抽油機(jī)井參數(shù)的分析

有桿抽油設(shè)備

第四節(jié)抽油機(jī)井參數(shù)的分析與計(jì)算第三節(jié)抽油機(jī)井參數(shù)的分析與計(jì)算一、抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷及其計(jì)算抽油機(jī)工作時(shí)驢頭懸點(diǎn)始終承受著上下往復(fù)變化載荷，如圖1－9所示。

1．計(jì)算懸點(diǎn)最大和最小載荷的一般公式根據(jù)對(duì)懸點(diǎn)所承受的各種載荷的分析，抽油機(jī)工作時(shí)，上、下沖程中懸點(diǎn)載荷的組成是不同的。最大載荷發(fā)生在上沖程中，最小載荷發(fā)生在下沖程中，其值分別如下：Pmax=Wr+W1+Iu+Phu+Fu+PvPmin＝W／r－Id＋Phd－Fd一Pv

如前所述，在下泵深度及沉沒度不很大、井口回壓及沖數(shù)不甚高的稀油直井內(nèi)，在計(jì)算最大和最小載荷時(shí)，通?？梢院雎訮v、Fu、、Ph及液柱慣性載荷。

圖1－9抽油機(jī)井示意圖2．靜載荷：以物理學(xué)分析的方法，這種交變載荷可分為靜載荷、動(dòng)載荷、摩擦載荷，而理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐都已證明摩擦載荷與靜載荷、動(dòng)載荷相比可以忽略不計(jì)，所以這里首先重點(diǎn)介紹靜載荷。是指不隨運(yùn)動(dòng)變化的載荷。由圖9可知，抽油機(jī)上行(上沖程)時(shí)，游動(dòng)閥是關(guān)閉的，懸點(diǎn)(光桿)所受靜載荷為(抽油桿重、活塞截面以上的液柱重)靜載荷的計(jì)算(1)抽油桿(柱)重：Wr＝frρ桿gL(2)活塞上的液柱載荷：Wl＝(F一fr)ρgL(3)在液體中抽油桿(柱)重：W／r＝fr(ρ桿一ρ)gL(4)懸點(diǎn)的靜載荷由上分析可知，上沖程時(shí)懸點(diǎn)的靜載荷P上＝Wr+Wl＝frρ桿gL+(F一fr)ρgL=fr(ρ桿一ρ)gL+FρgL

=W／r+W／l下沖程時(shí)懸點(diǎn)的靜載荷P下＝W／r二、抽油機(jī)井理論示功圖

（又稱為靜力示功圖）抽油機(jī)井理論示功圖是描繪抽油機(jī)井驢頭懸點(diǎn)載荷與光桿位移的關(guān)系曲線，它是解釋前面介紹的抽油泵(深井泵)抽吸狀況最有效的手段，其基礎(chǔ)是理論示功圖。

圖1－10抽油機(jī)井理論示功圖1．理論示功圖理論示功圖是在一定理想條件下繪制出來的，主要是用來與實(shí)測(cè)示功圖進(jìn)行對(duì)比分析，以此來判斷深井泵的工作狀況。其理想條件為：1)假設(shè)泵、管沒有漏失，泵正常工作；2)油層供液能力充足，泵充滿程度良好；3)不考慮動(dòng)載荷的影響；4)不考慮砂、蠟、稠油的影響；5)不考慮油井連抽帶噴；6)認(rèn)為進(jìn)入泵的液體是不可壓縮的，閥是瞬時(shí)開閉的。這樣抽油機(jī)井驢頭懸點(diǎn)光桿處載荷與位移的關(guān)系建立在直角坐標(biāo)系的圖形就稱為理論示功圖，如圖1－10所示。

