第二节 抽油机悬点运动规律及载荷分析
一、游梁式抽油机悬点运动规律
四连杆机构：以游梁支架轴和曲柄轴的连线为固定杆，以曲柄、连杆和游梁为三个活动杆所组成的四连杆机构。如图3-21所示，
抽油机在一个冲程中，悬点的速度和加速度不仅大小在变化，而且方向也在不断改变。上冲程前半个冲程为加速运动，加速度方向向上；后半个冲程为减速运动，加速度方向向下。下冲程前半个冲程为加速运动，加速度方向向下；后半个冲程为减速运动，加速度方向向上。
其最大速度发生在下、下冲程的中点，在上、下死点处速度为零；其最大加速度发生在上、下死点处，在上、下冲程的中点加速度为零。
上下死点处的最大加速度分别为：
)1(220max l
r s a +=
=ω? （3-12） )1(22max l r s a --==ωπ
? （3-13） 二、抽油机悬点载荷计算与分析
（一）静载荷
1．抽油杆柱载荷
上冲程，悬点承受着整个抽油杆柱的重力为：
g L f W s r r ρ= ＝Lg q r （3-21）
对于多级抽油杆：
g ┅L q L q W r r r )(2211++=
式中 r W —— 抽油杆柱的重力，N ；
r f —— 抽油杆的截面积，m 2；
L —— 抽油杆柱的长度，m ；
s ρ—— 抽油杆材料（钢）的密度，3/7850m kg s =ρ。
r q —— 每米抽油杆的平均质量，kg/m ；（可查表3-1）
21r r 、q q —— 用多级组合杆柱时各级抽油杆柱的每米平均质量，kg/m ； 21、L L —— 用多级组合杆柱时各级抽油杆柱的长度，m 。
下冲程，作用在悬点上的杆柱载荷等于抽油杆柱的重力减去杆柱受到的浮力：
g L f W l s r r )(ρρ-='或b W Lgb q W r r r ==' （3-23）
式中 'r W —— 抽油杆柱在液体中的重力，N ；
s
l s b ρρρ-=――抽油杆的失重系数 l ρ—— 抽汲液体的密度，3/m kg ；当原油含水时，可用下式近似计算：
w w w o l f f ρρρ+-=)1( （3-24）
式中 o ρ—— 原油密度，3/m kg ；
w ρ—— 水的密度，3/m kg ；
w f —— 原油含水率，小数。
2．液柱载荷
上冲程作用在悬点上的液柱载荷为：
g L f f W l r p l ρ)(-= （3-26）
式中 l W —— 液柱载荷，N ；其它符号同前。
下冲程液柱载荷不作用在悬点上。
3．上、下冲程中在杆柱和管柱之间相互转移的载荷
='l W l r W W +—'r W
=g L f s r ρ＋g L f f l r p ρ)(-—g L f l s r )(ρρ-=g L f l p ρ
'l W ，简称为转移载荷。
由以上推导可知，上冲程的静载荷：
'+'=+l r l r W W W W (3-27)
上、下冲程静载荷随悬点位移的变化曲线：
图3-29 静载荷随悬点冲程变化的曲线
4．其它静载荷
1）沉没压力对悬点载荷的影响
沉没压力：泵的吸入口沉没在液面以下一定深度，该处的压力称为沉没压力。 吸入压力：上冲程中，在沉没压力作用下，井内液体克服泵的入口设备的阻力进入泵内，此时液流具有的压力称吸入压力。
吸入压力作用在活塞底部而产生向上的载荷为：
p i s p n i f p p f P F )(?-== （3-28）
式中 i F —— 吸入压力n p 作用在活塞上产生的载荷，N ；
n p —— 吸入压力，Pa
P f ——活塞截面积，m 2；
s p —— 沉没压力，Pa ；
i p ?—— 液流通过泵的入口设备产生的压力降，Pa ；
下冲程中，吸入阀关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响。
2）井口回压对悬点载荷的影响
上冲程增加悬点载荷：)(r p B Bu f f p F -= （3-29）
下冲程减小悬点载荷：r B Bd f p F = （3-30）
式中 Bu F —— 井口回压在上冲程中造成的悬点载荷，N ；
Bd F —— 井口回压在下冲程中造成的悬点载荷，N ；
B p —— 井口回压，Pa ；其它符号同前。
由于沉没压力和井口回压在上冲程中造成的悬点载荷方向相反，可以相互抵消一部分，所以在一般计算中可以忽略这两项。
（二）动载荷
1．惯性载荷
根据牛顿第二定律可得：
抽油杆柱的惯性力为：
A r r G a g
W P = （3-31） 液柱的惯性力为：
εA l Gl a g
W P = （3-32） 式中 ε—— 考虑油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数：
r tg r
p f f f f --=ε
式中 tg f —— 油管的流通断面面积。
惯性载荷对悬点载荷的影响分析
