抽油机悬点载荷计算课件

抽油機懸點載荷計算

抽油機在工作時懸點所承受的載荷，是進行抽油設備選擇及工作狀況分析的重要依據。

一、懸點承受的載荷

動載荷靜載荷其他載荷振動慣性摩擦杆重液重浮力沉沒壓力井口回壓

1.抽油杆柱的重力產生的懸點靜載荷

抽油杆柱所受的重力在上、下衝程中始終作用在懸點上，其方向向下，故增加懸點載荷。上衝程：下衝程：其中

2.液柱的重力產生的懸點載荷上衝程：液柱的重力經抽油杆柱作用於懸點，其方向向下，使懸點載荷增加

下衝程：液柱的重力作用於油管上，因而對懸點載荷沒有影響。

3.振動載荷與慣性載荷初變形期：抽油機從上衝程開始到液柱載荷加載完畢，這一過程稱之為初變形期。

抽油杆柱本身是一個彈性體，在週期性交變力的作用下做週期性變速運動，因而將引起抽油杆柱做週期性的彈性振動。這種震動還將產生振動衝擊力，這個力作用於懸點上便形成振動載荷。同時，變速運動將產生慣性力，作用於懸點上便形成慣性載荷。在下面的討論中忽略了液柱的振動載荷。

(1)抽油杆柱的振動引起的懸點載荷

在初變形期末激發起的抽油杆柱的縱向振動，可用一端固定、一端自由的細長杆的自由縱振動微分方程來描述

式中u——抽油杆柱任一截面的彈性位移，m；

x——自懸點到抽油杆柱任意截面的距離，m；

a——彈性波在抽油杆柱中的傳播速度，等於抽油杆中的聲速，m/s；

t——從初變形期末算起的時間，s。

假定懸點載荷在初變形期的變化接近於靜變形，沿杆柱的速度按直線規律分佈，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：

根據分離變數法，在以上初始條件和邊界條件下，方程組的解為：

——抽油杆柱自由振動的固有頻率，。抽油杆柱的自由縱振動在懸點處產生的振動載荷為

式中E——抽油杆材料的彈性模量。最大振動載荷為

最大振動載荷發生在,...處。但實際上由於存在阻尼，振動將會隨時間逐漸衰減，故最大振動載荷發生在處，出現最大振動載荷的時間則為

(2)抽油杆柱與液柱的慣性產生的懸點載荷

驢頭帶動抽油杆柱和液柱做變速運動時存在加速度，因而將產生慣性力。如忽略抽油杆柱和液柱的彈性影響，則可以認為抽油杆柱和液柱各點和懸點的運動規律完全一致。

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

如果採用曲柄滑塊機構模型來計算加速度，上、下衝程最大慣性載荷值分別為：

,——抽油杆柱和液柱在上衝程中產生的最大慣性載荷，N；

——抽油杆柱在下衝程中產生的最大慣性載荷，N；

——油管過流斷面擴大引起液柱加速度降低的係數

實際上，由於抽油杆柱和液柱的彈性，抽油杆柱和液柱各點的運動與懸點的運動並非一致，因此，上述按懸點最大加速度計算的慣性載荷將大於實際值。考慮抽油杆柱的彈性時，抽油杆柱產生的慣性載荷

初變形期末抽油杆柱隨懸點做變速運動，必然會由於強迫運動而在抽油杆柱內產生附加的慣性載荷。慣性載荷的大小取決於抽油杆柱的品質、懸點加速度及其在杆柱上的分佈。為了討論問題方便，將懸點運動近似地看做簡諧運動。這時，懸點運動的加速度為：

——懸點加速度；

——從懸點下死點算起的上衝程時間。

距懸點處的加速度為：

在處單元體上的慣性力為：

積分有：

其中：故抽油杆柱的慣性力並不正比於加速度的暫態值，而是正比於在時間期間內懸點速度的增量。

當時，抽油杆柱的慣性力隨而減小當時，抽油杆柱的慣性力等於零；當時，慣性力改變方向，隨而增大。4.摩擦載荷

(1)抽油杆柱與油管的摩擦力上下衝程中都存在，不超過抽油杆重量的1.5％。

(2)柱塞與襯套之間的摩擦力

該摩擦力在上、下衝程中都存在，一般泵徑不超過70mm時，其值小於1717N。

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

(4)液柱與油管之間的摩擦力發生在上衝程，其方向向下，故增大懸點載荷。

(5)液體通過遊動閥的摩擦力

在高粘度大產量油井內，液體通過遊動閥產生的阻力往往是造成抽油杆柱下部彎曲的主要原因，對懸點載荷也會造成不可忽略的影響。液流通過遊動閥時產生的壓頭損失為：

——閥流量係數，對於常用的標準型閥，可根據雷諾數查圖雷諾數：

如果把活塞運動看成簡諧運動

：

由液流通過遊動閥的壓頭損失而產生的活塞下行阻力為：

5.其他載荷

沉沒壓力只發生在上衝程，減小懸點載荷：泵吸入口壓力沉沒壓力液流產生的壓降井口回壓，將對懸點產生附加載荷，上衝程中增加懸點載荷下程中減小懸點載荷：回壓

二、懸點的最大和最小載荷上：下：

在下泵深度及沉沒度不是很大，井口回壓及沖數不很高的稀油直井內，常可以忽略,,,,及。則，最大和最小載荷分別簡化為：令：則懸點所承受的最大和最小載