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1、示功图分析 2004年3月 一、悬点所承受的载荷 1、抽油杆柱的重力 2、作用在活塞上的液柱载荷 3、惯性载荷 4、摩擦载荷 5、抽油过程中产生的其它载荷 （一）抽油杆柱的重力 抽油机驴头上下运动时，带着抽油杆做往复运动 ，抽油杆的重量始终作用在驴头上。 下冲程时，游动凡尔打开后，油管内液柱的浮力 作用在抽油杆柱上，所以作用在悬点上的抽油杆 柱的重力减去液体的浮力，即它在液体中的重量 。 Wr= fr ( s i ) g L = qr L 上冲程时，游动凡尔关闭，抽油杆柱不受管内液 体浮力的作用，所以作用在悬点上的抽油杆柱的 重力，即在空气中的重量。 Wr= fr s g L = qr g L
2、 （二）作用在活塞上的液柱载荷 在上冲程中，由于游动凡尔关闭，作用 在活塞上的液柱引起的悬点载荷为： W1= ( fp fr ) i g L 下冲程中，由于游动凡尔打开，液柱载 荷通过固定凡尔作用在油管上，而不作用 在悬点上。 （三）惯性载荷 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 。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的运动规律和悬点 完全一致。所以，产生的惯性力除与抽油杆柱 和液柱的质量有关外，还与悬点加速度的大小 成正比，其方向与加速度方向相反。 上冲程中，前半冲程加速度方向与运动方向相 同，即加速度向上，而惯性力向下
3、，增加悬点载 荷；后半冲程加速度方向与运动方向相反，即加 速度向下，惯性力向上，减小悬点载荷。 速度V 加速度a 惯性力Iu 速度V 加速度a 惯性力Iu 上冲程前半冲程 上冲程后半冲程 下冲程时情况则刚好相反。 速度V 加速度a 惯性力Id 速度V 加速度a 惯性力Id 下冲程前半冲程下冲程后半冲程 上冲程中悬点最大惯性载荷为Iu (为液柱加抽 油杆柱在上冲程时引起的最大惯性载荷)；下冲 程悬点最大惯性载荷 Id (为下冲程抽油杆柱引 起的最大惯性载荷，液柱不随悬点运动，无液 柱惯性载荷)。 但在实际中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运动并不一致， 所以，上述方法计算
4、的惯性载荷将大于实际值 。 （四）摩擦载荷 抽油机工作时，作用在悬点上的摩擦载荷由五 部分组成： 1、抽油杆柱与油管的摩擦力，在直井中不超过抽 油杆重量的1.5%，可忽略。 2、柱塞与衬套之间的摩擦力，当泵径不超过70毫 米时，其值小于1717牛。 3、液柱与抽油杆柱之间的摩擦力，除与抽油杆柱 的长度和速度有关外，主要取决于液体的粘度。 下冲程时，摩擦力方向向上，是稠油井抽油杆遇 阻的主要原因，所以在抽汲高粘度液体时，不能 采用快速抽汲方式，否则将因下行阻力过大抽油 杆柱无法正常下行。 4、液柱与油管之间的摩擦力，除与液流速度 有关外，主要取决于液体的粘度。 5、液体通过游动凡尔的摩擦力，除与
5、凡尔 结构有关外，主要取决于液体粘度和液流速度 。在高粘度大产量井内，液体通过游动凡尔产 生的阻力往往是造成抽油杆柱下部弯曲的主要 原因，对悬点载荷也会造成不可忽略的影响。 上冲程中作用在悬点上的摩擦载荷是由1、2 、4三项组成，方向向下，增大悬点载荷，用 Fu 表示。下冲程中作用在悬点上的摩擦载荷是 由1、2、3、5四项组成，方向向上，减小悬点 载荷，用Fd 表示。 （五）抽油过程中产生的其它载荷 除上述四种载荷外，如振动载荷、回压及沉没度都会影 响到悬点载荷。 1、沉没压力（泵口压力）及井口回压对悬点载荷的影 响 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
