《抽油机变载荷对系统效率的影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《抽油机变载荷对系统效率的影响（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1游梁式抽油机驴头恳点载荷是标志抽油机工作能力的重要参数之一，也是抽油机设计 计算和选择使用的主要根据。当抽油泵工作时，抽油机驴头悬点上作用有下列 6 项载荷：(1)抽油杆柱白重，用 P杆表示(它在油中重力用 P杆表示)，作用方向向下。(2)油管内柱塞上的油柱重(即柱塞面积减去抽油杆面积上的油柱重)，用 P油表示， 作用方向也向下。(3)油管外油校对活塞下端的压力，用 P压表示，P压的大小取决于泵的沉没度，作用 方向向上。4)抽油杆柱和油柱运动所产生的惯性载荷，相应的用 P杆惯和 P油惯表示。它们的人小 与恳点的加速度成正比，而作用方向与加速度方向相反。(5)抽油杆柱和油柱运动所产生的振动载荷
2、，用 P振表示，其大小和方向都是变化的。(6)柱塞和泵筒间、抽油杆(接箍)和油管间的半干摩擦力，用 P摩干表示。还有抽油 杆和油柱间、油柱和油管间以及油流通过抽油泵游动阀(排出阀)的液体摩擦力，用 P摩液 表示。P摩干和摩液的作用力方向和抽油杆的运动方向相反。其中游动阀的液体摩擦力只在 泵 下冲程、游动阀打开时才产生，所以它的作用方向只向上。上述(1)、(2)、(3)三项载荷和抽油杆的运动无关，称为静载荷。(4)、(5)两项载荷 和抽油杆的运动有关，但是在直井、油管结蜡少和原油粘度不高的情况下，它们在总作用 载 荷中占的比重很小，约占 2一 5左右，一般可忽略不计。出于我国油田上粘油的开采问
3、题相当突出，第(6)项的液体摩擦力对悬点载荷的影响很显著，有时不能忽略。这里为了 叙述方便起见，先讨论静载荷的大小和变化规律，再讨动载荷的大小和变化规律，在此基 础上张荐几个用来确定悬点最大载荷和最小载荷的计算公式，最后定性分析一下第(6)项 中的摩擦力对悬点载荷的影响问题。一、悬点静载荷的大小和变化规律分别对上冲程、下冲程、下死点和上死点四种情况进行分析1 上冲程当悬点从下死点往上移动时，如图 214(a)所示，游动阀 在柱塞上部油柱压力作用下关闭，而固定阀在柱塞下面泵简内、 外压力差作用下打开。由于游动阀关闭，使悬点承受抽油杆自重 P杆和柱塞上油柱重 P油，这两个载荷的作用方向都是向下的。
4、同 时，由于固定阀打开，使油管外定沉没度的油柱对柱塞下表面 产生方向向上的压力 P压。因此，上冲程时，悬点的静载荷 P静上 等于：PPPP压静上杆液(gf Lg ffLgh f沉杆杆液柱杆液柱）(f LgF Lhg沉杆杆油油（）PP杆油式中一 抽油杆材料的密度， 杆3kg/m2一原油的密度，；油3kg/m抽油杆横截面面积，；f杆2mF泵柱塞横截面团积；2mL 一抽油杆长度或下泵深度，；m2下冲程当悬点从上死点往下移动时，如图 214b)所示，游动阀由于柱塞上下压力差而打 开，而固定阀在泵筒内外压力差作用下而关闭。游动阀打开，使悬点只承受抽油杆柱在油 中重力。而固定阀关闭，使油柱重力移到固定阀和
5、油管上。这样一来，下冲程时悬点的P杆静 载荷 P静下等于：PP静下杆3下死点(从下冲程到上冲程的转折点)这时，对抽油杆柱或油管柱来说，载荷都发生了变化：由下冲程的 P静下变到上冲程(1)对抽油杆来说，在这一瞬间悬点载荷发生了变化的 P静上，增加了个载荷 (油柱重)，载荷增加就使抽油杆伸长，PPPP静上静下油伸长的大小等于：杆P LPL EfEf油 杆 杆杆式中 E钢材的弹性模数 等于。1122.1 10/()Nma或P在伸长变形完毕以后，载荷才全部加到抽P 油杆或悬点上。实际上，在抽油杆柱受载伸长的 过程中，驴头已开始上冲程。当悬点杆上走了一个距离时由于同时产生的抽油杆柱伸长的结杆果使柱塞还停
