有桿泵采油課件

第三章有桿泵采油本章主要內(nèi)容有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)泵效計(jì)算平衡、扭矩及功率計(jì)算懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及懸點(diǎn)載荷抽油裝置及泵的工作原理有桿抽油系統(tǒng)工況分析常規(guī)有桿泵采油有桿泵采油抽油機(jī)懸點(diǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)抽油桿傳遞給井下柱塞泵。地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油驅(qū)動(dòng)頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)抽油桿傳遞給井下螺桿泵。常規(guī)有桿泵采油是目前我國(guó)最廣泛應(yīng)用的采油方式。100%50%25%75%20132014201593%93%89%中石油近幾年有桿泵采油比例(一)抽油機(jī)有桿深井泵采油的主要地面設(shè)備，它將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，包括游梁式抽油機(jī)和無(wú)游梁式抽油機(jī)兩種。游梁-連桿-曲柄機(jī)構(gòu)減速箱動(dòng)力設(shè)備輔助裝置1、游粱式抽油機(jī)基本參數(shù)1.驢頭懸點(diǎn)（掛抽油桿處）的最大允許載荷Pmax

2.懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度Smax3.懸點(diǎn)的最大沖數(shù)nmax4.減速箱曲柄軸最大允許扭矩Mmax2、游粱式抽油機(jī)分類（1）按基本參數(shù)分類重型Pmax＞100kN①根據(jù)懸點(diǎn)最大允許載荷Pmax的變化范圍②根據(jù)懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度Smax的變化范圍輕型Pmax≤30kN中型30kN＜Pmax≤100kN短沖程Smax<1m中等沖程lm＜Smax≤3m長(zhǎng)沖程3m＜Smax≤6m超長(zhǎng)沖程Smax＞6m超大扭矩Mmax﹥60kN·m③根據(jù)懸點(diǎn)最大沖數(shù)nmax的變化范圍④根據(jù)減速箱曲柄軸的最大允許扭矩Mmax小扭矩Mmax＜10kN·m大扭矩30kN·m＜Mmax≤60kN·m中等扭矩10kN·m＜Mmax≤30kN·m低沖數(shù)nmax≤6min-1中等沖數(shù)6min-1＜nmax≤15min-1高沖數(shù)nmax＞15min-1（2）按結(jié)構(gòu)分類①常規(guī)式：驢頭和曲柄連桿機(jī)構(gòu)分別位于抽油機(jī)支架前后兩邊。②前置式：驢頭和曲柄連桿機(jī)構(gòu)都位于支架的前邊平衡方式：多采用機(jī)械平衡平衡方式：多采用氣動(dòng)平衡運(yùn)動(dòng)規(guī)律：沖程較下沖程慢運(yùn)動(dòng)規(guī)律：上下沖程的時(shí)間基本相等（4）抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

游梁式抽油機(jī)是以游梁支點(diǎn)和曲柄軸中心的連線做固定桿，以曲柄、連桿和游梁后臂為三個(gè)活動(dòng)桿件所構(gòu)成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)游梁用型鋼組合焊成，也有用普通工字鋼制成。它用一個(gè)中間短軸和兩個(gè)軸承支在抽油機(jī)支架上。由于游梁負(fù)擔(dān)抽油機(jī)的全部載荷，所以要有一定的強(qiáng)度和剛度。橫梁及連桿可分為兩種結(jié)構(gòu)：一種是將橫梁及連桿制造在一起，其特點(diǎn)是連接件很少，結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，用在小型抽油機(jī)上，它由改變后臂長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度。另一種結(jié)構(gòu)是單獨(dú)橫梁，一般用于大型抽油機(jī)中,它由改變曲柄和連桿的連接點(diǎn)位置來(lái)調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度。驢頭用來(lái)將游梁前端的往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)變?yōu)槌橛蜅U的垂直直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。驢頭弧面半徑R應(yīng)等于前臂長(zhǎng)度。為了保證在一定沖程長(zhǎng)度下，將圓弧運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，圓弧面長(zhǎng)度應(yīng)為：S?。剑?.2～1.3)Smax式中Smax―驢頭懸點(diǎn)（掛抽油桿處）的最大沖程長(zhǎng)度。驢頭用鋼板焊成。平衡重：由于游梁式抽油機(jī)上、下沖程的載荷很不均勻，上沖程時(shí)，驢頭需提起抽油桿柱和液柱，而下沖程時(shí)，抽油桿依靠自垂就可以下落，這樣就使發(fā)動(dòng)機(jī)做功極不均勻。為了使上、下沖程發(fā)動(dòng)機(jī)作功均勻，采用了平衡重的結(jié)構(gòu)；游梁式抽油機(jī)平衡重分兩類：一類為游梁平衡重，裝在游梁尾部，一般作成片狀；另一類為曲柄平衡重，裝在曲柄上，類型較多。減速箱：一般使用的減速箱多為兩級(jí)齒輪式，傳動(dòng)比i=25~40左右，在個(gè)別情況下也有使用一級(jí)齒輪減速箱或鏈條減速箱。由于工作載荷大，一般小功率時(shí)采用斜齒，大功率時(shí)采用人字齒。并開(kāi)始采用圓弧齒輪。減速箱采用圓弧齒輪后，其承載能力比相同參數(shù)的漸開(kāi)線齒輪減速箱體積有所減小，這樣也給抽油機(jī)其他部分尺寸的縮小創(chuàng)造了條件。剎車機(jī)構(gòu)：抽油機(jī)上所用的剎車機(jī)構(gòu)一般為剎車型或閘瓦型。支架：常用型焊鋼焊成，特輕型的可用一根圓管作支架，重型的可做成三腿或四腿的行架。懸繩器：由卡瓦牙、上下支撐板及頂絲等組成，將鋼絲繩及光桿連成一體。懸繩器上可以安放示功儀，測(cè)懸點(diǎn)示工圖。（5）抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的循環(huán)特性①對(duì)稱循環(huán)

在實(shí)際應(yīng)用中，采用對(duì)稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)的抽油機(jī)并不多

當(dāng)游梁處于兩極限位置B1C1(對(duì)應(yīng)于懸點(diǎn)下死點(diǎn)）B2C2（對(duì)應(yīng)于懸點(diǎn)上死點(diǎn)）時(shí)，曲柄與連桿分別重合于直線OA1B1，A2OB2上，并且兩直線OA1B1，A2OB2共線。顯然懸點(diǎn)上、下沖程所對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角相等，均為180°，當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，懸點(diǎn)上、下沖程所對(duì)應(yīng)時(shí)間相等，即上、下沖程懸點(diǎn)的平均速度相等。②近似對(duì)稱循環(huán)

常規(guī)抽油機(jī)

當(dāng)游梁處于上、下死點(diǎn)兩極限位置B2C2，B1C1時(shí)，曲柄與連桿的重合線分別為A2OB2（懸點(diǎn)上死點(diǎn)）、OA1B1（懸點(diǎn)下死點(diǎn)）,直線OA1B1，A2OB2所夾的銳角λ稱為四桿機(jī)構(gòu)的極位夾角顯然懸點(diǎn)上、下沖程所對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角分別為：