（1）靜載荷的變化規(guī)律分析圖1－11抽油桿和油管彈性伸縮示意圖由此，懸點(diǎn)的有效沖程即柱塞工作沖程：

Sp＝S－(λr+λt)＝S一λ式中λ——沖程損失。λ值可以根據(jù)虎克定律來計(jì)算：注意，抽油桿柱和油管柱的自重伸長(zhǎng)在泵工作的整個(gè)過程中是不變的，因此，它們不會(huì)影響柱塞沖程。2、理論示功圖的分析圖1－l0中各條曲線的意義分別是：由ABCD構(gòu)成的平行四邊形就是理論示功圖，縱坐標(biāo)為懸點(diǎn)載荷，橫坐標(biāo)為沖程。AB線段為增載線，即驢頭從下死點(diǎn)(A)開始上行，游動(dòng)閥關(guān)閉，活塞以上油管內(nèi)液柱重Wl和桿重Wr都作用于驢頭懸點(diǎn)上，并使桿(變長(zhǎng))、管(減載荷縮短)發(fā)生彈性變形，直到B點(diǎn)極限，活塞并沒有跟著光桿發(fā)生位移，而這一段變形量就稱為沖程損失入，包括桿損λr，和管損λt，此過程中固定閥并沒有打開,直到B點(diǎn)。BC線段為上載荷線，即桿管彈性變形結(jié)束，載荷增至最大(W上＝Wr

／

+W1／)，活塞開始跟光桿同步上行至上死點(diǎn)C，此過程中固定閥打開，泵筒進(jìn)油(液)，井口排液，此過程為上沖的有效沖程；到達(dá)C點(diǎn)后，上沖程完畢，開始下沖程。

CD線段為卸載線，即驢頭開始下行，游動(dòng)閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)，但固定閥開始關(guān)閉。此時(shí)懸點(diǎn)載荷在變小，桿管與前一過程發(fā)生相反的彈性變形，直至D點(diǎn)活塞并沒有跟著桿一起下行，其沖程損失也是λ＝(λr+λt)。DA線段為下載荷線，即桿管彈性變形結(jié)束，載荷降至最小(Wr

／)，活塞開始跟光桿同步下行至下死點(diǎn)A，此過程中固定閥關(guān)閉，游動(dòng)閥打開，油管進(jìn)液，此過程為下沖程的有效沖程。圖1－10中AC為光桿沖程，AD為活塞沖程。

三．實(shí)測(cè)示功圖實(shí)測(cè)示功圖是由專門測(cè)試儀器在抽油機(jī)井口懸繩器處測(cè)得，如圖1－l2所示。是由測(cè)試記錄筆畫的不規(guī)則的封閉曲ABCD和預(yù)先設(shè)定的基線(S)組成，縱坐標(biāo)方向表示驢頭懸點(diǎn)載荷的大小。橫坐標(biāo)表示懸點(diǎn)的相對(duì)位移。

圖1－12抽油機(jī)井實(shí)測(cè)示功圖實(shí)測(cè)最大載荷和最小載荷由圖形中最高、最低位置B、D點(diǎn)量出高度，再由測(cè)試儀的力比(實(shí)際值與圖上數(shù)值的比)就可以計(jì)算出本井懸點(diǎn)實(shí)測(cè)最大載荷和最小載荷。由圖形中A點(diǎn)到C點(diǎn)橫向(水平)量出其長(zhǎng)度，再由測(cè)試儀的減程比(實(shí)際長(zhǎng)度值與圖上數(shù)值的比)就可以計(jì)算出本井光桿的最大沖程。抽油機(jī)井實(shí)測(cè)示功圖對(duì)抽油機(jī)井的日常管理和抽油狀況分析是相當(dāng)重要的，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可對(duì)實(shí)測(cè)的示功圖與該井的理論示功圖進(jìn)行對(duì)比分析。

把理論示功圖繪制在實(shí)測(cè)示功圖上的方法(1-)以實(shí)測(cè)示功圖的基線(沖程線)為橫坐標(biāo)，在基線的左端作縱坐標(biāo)表示載荷線(光桿載荷)；(2)根據(jù)油井抽吸參數(shù)計(jì)算出W/r和W/l的值，計(jì)算公式見上述。然后再由測(cè)試儀器(動(dòng)力儀)的力比計(jì)算出W/r和W/l在示功圖上的值；(3)沖程損失的計(jì)算：計(jì)算公式見前述。由于其計(jì)算較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)多數(shù)不進(jìn)行具體數(shù)值計(jì)算，實(shí)際上也不影響分析；(4)根據(jù)W/r和W/l在示功圖上的數(shù)值大小，畫在實(shí)測(cè)示功圖上，其橫向長(zhǎng)短與基線相同，如圖11中的虛線A／D／與B'C／。