6、流所具有的压力叫吸入压力。 此压力作用在活塞底部而产生向上的载荷Pi 。下冲程中， 固定凡尔关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响。 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。其性质与油管内液体产生的载荷相同 。上冲程中增加悬点载荷，用Pbu 表示；下冲程中减轻抽 油杆柱重量，用Pbd 表示。 2、振动载荷 抽油杆柱本身是一弹性体，由于抽油杆柱变 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，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。用Pv 表示 。 另外，低沉没度井内，由于泵的充满程度差 ，会发生活塞与
7、泵内液面的撞击，产生较大的 冲击载荷，从而影响悬点载荷。但现时尚无法 预计，故在计算悬点载荷时都不考虑。 二、悬点最大和最小载荷计算公式 根据前面对悬点所承受的各种载荷的分析，抽油机工作时 ，上下冲程悬点载荷的组成是不同的，最大载荷发生在上 冲程，最小载荷发生在下冲程，其值如下： Pmax = Wr + W1 + Iu + Pbu + Fu + Pv - Pi Pmin = Wr Id - Pbd Fd - Pv Pmax Pmin -悬点最大和最小载荷 Wr Wr -上下冲程中作用在悬点上的抽油杆柱载荷 W1 -作用在活塞上的液柱载荷； Iu Id -上下冲程中的最大惯性载荷； Pbu Pb
8、d -上下冲程中井口回压造成的悬点载荷； Fu Fd -上下冲程中最大摩擦载荷； Pv -振动载荷； Pi -上冲程中吸入压力作用在活塞上产生的载荷。 示功图分析 一、理论示功图及其分析 1、静载荷作用下的理论示功图 即认为光杆只承受抽油杆柱与活塞截面积以上液柱的静载荷时， 理论上所得到的示功图。 绘制理论示功图的假设条件： 1）深井泵质量合格，工作正常。 2）不考虑活塞在上下冲程中，抽油杆柱所承受的磨擦力、惯性力 、振动载荷与冲击载荷等的影响，假设力在抽油杆柱中的传递是瞬 时的，凡尔的起落也是瞬时的。 3）抽油设备在工作过程中，不受砂、蜡、水、气等因素的影响， 认为进入泵内的液体不可压缩。
9、4）油井没有连抽带喷的现象。 5）油层供液能力充足，泵能够完全充满 泵的工作过程和载荷转移情况 由于作用在活塞上的液柱重量在 上、下冲程中交替地分别由油管转移 到抽油杆柱和由抽油杆柱转移到油管 ，从而引起杆柱和管柱交替地增载和 减载，使杆柱和管柱发生交替地伸长 和缩短。 当驴头开始上 行时，游动凡 尔关闭，液柱 重量作用在活 塞上，使抽油 杆发生弹性伸 长。因此，活 塞沿未发生移 动时，悬点已 从位置A移动 到位置B，这 一段距离即为 抽油杆柱的伸 长r。 当悬点位置从B 移至B时，正 是油管由于卸 去载荷要缩短 的一段距离t的 过程。此时， 活塞与泵筒之 间没有相对位 移。这段缩短 的距离就
10、使悬 点增加的一段 无效位移。即 从位置B移至位 置B。所以， 吸入凡尔是关 闭的。 当驴头从位置 B移至位置C 时，活塞才开 始与泵筒发生 相对位移，吸 入凡尔开始打 开吸入液体， 一直到上死点C 。由此看出： 活塞有效移动 距离（活塞冲 程）比驴头冲 程小。（ rt） 下冲程开始时， 吸入凡尔立即关 闭，液柱载荷由 抽油杆柱转移到 油管上，使抽油 杆缩短r，而油 管伸长t。此时 ，只有驴头下行 rt距离之 后，活塞才开始 与泵筒发生相对 位移。因此，下 冲程活塞冲程仍 比驴头冲程小。 冲程损失在静载荷下的计算公式 rt =fp1Lfg/E（L1/fr1+L2/fr2+L3/fr3+L/ft
