期性的变速运动中会产生惯性力，所以会产生抽油杆和液柱的惯性载荷。一般冲数不太大的情况下，在计算惯性载荷时通常忽略液柱引起的惯性载荷。若忽略液柱的惯性载荷，惯性载荷的大小只与抽油杆柱的质量和悬点的加速度有关。,Pag
5、e 11,（三）惯性载荷,1、加速度对悬点载荷的影响：,向上,向上,向下,向下,向下,向下,向上,向上,增大悬点载荷,增大悬点载荷,减小悬点载荷,减小悬点载荷,惯性载荷的大小与加速度成正比，方向与加速度的方向相反。,（三）惯性载荷,2、惯性载荷的计算： r: 曲柄半径，mm ； l:连杆长度,mm；,上冲程抽油杆的惯性载荷：,下冲程抽油杆的惯性载荷：,当 时,当 时,二、悬点最大和最小载荷,1.悬点最大载荷的计算,2.悬点最小载荷的计算,二、悬点最大和最小载荷,例题：,某油井使用CYJ5-2.1-13HB型抽油机，泵挂深度L930m，泵径D=56mm，冲程1.4m，冲数9次/分，使用 ”油管，
6、19mm抽油杆，原油密度900kg/m3，油井含水33。试计算悬点最大和最小载荷。（连杆长度L1800mm，当冲程长度1.4m时，曲柄半径r495mm，g=9.8N/kg；钢的密度7850kg/m3）,解题分析,悬点最大载荷：,解题分析,悬点最小载荷：,求得悬点最大载荷后，悬点最小载荷公式中的参数均为已知条件，而直接求解。,解题过程：,解：,0.331000(10.33)900933 （kg/m3）,第一步：计算混合液密度,第二步：计算抽油杆柱及液柱重量,解题过程：,第三步：分别计算上下冲程的惯性载荷,解题过程：,第四步：分别计算最大最小载荷,Page 22,目 录,抽油机悬点载荷计算,抽油机
7、的平衡计算,抽油机其他相关计算,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。,一、抽油机不平衡的原因,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。,二、抽油机不平衡的危害,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。,三、抽油机平衡条件,下冲程：,上冲程：,平衡条件：,电动机,平衡装置,油井载荷,为了使抽油机平衡，在下冲程中需要储
8、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。,三、抽油机平衡条件,四、平衡系统达到平衡所需要的平衡功,功,W = FS,四、平衡系统达到平衡所需要的平衡功,当只考虑静载荷做功时，悬点在上冲程中做的功为：,下冲程做的功为：,则由前式得理论上需要的平衡功为：,由于惯性载荷在上下冲程中所做的总功为零，因而在这里忽略不计。,1、游梁式抽油机的机械平衡方式,五、抽油机平衡计算,五、抽油机平衡计算,达到平衡所需要的游梁平衡块重:,2.游梁平衡方式计算,游梁平衡,Wb：需要装在游梁尾部的平衡块重量； Xuc：抽油机结构不平衡值； a：游梁前臂长； c：平衡块到中轴的距离； W
9、r：抽油杆在液体中的重量； Wl：活塞以上液柱重量；,达到平衡所需要的游梁平衡块重:,游梁平衡,Wb：需要装在游梁尾部的平衡块重量； Xuc：抽油机结构不平衡值； a：游梁前臂长； c：平衡块到中轴的距离； Wr：抽油杆在液体中的重量； Wl：活塞以上液柱重量；,3.曲柄平衡方式计算,平衡半径公式：,五、抽油机平衡计算,R:曲柄平衡半径（平衡块重心到曲柄轴中心的距离） Wcb：曲柄平衡块总重量； Rc：曲柄重心半径； Wc：曲柄自身重量（两块）； Xub：抽油机结构不平衡值； a：游梁前臂长； b：游梁后臂长； r：曲柄轴中心至曲柄销的距离； Wr：抽油杆在液体中的重量； Wl：活塞以上液柱重
10、量；,利用第二条平衡原则“上、下冲程电流峰值相等”来检测抽油机的平衡情况。测电动机上、下冲程的电流峰值。,平衡不足,则平衡过重。,时就认为是平衡了,六、平衡测量与调整,和,若,若,1.游梁平衡的调整 平衡偏轻时 : 应在游梁的尾端加平衡块 ; 平衡偏重时 : 应将游梁尾端的平衡块减少。 2.曲柄平衡的调整 平衡偏轻时 : 增加平衡半径 , 向远离曲柄轴的方向调整平衡块 ; 平衡偏重时 : 减小平衡半径 , 向靠近曲柄轴的方向调整平衡块。,六、平衡测量与调整,Page 34,目 录,抽油机悬点载荷计算,抽油机的平衡计算,抽油机其他相关计算,一、曲柄轴扭矩,减速器的许用扭矩限制着油井生产时所采用的