由图可以看出，惯性载荷的方向及对悬点载荷的影响为：上冲程前半冲程，悬点向上加速运动，惯性力向下，增加悬点载荷；后半冲程，悬点向上减速运动，
惯性力方向向上，减小悬点载荷，下冲程前半冲程，悬点向下加速运动，惯性力向上，减小悬点载荷；后半冲程，悬点向下减速运动，惯性力向下，增加悬点载荷。由图中可以看出，在上、下死点处惯性载荷对悬点载荷的影响最大，而在二分之一冲程处，惯性载荷为零。
上冲程中抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷为：
)1(1790)1()602(2)1(2222l
r sn W l r n s g W l r s g W P r r r u
Gr +=+=+=πω （3-33） 若取4/1/=l r 时： 1440
2sn W P r u
Gr = （3-34） 下冲程抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷为：
)1(1790)1(222l r sn W l r s g W P r r d
Gr
--=--=ω （3-35） 上冲程液柱引起的悬点最大惯性载荷为：
εεω)1(1790)1(222l r sn W l r s g W P l l u
Gl
+=+= （3-36） 下冲程中液柱不随悬点运动，因而没有液柱的惯性载荷
上冲程中悬点最大惯性载荷为： u Gl u Gr u G P P P +=
下冲程悬点最大惯性载荷为： d Gr d G P P =
注：当液柱中含气比较多且冲数比较小时，可忽略液柱引起的惯性载荷。
2．摩擦载荷 上冲程增加悬点载荷，下冲程减小悬点载荷
对抽油机悬点载荷有影响的摩擦力包括以下五个方面：
（1）抽油杆柱和油管柱的摩擦力，上下冲程都存在，上冲程增加悬点载荷，下冲程减小悬点载荷。
（2）活塞与衬套之间的摩擦力，上下冲程都存在，上冲程增加悬点载荷，下冲程减小悬点载荷。
（3）液柱与抽油杆柱之间的摩擦力，发生在下冲程，方向向上，减小悬点载荷。
（4）液柱与油管之间的摩擦力，发生在上冲程，方向向下，增加悬点载荷。
（5）液体通过游动阀的摩擦阻力，发生在下冲程，方向向上，减小悬点载
东北石油大学 力学技能训练 2015 年3月29日
东北石油大学力学技能训练任务书 课程力学技能训练 题目CYJ12-3.6-73HB游梁式抽油机悬点运动分析及其载荷分析 专业工程力学姓名董日治学号110403240128 主要内容、基本要求、主要参考资料等 将要进行的力学技能训练具体的内容、要求、参考资料如下： 1.主要内容： （1）深入学习和研究常规型游梁式抽油机悬点运动分析及其载荷分析方面理论知识。 （2）利用所学的计算机基础知识独立完成编写出计算机程序并且上机进行相应计算。 （3）对于计算结果进行比较分析，通过反复计算，得到正确的计算结果。 （4）对于计算结果进行详细分析，得到相应的正确结论。 2.基本要求： （1）独立思考，刻苦钻研，掌握理论研究方法和熟练计算机操作技巧； （2）绘制出正确的指定型号游梁式抽油机悬点运动曲线及理论示功图； （3）撰写一份规范的2万字左右的力学技能训练报告。 3.主要参考资料： （1）东北石油大学电化教学中心.采油工艺实习用光盘. 1999. （2）董世民.抽油机设计计算与计算机实现[M].石油工业出版社.1987：11-21. （3）万仁博，罗英俊.采油技术手册（第四分册）[M].石油工业出版社.1993:36-52. 完成期限2015.3.9-2015.3.29 教师负责人 专业负责人 2015 年 3 月 5 日
摘要 采油是石油工程中重要的组成部分它的重要性不亚于钻井，钻井把石油和地面连通了，而采油才是把石油送到了地面。而直接影响采油质量和进度的就是采油技术和设备。 随着抽油机制造技术的不断发展进步，自20世纪90年代后，陆续开发了不同形式的以节能为目的的抽油机，节能抽油机仍然属于普通式游梁式抽油机结构。抽油机是抽油机—深井泵抽油系统中的主要地面设备。游梁式抽油机主要由游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、动力设备、辅助设备等四大部份组成。工作时，动力机将高速旋转动动通过皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄轴做低速旋转运动，曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下往摆动，挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆作上下往复动动。 掌握抽油机悬点的运动规律（悬点的位移、速度和加速度）是研究抽油装置动力学、确定抽油装置的基本参数及运行抽油装置设计的基础，因此本文运用了三种方法分析了悬点的运动规律，即简化为简谐运动时悬点的运动规律，简化为曲柄滑块机构时悬点的运动规律，还有悬点运动规律的精确分析。 关键词：采油计算，采油设备，载荷计算