設(shè)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為，則懸點(diǎn)上、下沖程所需時(shí)間分別為：

當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，懸點(diǎn)上、下沖程的平均速度不等，懸點(diǎn)下沖程的平均速度大于上沖程時(shí)的平均速度。將V上與V下的比值K1稱為四桿機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)，則為K1：

在近似對(duì)稱循環(huán)抽油機(jī)中，一般來(lái)說(shuō):

λ<0.5，K1<1.05

目前，石油礦場(chǎng)廣泛應(yīng)用的常規(guī)型抽油機(jī)均屬于近似對(duì)稱循環(huán)。③非對(duì)稱循環(huán)

異相曲柄平衡抽油機(jī)

異相曲柄平衡抽油機(jī)的游梁后臂長(zhǎng)度縮短，減速箱相對(duì)于支架的位置后移，從而使四桿機(jī)構(gòu)的極位夾角增大．目前，異相機(jī)的機(jī)構(gòu)極位夾角為8~15°，行程速比系數(shù)K1在1.05~1.20之間，因此，異相曲柄平衡抽油機(jī)具有較快的下沖程，上沖程平均速度降低，下沖程的平均速度增大，從而使懸點(diǎn)上沖程的最大加速度降低，有利于減少懸點(diǎn)慣性負(fù)荷和減速箱輸出扭矩，因而有較好的節(jié)能效果。（6）游梁式抽油機(jī)系列型號(hào)表示方法CYJ12—3.3—70(H)F(Y，B，Q)游梁式抽油機(jī)系列代號(hào)CYJ-常規(guī)型CYJQ-前置型CYJY-異相型懸點(diǎn)最大載荷，10kN光桿最大沖程，m減速箱曲柄軸最大允許扭矩,kN.m減速箱齒輪形代號(hào)，H為點(diǎn)嚙合雙圓弧齒輪，省略漸開(kāi)線人字齒輪平衡方式代號(hào)F：復(fù)合平衡Y：游梁平衡B：曲柄平衡Q：氣動(dòng)平衡(二)抽油泵固定閥(吸入閥)1、作用2、主要組成把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓能。工作筒(外筒和襯套)柱塞游動(dòng)閥(排出閥)3、一般要求a.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，質(zhì)量好，連接部分密封可靠；b.制造材料耐磨和抗腐蝕性好，使用壽命長(zhǎng)；c.規(guī)格類型能滿足油井排液量的需要，適應(yīng)性強(qiáng)；d.便于起下；e.結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮防砂、防氣，并帶有必要的輔助設(shè)備。A-管式泵B-桿式泵管式泵：外筒和襯套在地面組裝好接在油管下部先下入井內(nèi)，然后投入固定閥，最后再把柱塞接在抽油桿柱下端下入泵內(nèi)。管式泵特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，排量大。但檢泵時(shí)必須起出油管，修井工作量大，故適用于下泵深度不很大，產(chǎn)量較高的油井。桿式泵：整個(gè)泵在地面組裝好后接在抽油桿柱的下端整體通過(guò)油管下入井內(nèi)，由預(yù)先裝在油管預(yù)定深度(下泵深度)上的卡簧固定在油管上，檢泵時(shí)不需要起油管。桿式泵特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，排量小，修井工作量小。桿式泵適用于下泵深度大、產(chǎn)量較小的油井。4、分類(三)抽油桿：能量傳遞工具。1-外螺紋接頭；2-卸荷槽；3-推承面臺(tái)肩；4-扳手方徑；5-凸緣；6-圓弧過(guò)渡區(qū)抽油桿的桿體直徑分別為13、16、19、22、25、28mm，抽油桿的長(zhǎng)度一般為8000mm或7620mm，另外，為了調(diào)節(jié)抽油桿柱的長(zhǎng)度，還有長(zhǎng)度不等的抽油桿短節(jié)。接箍是抽油桿組合成抽油桿柱時(shí)的連接零件。按其結(jié)構(gòu)特征可分為：普通接箍、異徑接箍和特種接箍。普通接箍：連接等直徑的抽油桿異徑接箍：用于連接不同直徑的抽油桿特種接箍：主要有滾輪式接箍和滾珠式接箍，用于斜井或普通油井中降低抽油桿柱與油管之間的摩擦力，減少對(duì)油管的磨損扶正器抽油桿的強(qiáng)度：C級(jí)桿(570MPa)、D級(jí)桿(810MPa)超高強(qiáng)度抽油桿玻璃鋼抽油桿空心抽油桿電熱抽油桿連續(xù)抽油桿柔性抽油桿特種抽油桿二、泵的工作原理(一)泵的抽汲過(guò)程沖程光桿沖程沖次（二)泵的理論排量

泵的工作過(guò)程是由三個(gè)基本環(huán)節(jié)所組成，即柱塞在泵內(nèi)讓出容積，井內(nèi)液體進(jìn)泵和從泵內(nèi)排出井內(nèi)液體。

每日排量:每分鐘的排量為：

在理想情況下，活塞上、下一次進(jìn)入和排出的液體體積都等于柱塞讓出的體積：第二節(jié)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及載荷一、抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律(一)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律假設(shè)條件：r/l0、r/b0圖3-7抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

游梁和連桿的連接點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)可看做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，即認(rèn)為B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和D點(diǎn)做圓運(yùn)動(dòng)時(shí)在垂直中心線上的投影(C點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。則B點(diǎn)經(jīng)過(guò)t時(shí)間(曲柄轉(zhuǎn)角φ)時(shí)位移為：

以下死點(diǎn)為坐標(biāo)零點(diǎn)，向上為坐標(biāo)正方向，則懸點(diǎn)A的位移為：A點(diǎn)的加速度為:A點(diǎn)的速度為:(二)簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律假設(shè)條件：0<r/l<1/4

把B點(diǎn)繞游梁支點(diǎn)的弧線運(yùn)動(dòng)近似地看做直線運(yùn)動(dòng)，則可把抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)。圖3-9曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖A點(diǎn)位移：A點(diǎn)速度:A點(diǎn)加速度:圖3-10懸點(diǎn)速度變化曲線1-按簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)計(jì)算；2-精確計(jì)算；3-按曲柄滑塊機(jī)構(gòu)計(jì)算圖3-11懸點(diǎn)加速度變化曲線1-按簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)計(jì)算；2-精確計(jì)算；3-按曲柄滑塊機(jī)構(gòu)計(jì)算軟件演示二、抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算1.靜載荷(一)懸點(diǎn)所承受的載荷包括：抽油桿柱載荷；作用在柱塞上的液柱載荷；沉沒(méi)壓力對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響；井口回壓對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響①抽油桿柱載荷上沖程：（即桿柱在空氣中的重力）下沖程：（即桿柱在液體中的重力）②作用在柱塞上的液柱載荷上沖程游動(dòng)閥關(guān)閉，作用在柱塞上的液柱載荷為：下沖程游動(dòng)閥打開(kāi)，液柱載荷作用于油管，而不作用于懸點(diǎn)。③沉沒(méi)壓力(泵口壓力)對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響上沖程

