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摘要 有杆泵举升模拟试验系统研制及试验研究 摘要 本文通过对国内外有杆泵举升模拟试验系统的资料检索和调研，分析了国内外有杆泵举升模拟 试验系统的研究情况，文中介绍了有杆泵举升模拟试验系统的组成、工艺流程及特殊试验，阐述了 试验系统的主要设计计算与主要装置电机等功率的确定，利用有限元理论分析了系统支撑架与立架 的受载变形情况，介绍了试验系统需要录取的参数及精度为研究常规抽油泵及研制的大斜度泵是 否适应水平井采油，对摩擦阻力和漏失量等工作性能进行大量室内试验，录取了多组试验数据，绘 制了大量试验曲线。 室内试验表明：抽油泵柱塞在整个上冲程间隙漏失量是非均匀漏失。光杆与盘根之间的摩擦阻 力在上、下冲程不等，其中上冲程摩擦阻力大，下冲程摩擦阻力小。对一定牯度的试验介质大斜 度抽油泵的流量系数高于常规抽油泵，随泵筒倾角的增加( 即从水平放置到垂直放置) ，抽油泵流量 系数增大，从试验结果看，低冲次条件下，大斜度抽油泵流量系数高于常规泵，且小倾斜角状态较 明显。 。 一 整套试验系统进行了上千次试验，试验数据共录取了1 2 0 0 多组。从试验过程看，系统的机械可 靠性高，数据录取稳定在国内有杆泵性能试验研究上技术先进，这套试验系统通过简单改造可进 行不同介质的管流试验和特种抽油泵性能试验等方面的研究，整套系统有进一步拓展试验范围的空 闻，为今后的科研项目提供了良好的试验平台 关键词：抽油泵：冲程；冲次；倾角；功率；摩擦阻力；漏失量 大庆石油学院硕士研究生学位论文 t h e d e v e l o pa n dr e s e a r c ho f t h es u c k e rr o dp u m pe x p e r i m e n t a ls y s t e mf l m ti ss i m u l a t i o n 蛆 a b s t r a c t t h i sa r t i c l et h r o u g ht or e s e a r c hi n v e s t i g a t i o na n ds t u d yo ft h es u c k e rr o dp u m pe x p e r i m e n t a ls y s t e m t h a ts i m u l a t i o nl i f ti nd o m e s t i ca n df o r e i g n ，a n a l y z e dt h es i t u a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mr e s e a r c h , i n t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dc o m p o s i t i o n 、t h et e c h n i c a lp r o c e s sa n dt h es p e c i a le x p e r i m e n to ft h ee x p e r i m e n t a l s y s t e m ，e l a b o r a t e dt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mm a i nd e s i g n 、c a l c u l a t i o na n dh o wt oc o l 血mt h e a s y n c h r o n o u sm a c h i n ep o w e ro ft h em a i ne q u i p m e n ta n ds oo n , w i t ht h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n a l y s e st h e s i t u a t i o ni sp r e s s u r e da n dd i s t o r t i o n a lo ft h es t r u tr a c ka n dt h ea s s i s t a n c er a c k , i n t r o d u c e dt h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mn e e d st oe n r o l lp a r a m e t e ra n dp r e c i s i o n , t or e s e a r c ht h ec o n v e n t i o n a lp u m pa n dt h eg r e a tp i t c h p u m p sa n di fi t i sa d a p th o r i z o n t a lw e l lo i le x t r a c t i o n , p u tt h ep u m pt h r o u g hp l e n t ye x p e r i m e n to nt h e f r i c t i o n