第二节抽油机悬点运动规律及悬点载荷 一、教学目的 了解抽油机悬点的运动规律，抽油机悬点静载和动载的计算方法以及最大载荷、最小载荷的位置及其计算值。 二、教学重点、难点 教学重点： 1悬点运动规律； 2、载荷计算。 -| I * 教学难点： 1最大载荷和最小载荷的计算。 三、教法说明 课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的图形和动画。 四、教学内容 本节主要介绍两个方面的问题： 1.抽油机悬点运动规律. 2.抽油机悬点载荷计算. （一）抽油机悬点运动规律 1、简化为简谐运动时悬点运动规律 假设条件：r/l?0、r/b?0 游梁和连杆的连接点B的运动可看做简谐运动，即认为B点的运动规律和D点做圆运动时在垂直中心线上的投影（C点）的运动规律相同。
则B点经过t时间（曲柄转角? ）时位移为: S B = r(1 cos ) = r(1 - cos t) ■ 图3-13抽油机四连杆机构简图 以下死点为坐标零点，向上为坐 标正方向，则悬点A的位移为: a a SA=b S B = b r(i°S 7 V A'S A,仙计dt b w A点的速度为: 图3-14筒谐运动时悬点位移. 速度、加遠度吨线 7? 丄 ■ A/ \ 〉等直4/y *\P >.!亠I 1L / 1 *\ira A点的加速度为: W 2rcos t 2、简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律 假设条件：° r门:14 把B点绕游梁支点的弧线运动近似地 看做直线运动，则可把抽油机的运动简化为 曲柄滑块运动。 D ffl 曲柄滑块机构简图
A 点位移: 扎 2 1 a S A = r(1 - cos —sin ) 2 b A 点速度: (二)抽油机悬点载荷计算 1、悬点所承受的载荷 (1)静载荷 V A 严 dt r (sin a 护2)b A 点加速度: W“；； 2 r(cos a 2 S .2 max 180 2 (1 十) 图3-n 悬点加速度变化庙线 1-按简谐运动计算：A 精确计算: 3-按曲柄滑块机构计算 + 扎 cos2>) — b S 2 (1 - ) l a m ax 图3-氐悬点速度变化曲线 1-按筒谐运动计算；A 精确计算; 3-按曲柄滑块机构计算
抽油机井典型示功图分析 学习目的：抽油机井典型示功图是采油技术人员在多年的生产实践中总结出来的，大多数具有一定的特征，一看就可直接定性的示功图。把这些具有典型图形特征的例子作为生产现场初步判断抽油机井泵况的参考依据，也是综合分析实测示功图的第一步。通过对本节的学习，使分析者能以此为参考，对具有典型特征的示功图做出准确的定性判断。 一、准备工作 1、准备具有典型特征的示功图若干； 2、纸，笔，尺，计算器。 二、操作步骤 1、把给定的示功图逐一过一遍，按所理解的先初步给示功图定性定类。 第一类：图形较大，除去某一个角外就近似于平行四边形的示功图——即抽油泵是在工作的示功图； 第二类是图形上下幅度很小，两侧较尖的示功图——即抽油泵基本不工作的示功图； 第三类示功图：特征不明显的示功图——即最难直接定性的示功图。 2、按定类详细分析判断。 三、实测示功图分析解释 为了便于分析，我们先从图形受单一因素影响的典型示功图着手。所谓典型示功图：就是指某一个因素的影响十分明显，其形状代表了该因素影响下示功图的基本特征。然后把典型示功图与实测示功图对比分析，以阐明分析方法和各类图形的特征。最后提出相应的整改措施。用对比相面法把实测示功图与理论示功图形状进行对比，看图形变化，分析泵的工作状况。 1、泵工作正常时的示功图 所谓泵的工作正常，指的是泵工作参数选用合理，使泵的生产能力与油层供油能力基本相适应。其图形特点：接近理论示功图，近似的平行四边形。这类井其泵效一般在60%以上。
图中虚线是人为根据油井抽汲参数绘制的理论负载线，上边一条为最大理论负载线，下边一条为最小理论负载线。现场常常把增载线和减载线省略了。 2、惯性载荷影响的示功图 在惯性载荷的作用下，示功图不仅扭转了一个角度，而且冲程损失减少了，有利于提高泵效。示功图基本上与理论示功图形状相符。影响的原因是：由于下泵深度大，光杆负荷大，抽汲速度快等原因在抽油过程中产生较大的惯性载荷。在上冲程时，因惯性力向下，悬点载荷受惯性影响很大，下死点A上升到A′，AA′即是惯性力的影响增加的悬点载荷，直到B′点才增载完毕；在下冲程时因惯性力向上使悬点载荷减小，下死点由C降低到C′，直到D′才卸载完毕。这样一来使整个示功图较理论示功图沿顺时针方向偏转一个角度，活塞冲程由S活增大到S′活，实际上，惯性载荷的存在将增加最大载荷和减少最小载荷，从而使抽油杆受力条件变坏，容易引起抽油杆折断现象。 整改措施： 1、减小泵挂深度，以减轻光杆负荷。 2、降低抽油机的抽汲参数，减小惯性力。 3、振动载荷影响的示功图 分析理论示功图可知，液柱载荷是周期性作用在活塞上。当上冲程变化结束后，液体由静止到运动，液柱的载荷突然作用于抽油杆下端，于是引起抽油杆柱的振动。在下冲程，由于抽油杆柱突然卸载也会发生类似现象。 振动载荷的影响是由抽油机抽汲参数过快，使抽油杆柱突然发生载荷变化而引起的振动，而使载荷线发生波动。 整改措施： 降低抽油机的抽汲参数，减小惯性力。 4、泵受气体影响的示功图