在沉沒(méi)壓力作用下，井內(nèi)液體克服泵入口設(shè)備的阻力進(jìn)入泵內(nèi)，此時(shí)液流所具有的壓力即吸入壓力。吸入壓力作用在柱塞底部產(chǎn)生向上的載荷:下沖程

吸入閥關(guān)閉，沉沒(méi)壓力對(duì)懸點(diǎn)載荷沒(méi)有影響。④井口回壓對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響

液流在地面管線中的流動(dòng)阻力所造成的井口回壓對(duì)懸點(diǎn)將產(chǎn)生附加的載荷。2.動(dòng)載荷(慣性載荷、振動(dòng)載荷)①慣性載荷(忽略桿液彈性影響)

抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驢頭帶著抽油桿柱和液柱做變速運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生抽油桿柱和液柱的慣性力。上沖程：增加懸點(diǎn)載荷:下沖程：減小抽油桿柱載荷:抽油桿柱的慣性力：液柱的慣性力：

為油管過(guò)流斷面變化引起液柱加速度變化的系數(shù)油管直徑，mm油管過(guò)流斷面面積，cm2油管管壁橫截面積，cm240.350.362.012.819.930.25.88.711.7上沖程:前半沖程加速度為正，即加速度向上，則慣性力向下，從而增加懸點(diǎn)載荷；后半沖程中加速度為負(fù)，即加速度向下，則慣性力向上，從而減小懸點(diǎn)載荷。懸點(diǎn)加速度在上、下沖程中大小和方向是變化的。下沖程:與上沖程相反，前半沖程慣性力向上，減小懸點(diǎn)載荷；后半沖程慣性力向下，將增大懸點(diǎn)載荷。抽油桿柱引起的懸點(diǎn)最大慣性載荷液柱引起的懸點(diǎn)最大慣性載荷下沖程中液柱不隨懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有液柱慣性載荷懸點(diǎn)最大慣性載荷上沖程：取r/l=1/4時(shí)，下沖程：上沖程：上沖程：下沖程：②振動(dòng)載荷

抽油桿柱本身為一彈性體，由于抽油桿柱作變速運(yùn)動(dòng)和液柱載荷周期性地作用于抽油桿柱，從而引起抽油桿柱的彈性振動(dòng)，它所產(chǎn)生的振動(dòng)載荷亦作用于懸點(diǎn)上。其數(shù)值與抽油桿柱的長(zhǎng)度、載荷變化周期及抽油機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。(在考慮抽油桿柱彈性時(shí)最大載荷計(jì)算時(shí)介紹)3.摩擦載荷(1)抽油桿柱與油管的摩擦力（桿管）上沖程主要受(1)、(2)、(4)影響，增加懸點(diǎn)載荷(2)柱塞與襯套之間的摩擦力（柱塞與襯套）(3)液柱與抽油桿柱之間的摩擦力（桿液）(4)液柱與油管之間的摩擦力（管液）(5)液體通過(guò)游動(dòng)閥的摩擦力（閥阻力）下沖程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影響，減小懸點(diǎn)載荷①抽油桿柱與液柱之間的摩擦力

抽油桿柱與液柱間的摩擦發(fā)生在下沖程，摩擦力方向向上。阻力的大小隨抽油桿柱的下行速度而變化，最大值為：主要決定因素：液體粘度和抽油桿的運(yùn)動(dòng)速度。把懸點(diǎn)看做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，則②液柱與油管間的摩擦力

上沖程時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，油管內(nèi)的液柱隨抽油桿柱和柱塞上行，液柱與油管間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的摩擦力的方向向下，故增大懸點(diǎn)載荷。

抽油桿柱載荷、液柱載荷及慣性載荷是構(gòu)成懸點(diǎn)載荷的三項(xiàng)基本載荷。稠油井內(nèi)存在摩擦載荷及大沉沒(méi)度的井沉沒(méi)壓力產(chǎn)生的載荷；在低沉沒(méi)度井內(nèi)，由于泵的充滿程度差，會(huì)發(fā)生柱塞與泵內(nèi)液面的撞擊，將產(chǎn)生較大沖擊載荷，從而影響懸點(diǎn)載荷。⑤液體通過(guò)游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力：④柱塞與襯套之間的摩擦力：③桿管摩擦力：(二)懸點(diǎn)最大和最小載荷1.計(jì)算懸點(diǎn)最大載荷和最小載荷的一般公式最大載荷發(fā)生在上沖程，最小載荷發(fā)生在下沖程，其值為：在下泵深度及沉沒(méi)度不很大，井口回壓及沖數(shù)不高的稀油直井內(nèi)，在計(jì)算最大和最小載荷時(shí)，通?？梢院雎訮v、F、Pi、Ph及液柱慣性載荷，則：令：則：抽油桿和油管彈性伸縮示意圖2.考慮抽油桿柱彈性時(shí)懸點(diǎn)最大載荷的計(jì)算初變形期：從上沖程開(kāi)始到液柱載荷加載完畢的過(guò)程。懸點(diǎn)加載、卸載過(guò)程

實(shí)際上，抽油桿柱是彈性體，在抽油過(guò)程中必然會(huì)發(fā)生不同程度的彈性振動(dòng)。抽油機(jī)從上沖程開(kāi)始到液柱載荷加載完畢(即所謂“初變形期”)之后，抽油桿柱帶著活塞隨懸點(diǎn)做變速運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程中，除了液柱和抽油桿柱產(chǎn)生的靜載荷之外，還會(huì)在抽油桿柱上引起動(dòng)載荷。由于抽汲液體一般都具有較大的彈性，而且液柱質(zhì)量并沒(méi)有集中作用在柱塞上；另外，液柱一般都不會(huì)在柱塞上(即抽油桿下端)產(chǎn)生明顯的動(dòng)載荷。因此，下面討論中忽略了液柱對(duì)抽油桿柱動(dòng)載荷的影響。2.考慮抽油桿柱彈性時(shí)懸點(diǎn)最大載荷的計(jì)算

初變形期之后，抽油桿柱帶著活塞隨懸點(diǎn)做變速運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程中，除了液柱和抽油桿柱產(chǎn)生的靜載荷之外，還會(huì)在抽油桿柱上引起動(dòng)載荷。初變形期末抽油桿柱運(yùn)動(dòng)引起的自由縱振產(chǎn)生的振動(dòng)載荷初變形期：從上沖程開(kāi)始到液柱載荷加載完畢的過(guò)程。抽油桿柱做變速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性載荷動(dòng)載荷忽略液柱對(duì)抽油桿柱動(dòng)載荷的影響①抽油桿柱自由縱振產(chǎn)生的振動(dòng)載荷

在初變形期末激發(fā)起的抽油桿的縱向振動(dòng)微分方程為:抽油桿柱的自由縱振在懸點(diǎn)上引起的振動(dòng)載荷為:用分離變量法求解為：坐標(biāo)原點(diǎn)選在懸點(diǎn)初始條件邊界條件圖3-13隨的變化懸點(diǎn)的的振動(dòng)載荷是的周期函數(shù)。所以，最大振動(dòng)載荷發(fā)生在處，實(shí)際上由于存在阻尼，振動(dòng)將會(huì)隨時(shí)間衰減，故最大振動(dòng)載荷發(fā)生在處，即：②抽油桿柱的慣性載荷