11、） WL-考虑沉没度影响后的液柱载荷，为上下冲程中静载荷之差， WL=fp1Lfg，牛 fp fr ft-活塞、抽油杆及油管金属截面积，米2 L-抽油杆总长度，米 1-液体密度，公斤/米3 E-刚的弹性模数，2.06*1011帕 Lf-动液面深度，米 L1 L2 L3-每级抽油杆的长度，米 fr1fr2fr3-每级抽油杆的截面积，米2 由上述公式可以看出：活塞截面积愈大，泵下得愈深，则冲程损失愈 大。为了减小液柱载荷及冲程损失，提高泵效，通常不能选用过大的 泵，特别是深井中总是选用直径较小的泵。当泵径超过某一限度时（ 引起的S/2）之后，泵的实际排量不但不会因增大泵径而增加，反尔 会减小。当S
12、时，则活塞冲程等于零，使泵的实际排量等于零。 考虑惯性载荷时，当悬点上升到上死点 时，速度趋于零，但抽油杆柱有向下的（负的 ）最大加速度和向上的最大惯性载荷，使抽油 杆减载而缩短。所以，悬点到达上死点后，抽 油杆在惯性力的作用下还会带着活塞继续上行 ，使活塞比静载荷变形时向上移动一段距离 。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，活塞又比静载荷变形时 向下多移动一段距离。因此增加活塞冲程 i=+。使冲程损失减小i，增加泵效。增 加惯性载荷可用快速抽汲的办法来得到，但在 生产会使抽油杆受力条件变坏。 以悬点位移为横坐标，悬点载荷为纵坐标（见图） 。 在下死点A处的 悬点静载荷
13、为 Wr上冲程开始 后液柱载荷W1 逐渐加在活塞上 ，并引起抽油杆 和油管柱的变形 ，载荷加完后， 停止变形（ =B B）。从B点 以后悬点以不变 的静载荷（ Wr+W1）上行 至上死点C。 从上死点开始 下行后，由于 抽油杆柱和油 管柱的弹性， 液柱载荷W1 是逐渐地由活 塞转移到油管 上，故悬点载 荷逐渐卸载。 在D点卸载完 毕，悬点以固 定的静载荷 Wr继续下行 至A点。 这样，在静载荷作用下的悬点理论示功图为 平行四边形ABCD。ABC为上冲程的静载变化线 。AB为加载线，加载过程中，游动凡尔和固定 凡尔同时处于关闭状态；由于在B点加载完毕， 变形结束，BB=，活塞与泵筒开始发生相对位
14、 移，固定凡尔也就开始打开而吸入液体。故BC 为吸入过程，BC=Sp，在此过程中游动凡尔仍然 处于关闭状态。CDA为下冲程静载变化线。CD 为卸载线，卸载过程中，游动凡尔和固定凡尔也 同时处于关闭状态。由于在D点卸载完毕，变形 结束，DD=，活塞开始与泵筒发生向下的相对 位移，游动凡尔被顶开而开始排出液体。故DA 为排出过程DA=Sp，排出过程中固定凡尔仍然处 于关闭状态。 2、考虑惯性载荷后的理论示功图 考虑惯性载荷时，是把惯性载荷叠加 在静载荷上。如不考虑抽油杆柱和液柱的 弹性对它们在光杆上引起的惯性载荷的影 响，则作用在悬点上的惯性载荷的变化规 律与悬点加速度的变化规律是一致的。 在上冲
15、程中，前半冲 程有一个由大变小的向 下的惯性载荷（增加悬 点载荷）；后半冲程作 用在悬点上的有一个由 小变大的向上的惯性载 荷（减小悬点载荷）。 在下冲程中，前半冲程 作用在悬点的有一个由 大变小的向上的惯性载 荷（减小悬点载荷）； 后半冲程则是有一个由 小变大的向下作用（增 加悬点载荷）的惯性载 荷。因此，由于惯性载 荷的影响使静载荷的理 论示功图的平行四边形 ABCD被扭转成 ABCD，如图(2-24) 。 考虑振动时， 则把抽油杆振动 引起的悬点载荷 叠加在四边形 ABCD上。由 于抽油杆柱的振 动发生在粘性液 体中，所以为阻 尼振动。叠加之 后在 BC线和 AD线上就出现 逐渐减弱的波浪 线。 （二）典型示功图分析 典型示功图是指某一因素的影响 十分明显，其形状代表了该因素影响 的基本特征。虽然在实际情况下，有 多种因素影响示功图的形状，但总有 其主要因素。所以，示功图的形状也 就反映着主要因素影响下的