浅论定向井抽油机悬点最大载荷计算方法 发表时间：2019-11-14T10:00:08.527Z 来源：《科学与技术》2019年第12期作者：张明凡 [导读] 定向井悬点载荷的方法，其基本原理都是在井眼中取一小单元长度进行受力分析。这种受力分析考虑了井斜对杆柱受力状况的影响，然后按整个抽油杆长度进行积分叠加来计算悬点载荷。 摘要：定向井悬点载荷的方法，其基本原理都是在井眼中取一小单元长度进行受力分析。这种受力分析考虑了井斜对杆柱受力状况的影响，然后按整个抽油杆长度进行积分叠加来计算悬点载荷。这种方法理论上比较科学、合理，但在实际应用中却比较繁琐，一般情况下必须借助计算机才能实现，而且在计算时必须具备准确的井斜资料。这两个要求给现场操作带来了很大的不便。能否在直井计算悬点载荷公式的基础上进行一定的修正，方便应用于现场计算，经过多井次抽油机悬点载荷的计算和现场实测示功图数据的分析，认为完全可以做到这一点。 关键词：定向井；悬点载荷；杆柱受力；经验系数修正 近年来，由于钻井及采油技术的快速发展，定向井在油田中的应用越来越普遍。特别是一些地理位置比较特殊的地区，利用定向井进行开发，大大降低了成本，方便了管理。采油厂2018—2019年产能油井中定向井和直井相比，定向井具有复杂的井身剖面，抽油杆柱和液柱在其中的受力状况和直井有所不同。所以，其悬点载荷的计算方法也应该有所区别。定向井的载荷计算是一个相当复杂的问题。目前所采用的方法是取井筒中一小单元进行受力分析，然后逐段叠加。这一过程需要输入井斜数据后利用计算机辅助进行，在现场用中很不方便，且由于受各种因素的影响，其计算结果仍然是一个近似值。通过对现场多口井实测载荷的分析比较认为，传统的直井载荷计算公式经过一定的经验系数修正后仍然可以应用于定向井载荷的近似计算。 1直井最大载荷计算 最大载荷发生在抽油机的上冲程，主要由抽油杆的重量、液柱重量两大部分组成。其次还有抽油杆及液体的惯性载荷、摩擦载荷(包括杆柱与油管的摩擦力、柱塞与衬套之间的摩擦力、液柱与油管之间的摩擦力)，另外还有井口回压(增加载荷)及沉没压力(减小载荷)的影响。目前，国内外常用的直井最大载荷计算公式有以下几种： 式中：Pmax—抽油机悬点最大载荷，N；Wr—抽油杆的重量，N； Wr'—抽油杆在液体中的重量，N； Wl—液柱重力产生的悬点载荷(扣除抽油杆占据的体积)，N； Wl'—活塞面积上液柱的重量，N；s—冲程，m； n—冲数，次/min。 所有公式都考虑了液柱载荷、抽油杆柱载荷和抽油杆柱的惯性载荷。但公式(1)、式(2)考虑的是作用在活塞整个截面积上的液柱载荷，公式(3)考虑的是作用在活塞环形面积上的液柱载荷。同其它公式相比公式(1)、式(2)考虑了摩擦载荷，公式(2)、式(3)考虑了液柱的惯性载荷。公式把曲柄连杆运动简化为简谐运动，即r=0。某采油厂各区块下泵不深，多数井采用长冲程、慢冲次抽油，原油黏度不高，比重也不大，因此直井不用考虑摩擦力和液柱的惯性载荷。从理论上讲，公式(5)比较适合该厂抽油机载荷的计算。表1是用公式(5)计算的三个不同区块98口井悬点最大载荷同实测载荷的对比情况。 从表1中可以看出，直井的最大载荷计算与实测值相比，绝对误差仅为0.13kN，符合率为99.2%，也就是说，计算值与实测值非常接近，完全可以用公式(5)来计算直井悬点最大载荷。 2 定向井最大载荷计算 目前，定向井的悬点载荷计算一般采用下面的方法：把井眼轴线看成是由许多段曲率半径不等的圆弧曲线组成，相邻两点为一段，考虑到横向压力、轴向拉力、杆管、杆液之间的摩擦力等，以抽油泵活塞上端面对应点为起始点，通过逐段计算每段上端载荷，直到算出悬点最大载荷。这种算法虽然从理论上是比较合理的，考虑了定向井的特殊情况，但是在实际应用中，井中的各种复杂因素不可能考虑全面，所以其计算结果仍然只能是一个近似值。而主要的问题是以上的计算方法在现场应用中很不方便。从大量的现场实测资料来看，可以用直井的经验公式来近似地计算定向井的载荷，这种计算方法完全可以满足现场应用的需要。 通常情况下，人们认为定向井和直井相比，因井眼轨迹的变化，各种摩擦力增大，从而会使悬点最大载荷增大一定的幅度。表2是用公式(5)和积分叠加的方法计算的两个区块49口井悬点最大载荷同实测载荷的对比情况。 从计算结果可以看出，用积分叠加方法计算的定向井最大载荷和实测值非常接近；用公式(5)计算的定向井的最大载荷与实测值相比，有一定偏差，绝对误差为－1.99kN，相对误差为5.66%，但相差幅度并不是很大。分析原因，一方面，大多数井的井眼轨迹变化是比较缓慢