a lr e s i s t a n c e 、t h cs e e p a g el o s s 、t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i ca n ds oo ni nt h el a b o m t o r yr o o m , h a s e n r o l l e dt h ep l e n t yt e n t a t i v ed a t a h a sd r a w nu pt h ep l e n t ya s s a y4 1 l i v e t e s t sh a ss h o w t h a t ：t h ec l e a r a n c es e e p a g el o s so fo np u m pp l u n g e ri sn ou i 吐f o r mi ne n t i r eu ps t r o k e , t h ef r i c t i o nf o r c eo ft h ep o l i s h e dr o da n dp a c k i n gs e ti su r t i k e n e s si nt h eu ps t r o k ea n dd o w ns t r o k e ，t h e f r i c t i o n a lr e s i s t a n c ei sb i gi nt h eu ps t r o k e ，t h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c ei ss m a l li nt h ed o w ns t r o k e t oc e f t a i n v i s c o s i t ye x p e r i m e n t a lm e d i u m , t h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n to ft h eg r e a t p i t c hp u m pi sh i g h e rt h a nt h e c o n v e n t i o n a lp u m p ，a l o n gw i t ht h eo b l i q u i t yo ft h ep u m pb a r r e li si n c r e a s e ( t h a ti sf r o mt h el e v e lt ot h e v e r t i c a ll a y ) ，t h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n to ft h ew e l lp u m pi si n c r e a s e ，l o o k e df i - o mt h et e s t 嗌u kt h e d m c h a r g ec o e f f i c i e n to ft h eg r e a tp i t c hp u m pi sh i g h e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lp u m p ，o nt h i sc o n d i t i o nt h a t l o w f r e q u e n c yo fs h - o k e , a n di ti sm o l eo b v i o u so nt h es m a l lo b l i q u ea n g l ec o n d i t i o n t h ew h o l ee x p e r i m e n ts y s t e mh a sc a r r i e do no v e rat h o u s a n de x p e r i m e n t s ，t h et e n t a t i v ed a t ah a s a l t o g e t h e re n r o l l e di n o r et h a n1 , 2 0 0g r o u p s 1 0 0 k e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s , t h es y s t e mm e c h a n i c a l r e l i a b i l i t yi sh i g h ，t h ed a t ae n r o l l m e n ti ss t a b l e ，t h et e c h n o l o g yi sa d v a n c e ，o nt h es t u d yo ft h es u c k e rr o d p u m pc a p a b i l i t yi nd o m e s t i c ，t h i ss e to fe x p e r i m e n t a ls y s t e mt h r o u g hs i m p l et r a n s f o r m a t i o nm a yc a r r yo l l