6、留在原来位置，即柱塞对泵筒没 有相对运动，因而不抽油，如图 215(c)所示。(2)对油管柱来说，下冲程时，由于游动阀打开和固定阀关闭，油柱重 压在固定阀上，P油也就是压在泵筒和油管的下部。而当转到上冲程 时，游动阀关闭，整个油柱的重力都由柱塞和抽 油杆柱承担，而油管柱上就没有这个载荷作用。 因此在抽油杆柱加载的同时，油管柱却卸载。 卸载引起袖管长度的缩短直到缩短变形完毕以 后，油管柱的载荷才全部卸掉。油管柱缩短的大小等于杆3P L Ef油 管 管式中 油管管壁的横截而面积，。f管2m这样一来，虽然悬总带着柱塞一起住上移动 但是由于油管柱的缩短，使油管柱的下端也跟着柱塞往上移动，柱塞对泵简还是
7、没有相对 运动，即还不能抽油，如图 215(d)所尔 c 直到悬点经过一段距离等于以后，柱塞才管开始抽油。上面所进行的分析表明：悬点从下死点到上列点虽然走了冲程长度 S，但是由于抽油 杆柱和油管柱的静变形结果，使抽油泵柱塞的有效冲程长度要比 S 小，所以S液SS效而静变形的大小等于P LP L EfEf油油 杆管 杆管1fP L Eff杆油杆管杆式中称为变形分配系数，一般可取 0.60.9。11f f杆管4上死点(从上冲程到下冲程的转折点)它和下死点情况恰恰相反。这时，对抽油杆柱来说，静载荷由上冲程的 P静上变到下冲程的 P静下，减少了油柱重，抽油杆因而缩短。因此当悬点往下走了时，由于抽P油杆
8、杆油杆柱的缩短，柱塞在井下原地个动它对泵筒不产生相对运动。因而不能排油。而对油管柱来说，因为加载而伸长了，油管(或泵筒)跟着柱寒往下走，所以，在悬点走完P油管以前，柱塞和泵筒还不能产生相对运动，也不会抽油。因此，在排油过程中，管柱塞的有效冲程长度比悬点冲程长度 S 减少了个同样的静变形值。S效现在把上、下冲积中悬点静载荷随悬点的位移变化规 律利用图形来表示，如图 216 所尔，这种图形称为静力示4功图。图中 AB 斜线表示悬点上冲程开始时载荷由柱塞传 递到悬点的过程。EB 线相当于柱塞和泵筒没有发生相对运 动时悬点上行时的距离即 EB=。当全部载荷都作用到悬点上以后、静载荷就不再变化而成为水平
9、线 BC，到达上 死点 C 为止。CD 线表示抽油杆柱的卸载过程。卸载完毕后， 悬点又以一个不变的静载荷向下运动，成为水平线 DA 而回到下死点 A。这种静力示功图只有在浅井而且抽 油机的冲数较低时才能用动力仪测得。图 216 表明，在上、下冲程内，悬点静载荷随悬点位 移的变化规律是一平行四边形人 ABCD。二、悬点动载荷的大小和变化规律在井较深、抽油机冲数较大的情况下，必须考虑动载荷的影响。动载荷是 由惯性载荷和振动载荷两部分组成的。1 惯性载荷惯性载荷包括抽油杆柱和油柱两部分，即P杆惯和 P油惯。如果略去抽油杆柱和油柱的弹性影响，可以认为，抽油杆柱以及油柱各点的运动规律和悬点完全一致，所以
10、P杆惯和 P油惯的大小和悬点加速度大小成正比，而作用方向和后者ca相反。cPPag杆 杆惯cPPagg油 油惯式中 考虑油管过流断面扩大引起油柱加速度降低的系数（见图 2.17） 。11F Eff fFf f杆杆管管杆杆上式中的表示油管过流断面的面积，它和式（2-32）中采用的等号是不F管f管同的，是表示油管管壁的横截面面积。表 2-1 中给出了油管过流断面面积f管和管壁横截面面积的值。F管f管表 2.1 油管过流面面积和横截面积值 油管直径，mm 油管过流断面面积，F管2cm油管管壁横截面积,f管2cm40.312.85.850.319.98.7562.030.211.775.945.216