WORD格式 抽油机悬点运动规律及载荷分析 一、游梁式抽油机悬点运动规律 四连杆机构：以游梁支架轴和曲柄轴的连线为固定杆，以曲柄、连杆和游梁为三个活动 杆所组成的四连杆机构。如图3-21所示， 抽油机在一个冲程中，悬点的速度和加速度不仅大小在变化，而且方向也在不断改变。上冲程前半个冲程为加速运动，加速度方向向上；后半个冲程为减速运动，加速度方向向下。下冲程前半个冲程为加速运动，加速度方向向下；后半个冲程为减速运动，加速度方向向上。 其最大速度发生在下、下冲程的中点，在上、下死点处速度为零；其最大加速度发生在上、下死点处，在上、下冲程的中点加速度为零。 上下死点处的最大加速度分别为： （3-12）
WORD格式 （3-13） 二、抽油机悬点载荷计算与分析 （一）静载荷 1．抽油杆柱载荷 上冲程，悬点承受着整个抽油杆柱的重力为： ＝（3-21） 对于多级抽油杆： 式中——抽油杆柱的重力，N； 2 ——抽油杆的截面积，m； L——抽油杆柱的长度，m； ——抽油杆材料（钢）的密度，。 ——每米抽油杆的平均质量，kg/m；（可查表3-1） ——用多级组合杆柱时各级抽油杆柱的每米平均质量，kg/m； ——用多级组合杆柱时各级抽油杆柱的长度，m。 下冲程，作用在悬点上的杆柱载荷等于抽油杆柱的重力减去杆柱受到的浮力： 或 （3-23） 式中——抽油杆柱在液体中的重力，N； ――抽油杆的失重系数 ——抽汲液体的密度，；当原油含水时，可用下式近似计算：
WORD格式 （3-24）式中——原油密度，； ——水的密度，； ——原油含水率，小数。 2．液柱载荷 上冲程作用在悬点上的液柱载荷为： （3-26）式中——液柱载荷，N；其它符号同前。 下冲程液柱载荷不作用在悬点上。 3．上、下冲程中在杆柱和管柱之间相互转移的载荷 — =＋— = ，简称为转移载荷。 由以上推导可知，上冲程的静载荷： (3-27) 上、下冲程静载荷随悬点位移的变化曲线： 图3-29静载荷随悬点冲程变化的曲线 4．其它静载荷 1）沉没压力对悬点载荷的影响
抽油机悬点运动规律及载荷分析 一、游梁式抽油机悬点运动规律 四连杆机构：以游梁支架轴和曲柄轴的连线为固定杆，以曲柄、连杆和游梁为三个活动 杆所组成的四连杆机构。如图3-21所示， 抽油机在一个冲程中，悬点的速度和加速度不仅大小在变化，而且方向也在不断改变。上冲程前半个冲程为加速运动，加速度方向向上；后半个冲程为减速运动，加速度方向向下。下冲程前半个冲程为加速运动，加速度方向向下；后半个冲程为减速运动，加速度方向向上。 其最大速度发生在下、下冲程的中点，在上、下死点处速度为零；其最大加速度发生在上、下死点处，在上、下冲程的中点加速度为零。 上下死点处的最大加速度分别为： （3-12）
（3-13） 二、抽油机悬点载荷计算与分析 （一）静载荷 1．抽油杆柱载荷 上冲程，悬点承受着整个抽油杆柱的重力为： ＝（3-21） 对于多级抽油杆： 式中——抽油杆柱的重力，N； ——抽油杆的截面积，m2； L——抽油杆柱的长度，m； ——抽油杆材料（钢）的密度，。 ——每米抽油杆的平均质量，kg/m；（可查表3-1） ——用多级组合杆柱时各级抽油杆柱的每米平均质量，kg/m； ——用多级组合杆柱时各级抽油杆柱的长度，m。 下冲程，作用在悬点上的杆柱载荷等于抽油杆柱的重力减去杆柱受到的浮力： 或 （3-23） 式中——抽油杆柱在液体中的重力，N； ――抽油杆的失重系数 ——抽汲液体的密度，；当原油含水时，可用下式近似计算：
（3-24）式中——原油密度，； ——水的密度，； ——原油含水率，小数。 2．液柱载荷 上冲程作用在悬点上的液柱载荷为： （3-26）式中——液柱载荷，N；其它符号同前。 下冲程液柱载荷不作用在悬点上。 3．上、下冲程中在杆柱和管柱之间相互转移的载荷 — =＋— = ，简称为转移载荷。 由以上推导可知，上冲程的静载荷： (3-27) 上、下冲程静载荷随悬点位移的变化曲线： 图3-29 静载荷随悬点冲程变化的曲线 4．其它静载荷 1）沉没压力对悬点载荷的影响