t h ed i f f e r e n tm e d i u mt h ep i p ef l o we x p e r i m e n t , a n ds p e c i a lo 丑p u m pp e r f o r m a n c et e s tr e s e a r c h t h ew h o l e e x p e r i m e n ts y s t e mh a st h e 缸t 1 e rd e v e l o p m e n te x p e r i m e n ts c o p et h es p a c e ，h a sp r o v i d e dt h eg o o d e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt h en e x tp r o i e or e s e a r c h k e y w o r d ：o i l p u m p ；s t r o k e ；f r e q u e n c y o f s t r o k e ；o b l i q u i t y ；p o w e r ；f r i c t i o n a lr e s i s t a n c e ；s e e p a g e l o s s m 大庆石油学院硕士研究生学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明并表示谢意 作者签名： 学位论文使用授权声明 日期：丝z = 么垫 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 鞠枞定馓储摊：獬撇名：球霭学位论文作者签名：獬导师签名：之氏琵 。 日期：为刁，。加日赫：c 伽7 ，己7 创新点摘要 创新点摘要 该套有杆泵举升模拟试验系统与国内其他韵抽油泵试验系统或部件试验装置相比 具有以下的创新点： 1 系统试验时的冲次是通过变频器调节的，能达到无级调参。 2 抽油泵的出入口处都安装了蓄能器，保证了系统试验时的压力稳定。 3 抽油泵柱塞下行时采用柔性平衡系统，有效防止光杆受压失稳折断事故的发生，系统 运行稳定。 4 在泵筒倾角、冲程、冲次及泵出入口的压力范围方面都有所提高，能进行比较全 面的抽油泵工作性能试验。 5 能通过软件自动测试并计算悬点示功、排量系数和流量等参数，自动出 具试验数据和绘制试验曲线。 6 能进行抽油泵的特殊试验，摩擦阻力及漏失量试验。摩擦阻力是通过测试柱塞上、下 的压力经计算得出，漏失量是通过电子天平直接测得，测试数据可靠，系统精度高。 i v 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 随着大庆油田进入高含水开采后期，开采难度逐渐加大，应用新技术、新材料是 油田发展的必然趋势。据统计，水平井的钻井成本是常规直井的1 5 2 倍，产油量是 常规直井的3 7 倍“1 。为此，大庆油田近几年来加大了水平井技术的攻关研究与应用， 我国到2 0 0 1 年1 2 月，共完钻水平井2 7 2 口，其中以胜利油田为主。胜利油田举升方式 以有杆泵为主，有杆泵通常下在直井段。大庆油田自“八五”以来共完钻6 口水平井和 2 口侧钻水平井。其中，“八五”期间完成水平井4 口，分布在外围低渗透油田，包括榆 树林、头台和朝阳沟油田。九五”期间针对厚油层顶部挖潜，完成侧钻水平井2 口， 到2 0 0 6 年共完钻水平井8 0 多口，主要采用有杆泵举升方式，有杆泵具有技术成熟度高、 排量范围广、适应性强等特点，大庆油田由于地质条件比较复杂，对于外围低丰度油田， 为了减少水平段压降对产能的影响，充分发挥整个水平段的产能，下泵位置应尽可能加 深，必要时应考虑下到稳斜段以下( 倾斜角5 0 。以上) ，一般下泵位置在直井段或造斜 段上部。 。 为配合大庆油田推广应用水平井技术，室内试验研究应走到生产应用的前沿，从而 有力推动生产的发展，保障科研项目现场施工的成功率，为科学理论提供有力的技术支 持。 为此，有必要研制建立一套适合于大庆油田水平井开发的有杆泵举升模拟试验系 统，对现有的常规抽油泵进行试验研究和改进，分析各种新型有杆抽油泵的工作性能， 从而提高泵效和减少泵漏失，以满足水平井采油的需要，提高水平井开发的效益。 该系统主要研究抽油泵在不同倾角、不同冲程及冲次等情况下，抽油泵的泵效、排 量系数等其它水力特性的变化规律，研究抽油泵摩擦阻力、漏失量以及液体流过凡尔时 的压力变化规律等问题。该系统能够在o o 9 0 0 泵筒倾角范围内研究抽油泵的工作性能， 为开发适应定向井和水平井的高效举升设备提供试验手段，能够模拟不同介质条件下， 流体经过泵凡尔时的压力变化情况，为开发有针对性举升设备提供中间试验手段，以提 高抽油泵技术性能，缩短研发周期，提高现场试验效果。系统建成后将对水平井有杆泵 举升技术的研究起到很好的辅助作用，对油田生产及提高油田水平井采油具有重要意义 和良好的经济效益。 第1 章概述 第1 章概述 1 1 目前国内外研究现状 通过资料检索和国内项目调研可知，国内外为进行抽油泵试验和性能改进设计、研 制了抽油泵试验系统或部分部件的试验装置，但存在功能简单、性能不完善等问题，以 至试验系统利用效率低，有的已经停用。 