抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算課件

抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算

抽油機(jī)在工作時(shí)懸點(diǎn)所承受的載荷，是進(jìn)行抽油設(shè)備選擇及工作狀況分析的重要依據(jù)。

一、懸點(diǎn)承受的載荷

動(dòng)載荷靜載荷其他載荷振動(dòng)慣性摩擦桿重液重浮力沉沒(méi)壓力井口回壓

1.抽油桿柱的重力產(chǎn)生的懸點(diǎn)靜載荷

抽油桿柱所受的重力在上、下沖程中始終作用在懸點(diǎn)上，其方向向下，故增加懸點(diǎn)載荷。上沖程：下沖程：其中

2.液柱的重力產(chǎn)生的懸點(diǎn)載荷上沖程：液柱的重力經(jīng)抽油桿柱作用于懸點(diǎn)，其方向向下，使懸點(diǎn)載荷增加

下沖程：液柱的重力作用于油管上，因而對(duì)懸點(diǎn)載荷沒(méi)有影響。

3.振動(dòng)載荷與慣性載荷初變形期：抽油機(jī)從上沖程開(kāi)始到液柱載荷加載完畢，這一過(guò)程稱之為初變形期。

抽油桿柱本身是一個(gè)彈性體，在周期性交變力的作用下做周期性變速運(yùn)動(dòng)，因而將引起抽油桿柱做周期性的彈性振動(dòng)。這種震動(dòng)還將產(chǎn)生振動(dòng)沖擊力，這個(gè)力作用于懸點(diǎn)上便形成振動(dòng)載荷。同時(shí)，變速運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生慣性力，作用于懸點(diǎn)上便形成慣性載荷。在下面的討論中忽略了液柱的振動(dòng)載荷。

(1)抽油桿柱的振動(dòng)引起的懸點(diǎn)載荷

在初變形期末激發(fā)起的抽油桿柱的縱向振動(dòng)，可用一端固定、一端自由的細(xì)長(zhǎng)桿的自由縱振動(dòng)微分方程來(lái)描述

式中u——抽油桿柱任一截面的彈性位移，m；

x——自懸點(diǎn)到抽油桿柱任意截面的距離，m；

a——彈性波在抽油桿柱中的傳播速度，等于抽油桿中的聲速，m/s；

t——從初變形期末算起的時(shí)間，s。

假定懸點(diǎn)載荷在初變形期的變化接近于靜變形，沿桿柱的速度按直線規(guī)律分布，則微分方程的初始條件和邊界條件分別為

初始條件：

邊界條件：

根據(jù)分離變量法，在以上初始條件和邊界條件下，方程組的解為：

——抽油桿柱自由振動(dòng)的固有頻率，。抽油桿柱的自由縱振動(dòng)在懸點(diǎn)處產(chǎn)生的振動(dòng)載荷為

式中E——抽油桿材料的彈性模量。最大振動(dòng)載荷為

最大振動(dòng)載荷發(fā)生在,...處。但實(shí)際上由于存在阻尼，振動(dòng)將會(huì)隨時(shí)間逐漸衰減，故最大振動(dòng)載荷發(fā)生在處，出現(xiàn)最大振動(dòng)載荷的時(shí)間則為

(2)抽油桿柱與液柱的慣性產(chǎn)生的懸點(diǎn)載荷

驢頭帶動(dòng)抽油桿柱和液柱做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)存在加速度，因而將產(chǎn)生慣性力。如忽略抽油桿柱和液柱的彈性影響，則可以認(rèn)為抽油桿柱和液柱各點(diǎn)和懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全一致。

最大慣性載荷：在上死點(diǎn)附近方向向上，減小懸點(diǎn)載荷；在下死點(diǎn)附近方向向下，增加懸點(diǎn)載荷。

如果采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型來(lái)計(jì)算加速度，上、下沖程最大慣性載荷值分別為：

,——抽油桿柱和液柱在上沖程中產(chǎn)生的最大慣性載荷，N；

——抽油桿柱在下沖程中產(chǎn)生的最大慣性載荷，N；

——油管過(guò)流斷面擴(kuò)大引起液柱加速度降低的系數(shù)

實(shí)際上，由于抽油桿柱和液柱的彈性，抽油桿柱和液柱各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)并非一致，因此，上述按懸點(diǎn)最大加速度計(jì)算的慣性載荷將大于實(shí)際值。考慮抽油桿柱的彈性時(shí)，抽油桿柱產(chǎn)生的慣性載荷

初變形期末抽油桿柱隨懸點(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。為了討論問(wèn)題方便，將懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)近似地看做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度為：

——懸點(diǎn)加速度；

——從懸點(diǎn)下死點(diǎn)算起的上沖程時(shí)間。

距懸點(diǎn)處的加速度為：

在處單元體上的慣性力為：

積分有：

其中：故抽油桿柱的慣性力并不正比于加速度的瞬時(shí)值，而是正比于在時(shí)間期間內(nèi)懸點(diǎn)速度的增量。

當(dāng)時(shí)，抽油桿柱的慣性力隨而減小當(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，隨而增大。4.摩擦載荷

(1)抽油桿柱與油管的摩擦力上下沖程中都存在，不超過(guò)抽油桿重量的1.5％。

(2)柱塞與襯套之間的摩擦力

該摩擦力在上、下沖程中都存在，一般泵徑不超過(guò)70mm時(shí)，其值小于1717N。

(3)抽油桿柱與液柱之間的摩擦力發(fā)生在下沖程，其摩擦力的方向向上，是稠油井內(nèi)抽油桿柱下行遇阻的主要原因。阻力的大小隨抽油桿柱的下行速度而變化

(4)液柱與油管之間的摩擦力發(fā)生在上沖程，其方向向下，故增大懸點(diǎn)載荷。

(5)液體通過(guò)游動(dòng)閥的摩擦力

在高粘度大產(chǎn)量油井內(nèi)，液體通過(guò)游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力往往是造成抽油桿柱下部彎曲的主要原因，對(duì)懸點(diǎn)載荷也會(huì)造成不可忽略的影響。液流通過(guò)游動(dòng)閥時(shí)產(chǎn)生的壓頭損失為：

——閥流量系數(shù)，對(duì)于常用的標(biāo)準(zhǔn)型閥，可根據(jù)雷諾數(shù)查圖雷諾數(shù)：

如果把活塞運(yùn)動(dòng)看成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

：

由液流通過(guò)游動(dòng)閥的壓頭損失而產(chǎn)生的活塞下行阻力為：

5.其它載荷

沉沒(méi)壓力只發(fā)生在上沖程，減小懸點(diǎn)載荷：泵吸入口壓力沉沒(méi)壓力液流產(chǎn)生的壓降井口回壓，將對(duì)懸點(diǎn)產(chǎn)生附加載荷，上沖程中增加懸點(diǎn)載荷下程中減小懸點(diǎn)載荷：回壓

二、懸點(diǎn)的最大和最小載荷上：下：

在下泵深度及沉沒(méi)度不是很大，井口回壓及沖數(shù)不很高的稀油直井內(nèi)，?？梢院雎?,,,及。則，最大和最小載荷分別簡(jiǎn)化為：令：則懸點(diǎn)所承受的最大和最小載