抽油机示功图是将抽油机井光杆悬点载荷变化所作的功简化成直观封闭的几何图形，是光杆悬点载荷在动态生产过程中的直观反映，是油田开发技术人员必须掌握的分析方法。通过示功图的正确分析评价，可诊断抽油机井是否正常生产。本文将通过典型示功图示例阐述，结合现场实际，对井下生产情况进行解释分析，应用地面示功图解决现场实际问题，为油田开发现场分析诊断提供可借鉴性依据。 1、泵正常工作 图像分析：供液充足、泵的沉没度大、泵阀基本不漏 失，泵效高，游动阀尔和固定阀尔能够及时开、闭，柱塞 能够迅速加载和卸载。 管理措施：此类井供液充足，沉没度大，仍有生产潜 力可挖，可以将机抽参数调整到最大，以求得最大产量， 发挥井筒应有的产能水平。 2、振动影响 图形分析：泵深超过800m时抽油杆会发生有规律的振动，一 般不会影响泵效，振动引起悬点载荷叠加在正常工作产生的曲 线上，由于抽油杆柱的振动为阻尼振动，所以出现逐渐减弱 的波浪线。 管理措施：一般不考虑振动影响，如果冲次加大后，振动幅度 变大，就导致功图失真，上下死点有小尾巴出现，泵效低，这 时需要对油井进行综合评估，减小冲次建立合理制度。 3、供液不足 图形分析：供液不足为油田常见工况，当泵充满系数小于0.6 时，可以认为深井泵的工作制度不合理，泵的排出能力大于油 层的供液能力，造成沉没度太小，液体充满不了泵筒。 管理措施;主要进行油层改造，改善供液条件，机抽参数，对于 泵挂较深井可采取长冲程，小泵径、慢冲次，泵挂相对较浅的 井，在井况及抽油设备允许情况下，加深泵挂深度，以求得最 大泵效。 4、泵工作正常，油稠时的情况。 图像分析：油稠，使摩擦等附加阻力变大，造成上负荷线 偏高，下负荷线偏低，同时，油稠可能使得凡尔开关比6B63 常时滞后，凡尔和凡尔座配合不严密，造成较大漏失。 管理措施：对于稠油井，主要对进泵液体降粘，定期地向 油田区块注入降粘剂，采取环空加热措施，并采用反馈抽 稠泵机抽。
第二节 抽油机悬点运动规律及载荷分析 一、游梁式抽油机悬点运动规律 四连杆机构：以游梁支架轴和曲柄轴的连线为固定杆，以曲柄、连杆和游梁为三个活动杆所组成的四连杆机构。如图3-21所示， 抽油机在一个冲程中，悬点的速度和加速度不仅大小在变化，而且方向也在不断改变。上冲程前半个冲程为加速运动，加速度方向向上；后半个冲程为减速运动，加速度方向向下。下冲程前半个冲程为加速运动，加速度方向向下；后半个冲程为减速运动，加速度方向向上。 其最大速度发生在下、下冲程的中点，在上、下死点处速度为零；其最大加速度发生在上、下死点处，在上、下冲程的中点加速度为零。 上下死点处的最大加速度分别为： )1(220max l r s a += =ω? （3-12） )1(22max l r s a --==ωπ ? （3-13） 二、抽油机悬点载荷计算与分析 （一）静载荷 1．抽油杆柱载荷 上冲程，悬点承受着整个抽油杆柱的重力为： g L f W s r r ρ= ＝Lg q r （3-21） 对于多级抽油杆： g ┅L q L q W r r r )(2211++=
式中 r W —— 抽油杆柱的重力，N ； r f —— 抽油杆的截面积，m 2； L —— 抽油杆柱的长度，m ； s ρ—— 抽油杆材料（钢）的密度，3/7850m kg s =ρ。 r q —— 每米抽油杆的平均质量，kg/m ；（可查表3-1） 21r r 、q q —— 用多级组合杆柱时各级抽油杆柱的每米平均质量，kg/m ； 21、L L —— 用多级组合杆柱时各级抽油杆柱的长度，m 。 下冲程，作用在悬点上的杆柱载荷等于抽油杆柱的重力减去杆柱受到的浮力： g L f W l s r r )(ρρ-='或b W Lgb q W r r r ==' （3-23） 式中 'r W —— 抽油杆柱在液体中的重力，N ； s l s b ρρρ-=――抽油杆的失重系数 l ρ—— 抽汲液体的密度，3/m kg ；当原油含水时，可用下式近似计算： w w w o l f f ρρρ+-=)1( （3-24） 式中 o ρ—— 原油密度，3/m kg ； w ρ—— 水的密度，3/m kg ； w f —— 原油含水率，小数。 2．液柱载荷 上冲程作用在悬点上的液柱载荷为： g L f f W l r p l ρ)(-= （3-26） 式中 l W —— 液柱载荷，N ；其它符号同前。 下冲程液柱载荷不作用在悬点上。 3．上、下冲程中在杆柱和管柱之间相互转移的载荷
六、解释抽油机井理论示功图 A-驴头位于下死点 D点卸载终止点 C-驴头位于上死点AB-增载线 CD-卸载线 B-吸入凡尔打开，游动凡尔关闭点增载终止点 λ+λ-冲程损失（抽油杆伸长及油管缩短之和） D-固定凡尔关闭，游动凡尔打开点 BC-活塞冲程上行程线也是最大负荷线 AD- 下行程线也是最小负荷线 B1C-光杆冲程 OA-抽油杆在液体中重量 AB1-活塞以上液柱重量ABCD-抽油泵所做的功