慣性載荷的大小取決于抽油桿柱的質(zhì)量、懸點(diǎn)加速度及其在桿柱上的分布。懸點(diǎn)加速度的變化決定于抽油機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)。

初變形期之后抽油桿柱隨懸點(diǎn)做變速運(yùn)動(dòng)，必然會(huì)由于強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)而在抽油桿柱內(nèi)產(chǎn)生附加的動(dòng)載荷。為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，把強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷只考慮為抽油桿柱隨懸點(diǎn)做加速度運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性載荷。簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸點(diǎn)加速度為：抽油桿柱距懸點(diǎn)x處的加速度為：在x處單元體上的慣性力將為：積分后可得任一時(shí)間作用在整個(gè)抽油桿柱L上的總慣性力：

抽油桿柱的慣性力并不正比于加速度的瞬時(shí)值，而是正比于在期間懸點(diǎn)速度的增量。當(dāng)時(shí)，抽油桿柱的慣性力隨t’而減?。划?dāng)時(shí)，抽油桿柱的慣性力等于零；當(dāng)時(shí)，慣性力改變方向，其絕對(duì)值隨t’增大。③懸點(diǎn)最大載荷

初變形期后，懸點(diǎn)載荷P是抽油桿柱載荷、液柱載荷、及振動(dòng)、慣性載荷疊加而成，即:t0為初變形期經(jīng)歷的時(shí)間

取最大振動(dòng)載荷出現(xiàn)的時(shí)間為懸點(diǎn)出現(xiàn)最大載荷的時(shí)間,則得到計(jì)算懸點(diǎn)最大載荷的公式：a.油管下端固定

在油管下端固定的情況下，初變形期末柱塞對(duì)懸點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等于懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，即油管下端固定時(shí)懸點(diǎn)最大載荷為：b.油管下端未固定初變形期末懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度：

初變形期末柱塞對(duì)懸點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度將小于懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，并且：油管下端未固定時(shí)懸點(diǎn)最大載荷為：3.計(jì)算懸點(diǎn)最大載荷的其它公式一般井深及低沖數(shù)油井簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、桿柱和液柱慣性載荷簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、桿柱慣性載荷簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、桿柱和液柱慣性載荷抽油機(jī)3-8-83-9-203-11-183-10-163-8-93-4-17ⅠⅡⅢⅣⅤ實(shí)測(cè)(P測(cè)-PⅡ)/P測(cè),%4.804.754.064.254.444.67+0.25.785.565.105.055.266.42+13.45.194.974.534.474.684.84-2.75.525.194.844.824.925.20+0.94.604.203.803.763.924.40+4.54.504.333.943.914.034.15-4.35不同公式計(jì)算的和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比（kN)用公式Ⅱ計(jì)算的結(jié)果接近于上述6口井的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，而公式Ⅰ計(jì)算的結(jié)果普遍偏高，公式Ⅲ和公式Ⅳ普遍偏低第三節(jié)抽油機(jī)平衡、扭矩與功率計(jì)算一、抽油機(jī)平衡計(jì)算不平衡原因

不平衡造成的后果

上下沖程中懸點(diǎn)載荷不同，造成電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中所做的功不相等。①上沖程中電動(dòng)機(jī)承受著極大的負(fù)荷，下沖程中抽油機(jī)帶著電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，造成功率的浪費(fèi)，降低電動(dòng)機(jī)的效率和壽命；②由于負(fù)荷極不均勻，會(huì)使抽油機(jī)發(fā)生激烈振動(dòng)，而影響抽油裝置的壽命。

③破壞曲柄旋轉(zhuǎn)速度的均勻性，影響抽油桿和泵正常工作。(一)平衡原理

在下沖程中把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在上沖程中利用儲(chǔ)存的能量來(lái)幫助電動(dòng)機(jī)做功，從而使電動(dòng)機(jī)在上下沖程中都做相等的正功。

所以，為了使抽油機(jī)平衡，在下沖程中需要儲(chǔ)存的能量或上沖程中需要釋放的能量應(yīng)該是懸點(diǎn)載荷在上下沖程中所做功之和的一半。下沖程：上沖程：平衡條件：(二)平衡方式氣動(dòng)平衡：機(jī)械平衡游梁平衡：游梁尾部加平衡重；曲柄平衡(旋轉(zhuǎn)平衡)：平衡塊加在曲柄上；復(fù)合平衡(混合平衡)：

游梁尾部和曲柄上都有平衡重。(1)氣包內(nèi)的氣體壓縮與膨脹(2)多用于大型抽油機(jī)；(3)節(jié)約鋼材；(4)改善抽油機(jī)受力狀況；(5)加工質(zhì)量要求高(如氣包的密封性等)。上沖程中懸點(diǎn)所做的功：下沖程中懸點(diǎn)所做的功:

由于慣性載荷在上沖程和下沖程中所做的總功等于零，所以在中沒(méi)有考慮Au、Ad慣性力。

采用多大的平衡力才能使下沖程中存儲(chǔ)的能量，或上沖程中平衡重所做的功等于(三)平衡計(jì)算1)復(fù)合平衡平衡半徑公式:2)曲柄平衡平衡半徑公式：圖3-14復(fù)合平衡圖3-15曲柄平衡3)游梁平衡(四)抽油機(jī)平衡檢驗(yàn)方法1)測(cè)量驢頭上、下沖程的時(shí)間平衡條件下上、下沖程所用的時(shí)間基本相等。如果上沖程快，下沖程慢，說(shuō)明平衡過(guò)量。2)測(cè)量上、下沖程中的電流平衡條件下上、下沖程的電流峰值相等。如果上沖程的電流峰值大于下沖程的電流峰值，說(shuō)明平衡不夠。達(dá)到平衡所需要的游梁平衡塊重:圖3-16游梁平衡二、曲柄軸扭矩計(jì)算及分析(一)計(jì)算扭矩的基本公式

抽油過(guò)程中減速箱輸出軸(曲柄軸)的扭矩M等于曲柄半徑與作用在曲柄銷處的切線力T的乘積，即：圖3-17抽油機(jī)幾何尺寸與曲銷受力圖

只要確定出曲柄銷處的切線力T就可算出曲柄軸扭矩M。復(fù)合平衡抽油機(jī)曲柄銷所受的力如圖3-17所示。圖中，F(xiàn)p為曲柄銷所受的連桿拉力(與連桿力大小相等方向相反)；Wc’為折算至曲柄半徑r處的平衡重：Wcb—曲柄平衡塊總重；Wc—曲柄重R—曲柄平衡半徑，即從曲柄軸心至平衡塊重心之距離Rc—為折算至曲柄半徑,即曲柄軸心至曲柄重心之距離對(duì)曲柄軸中心取力矩平衡可得：由上式解得