1 1 1 国内有杆泵举升模拟试验系统研究情况 大庆石油学院在1 9 9 0 1 9 9 4 年研制了“深井泵一抽油机试验装置”，该装置冲程分 别为0 5 m 、0 9 m 和1 2 m 三级可调，利用励磁调速电机调节冲次，并可进行抽油机泵倾 角为4 5 0 9 0 0 的模拟试验，压力、流量等参数手工计量，该装置最大的特点是可以观察 固定凡尔球的工作状况，但系统的最高压力不超过0 3 m p a z 3 。 石油大学和中原石油勘探局联合建立的开放型采油工艺试验站已完成，两口全尺寸 多功能实验井，抽油泵能在5 0 0 9 0 0 倾角范围内工作，泵最大冲程0 6 m ，泵出1 ：3 最高压 力1 o 肝a ，适合试验介质粘度o 2 0 0 0 m p a s ，冲次4 1 0 m i n ，试验装置整体尺寸仅 为5 4 3 0 5 o m ，做抽油试验时，地面安装一台游梁式抽油机。 以上两套装置尽管能模拟一定倾角下抽油泵性能试验，但装置整体功能单一，属简 易型试验装置。 胜利油田采油工艺研究院与石油大学在1 9 9 5 年联合研制并建造了一套。水平井抽 油泵模拟试验装置”，该装置设计最高压力为2 0 m p a ，最大冲程3 册，具有气、液两相混 合供液及试验功能，自动化程度较高。但由于该装置的抽油泵光杆采用液压驱动，在高 压下光杆易发生受压失稳折断事故，且控制装置工作协调性差，因此该装置一直未能正 常运转，也未见其成功试验的相关报道。 除此之外，为研究抽油泵凡尔球运动轨迹及运动特性，石油大学、西安石油学院等 单位先后研制了单一功能的试验装置，但这些装置的系统压力均低于1 0 肝a ，冲程低 于1 _ 0 m ，装置结构简单，不能全面模拟抽油泵实际工况。 l ，1 2 国外有杆泵举升模拟试验系统研究情况 ，加拿大阿尔伯达省立研究院( a l b e r t ar e s e a r c hc o u n c i l ) 油砂和碳氢化合物研究 中心( a l b e r t ao i ls a n d st e c h n o l o g y r e s e a r c ha u t h o r i t y ) 建有有杆泵模拟试验装 置和凡尔试验台架两套设备，可做有杆泵的地面充满程度试验，抽油杆柱摩阻试试验， 试验介质采用原油和氮气，泵筒是用有机玻璃制成，凡尔的运动可以观察到。 1 2 项目研究的目的和意义 随着大庆油田进入高含水开采后期，开采难度逐渐加大，应用新技术、新材料是油 田发展的必然趋势，在这种情况下，室内试验研究应走到生产应用的前沿，从而才能有 力推动生产的发展，保障科研项目现场施工的成功率，为科学理论提供有力的技术支持。 有杆泵举升模拟试验系统的研制是针对大庆油田推广应用水平井技术而建立的一套地 面试验系统，该系统主要研究抽油泵在不同倾角、不同冲程、冲次情况下抽油泵的泵效 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 及其它水力特性的变化规律，研究抽油泵柱塞与泵筒之间的漏失以及液体流过凡尔时的 压力变化规律等问题。该系统能够在0 9 0 0 泵筒倾角范围内研究抽油泵的工作状况，为 开发适应定向井和水平井的高效举升设备提供试验手段，能够模拟举升不同介质条件 下，流体经过泵凡尔时的压力变化情况，为开发有针对性举升设备提供中间试验手段， 以提高抽油泵技术性能，缩短研发周期，提高现场试验效果。系统建成后将对水平井有 杆泵举升技术的研究起到很好的辅助作用，对油田生产及提高油田开发经济效益具有重 要意义。 1 3 项目研究内容 ( 1 ) 有杆泵举升模拟试验系统研制，该系统能够模拟一定举升高度和一定沉没度 条件下泵筒在o 。9 0 0 倾角范围的工作状态。 ( 2 ) 有杆泵举升模拟试验系统测试系统研制。 ( 3 ) 抽油泵在不同介质和不同倾角条件下水力特性试验研究。 ( 4 ) 抽油泵的摩擦阻力、漏失量等试验研究。 1 4 常规试验的主要技术指标 ( 1 ) 泵筒倾角范围：o 。9 0 0 ，分级可调。 ( 2 ) 最大冲程3 m ，冲程分l m 、2 m 、3 m 三级可调。 ( 3 ) 最高冲次1 0 m i n ，l 1 0 m i n l 范围内连续可调。 ( 4 ) 试验介质温度：室温8 5 ，泵出口压力0 1 1 0 m p a ，泵吸入口沉没 压力o 3 m p a 。 ( 5 ) 测试并计算悬点示功、排量系数和流量等参数。 本章小结 1 通过资料检索和项目调研，可知，目前国内现有的抽油泵试验装置或部分部件的试验 装置，存在试验功能简单、装置性能不完善等问题，为了更好研究抽油泵的泵效和工作 性能，适应水平井开采而建立一套有杆泵举升模拟试验系统。 2 该试验系统功能全面，冲程、倾角等参数试验范围提高，具有通过软件自动采集数据、 自动绘制试验曲线及计算排量系数等功能。 3 第2 章试验系统的组成、工艺流程及特殊试验 第2 章试验系统的组成，工艺流程及特殊试验 2 1 试验系统的组成 图2 一l 为有杆泵举升模拟试验系统的结构组成图，由图可以看出， 整套系统主要由三个分系统组成，即动力驱动系统、抽油泵倾角模拟系 统和支撑架锁定系统。