七、实测示功图的解释 （1） 图1为其它因素影响不大，深井泵工作正常时测得的示功图。这类图形共同特点是和理论示功图的差异不大，均为一近似的平行四边形。 （2） 图2为供液不足的典型示功图。理论根据：活塞下行时，由于泵内没有完全充满，游动凡尔打不开，当活塞下行撞击到液面游动凡尔才打开，光杆突然卸载。该图的增载线和卸载线相互平行。 （3） 图3为供液极差的典型示功图。理论根据：活塞行至接近下死点时，才能接触到液面，使光杆卸载，但由于活塞刚接触到液面，上冲程又开始，液体来不及进入活塞以上，所以泵效极低。 （4） 图4为气体影响的典型示功图。理论根据：在活塞上行时，泵内压力降低，溶解气从石油中分离出来，由于气体膨胀，给活塞一个推动力，使增载过程变缓。当活塞下行时，活塞压缩泵内气体，使泵内压力逐渐增大，直到被压缩的气体压力大于活塞以上液柱压力时，游动凡尔才能打开。因此，光杆卸载较正常卸载缓慢。卸载线成为一条弯曲的弧线。
（5） 图5为“气锁”的典型示功图。所谓“气锁”是指大量气体进入泵内后，引起游动凡尔、固定凡尔均失效，活塞只是上下往复压缩气体，泵不排液。 （6） 图6为游动凡尔漏失的典型示功图。当光杆开始上行时，由于游动凡尔漏失泵筒内压力升高，给活塞一个向上的顶托力，使光杆负荷不能迅速增加到最大理论值，使增载迟缓，增载线是一条斜率较小的曲线。卸载线变陡，两上角变圆。 （7） 图7为游动凡尔失灵，油井不出油的典型示功图。图形呈窄条状，整个图形靠近下负荷线。 （8） 图8为固定凡尔漏失的典型示功图。示功图的特点：反应在卸载时，右下角变圆，卸载线与理论负荷线夹角变小，漏失越严重夹角越小。图形左下角变圆，漏失越严重，此角越圆滑。 （9） 图9为固定凡尔严重漏失，油井不出油的典型示功图。图形呈窄条状，且接近理论上负荷线。
新型抽油机载荷、扭矩计算公式 及平衡调整方法 一、抽油机载荷、扭矩计算公式 1、双驴头抽油机: 悬点最大载荷：P max =(P ’液 + P ’杆 )×(1+Sn 2/2390) kN 悬点最小载荷：P min =P ’杆 （1-Sn 2/1470） kN 减速器曲柄轴最大扭矩： M max =0.22S （P max -P min ） kN.m 2、高原皮带式抽油机: 悬点最大载荷： P max = P ’液 + P ’杆 kN 悬点最小载荷： P min = P ’杆 kN 减速器输出轴最大扭矩：M max = 0.5R(P max -P min )= 0.5R P ’液 kN.m 平衡箱总配重：P 配 = 0.5(P max +P min ) kN 式中： P ’液 —抽油泵柱塞全断面上的液柱重力（沉没度太大时要考虑动液面深度）， kN ； ☆ P ’液 =ρf gLA Q ρf —井液密度，t/m 3； g —重力加速度（=9.81m/s 2）； A Q —柱塞全断面积，m 2； L ——下泵深度，m ； P ’杆 —抽油杆在井液中的重力，kN ； ☆ P ’杆 =9.81×10-3L P 杆 （1-ρf /ρr ） P 杆 —每米抽油杆在空气中的重量，kg ρr —抽油杆密度（对钢杆ρr =7.85t/m 3） S —冲程长度，m ； n —冲程次数, min -1 R —悬绳器驱动摩擦轮节圆半径，m ； 二、双驴头抽油机平衡调整 双驴头抽油机安装前应根据油井井况和抽油机工况，初步估算平衡块的组合和平衡块的位置，以避免出现严重的不平衡现象。投产后，应根据曲柄轴实际净扭矩情况，调整平衡，以保证抽油机在最佳状态下工作，现介绍两种平衡调整的计算方法。 1、安装前初步估算平衡 （1）估算所需的平衡力矩M 平（据已有数据选用三式之一）
抽油机示功图浅析
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抽油机地面示功图浅析 摘要：抽油机地面示功图是将抽油机井光杆悬点载荷变化所作的功简化成直观封 闭的几何图形，是光杆悬点载荷在动态生产过程中的直观反映，是油田开发技术 人员必须掌握的分析方法。通过示功图的正确分析评价，可诊断抽油机井是否正 常生产。本文通过对地面示功图原理进行阐述，结合现场实际，对井下生产情况 进行解释分析，应用地面示功图解决现场实际问题，同时提出地面示功图的发展 方向，为油田开发现场分析诊断提供可借鉴性依据。 关键词：抽油机、示功图、应用、发展 1、抽油机悬点载荷 在抽油机生产过程中，抽油机驴头要承受多种载荷，除了抽油杆柱自重、液柱重量等静载荷外，还有惯性载荷、振动载荷等动载荷以及各种摩擦载荷。在抽油机驴头悬点上下往复运动过程中，上述各类载荷均呈周期性变化。反映悬点载荷随其位移变化规律的图形称为地面（光杆）示功图（力×位移=功）。取得地面示功图简单准确的办法是利用诊断仪对实际抽油机进行实测（目前萨中油田主要采用金时和哈工大的诊断仪器）。利用实测示功图可求得悬点实际载荷，用于机、杆、泵的工作状况分析（诊断）。 1.1、悬点静载荷及静载荷理论示功图 1.1.1、上冲程悬点静载荷 在上冲程中理想状态下，由于上、下压差的作用，游动凡尔关闭，柱塞上下流体不连通，产生悬点静载荷的力包括抽油杆柱重力和柱塞上、下流体压力。1.1.1.1、抽油杆柱重力 上冲程作用在悬点上的抽油杆柱重力为它在空气中的重力。 W r=A rρr gL p（1） W r——抽油杆柱在空气中的重量，KN； A r——抽油杆截面积，m2； ρr——抽油杆密度，t/m3（钢杆为7.85 t/m3）； g——重力加速度，m/s2（一般为9.81 m/s2）； L p——抽油杆柱长度（即泵深），m； 1.1.1.2、作用于柱塞上部环行面积上的流体压力（泵排出压力） 对于无气的举升液柱，此压力为井口回压与液柱静压之和，即