二、曲柄軸扭矩計(jì)算及分析(一)計(jì)算扭矩的基本公式曲柄平衡抽油機(jī)：不同平衡方式的抽油機(jī)扭矩精確計(jì)算相關(guān)式

抽油過(guò)程中減速箱輸出軸(曲柄軸)的扭矩M等于曲柄半徑與作用在曲柄銷處的切線力T的乘積，即：復(fù)合平衡抽油機(jī)：游梁平衡抽油機(jī)：懸點(diǎn)載荷P在曲柄上造成的扭矩Mp,稱油井負(fù)荷扭矩：把式中的乘積稱扭矩因數(shù)，用表示：

扭矩因數(shù)也就是懸點(diǎn)載荷在曲柄軸上造成的扭矩Mp與懸點(diǎn)載荷P的比值，即復(fù)合平衡抽油機(jī):曲柄平衡抽油機(jī)：簡(jiǎn)化條件：忽略游梁擺角和游梁平衡重慣性力矩的影響。扭矩因數(shù)：懸點(diǎn)載荷在曲柄軸上造成的扭矩與懸點(diǎn)載荷的比值。抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡值B(Xuc)：等于連桿與曲柄銷脫開(kāi)時(shí)，為了保持游梁處于水平位置而需要加在光桿上的力。(方向向下為正)不同平衡方式的抽油機(jī)扭矩簡(jiǎn)化計(jì)算相關(guān)式游梁平衡抽油機(jī)：(二)扭矩因數(shù)計(jì)算圖3-17抽油機(jī)幾何尺寸與曲銷受力圖(三)懸點(diǎn)位移與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系扭矩曲線抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)測(cè)示功圖懸點(diǎn)載荷與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系扭矩因數(shù)與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系沖程百分?jǐn)?shù)：—驢頭在下死點(diǎn)位置時(shí)的角—驢頭在上死點(diǎn)位置時(shí)的角—隨φ角而變的b和K之間的夾角圖3-18濮1-3井扭矩曲線1.凈扭矩；2.油井負(fù)荷扭矩；3.曲柄平衡扭矩只要對(duì)各種抽油機(jī)預(yù)先計(jì)算出每種沖程下的扭矩因數(shù)，就可以很容易利用實(shí)測(cè)懸點(diǎn)載荷(示功圖)由公式計(jì)算曲柄軸扭矩。表示曲柄及其平衡重在曲柄軸上造成的扭矩Mc

，稱曲柄平衡扭矩：

曲柄軸上的凈扭矩M為懸點(diǎn)載荷P造成的扭矩Mp與曲柄平衡重造成的扭矩Mc之間，即：平衡條件：(四)扭矩曲線的應(yīng)用1.檢查是否超扭矩及判斷是否發(fā)生“背面沖突”2.判斷及計(jì)算平衡3.功率分析4.效率分析電機(jī)、皮帶傳動(dòng)、減速箱的效率分析。電動(dòng)機(jī)輸入的平均功率：電動(dòng)機(jī)輸出的平均功率：減速箱的平均輸出功率：減速箱輸出的瞬時(shí)功率:抽油過(guò)程中曲柄軸上出現(xiàn)負(fù)扭矩現(xiàn)象時(shí)，減速箱的主動(dòng)輪變?yōu)閺膭?dòng)輪的現(xiàn)象。

抽油機(jī)平衡是為了使電動(dòng)機(jī)的負(fù)載盡可能地達(dá)到均勻。如前所述，在抽油設(shè)計(jì)中，一般都是以上、下沖程中電動(dòng)機(jī)做的功相等作為平衡標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算平衡。在檢驗(yàn)平衡和進(jìn)行調(diào)整平衡的計(jì)算時(shí)，通常是以上、下沖程高峰扭矩相等為標(biāo)準(zhǔn)，即：

如果，則上重下輕，說(shuō)明平衡不夠，需要增大平衡扭矩；反之，則說(shuō)明平衡過(guò)重，需要減小平衡扭矩。復(fù)合平衡和曲柄平衡抽油機(jī)，通常采用改變平衡半徑R的方法來(lái)調(diào)節(jié)平衡扭矩。只有在調(diào)整R還不能滿足要求的情況下，才改變平衡重塊數(shù)。平衡分析

對(duì)上、下沖程高峰扭矩不等的抽油井，為使其達(dá)到平衡，首先要計(jì)算需要的曲柄最大平衡扭矩：、—上、下沖程高峰扭矩所對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角；

Pu、Pd—與Φu、Φd對(duì)應(yīng)的懸點(diǎn)載荷；—與Φu、Φd對(duì)應(yīng)的扭矩因數(shù)；相應(yīng)的平衡半徑為：

可根據(jù)上、下沖程中扭矩曲線峰值差來(lái)計(jì)算平衡半徑的調(diào)整值

為正時(shí)，將平衡塊位置向外移動(dòng)；為負(fù)時(shí)，則向內(nèi)移動(dòng)。

對(duì)實(shí)際油井調(diào)整平衡前后的扭矩曲線的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：只要，抽油機(jī)就能保持良好的平衡狀況，(五)最大扭矩計(jì)算公式1.根據(jù)扭矩曲線計(jì)算最大扭矩1—未平衡2—平衡良好2.計(jì)算最大扭矩的近似公式(1)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)(2)忽略抽油機(jī)系統(tǒng)的慣性和游梁擺角的影響(3)最大峰值扭矩發(fā)生在曲柄轉(zhuǎn)角為90時(shí)簡(jiǎn)化條件：在平衡條件下：有效平衡值：抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡重及平衡重在懸點(diǎn)產(chǎn)生的平衡力。它表示了被實(shí)際平衡掉的懸點(diǎn)載荷值。3.計(jì)算最大扭矩的經(jīng)驗(yàn)公式蘇聯(lián)拉瑪扎諾夫于1957年提出：根據(jù)國(guó)內(nèi)油井扭矩曲線的峰值建立的經(jīng)驗(yàn)公式：三、電動(dòng)機(jī)選擇和功率計(jì)算(一)電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

電動(dòng)機(jī)的選擇關(guān)系到電能的利用效率和能否充分發(fā)揮抽油設(shè)備與油層生產(chǎn)能力。a.負(fù)荷是脈沖的，而且變化大；游梁式抽油裝置的特點(diǎn)：

目前國(guó)產(chǎn)抽油機(jī)所選配的電動(dòng)機(jī)大多是高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩系列的三相異步封閉式鼠籠型電動(dòng)機(jī)。b.啟動(dòng)條件困難，要求有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；c.所用的電動(dòng)機(jī)功率不太大，但總的數(shù)量大；d.在露天工作，要求電動(dòng)機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)單、工作可靠。

減速箱輸出的瞬時(shí)功率等于瞬時(shí)扭矩與曲柄角速度的乘積，即一個(gè)沖程中的平均功率即為：功率分析利用扭矩曲線求得減速箱的平均輸出功率

電動(dòng)機(jī)功率與傳到減速箱從動(dòng)軸(曲柄軸)上的扭矩的關(guān)系式為：M—傳至曲柄軸上的扭矩，Nm；n—曲柄軸轉(zhuǎn)數(shù)(沖數(shù))，rpm；η—傳動(dòng)效率，i—總傳動(dòng)比，Nr—電動(dòng)機(jī)功率，kW；nm—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，rpm；電動(dòng)機(jī)功率由于抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷是變化的，所以電動(dòng)機(jī)功率與傳到曲柄軸上的扭矩也是變化的，因此在變負(fù)荷條件下，電動(dòng)機(jī)選擇的一般是根據(jù)扭矩的變化規(guī)律，按等值扭矩來(lái)計(jì)算，即：等值扭矩Me