图2 - 2 为试验系统实际结构图。 2 1 1 动力驱动系统 动力驱动系统流程图见图2 - 3 ，主要由电机、。减速机、曲柄、导向 轮、钢丝绳、悬绳器及抽油杆下行平衡块组成，其工作原理为：电机通 过皮带传动驱动减速机，经减速机减速后驱动曲柄旋转，当曲柄由最低 点逆时针向最高点转动时，钢丝绳通过导向轮，悬绳器和光杆使抽油泵 进行上冲程，排出液体，此时曲柄平衡块下落帮助电机做功。当曲柄从 最高点向最低点运动时，抽油杆平衡重块下落，通过钢丝绳、导向轮、 悬绳器和光杆驱动柱塞进行下冲程，完成抽油泵吸液过程，此时曲柄平 衡块被举升i 储存能量。 2 i 2 抽油泵倾角模拟系统 抽油泵倾角模拟系统主要由立架、支撑架、立架小车、立架电动葫 芦、水平拖动绞车、支撑架小车和水平轨道等组成。抽油泵刚性固定在 支撑架上，并与之平行，因此泵筒倾角与支撑架的倾角相同，并且依靠 倾角模拟系统可实现泵筒与铅垂线的夹角在o o 9 0 0 范围内变化，其工 作原理为：当支撑架处于垂直位置时，泵筒与铅垂线的夹角为o o ，此时 松开支撑架底部锁定，启动立架电动葫芦和水平拖动绞车，靠水平拖动 绞车使支撑架小车在水平轨道上向远离立架方向运动，泵筒的倾角逐渐 增大。当达到某预定倾角时，锁定装置将支撑架锁定，抽油泵即可开始 工作。当抽油泵由水平位置向铅垂位置变化时，立架电动葫芦作为动力 带动支撑架起升，而水平拖动绞车处于放松状态。 2 1 3 支撑架锁定系统 锁定系统由锁紧液缸，锁定销、锁定支架及液压站组成，液压缸固 定在支撑架小车上，其活塞端部连接锁定销。系统工作原理为：当支撑 架位于某倾角需要锁定时，启动液压站，使锁定液缸的活塞杆伸出， 推动锁定销，锁定销插入锁定支架的销孔内，使小车固定，此时整个支 撑架处于静定状态，可靠锁紧，从而使抽油泵在某一倾斜角度下工作 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 解除锁定时，使液压缸活塞杆缩回，锁定销退出，锁定解除，其中两个 锁紧液缸由三位四通电动换向阀控制液缸的换向，靠中位锁紧。 图2 1 有杆泵举升模拟试验系统结构组成图 卜一电机2 ，3 - - 导向轮4 抽油杆下行平衡重块5 导孰卜主颦镇譬主座7 支掉颦d 、车8 曩譬泣压站9 一支掉纂l o 抽幡曩 l l 悬绳嚣1 2 一导向轮1 3 一立桨1 4 一电动葫芦1 5 立架小车1 6 - - 传动铜丝绳 l 一曲柄l b 一曲柄平衡块1 9 一张嚣 5 第2 章试验系统的组成、工艺流程及特殊试验 圈2 - 2 试验系统实际结构圈 6 圈2 - 3 动力驱动系统流程圈 l - - 驱动离心泵电机2 变顿鼍3 - - 控制暑4 一总拉爿室5 控制嚣6 一加燕嚣7 - - 空气压缩机b 驱动电机 9 - - 控制器1 0 - - 朴液泵1 l 一补藏泵电机 1 2 一控制暑 1 3 一开关 h 一电动葫芦l 扣控村墨l 卜蹙缬暑 1 7 抽油机电机 大庆石油学院硕士研究生学位论文 2 2 试验系统的工艺流程 2 2 1 常规试验工艺流程 试验系统工艺流程示意图见图2 - 4 ，常规试验系统工艺流程图见图 2 - 5 所示。其工作过程为：首先开启加热装置，待达到某一定温度后， 首先打开阀门i 、阀门i i 、阀门i v ，电动阀i 、i i 、，调节阀i 、 i i ，关闭其余的调节阀门和电动阀，然后启动供液螺杆泵，液体 经螺杆泵、吸入管线、抽油泵及排出管线返回供液罐。逐渐关小调节阀 i i ，直至抽油泵吸入口压力稳定于预定值( 吸入口压力在o 3 m p a ) 范 围。随后启动抽油机，通过调节阀i i 调节抽油泵排出口压力。抽油泵一 旦工作正常后，也可通过供液螺杆泵变频器改变抽油泵吸入口压力。频 率升高时，泵吸入口压力升高，反之亦然。， 当整个系统处于稳定工作状态时，测试吸入口、排出口的压力、流量、温度， 以及悬点载荷等参数，并将测试参数输入工控机，经计算机处理后，输出抽油泵排 量系数、泵效及悬点示功图等参数和曲线。改变泵的倾角，重复上述试验，可检验 抽油泵在不同倾角下的工作性能。数据录取及输出结果图见图2 - 6 。 常规试验各动力装置的控制流程图见图2 7 。图中螺杆泵变频器的 作用是用于调节螺杆泵的转速，从而改变螺杆泵的排量，抽油机电动机 变频器的作用是用于调节抽油泵悬点冲次，可无级调节，二者各用一台 控制器，同时，二者的启停也可在总控制室进行控制。抽油泵吸入管线 和排出管线均安装电动阀门，阀门开启由总控制室控制，恒温控制器可 保证供液池液体始终处于某一恒定温度。 图2 4 试验系统工艺流程示意图 7 踌镑枣簿掣唾螗 匝晔媾柚h螺垛搿省甲n匝 雒龟$ 簿掣嘏 倒牲畿馨越否i塘枘h，镊鼎g嚣峰谢蝠褂n援 大庆石油学院硕士研究生学位论文 i 泵排出口压力卜一 i 泵排出口流量卜一 l 泵排出口温度卜一 d i 泵吸入口压力卜一 i 泵吸入口流量卜一 i 泵吸入口温度卜_ ， 转 l 悬点载荷卜一 换 i 悬点位移 _ 一 心塞鋈蟊蚯卜 l功率因数i - 叫泵排量系数 一泵效 输出并打印 悬点位移曲线 绪果 叫悬点速度曲线 叫悬点加速度曲线1 一悬点示功图 图2 - 6 常规试验数据录取及输出结果 圈2 - 7 常规试验控制流程圈 l 一螺杆泵变频墨2 一蠕杆泵驱动装置3 - - 恒温控制器4 - - 加鹅嚣5 一电动闫门 - - 总控制宣 7 一抽油机驱动装置8 一抽油机变频嚣9 - - 螺杆泵抽油机控制器 9 第2 章试验系统的组成、工艺流程及特殊试验 2 2 2 加气试验工艺流程 加气试验系统工艺流程图见图2 - 5 。