3．考慮慣性載荷和振動(dòng)載荷后的理論示功圖

在實(shí)際計(jì)算慣性載荷時(shí)，通常只計(jì)算其最大值。其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：Imax=WrSn2/1440圖1－13考慮慣性和振動(dòng)后的理論示功圖4、驢頭懸點(diǎn)最大載荷、最小載荷的計(jì)算根據(jù)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，抽油機(jī)在上下沖程中懸點(diǎn)載荷是不同的，上沖程時(shí)為最大載荷，下沖程時(shí)為最小載荷。在忽略摩擦載荷和振動(dòng)載荷的條件下，其計(jì)算公式如下：Pmax＝Wr

／

+W1／

+ImaxPmin＝Wl’一Imax如果把抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)看作曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，曲柄旋轉(zhuǎn)半徑與連桿長(zhǎng)度之比為1／4，且只考慮液柱、桿及桿柱慣性載荷時(shí)，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：Pmax＝Wl+Wr(b+Sn2／1440)。Pmin、＝Wr(b一Sn2／1440)式中，b＝1一ρ液／ρ鋼如果把抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)看作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，并考慮液柱的慣性載荷時(shí)，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：Pmax＝(Wl+Wr)(1+Sn2／1790)Pmin＝Wr(1一Sn2／1790)經(jīng)過以上分析，可以得出以下結(jié)論：一般情況下，游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)的最大載荷發(fā)生在上沖程靜變形結(jié)束后的一瞬間；最小載荷發(fā)生在下沖程靜變形結(jié)束后的一瞬間。

四、典型的實(shí)測(cè)示功圖分析典型示功圖是指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。在實(shí)際情況下，雖然有多種因素影響示功圖的形狀，但總有其主要因素，所以，示功圖的形狀也就反映著主要因素影響下的特征。

1、氣體和余隙容積對(duì)示功圖的影響

余隙越大，殘存的氣量越多，泵口壓力越低，則吸入閥打開滯后得越多，即BB／線越長(zhǎng)。下沖程時(shí)，氣體受壓縮，泵內(nèi)壓力不能迅速提高，卸載變慢(如CD／)，使排出閥滯后打開(D／點(diǎn))。泵的余隙越大，進(jìn)入泵內(nèi)的氣量越多，則DD／線越長(zhǎng)，示功圖的“刀把”越明顯。當(dāng)進(jìn)泵氣量很大而沉沒壓力很低時(shí)，泵內(nèi)氣體處于反復(fù)壓縮和膨脹狀態(tài)，吸入和排出閥處于關(guān)閉狀態(tài)，出現(xiàn)“氣鎖”，如圖1－14的點(diǎn)畫線所示。但氣鎖會(huì)因沉沒壓力升高而自動(dòng)解除。氣體和余隙容積使泵的有效沖程變小，示功圖面積變小，泵效降低。

圖11－14有氣體影響的示功圖2、沉沒度的影響當(dāng)沉沒度過小及供油不足使液體不能充滿工作筒時(shí)的示功圖如圖1－15所示。充不滿的圖形特點(diǎn)是下沖程中懸點(diǎn)載荷不能立即減小，只有當(dāng)柱塞遇到液面時(shí)，才迅速卸載。所以，卸載線較氣體影響的卸載線(圖1－14)上的凸形弧線(CD／)陡而直。有時(shí)，當(dāng)柱塞碰到液面時(shí)，振動(dòng)載荷線會(huì)出現(xiàn)波浪?？焖俪榧硶r(shí)往往因撞擊液面而發(fā)生較大的沖擊載荷，使圖形變形得很厲害。

圖1－15沉沒度太小的示功圖3．漏失對(duì)示功圖的影響1)游動(dòng)閥、柱塞與泵筒間的漏失

由于游動(dòng)閥、柱塞與泵筒間漏失的影響，固定閥在B’點(diǎn)才打開，滯后了BB／這樣一段柱塞行程；而在接近上沖程時(shí)又在C／點(diǎn)提前關(guān)閉。這樣柱塞的有效吸入沖程為B／C／，在此情況下使示功圖變小，泵效降低。當(dāng)漏失量很大時(shí)，由于漏失液體對(duì)柱塞的“充填”作用很大，上沖程載荷遠(yuǎn)低于最大載荷，如圖1－16中的AC／”所示，吸入閥始終是關(guān)閉的，泵的排量等于零，泵效為零。