：用一個(gè)不變化的固定扭矩代替變化的實(shí)際扭矩，使其電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱條件相同，則此固定扭矩即為實(shí)際變化的扭矩的等值扭矩。電動(dòng)機(jī)功率與曲柄軸上的扭矩關(guān)系式為：等值扭矩與最大扭矩之間的關(guān)系電動(dòng)機(jī)功率：考慮到不平衡等因素，實(shí)際計(jì)算時(shí)建議采用：真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律：作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，扭矩呈正弦規(guī)律變化：如果取η=0.9，則

由于實(shí)際扭矩變化規(guī)律的復(fù)雜性，要合理選擇電動(dòng)機(jī)功率是比較困難的，式(3-78)只是用于近似分析和計(jì)算的簡(jiǎn)便公式。在國(guó)外曾提出了各種各樣的半經(jīng)驗(yàn)性公式，有的計(jì)算比較復(fù)雜，也有的比較簡(jiǎn)便，但有些計(jì)算結(jié)果卻相差很大。下面介紹一種計(jì)算比較簡(jiǎn)便而又有代表性的一種。（二）抽油效率計(jì)算水力功率：在一定時(shí)間內(nèi)將一定量的液體提升一定距離所需要的功率。光桿功率：通過(guò)光桿來(lái)提升液體和克服井下?lián)p耗所需要的功率。(2)根據(jù)示功圖繪制扭矩曲線準(zhǔn)確計(jì)算光桿平均功率。(3)光桿功率計(jì)算的近似計(jì)算：(1)根據(jù)實(shí)測(cè)示功圖準(zhǔn)確計(jì)算：皮帶和減速箱效率四連桿機(jī)構(gòu)效率盤根盒效率抽油桿效率抽油泵效率管柱效率電動(dòng)機(jī)效率抽油效率：井下效率：地面效率：第四節(jié)泵效計(jì)算泵效：在抽油井生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值。影響泵效的因素(3)漏失影響(1)抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮(2)氣體和充不滿的影響(4)體積系數(shù)的影響地面產(chǎn)液量一、柱塞沖程

液柱載荷交替地由油管轉(zhuǎn)移到抽油桿柱和由抽油桿柱轉(zhuǎn)移到油管，使桿柱和管柱發(fā)生交替地伸長(zhǎng)和縮短。(一)靜載荷作用下的柱塞沖程柱塞沖程小于光桿沖程抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮泵效小于1交變載荷作用

抽油桿柱和油管柱的自重伸長(zhǎng)在泵工作的整個(gè)過(guò)程中是不變的，它們不會(huì)影響柱塞沖程。沖程損失計(jì)算式：柱塞沖程：沖程損失：抽油桿和油管彈性伸縮示意圖多級(jí)抽油桿的沖程損失：沖程損失的影響因素分析：(2)抽油桿和油管的性質(zhì)、組合；(3)下泵深度；(4)抽油泵的規(guī)格。(1)油層供液狀況和生產(chǎn)流體的性質(zhì)；(二)考慮慣性載荷后柱塞沖程的計(jì)算

當(dāng)懸點(diǎn)上升到上死點(diǎn)時(shí)，抽油桿柱有向下的(負(fù)的)最大加速度和向上的最大慣性載荷，抽油桿在慣性載荷的作用下還會(huì)帶著柱塞繼續(xù)上行。

當(dāng)懸點(diǎn)下行到下死點(diǎn)后，抽油桿的慣性力向下，使抽油桿柱伸長(zhǎng)，柱塞又比靜載變形時(shí)向下多移動(dòng)一段距離。柱塞沖程增加量：

由于抽油桿柱上各點(diǎn)所承受的慣性力不同，計(jì)算中近似取其平均值，即：根據(jù)虎克定律，慣性載荷引起的柱塞沖程增量為：

因此，考慮靜載荷和慣性載荷后的柱塞沖程為：上沖程：下沖程：(三)抽油桿柱的振動(dòng)對(duì)柱塞沖程的影響

理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明：抽油桿柱本身振動(dòng)的相位在上下沖程中幾乎是對(duì)稱的，即如果上沖程末抽油桿柱伸長(zhǎng)，則下沖程末抽油桿柱縮短。因此，抽油桿振動(dòng)引起的伸縮對(duì)柱塞沖程的影響是一致，即要增加都增加，要減小都減小。其增減情況取決于抽油桿柱自由振動(dòng)與懸點(diǎn)擺動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)的相位配合。液柱載荷交變作用抽油桿柱變速運(yùn)動(dòng)抽油桿柱振動(dòng)抽油桿柱變形

因此，抽油桿柱振動(dòng)對(duì)柱塞沖程的影響存在著沖次、沖程配合的有利與不利區(qū)域。超沖程現(xiàn)象二、泵的充滿程度氣鎖：抽汲時(shí)由于氣體在泵內(nèi)壓縮和膨脹，吸入和排出閥無(wú)法打開(kāi)，出現(xiàn)抽不出油的現(xiàn)象。圖3-20氣體對(duì)沖滿程度的影響余隙比：充滿系數(shù)：條件：泵充滿程度的影響因素分析：(1)生產(chǎn)流體的性質(zhì)—?dú)庖罕?/p>

R愈小，就越大。增加泵的沉沒(méi)深度或使用氣錨。(2)防沖距

泵吸入口壓力下死點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài)下柱塞與泵吸入口的距離K值越小，值就越大。盡量減小防沖距，以減小余隙。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絲扣、泵的連接部分及泄油器不嚴(yán)等影響泵效漏失

漏失很難計(jì)算，除了新泵可根據(jù)試泵實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和相關(guān)式估算外，泵由于磨損、砂蠟卡和腐蝕所產(chǎn)生的漏失以及油管絲扣、泵的連接部分和泄油器不嚴(yán)等所產(chǎn)生的漏失很難計(jì)算。柱塞與襯套間隙漏失計(jì)算靜止條件下的漏失量：活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)上帶液量：總漏失量為：所以只考慮柱塞間隙漏失時(shí)，漏失系數(shù)為：四、提高泵效的措施(1)選擇合理的工作方式①選用大沖程、小沖次，減小氣體影響，降低懸點(diǎn)載荷，特別是稠油的井。②連噴帶抽井選用大沖數(shù)快速抽汲，以增強(qiáng)誘噴作用。③深井抽汲時(shí)，S和N的選擇一定要避開(kāi)不利配合區(qū)。(2)確定合理沉沒(méi)度。(3)改善泵的結(jié)構(gòu)，提高泵的抗磨、抗腐蝕性能。(4)使用油管錨減少?zèng)_程損失(5)合理利用氣體能量及減少氣體影響重力式氣錨分離原理旋流分離器