11、.888.661.619.5100.379.024.01) 惯性载荷对悬点总载荷的影响 上冲程时，柱塞(或抽油杆)带着油柱运动，所以上冲程的惯性载荷P惯上为：2-3411cPPPPPPmaPg油惯杆 惯上杆惯油惯杆惯 杆惯式中 m 表示油柱惯性载荷与抽油杆柱惯性载荷的比值。利用式 2-33 可得11F g FfLPfPmFPPgf L f 油杆油惯杆油管杆惯杆杆杆杆2 11F f F f 杆油管杆杆 下冲程时，柱塞(或抽油杆)不带动液柱运动，所以下冲程的惯性载荷P惯下为：cPPPag杆 惯下杆惯如上所述，惯性载荷大小的变化规律和悬点加速度的大小变化规律相类似，但方向和后者相反。就是说，ca在上
12、冲程前半段，加速度向上，惯性载荷就向下，这时悬点的总载荷应该等于静载荷加上惯性载荷。 而到上冲程后半段。加速度向下，惯性载荷就变为向上。所以这时悬点的总载荷应该等于静载荷减去惯性戴荷。下冲程情况刚好相反。考虑了惯性载荷作用以后，示功图就由平行四边形ABCD(静力示功固)变成扭歪的四边形，这A B C D 种示功图，称为动力示功图如图 218 所示。 2) 惯性载荷对抽油泵柱塞有效冲程长度的影响 从上面的分析可以看出，最大惯性载荷发生在上死 点和下死点。而且在上死点，即上冲程的终点处，惯件载荷 P惯上向 L，减小抽油杆柱重力，使抽油杆柱受压缩，柱塞因而产生附加冲程长度。在下死点即下冲程的终点处，
13、1e6惯件载荷 P惯下向下增加抽汕杆的重力，抽抽杆柱伸长又给柱塞一个附加冲程长度。2e因此柱塞的有效冲程长度就由式(231)变为下式：(236)S效12SSee效变形量的计算公式和相类似，所不同的是是惯性载荷产生的。惯12ee和12ee和性载荷是沿抽油杆均匀分布的质量力，可以将它看作作用在抽油杆柱重心的集中力。抽油 杆柱重心对单级杆柱来说，就是在抽油杆柱长度的中心点处，所以12222PLPLLeePPEfEfEf惯上惯下 惯上惯下 杆杆杆上式中的 P惯上和 P惯下指的是在上死点和下死点处的最大惯性载荷。为了简便起见，我们略去油柱惯性戴荷的影响，利用式(234)、式(235)、36)，并代人相应
14、的常数(， ，)，3.141627800kg m杆1122.1 10EN m式 2-37 就成为下列形式：2-381022 122.076 10eeL n S将式 2-38代入式 2-36，就可得到考虑惯性载荷作用后。榨塞有效冲程长度的表达式；2-39102212.076 10SSL nSK效式中 K 冲程增加系数()。102212.076 10KL n 当采用普通抽汲工况时，K 值一般很小但随着下泵深度 L 和冲数 n 的增加，K 值迅速增加，因为在 K 值的表达式中，L 和 n 都是 2 次方的关系。例如，当 L1000m 和时,K=1.0052；15minn 而当 L1500m 和时,K
15、=1.0467110minn2振动载荷抽油杆柱又细又长，弹性很大，很象一根长弹簧。在长弹簧下端突然加一重物和 突然拿去重物，都会产生振动。抽油杆柱也一样。当悬点开始问上时，在抽油杆柱和油 管柱静变形期内，油林重力逐渐加到柱塞和抽油杆柱上，这时柱塞和泵简没有相对移动， 所以抽油杆柱不会产生振动。而当静变形终了一瞬间，悬点以一定速度运动，这时，抽油 杆柱和柱塞突然带动油柱运动，抽油杆杆就会产生一次振动。当悬点开始向下时，在静变 形结束后，柱塞和抽油杆桂突然卸去油柱重力，又发生一次振动。就这样上下循环一次， 发生两次振动。由于井下存在着各种阻人，使振动的振幅在冲程进行过程中逐渐变小。但 是，当悬点的运动频率，即强迫振动频率和抽油杆枉一油柱弹性系统的自振频率相同或 成整数倍时就会产生共振现象，使振幅越来越大，对抽油杆杆工作很水利。为丁避免共 振现象的产生必须正确的选择悬点的冲数。考虑到振动载荷的影响后示功图变为如图 218 所示的。A B C D 三、悬点的最大载荷和最小载荷从图 218 所示的动力示功图中可以看出，悬点的最大载荷 P max 发生A B C D 在上冲程静变形期结束后一瞬间，如图 218 中的点。最大载荷 P max