圖1－16泵排出部分漏失的示功圖2)固定閥漏失下沖程開始后，由于固定閥漏失，泵內(nèi)壓力不能及時(shí)提高而延緩了卸載過程(圖1－17的CD／線)，同時(shí)使游動(dòng)閥不能及時(shí)打開。只有當(dāng)柱塞速度大于漏失速度后，泵內(nèi)壓力提高到大于液柱壓力，才將排出閥打開，而卸去液柱載荷。下沖程的后半沖程中因柱塞速度減小，當(dāng)小于漏失速度時(shí)，泵內(nèi)壓力降低使游動(dòng)閥提前關(guān)閉(A／點(diǎn))，懸點(diǎn)提前加載。到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)，懸點(diǎn)載荷已增加到A”。由于固定閥的漏失而造成排出閥打開滯后(DD／)和提前關(guān)閉(A／A)，活塞的有效排出沖程為D／A／。這種情況下使泵效降低。圖1－17固定閥漏失極限情況當(dāng)吸入閥嚴(yán)重漏失時(shí)，排出閥一直不能打開，懸點(diǎn)不能卸載(圖1－18)。吸入部分和排出部分同時(shí)漏失時(shí)的示功圖是分別漏失時(shí)的圖形的疊合，近似于橢圓形(圖1－19)。圖1－18固定閥嚴(yán)重漏失圖11－19吸入閥和排出閥同時(shí)漏失4．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)，在抽汲過程中柱塞無法移動(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1－20為柱塞卡在泵筒中部時(shí)的實(shí)測(cè)示功圖。上沖程中，懸點(diǎn)載荷先是緩慢增加，將被壓縮而彎曲的抽油桿柱拉直，到達(dá)卡死點(diǎn)位置后，抽油桿柱受拉而伸長(zhǎng)，懸點(diǎn)載荷以較大的比例增加。下沖程中，先是恢復(fù)彈性變形，到達(dá)卡死點(diǎn)后，抽油桿柱被壓縮而發(fā)生彎曲。所以，在卡死點(diǎn)的前后段，懸點(diǎn)以不同的比例增載或減載，示功圖出現(xiàn)兩個(gè)斜率段。

圖1-20活塞卡在泵筒中部4．帶噴井的示功圖對(duì)于具有一定自噴能力的抽油井，抽汲實(shí)際上只起誘噴和助噴作用。在抽汲過程中，游動(dòng)閥和固定閥處于同時(shí)打開狀態(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1－21和1－22為不同噴勢(shì)及不同粘度的帶噴井的實(shí)測(cè)示功圖。

圖1-21噴勢(shì)強(qiáng)、油稀帶噴圖1-22噴勢(shì)弱、油稠帶噴5．抽油桿斷脫的示功圖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，只是由于摩擦力的作用，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。圖1－23為抽油桿柱在接近中部斷脫時(shí)的示功圖。抽油桿柱的斷脫位置可根據(jù)下式來估算：L=hC/(bqrg)斷脫位置比較低的示功圖同有些帶噴井的示功圖在形狀上是相似的。但帶噴井泵效高、產(chǎn)量大，而抽油桿柱斷脫的井的產(chǎn)量卻等于零

圖1-23抽油桿斷脫6．其它情況油井結(jié)蠟及出砂和活塞在泵筒中下入位置不當(dāng)，都會(huì)反映在示功圖上。如圖1－24及圖1－25分別為出砂井和結(jié)蠟井在正常抽油時(shí)所測(cè)得的示功圖。圖1-24出砂井圖1-25結(jié)蠟井其他情況圖1－26為管式泵活塞下得過高，在上沖程中活塞全部脫出工作筒的油井所測(cè)得的示功圖。由于活塞脫出工作筒，在上沖程中懸點(diǎn)突然卸載。圖1－27為防沖距過小，活塞在，下死點(diǎn)與固定閥相撞的示功圖。

圖1-26管式