其工作过程为：首先打开阀门i ， i i ，电动阀i 、i i 、v 、，调节阀i 、i i ，关闭其他所有阀门和电动阀。 然后启动供液螺杆泵，通过调节调节阀的开启度使抽油泵吸入口压力稳定于某一 设定值，待工况稳定后，启动空气压缩机，再缓慢打开供气阀门，气体和 液体经静态混合器混合后经入口流量计和电动阀门v i 进入抽油泵，再启 动抽油机，余下操作与常规试验相同。 抽油泵吸入液体的流量、压力由入口流量计和入口压力计计量，气 体的流量由气体流量计1 5 计量，而泵排出口的气液混合物的压力、流量 分别由出口压力计、出口流量计计量。其余参数的测试与常规试验工艺 流程相同。数据录取及输出结果图见图2 - 8 ，动力设备控制图见图2 9 ， 图2 9 中螺杆泵、抽油机、加热器及电动阀门的控制方式与常规试验相 同，空气压缩机的控制即可由总控制室控制，也可由自带控制器控制， 自带控制器控制为优先级。 l 排出口液体压力卜一 i 排出口液体流量卜一 i 排出口气液温度卜一 a d l 吸入口气液压力卜- 一 。| 口打骂 i 吸入口液体流量卜一 l 吸入口气液温度卜_ 一 转 z2 q q ：垒， 一。? 换 i 吸入口气体流量卜_ 一 l 排出口气体流量卜 ii 。 i 悬点载荷卜一 i 悬点位移卜一 憾? 泳蚯卜i 和频率 j 图2 呻加气试验敦据录取及输出结果图 排量系数 泵效 悬点位移曲线 悬点速度曲线 悬点加速度曲线 悬点示功图 气液比 大庆石油学院硕士研究生学位论文 圈z - 9 加气试验控制圈 i 一螺杆泵变频嚣2 一螺杆袭驱动装置3 一苴控崩室4 一恒温控制嚣5 一加热嚣6 一空气压缩机7 一空气压缩 机控制嚣8 一电动饵门组9 一抽油机驱动袭置1 0 - 抽油机变频墨1 1 一蝇杆泵和抽油机控制嚣 2 3 试验系统的特殊试验 特殊试验分三部分内容：抽油泵摩擦阻力测试、抽油泵漏失量测试和特殊介质试验。 z ，3 1 抽油泵摩擦阻力测试 ( 1 ) 柱塞摩擦阻力的计算数学模型及参数测试 柱塞摩擦阻力和固定凡尔阻力测试的工艺流程与常规试验的工艺流程相同，所 不同的是抽油泵柱塞的上、下又布置两处压力测试点，固定凡尔的上、下布置了压 差计，测试原理图如图2 一1 0 所示。当泵在稳定工况下工作时，测试以下参数：柱塞 上部压力反，下部压力p ：，固定风尔的上下压差厶矗。 事实上柱塞的摩擦阻力是不能直接测试得到的，只能通过以上测试 参数由计算得出，下面阐述其计算方法。 柱塞在泵筒内上下往复运动时，其力学模型如图2 - 1 1 所示。图中， 为上部抽油杆对柱塞施加的向上的拉力，尸i 、只分别表示柱塞上部、下 部液体对柱塞所施加的商下和向上的攉力，& 为柱塞自重，力盘根盒处 光杆所受摩擦阻力，尸为柱塞与泵筒间的摩擦阻力，p 的计算公式为： 上冲程： 下冲程： a 只t 2 f + b 一层一g 2 一f 一脚 p f 一丑+ g 2 f 一，一只一m ( 2 1 ) ( 2 2 ) 1 1 第2 章试验系统的组成、工艺流程及特殊试验 并且认为上、下冲程柱塞与泵筒闯的摩擦阻力相等，上冲程时由于游动凡尔关 闭，所以： p = 廿 式中f 一光杆所受拉力，n ； ，一盘根盒处光杆所受摩擦阻力，n ： 只一柱塞上部液体对柱塞的压力，n ： 只柱塞下部液体对柱塞的压力，n ； a p 一柱塞与泵简之间的摩擦阻力，n ： g ，一光杆及柱塞自重，n ： 肌一光杆及柱塞的重量，k g ： 4 一光杆及柱塞运动加速度，m s 2 ： ( 2 3 ) 图2 一l o 抽油泵柱塞摩擦阻力和固定凡尔阻力测试原理田 大庆石油学院硕士研究生学位论文 f p l f p 1 ( a ) 上冲程( b ) 下冲程 图2 1 1 柱塞上下冲程力学模型 下面讨论以上参数的测试计算方法。 以上各式中，可由柱塞上部抽油杆上的拉压传感器测出，由于抽油 杆采用空心抽油杆，所以可以将拉压传感器的信号经空心抽油杆引出并 输入到信号采集器。柱塞上、下液体对柱塞所施加的压力e 、最及柱塞运 动加速度采用下式计算： 置一p l 4 一寻( d 2 一d 2 汩。( 2 - 4 ) 咔 最一p 2 4 等d 2 p 2 ( 2 - 5 ) | 4-ro)2cos妒(2-6) 式中d 一柱塞直径，i l l ； d 一抽油杆直径，m ； p 。一柱塞上部( 即泵出口) 液体压力，p a ： p ，一柱塞下部( 即泵入口) 液体压力，p a ； - ，一抽油机曲柄半径，m ； 一曲柄转速，r a d s ；珊一2 n 6 0 ； 玎一减速箱曲柄轴转速( 等于冲次) ，m i n ； 妒一曲柄转角，r a d 。 上式中的液体压力p 。、，：分别由抽油泵排出口和吸入口的压力计测 第2 章试验系统的组成、工艺流程及特殊试验 试得到。 