調徑變矩抽油機懸點載荷計算

湯敬飛，吳曉東，馬國瑞，高照敏

（中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京102249） ①

調徑變矩抽油機懸點載荷計算

湯敬飛，吳曉東，馬國瑞，高照敏

（中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京102249）①

為了計算調徑變矩抽油機的慣性載荷和摩擦載荷，研究了該抽油機的懸點運動規律，得到了懸點運動速度、加速度和曲柄轉角的關系式，推導出懸點慣性載荷計算式和抽油桿柱摩擦載荷計算式。以CYJ8－3－26HY型抽油機為例，把相關計算式編寫入計算程序并運行，繪制出懸點慣性載荷、摩擦載荷和總載荷與曲柄轉角的關系曲線。為進一步研究此類新型抽油機提供理論支持。

抽油機；載荷；計算

ρl—液體密度，kg／m3；

vp—柱塞運動速度，當把抽油桿看成是非彈性桿柱時，

調徑變矩抽油機（又稱二級平衡游梁抽油機）是在前置式游梁式抽油機上采用新型平衡方案的新型抽油機，取消了曲柄平衡，將傳統的直游梁設計成3段折線的彎形游梁。彎游梁上下擺動時平衡重距中軸承水平距離在一定范圍內變化，改變了平衡力臂長度，且可以用調整銷進行微調，從而得到平穩、低峰值的懸點載荷曲線［1－4］。

通過調節吊臂與游梁后臂之間的夾角和吊臂配重可調整抽油機的工作狀態［5－7］。這就決定了調徑變矩抽油機懸點運動速度與常規游梁式抽油機不同，因此與懸點運動的速度、加速度相關聯的懸點載荷與常規游梁式抽油機也不同。

1 載荷計算

1.1 慣性載荷

調徑變矩抽油機原理如圖1。由于懸點以上的驢頭運動是變速運動，忽略抽油桿柱和液柱的彈性變形影響，筆者認為抽油桿柱和液柱各點的運動規律和懸點運動規律是相同的［2］。θ＝0°是曲柄位于6點鐘位置時的角度（面向抽油機，井口在右），并設逆時針方向為正。

圖1 調徑變矩抽油機原理

由余弦定理得與懸點運動速度相同，m／s；

ξ—由試驗確定的閥流量系數；

fo—閥孔截面積，cm2；

Wr—桿柱載荷，N；

Wl—液柱載荷，N。

由正弦定理得

懸點速度［4－5，8］為

懸點加速度［4，8－10］為

由以上分析可知，懸點速度vA、懸點加速度αA都是關于轉角θ的函數。

可知抽油桿柱的慣性力Fr為

液柱的慣性力Fl為

其中，ε為考慮油管過流斷面變化引起液柱加速度變化系數。

由式（8）知，上沖程前半段（θ＝0～90°）aA≥0，后半段（θ＝90～180°）aA≤0；下沖程前半段（θ＝180～270°）aA≥0，下沖程后半段（θ＝270～360°）aA≤0。

1.2 摩擦載荷

1） 抽油桿柱與液柱的摩擦力 阻力大小可用近似公式求解［11］，即

vAmax可用懸點最大運動速度來計算［2］，即

2） 液柱與油管之間的摩擦力 上沖程中，游動閥關閉，油管內的液體隨著抽油桿柱和柱塞上行時，液體與油管之間會產生相對運動，導致有摩擦力，方向與運動方向相反，即為向下。通常采用式（14）經驗公式計算摩擦力［11］，即

3） 液柱通過游動閥產生的阻力 液流通過游動閥的壓力損失而產生的最大柱塞下行阻力為［11］

不考慮抽油桿柱的彈性變形時，可以得到柱塞運行速度與懸點的運動速度相同，即

最大柱塞速度與最大懸點速度vAmax相同，即vp＝vAmax，代入式（15）可求得Fv。

1.3 靜載荷

調徑變距抽油機的靜載荷分為：抽油桿柱載荷、作用于柱塞上的液柱載荷、沉沒壓力和井口回壓，計算方法與常規游梁式抽油機一樣。

2 計算實例

以CYJ8－3－26HY型抽油機為例，分析抽油機在新的懸點運動規律下的慣性載荷和摩擦載荷。已知參數為沖程3m，沖次6min－1，泵掛深度800m，管式抽油泵直徑44mm，抽油桿直徑19mm，桿柱材料密度7 850kg／m3，抽汲液體密度0.98×103kg／m3，氣液比0，油管內徑62mm。

經過計算機編寫程序，計算得出懸點速度、懸點加速度、懸點慣性載荷、懸點摩擦載荷、懸點總載荷曲柄轉角的關系曲線。如圖2～6。

圖2 懸點速度與曲柄轉角關系曲線

圖3 懸點加速度與曲柄轉角曲線

圖4 慣性載荷與曲柄轉角關系曲線

圖5 摩擦載荷與曲柄轉角關系曲線

圖6 總載荷與曲柄轉角關系曲線

3 結論

1） 用計算機模擬的方法可以非常直觀、精確地了解到調徑變矩抽油機的慣性載荷在θ＝0°和θ＝180°附近分別為最大值和最小值；摩擦載荷在θ＝100°和θ＝240°附近分別為最大值和最小值；總載荷在θ＝82°和θ＝230°附近出現最大值和最小值。

2） 調徑變矩抽油機的懸點速度、懸點加速度曲線與常規抽油機類似，都是呈現山峰狀，不同點是調徑變距抽油機的曲線趨于平緩。

3） 慣性載荷和摩擦載荷不可忽略，慣性載荷中液柱載荷較大，應盡力避免或減少；摩擦載荷比較平緩。

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Calculation of Suspension Point Load on Adjustable Diameter Pumping Unit

TANG Jing－fei，WU Xiao－dong，MA Guo－rui，GAO Zhao－min
（MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

To calculate the suspension inertial load and friction load of diameter adjustable pumping unit，its movement of suspension point was studied，and the relations between suspension point velocity，acceleration and the crank angle were obtained.Thus，the relations of rod load and the relations of sucker road friction load were derived.A computer programming was used to draw curves of suspension inertial load，friction load and total load with crank angle based on the example of CYJ8－3－26HY pumping unit.Finally，a conclusion was given on the characteristic curve of it，providing theoretical support to this new type of pumping unit for further development.

well pumping unit；load；calculation

1001－3482（2011）11－0037－04

TE933.102

A

2011－05－08

湯敬飛（1987－），男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，主要從事油氣田開發技術研究，E－mail：jingfei＿tang＠126.com。