抽油机变载荷对系统效率的影响

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，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2．14(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。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(gfLgffLghf沉杆杆液柱杆液柱）(fLgFLhg沉杆杆油油（））PP杆油式中杆一抽油杆材料的密度，3kg/m油—一原油的密度，3kg/m；2f杆——抽油杆横截面面积，2m；F——泵柱塞横截面团积．2m；L一—抽油杆长度或下泵深度，m；2．下冲程当悬点从上死点往下移动时，如图214〔b)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P杆。而固定阀关闭，使油柱重力移到固定阀和油管上。这样一来，下冲程时悬点的静载荷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PPPP静上静下油(油柱重)，载荷增加就使抽油杆伸长，伸长的大小杆等于：PLPLEfEf油杆杆杆式中E——钢材的弹性模数．等于1122.110/()Nma或P。在伸长变形完毕以后，载荷P才全部加到抽油杆或悬点上。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杆时．由于同时产生的抽油杆柱伸长的结果．使柱塞还停留在原来位置，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P油压在固定阀上，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杆等于PLEf油管管3式中f管—油管管壁的横截而面积，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管以后，柱塞才开始抽油。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S液要比S小，所以SS效而静变形的大小等于PLPLEfEf油油杆管杆管1fPLEff杆油杆管杆式中11ff杆管称为变形分配系数，一般可取0.6~0.9。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P油，抽油杆因而缩短杆。因此当悬点往下走了杆时，由于抽油杆柱的缩短，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P油而伸长了管，油管(或泵筒)跟着柱寒往下走，所以，在悬点走完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，柱塞的有效冲程长度S效比悬点冲程长度S减少了—个同样的静变形值。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，4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P杆惯和P油惯的大小和悬点加速度ca大小成正比，而作用方向和后者相反。cPPag杆杆惯cPPag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）。11FEfffFff杆杆管管杆杆上式中的F管表示油管过流断面的面积，它和式（2-32）中采用的等号f管是不同的，f管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f管的值。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,2cm40.312.85.850.319.98.762.030.211.775.945.216.888.661.619.5100.379.024.051)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：11cPPPPPPmaPg油惯杆惯上杆惯油惯杆惯杆惯2-34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11FgFfLPfPmFPPgfLf油杆油惯杆油管杆惯杆杆杆杆211FfFf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ca的大小变化规律相类似，但方向和后者相反。就是说，在上冲程前半段，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ABCD，这种示功图，称为动力示功图．如图2．18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1e。在下死点即下冲程的终点处，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S效就由式(2—31)变为下式：12SSee效(2—36)6变形量12ee和的计算公式和相类似，所不同的是12ee和是惯性载荷产生的。惯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(2—34)、式(2—35)、36)，并代人相应的常数(3.1416，，27800kgm杆，1122.110ENm)，式2-37就成为下列形式：1022122.07610eeLnS2-38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；102212.07610SSLnSK效2-39式中K—冲程增加系数(102212.07610KLn)。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L＝1000m和15minn时,K=1.0052；而当L＝1500m和110minn时,K=1.04672．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ABCD。三、悬点的最大载荷和最小载荷从图218所示的动力示功图ABCD中可以看出，悬点的最大载荷Pmax发生在上冲程静变形期结束后一瞬间，如图218中的B点。最大载荷Pmax等于静载荷加上动载荷(惯性载荷和振动载荷)，悬点的最小载Pmin发生在下冲程静变形期结束后一瞬间，如图218中的D点。最小载荷Pmin等于静载荷减去动载荷。悬点的最大载荷Pmax和最小载荷Pmin，特别是最大载荷Pmax是正确设计和选7择抽油机和抽油杆以及确定电动机功率的主要依据之一，所以目前有许多计算公式，有些是先从理论上推导出，再引进试验校止系数，有些是纯粹的经验公式；有些只考虑惯性载荷，而另一些除了考虑惯性载荷外还考虑振动载荷的影响。在惯性载荷方面，有些考虑了柱塞上油柱的惯性，有些则略去了油柱的惯性。