利用離心力原理分離氣液（固）體。

氣液（固）混合物由切線方向進(jìn)入分離器后，沿分離器筒體旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力。離心力與液（固）體顆粒的密度成正比。液（固）體顆粒的密度比氣體大得多，于是液（固）體顆粒就被拋到外圈（靠近器壁），較輕的氣體則在內(nèi)圈。被拋在外圈的液（固）體顆粒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并向下沉淀，最后到達(dá)錐形管聚集后從下部出口放出，內(nèi)圈的氣體則從上部出口放出。第五節(jié)有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、抽油桿強(qiáng)度計(jì)算及桿柱設(shè)計(jì)抽油桿設(shè)計(jì)：抽油桿柱的長(zhǎng)度、直徑、組合及材料。

抽油桿柱工作時(shí)承受著交變負(fù)荷所產(chǎn)生的非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力作用。

在交變負(fù)荷作用下，抽油桿柱往往是由于疲勞而發(fā)生破壞，而不是在最大拉應(yīng)力下破壞。因此，抽油桿柱必須根據(jù)疲勞強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行計(jì)算1.И.А奧金格公式②采用下部加重桿柱，既可提高抽油桿剛度和強(qiáng)度，又可克服活塞下行阻力，以減小彎曲。注意：①對(duì)于深井，通常多級(jí)組合抽油桿柱。強(qiáng)度條件：(一)抽油桿強(qiáng)度計(jì)算方法2.修正古德曼圖圖3-29修正古德曼圖安全區(qū)強(qiáng)度條件：應(yīng)力范圍比：抽油桿使用系數(shù)取決于流體的性質(zhì)(二)抽油桿柱設(shè)計(jì)步驟(2)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法(1)不等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法套管抽油泵油管二、有桿抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有桿抽油系統(tǒng)組成：有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1)油層(2)井筒(4)地面出油管線(3)采油設(shè)備(機(jī)、桿、泵等)(4)工況指標(biāo)預(yù)測(cè)。(1)油井流入動(dòng)態(tài)計(jì)算；(2)采油設(shè)備(機(jī)、桿、泵等)選擇；(3)抽汲參數(shù)(沖程、沖次、泵徑和下泵深度等)確定；有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)：經(jīng)濟(jì)、有效地舉升原油。IPR井筒多相流規(guī)律運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律地面多相流規(guī)律(1)油井和油層數(shù)據(jù)；(2)流體物性參數(shù)；(3)油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)。有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)：有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)：有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：油藏供液能力節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析方法有桿抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：(1)IPR計(jì)算(3)溫度場(chǎng)計(jì)算(2)(4)(5)計(jì)算(6)(7)抽油桿柱設(shè)計(jì)(8)泵效分析(9)產(chǎn)量迭代計(jì)算(10)工況指標(biāo)計(jì)算不限定產(chǎn)量的設(shè)計(jì)在一定設(shè)備的條件下，尋求發(fā)揮設(shè)備最大潛力的設(shè)計(jì)方法IPR曲線初設(shè)Q’,流壓從流壓計(jì)算井筒壓力分布由β-pi，確定下泵深度初設(shè)抽油桿直徑，從井口向下，計(jì)算液柱載荷給定泵徑和初設(shè)泵效、確定s、n桿柱設(shè)計(jì)，若超應(yīng)力，減小Q’根據(jù)設(shè)計(jì)出的桿柱，重新計(jì)算泵效、Q’’則（Q’+Q’’)/2=Q’進(jìn)行扭矩、功率、電耗計(jì)算，檢查是否超出設(shè)備額定值抽油機(jī)井生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析1.抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)的組成(1)油氣層子系統(tǒng)(2)井筒子系統(tǒng)(3)地面集輸子系統(tǒng)(4)采油設(shè)備子系統(tǒng)穩(wěn)定工作條件：協(xié)調(diào)2.節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析方法

節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析法：應(yīng)用系統(tǒng)工程原理，把整個(gè)油井生產(chǎn)系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，研究各子系統(tǒng)間的相互關(guān)系及其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作的影響，為系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行及參數(shù)調(diào)控提供依據(jù)。節(jié)點(diǎn)劃分依據(jù)：不同的流動(dòng)規(guī)律相關(guān)式節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析實(shí)質(zhì)：協(xié)調(diào)理論在采油應(yīng)用方面的發(fā)展協(xié)調(diào)條件質(zhì)量守恒能量(壓力)守恒熱量守恒3.抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置123456分離器7求解點(diǎn)的選擇：下泵處。求解點(diǎn)：為使問(wèn)題獲得解決的節(jié)點(diǎn)。分離器節(jié)點(diǎn)7電機(jī)輸入節(jié)點(diǎn)6井口節(jié)點(diǎn)5泵排出口節(jié)點(diǎn)4泵吸入口節(jié)點(diǎn)3井底節(jié)點(diǎn)2油層節(jié)點(diǎn)14.優(yōu)化設(shè)計(jì)思路利用數(shù)值模擬（仿真）的思路，對(duì)油井生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)可行的各種生產(chǎn)配置的可能性進(jìn)行全面計(jì)算分析，使得優(yōu)化結(jié)果具有很強(qiáng)的可操作性，同時(shí)具有敏感性分析作用。四點(diǎn)條件：

油井流入動(dòng)態(tài)抽油設(shè)備抽汲參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)5.有桿抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖三、鋼桿-玻璃鋼桿組合桿柱抽油技術(shù)玻璃鋼桿優(yōu)點(diǎn)(1)重量輕，可減少設(shè)備投資，節(jié)省能源和增加下泵深度。(2)彈性好，可以實(shí)現(xiàn)超沖程。(3)耐腐蝕，可減少斷脫事故。玻璃鋼桿缺點(diǎn)(1)價(jià)格貴：是鋼質(zhì)抽油桿的1.6～1.8倍。(2)不能承受軸向壓縮載荷，使用溫度不能超過(guò)93.3℃。(3)報(bào)廢桿不能溶化回收利用。目前鋼—玻璃鋼組合桿柱設(shè)計(jì)理論與普通全鋼桿設(shè)計(jì)相同。第六節(jié)有桿抽油系統(tǒng)工況分析(1)了解油層生產(chǎn)能力及工作狀況，分析是否已發(fā)揮了油層潛力，分析、判斷油層不正常工作的原因；(2)了解設(shè)備能力及工作狀況，分析設(shè)備是否適應(yīng)油層生產(chǎn)能力，了解設(shè)備潛力，分析判斷設(shè)備不正常的原因；(3)分析檢查措施效果。分析目的：油層與抽油設(shè)備協(xié)調(diào)，油井高效生產(chǎn)。分析內(nèi)容：一、抽油井液面測(cè)試與分析（一）動(dòng)液面、靜液面及采油指數(shù)靜液面（Ls或Hs）：對(duì)應(yīng)于油藏壓力。動(dòng)液面（Lf或Hf）：對(duì)應(yīng)于井底壓力