岛为柱塞及抽油杆自重，可计算或直接称出，为柱塞及抽油杆等的 质量，也可以直接称出。a 为柱塞运动的加速度，可由位移一时间关系 推出瞬时加速度与时间( 或曲柄转角) 的关系公式。由于a 是瞬时变化 的，因此，p 也应是时刻在变，可取一个冲程内p t 的平均值作为柱 塞与泵筒间的摩擦阻力。 本次试验中的其余参数为： m = 3 6 3 k g ，d = 0 0 3 8 m ，g 2 = 3 5 5 7 n ，d = o 0 5 6 m ，- - 0 5 m ， c o = 0 3 1 4 r a d s ，n = 3 m i n 。 以上计算式中只有抽油杆与盘根之间的摩擦阻力，未知，下面阐述 其测试及计算方法。 ( 2 ) 抽油杆与盘根之间的摩擦阻力 光杆与盘根之间的摩擦阻力由对比测试得到，测试原理见图2 - 1 2 。 上冲程时，由载荷传感器测试光杆悬点载荷尹，则光杆与盘根之间的摩 擦阻力，由下式计算： ，一f + 只一g o - m o a ( 2 - 7 ) 式中m 。、g o 一分别为光杆的质量和重量，： 只一泵筒内液体对抽油杆施加的向上的力，n ；爿t 詈d2 p ：； d 一抽油杆直径，m ； p ，一泵出口压力，p a ， ， f 一抽油杆悬点载荷，n 。 1 4 图2 1 2 光杆与盘根摩擦阻力测试原理图 大庆石油学院硕士研究生学位论文 2 3 2 抽油泵漏失量测试 抽油泵漏失量测试工艺流程图如图2 一1 3 所示。其试验过程为：首先 打开各个阀门，启动补液泵，将抽油泵及蓄能器内充满液体，然后启动 抽油泵，用阀门9 和溢流阀1 0 将泵排出口压力调至某一稳定值，工况稳 定后测试一定时间内( 或冲程内) 泵的漏失量。漏失量通过电子秤直接 输入工控机，再进入计算机进行处理。数据录取及结果图见图2 1 4 。装 置测试原理图如图2 1 5 所示。 图中的蓄能器和补液泵是为了使泵排出口的压力和流量保持相对稳 定。此外，实际抽油泵在工作时，只是在上冲程柱塞上下两端存在压力 差，泵筒与柱塞发生漏失，下冲程时柱塞上下两端压力相等，可以认为 没有液体漏失；而实际测试过程中柱塞上下两端的压力差在上下冲程基 本上不变，因此实际抽油泵的漏失量应为测试量的二分之一，即 q 害= a q 2 。 1 11 0 9 8 76 圈 1 3 抽油泵漏失量铡试工艺流程图 1 ，3 、6 9 一霸门2 - - 补液泵4 - - 电子秤5 - - 抽油泵 7 - - 压力计8 一蓄能器1 0 - - 溢瘟目l l 一供液池 第2 章试验系统的组成，工艺流程及特殊试验 i 排出口压力卜_ 呻 k 1 l 冲程卜一 i d 圉 计算机目输出并 7 i 一 i 冲次 _ 一 转 喜爸毒爸瓠母堍杀 i漏失量卜+换 i 时间卜一l 时间p 圈2 - 1 4 漏失量数据录取及结果围 广( 亟困 卜 函日 叶函困 图2 - 1 5 抽油泵蠢失量测试原理圈 2 3 3 特殊介质试验 特殊介质试验流程主要是指当试验介质为聚合物溶液、三元复合驱等溶液时的 抽油泵性能试验。为使介质混合均匀，应对介质进行搅拌，鉴于聚合物溶液受叶片 式搅拌器搅拌会发生降解这一特点，试验流程中采用螺杆泵使溶液在两储液罐之间 多次循环，以达到混合均匀的目的。特殊介质搅拌混合流程示意图如图2 1 6 所示。 其工作过程为：首先关闭所有阀门，将特殊介质( 如聚合物) 与液 体( 如水) 按定比例倒入搅拌罐内，然后打开阀门2 和6 ，启动螺杆泵， 大庆石油学院硕士研究生学位论文 将液体排入供液池；待供液池满后，停泵并关闭阀门2 和6 ，开启阀门3 和5 。再次启动螺杆泵，将液体重新排入搅拌罐内，如此反复，直至液体 混合均匀。 本章小结 图2 - 1 6 特殊介质搅拌混合流程示意图 1 一供蒗池2 3 5 6 - - 月门4 一蠕杆泵7 一托梓抱 1 介绍了试验系统的组成及各分系统的工艺流程。 2 通过建立力学模型，推导出柱塞摩擦阻力、光杆与盘根问摩擦阻力的计算公式。 3 介绍了抽油泵漏失量工艺流程及抽油泵特殊介质试验的工艺。 1 7 第3 章试验系统的主要设计计算 第3 章试验系统的主要设计计算 3 1 抽油泵倾斜模拟系统的设计计算 3 1 1 悬点载荷分析 悬点载荷分析力学模型图如图3 - 1 所示。柱塞上冲程力平衡方程为： ，一h 备一日一f - 摩+ 己0 得出： f 一阡毛+ 毋+ f 摩一马 ( 3 - 1 ) 式中：另、马分别表示柱塞上、下液体对柱塞的作用力，为抽油 杆、柱塞及平衡重块的重量，为柱塞与泵筒之间的摩擦力。 当选用9 5 r a m 抽油泵、出口压力为i o m p a ，吸入口压力为3m p a ， 采用2 5 r a m 抽油杆，平衡重块为6 0 0 0 n 时，计算得e 一6 5 9 4 0 n 、罡- 2 1 2 5 4 n ， 耽一6 7 8 0n ，悬点最大静载荷f 一5 2 4 6 6 n 。 3 1 2 支撑架的力学分析计算 支撑架力学模型图如图3 2 所示，a 点表示支撑架底部锁定点，b 点表示立架对支撑架的支点。其力平衡方程为： x - 0x 口_ l 一0 ( 3 2 ) y - 0l + y j 一，一形- 0 龇一o 心黜峨“妇午工妇一形扣眦- o 且匕一x 。， ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 式中：x 。、匕、j o 分别表示支撑架在4 、口两点受到的支反力，f 为悬点载荷， 矽为支撑架及其附属自重，为支撑架与立架之间的摩擦系数。 1 8 蘸好 图3 - 2 支捧架力学模型图 大庆石油学院硕士研究生学位论文 由以上各式可得： x 。x 一( 暇f + 。w ) f s m i n a ： 缮蜜 忡圳一嗓譬 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 由悬点载荷分析知，f 5 2 4 6 6 n ，且形。i 0 0 0 0 n ，皈口罢，f 0 1 5 ，计算 斗 得：以一x 1 4 9 9 7 8 n ，一7 4 9 7 n ，l1 5 4 9 6 9 n ，将以上各参数代入如图3 3 所 示的支撑架有限元模型图，计算结果如图3 - 4 所示。其中支撑架截面最大应力 d r 眦- 2 5 m p a 7 5 m m ，轮轴直径设计计算合理。 ( 2 ) 钢丝绳及滑轮直径选择 钢丝绳工作时承受的载荷为悬点载荷，由前面的计算分析可知，悬点载荷发生 在使用# 9 5 大泵工作时，钢丝绳最大静载荷为= 5 2 4x 1 0 4n ，选择直径d 一2 0 m m 的钢丝绳，其破断载荷为6 ，一2 7 7 8 x 9 8 2 7 2 2 2 k n ，其安全系数 厅一s , e , p 上= 2 7 2 2 5 2 4 5 2 - 满足设计要求。 相应地选择滑轮的直径。根据试验装置承载倩况。滑轮直径与钢丝绳直径比最小 允许值e 一2 0 ，因此，设计滑轮直径d 一4 6 0 ，比值e 一4 6 0 2 0 a 2 3 2 0 ，满足要求。 ( 3 ) 滑轮底座地脚螺栓组的设计计算 轴承座螺栓强度分析、校核。由螺栓组结构设计知螺栓数目z = 8 。以下进行螺栓 受力分析。 1 ) 在钢丝绳载荷p 的作用下，螺栓承受以下各力和倾覆力矩的作用。 轴向力：昂一p s i n 卢- 5 0 xs i n 4 3 9 5 0 - 3 4 7 k n 横向力：f ：【r p c o s , 8 + p 一8 6 k n 倾覆力矩： m - 昂l - 8 6 x 0 3 - 2 5 8 k n 2 ) 在己作用下。各螺栓所受的工作拉力为： ( 3 - 3 4 ) ( 3 3 5 ) ( 3 3 6 ) e 。曼：丝4 3 4 k n( 3 3 7 ) 1 z8 辑e 务。肴娟5 8 l 【n ( 3 - 3 8 ) r 由以上分析可知，左边螺栓所受的轴向工作拉力为： f 一互+ e 一6 0 9 1 k n ( 3 - 3 9 ) 4 ) 在横向力晶作用下，底板连接接合面可能产生滑移，根据接合面不滑移条件，并 第3 章试验系统的主要设计计算 考虑轴向力昂对预紧力的影响，则各螺栓所受预紧力q ，为： 则： 哇降+ 丧昂) 士一1 一_ 一1 0 2 - 0 ta 1 2 ，。0 3 c b + c m气+ c m 办己_ 8 1 ( 1 2 。x 3 8 6 + 0 8 x 3 4 7 ) 1 4 6 御 5 ) 螺栓所受总拉力q 为； q - q p + ：l f 一4 6 4 7 + 0 2 6 0 9 2 - 5 8 6 5 k l q 气+ c _ 6 ) 确定螺栓直径： 螺栓材料选用a ，钢，屈服极限应力o s 则许用应力： 掣胁 一， d 12 ( 3 舶) ( 3 - 4 1 ) ( 3 4 2 ) = 2 4 0 m p a ，先取m 3 0 m 6 ，全系数n 一3 ， 所以选m 3 6 螺栓。 3 2 5 曲柄销的设计计算 曲柄销力学模型图如图3 1 4 所示， 其最大弯矩： m 一p 。l 一5 2 4 6 6 x 0 1 7 2 t9 0 2 4 2 n 。m 由弯曲应力 得： 盯甲一争争制 ，3 2 ( 3 4 3 ) ( 3 4 4 ) 闯 t 考蚴矧。 。血础 圈3 一1 4 曲柄销力学模型圈 ( 3 4 5 ) ( 3 4 6 ) 大庆石油学院颀士研究生学位论文 如、新 4 7 ， 由此得： d 苫 善氅。8 6 9 1 0 2 ( m ) = 8 6 9 r a m ( 3 - - 4 8 ) v3 1 4 1 4 0 x 1 0 。 、 圆整后取d 一9 0 m m 3 3 试验系统总装机功率的确定 试验系统动力设备共有8 部分，下面分别确定各部分的装机功率。 3 3 1 抽油机电机功率的确定 由前面的计算可知，轴m 2 2 k w 。 3 3 2 供液螺杆泵电机功率的确定 所用螺杆泵流量q 一9 m 3 h ，泵排出1 ：3 与吸a d 压力差a p - 3 m p a 。则 心- 凹一去”1 0 6 1 0 0 0 7 5 k w ( 3 - 4 9 ) 取7 爱- 0 6 5 ，则电机功率应选为： _ 2 轴叩泵i1 1 5 k w ( 3 5 0 ) 所以电机功率为1 2 5 k w 。 3 3 3 液压站电机功率的确定 由前面的分析可知，液压站的作用是驱动两锁紧液压缸，其流量q - 0 s m 3 h ， 输出压力p m 5 m p a 。 则： 一q p 一盖x 5 x 1 0 6