11、最大抽吸参数，也限制着保证大参数生产所需要的电动机功率。,2、国内建立的经验公式,根据若干井的抽油机的扭矩曲线峰值统计和回归，建立的经验公式:,一、曲柄轴扭矩,1勒玛柴诺夫经验公式,二、 电动机的选择和功率计算,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。,负荷为脉动的，而且变化大； 启动负荷大，要求有大的启动转矩； 露天工作，要求电动机密封质量高，工作可靠。,游梁式抽油机所用电动机的特点：,封闭式鼠笼型三相异步电动机,二、 电动机的选择和功率计算,Nr：电动机功率，kW； M：传至曲柄轴上的扭矩，Nm； n：冲数，r/min；
12、 ：传动效率；=1*2； 1：皮带轮转动效率； 2：减速箱传动效率； nm：电动机转数，r/min； i：总传动比，i=i1*i2； i1：减速箱传动比； i2： D/d； D：减速箱皮带轮直径； d：电动机皮带轮直径；,根据曲柄轴上的扭矩确定所需要的电动机功率的计算公式：,二、 电动机的选择和功率计算,在变负荷的条件下，电动机选择的一般方法是用等值扭矩来计算：,Nr：所需要的电动机功率，kW； Me：曲柄轴上的等值扭矩，Nm； n：冲数，r/min； ：传动效率；=1*2； 1：皮带轮转动效率； 2：减速箱传动效率；,电动机的输入和输出功率 电动机的输入功率 电动机的输出功率 式中 UA线电
13、压，V； IA线电流，A； cos功率因素； 电动机功率； N1、N2输入、输出功率，W。,二电动机选择和功率计算,对于油井都要根据油气层的生产能力、配产要求及合理的生产压差确定合理的下泵深度：(Pc =0时：),三、 下泵深度计算,式中 L下泵深度，m; H油层中部深度，m； hs 泵的沉没度，m; Ps 油层静压，MPa; P合油井合理的生产压差，MPa; L油井中液体的密度，kg/m3; g重力加速度，m/s2,通过采油指数计算下泵深度：,三、 下泵深度计算,式中 Jo采油指数，t/MPad； Qo日产油量，t/d；,四、冲程损失计算,所谓冲程损失是指光杆冲程与活塞冲程之差。形成冲程损失
14、的原因主要是上下冲程过程中抽油杆柱和油管柱承受交变载荷而产生弹性伸缩，使活塞冲程小于光杆冲程，从而减少了活塞所让出的体积，使泵效降低。,单级抽油杆：,四、冲程损失计算,式中 冲程损失； Wl活塞以上液柱重量； L 抽油杆柱的总长度，m； E 钢的弹性模量，2.061011Pa； ft油管的金属截面积，m2； D、d 分别是油管的外径和内径，m；,多级抽油杆： 抽油杆的变形要分段计算后相加，以二级组合杆柱为例：,四、冲程损失计算,式中 fr1、fr2各级抽油杆截面积，m2； L1、L2各级抽油杆的长度，m； D、d 分别是油管的外径和内径，m；,抽油杆柱工作时承受着交变载荷，因此，在抽油杆内产生
15、了由抽油杆柱顶部的最大应力max 和抽油杆柱顶部的最小应力min间的非对称循环应力。,五、抽油杆强度计算,式中：max 抽油杆柱顶部的最大应力； min抽油杆柱顶部的最小应力； fr 抽油杆截面积，m2； Pmax悬点最大载荷，KN； Pmin悬点最小载荷，KN；,在交变载荷作用下，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。因为如果是在最大拉应力下发生破坏，那么抽油杆的断裂事故将要发生在拉应力最大的上部。但是实践表明，在上部、中部和下部都有断裂。因此，抽油杆柱必须根据疲劳强度来进行计算。 非对称循环应力条件下的抽油杆强度条件为:,五、抽油杆强度计算,非对称循环疲劳极限应力，亦即抽油杆的许用应力，它与抽油杆的材质有关。,其中: 式中 : ，分别为抽油杆柱的折算应力 ,循环应力的应力幅值；,五、抽油杆强度计算,抽油杆应力变化,例题:,已知泵径为70 mm， 冲程s=2.7 m，冲次n=9min-1，井液密度=960 kg/m3。如采用7/8 in、许用应力为90N/mm2的抽油杆，试求其最大下入深度(r/l=0.20)。,计算结果表明：该例抽油杆的最大下入深度为915.52 m