流壓生產(chǎn)壓差：與靜液面和動(dòng)液面之差相對(duì)應(yīng)的壓力差。沉沒(méi)度hs：根據(jù)氣油比和原油進(jìn)泵壓力損失而定。圖3-25靜液面與動(dòng)液面的位置采油指數(shù)：折算液面：把在一定套壓下測(cè)得的液面折算成套管壓力為零時(shí)的液面，即：？(二)液面位置的測(cè)量測(cè)量?jī)x器：回聲儀測(cè)量原理：利用聲波在環(huán)形空間流體介質(zhì)中的傳播速度和測(cè)得的反射時(shí)間來(lái)計(jì)算其位置：1.有音標(biāo)的井圖3-26聲波反射曲線2.無(wú)音標(biāo)井根據(jù)波動(dòng)理論和聲學(xué)原理，聲波在氣體中的傳播速度為：利用氣體狀態(tài)方程確定氣體密度：因?yàn)椋簞t：聲波速度為：簡(jiǎn)化為：(三)含水井油水界面及工作制度與含水的關(guān)系①含水井正常抽油時(shí)，油水界面穩(wěn)定在泵的吸入口處。低氣油比含水油井：在泵下加深尾管來(lái)降低流壓，提高產(chǎn)量。低含水高氣油比井(除帶噴者外)：加深尾管會(huì)降低泵的充滿系數(shù)，因?yàn)檫M(jìn)入尾管后從油中分出的氣體將全部進(jìn)入泵內(nèi)。圖3-27含水井的油水界面思考題：上述說(shuō)法的理由？②抽油井工作制度與含水的變化關(guān)系當(dāng)油層和水層壓力相同(或油水同層)時(shí)，油井含水不隨工作制度而改變；當(dāng)出油層壓力高于出水層壓力時(shí)，增大總采液量(降流壓)，將引起油井含水量的上升；當(dāng)水層壓力高于油層壓力時(shí)，加大總采液量，將使油井含水量下降。確定含水井工作制度時(shí)：①對(duì)油水層壓力相同及水層壓力高于油層壓力的井，把產(chǎn)液量增大到設(shè)備允許的抽汲量是合理的。②利用油井在不同工作制度下產(chǎn)液量與含水的變化情況來(lái)判斷油水層的壓力關(guān)系。二、地面示功圖分析示功圖：載荷隨位移的變化關(guān)系曲線所構(gòu)成的封閉曲線圖。地面示功圖或光桿示功圖：懸點(diǎn)載荷與位移關(guān)系的示功圖。(一)理論示功圖及其分析1.靜載荷作用下的理論示功圖循環(huán)過(guò)程：下死點(diǎn)A加載完成B上死點(diǎn)C卸載完成D下死點(diǎn)A圖3-28靜載理論示功圖ABC為上沖程靜載荷變化線。AB為加載過(guò)程，加載過(guò)程中，游動(dòng)凡爾和固定凡爾處于關(guān)閉狀態(tài)；在B點(diǎn)加載完畢，變形結(jié)束，柱塞與泵筒開(kāi)始發(fā)生相對(duì)位移，固定凡爾打開(kāi)而吸入液體。BC為吸入過(guò)程（BC=sP為泵的沖程），游動(dòng)凡爾處于關(guān)閉狀態(tài)。CDA為下沖程靜載荷變化線。CD為卸載過(guò)程，游動(dòng)凡爾和固定凡爾處于關(guān)閉狀態(tài)；在D點(diǎn)卸載完畢，變形結(jié)束，柱塞與泵筒發(fā)生向下相對(duì)位移，游動(dòng)凡爾被頂開(kāi)、排出液體。DA為排出過(guò)程，固定凡爾處于關(guān)閉狀態(tài)。2.考慮慣性載荷后的理論示功圖圖3-29考慮慣性和振動(dòng)后的理論示功圖S/2(二)典型示功圖分析典型示功圖：某一因素的影響十分明顯，其形狀代表了該因素影響下的基本特征的示功圖。1.氣體和充不滿對(duì)示功圖的影響圖3-30有氣體影響的示功圖①氣體影響示功圖充滿系數(shù)：氣鎖②充不滿影響的示功圖充不滿現(xiàn)象：地層產(chǎn)液在上沖程末未充滿泵筒的現(xiàn)象。液擊現(xiàn)象：泵充不滿生產(chǎn)時(shí)，柱塞與泵內(nèi)液面撞擊引起抽油設(shè)備受力急劇變化的現(xiàn)象。圖3-31充不滿的示功圖2.漏失對(duì)示功圖的影響①排出部分的漏失圖3-32泵排出部分漏失柱塞的有效吸入行程：泵效：②吸入部分漏失圖3-33吸入凡爾漏失柱塞的有效吸入行程：泵效：圖3-34吸入凡爾嚴(yán)重漏失③吸入部分和排出部分同時(shí)漏失圖3-35吸入凡爾和排出凡爾同時(shí)漏失3.柱塞遇卡的示功圖柱塞在泵筒內(nèi)被卡死在某一位置時(shí)，在抽汲過(guò)程中柱塞無(wú)法移動(dòng)而只有抽油桿的伸縮變形，圖形形狀與被卡位置有關(guān)。圖3-36活塞卡在泵筒中部4.帶噴井的示功圖

在抽汲過(guò)程中，游動(dòng)閥和固定閥處于同時(shí)打開(kāi)狀態(tài)，液柱載荷基本加不到懸點(diǎn)。示功圖的位置和載荷變化的大小取決于噴勢(shì)的強(qiáng)弱及抽汲液體的粘度。圖3-37噴勢(shì)強(qiáng)、油稀帶噴圖3-38噴勢(shì)弱、油稠帶噴5.抽油桿斷脫

抽油桿斷脫后的懸點(diǎn)載荷實(shí)際上是斷脫點(diǎn)以上的抽油桿柱重量，只是由于摩擦力，才使上下載荷線不重合。圖形的位置取決于斷脫點(diǎn)的位置。抽油桿柱的斷脫位置可根據(jù)下式來(lái)估算：圖3-39抽油桿斷脫圖3-40出砂井6.其它情況圖3-41結(jié)蠟井圖3-42管式泵活塞脫出工作筒圖3-43防沖距過(guò)小活塞碰固定凡爾的示功圖三、抽油機(jī)井工況診斷技術(shù)抽油機(jī)井工況診斷技術(shù)：①計(jì)算抽油桿柱斷面上的應(yīng)力分布和示功圖；②估算泵口壓力；③判斷油井潛能；④計(jì)算活塞沖程和泵效；⑤檢驗(yàn)泵及油管錨的機(jī)械狀況；⑥計(jì)算和繪制扭矩曲線，并進(jìn)行平衡和功率的計(jì)算與分析。抽油井計(jì)算機(jī)診斷的內(nèi)容：光桿示功圖數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)井下示功圖抽油設(shè)備工況(一)診斷技術(shù)的理論基礎(chǔ)信號(hào)發(fā)送器信號(hào)接收器井下動(dòng)態(tài)信號(hào)的傳導(dǎo)線應(yīng)力波設(shè)備工況信號(hào)記錄應(yīng)力波在抽油桿柱中傳播過(guò)程可用帶阻尼的波動(dòng)方程描述：

用以截尾傅立葉級(jí)數(shù)表示的懸點(diǎn)動(dòng)負(fù)荷函數(shù)D(T)及光桿位移函數(shù)U(T)作為邊界條件：

用分離變量法，可得抽油桿