二、抽油机井常见故障的判断方法与分析步骤 抽油井在生产过程中经常发生一些故障，采油工人在巡回检查中必须及时发现，分析判断原因，及时采取相应的措施解除故障并及时观察效果，总结经验，以保证油井的正常生产。 (一)抽油井故障的判断 1.利用示功图 示功图是目前检查深井泵工作状态的有效方法。根据对示功图的分析可判断砂、蜡、气等对深井泵的影响，能判断泵漏失、油管漏失、抽油杆的断脱、活塞与工作筒的配合状况，以及活塞被卡等故障。应用示功图时还必须结合平时油井管理中积累的资料(如油井产量、动液面、砂面、含砂情况，抽油机运转中电流的变化及井下设备 的工作期限等资料)进行综合分析。 2.试泵法 这种方法是往油管中打入液体，根据泵压变化来判断抽油泵故障。试泵方法有两种:一种方法是把活塞放在工作筒内试泵，若泵压下降或没有压力，则说明泵的吸入 部分和排出部分均漏失。另一种方法是把活塞拔出工作筒，打液试泵，如果没有压力或压力升不起来，则说明泵的吸入部分漏失严重。 3.井口呼吸观察法 这种方法是把井口回压闸门、连通闸门都关上，打开放空闸门，用手堵住放空闸门出口，也可以在放空处蒙张薄纸片，这样凭手的感觉或纸片的活动情况，也就是观察抽油泵上、下"呼吸"情况来判断泵的故障。一般可分为以下几种情况: (1)油井不出油且上行时出气，下行时吸气，说明固定阀严重漏失或进油部分堵塞。 (2)油井不出油，且上行时稍出气，随后又出现吸气现象，说明主要是游动阀漏失。 (3)上行程时出气大，下行程时出气小，这种现象说明抽油泵工作正常，只是油 管内液面低，油液还未抽到井口。 4.井口憋压法 憋压法是通过抽憋和停憋两种情况来分析和判断抽油泵的工作状况、油管漏失等。该方法是目前油田现场普遍采用的一种方法。 具体操作方法是:抽油机运行中关闭回压闸门和连通闸门，然后在井口观察油管 压力变化情况(最高憋到2.5MPa) ，从压力上升情况可以分析判断井下故障，称为抽 憋(应注意压力超过2.5MPa时必须立即打开回压闸门)；当抽憋压力达到2.5MPa时停抽，再憋10～15min，观察压力的下降情况称为停憋，若压力不变或略有下降，说明没有 漏失；若压力下降明显，说明有漏失，压力下降越快，说明漏失越严重。 (1)上冲程时压力上升较快，下冲程时压力不变或略有上升，说明泵的工作状况 良好。 (2)上冲程时压力上升较快，下冲程时压力下降，经抽油数分钟后，压力变化范 围不变。这种情况说明游动阀始终关闭打不开，说明泵内不进油。其原因有以下几种: ①固定阀严重漏失或完全失效；
抽油机井憋压判断及分析 【摘要】：措施是根本，管理是保障。憋压是抽油机机井日常管理重要措施之一，是保证油井正常生产的最基本操作，小措施制定偏差或操作不当，直接影响实施效果，使得油井不能正常生产，生产潜能难以得到有效发挥。油井憋压就好比“中医大夫给人把脉”一样，要想做到手到病除，就必须严把操作关，认真操作，仔细观察，细心记录，认真分析，就能够制定出合理有效的措施。为油井管理助一臂之力。本文通过对油井憋压数据的变化情况，结合液面、功图，对油井出液情况及泵工作情况进行分析、判断，为油井稳产提供可靠的依据。 【关键词】：油井憋压油井管理资料分析措施 一、前言 井口憋压是油井上一种现场检验油井出油情况的方法，我们现场用的较多，是每天必须做的一项小措施，每天对油井至少憋压1-2次，主要判断油井的出液情况和泵是否工作正常，但是油井出液不好或不出液的原因是多方面的与诸多因素有关，因此憋压必须是有目的的，也必须按操作步骤严格执行，以免造成事故。 1、井口憋压：主要用来检验抽油泵各阀的工作状况，是通过在抽油机运转和停抽状况下，通过关回压阀门憋压的方式，各测一条压力与时间的关系曲线来判断泵的工作情况及油井的出液情况。 二、憋压的原理、目的 1、憋压的目的：1）、验证油管、泵是否漏失、出液是否正常的一项重要手段。 2）、憋压后产生的瞬时卸压，可将油管中或管线中的软蜡带走，使之不易沉积在管壁上。 3、油井憋压的理论依据 ~ 当深井泵的工作状况完好，阀不漏失时，每当一个冲程结束，泵将压进管腔
内一定量液体，压力上升，液体压缩；同时，抽油杆将发生弹性伸长；柱塞与衬套间隙漏失速度随着柱塞上下压差的增大也将有所增加。当压力达到一定程度后，管腔内由气的体积比较小，压力随时间变化关系，主要表现为液体压缩的增压关系与抽油杆弹性伸长的增容不得缓压及间隙漏失缓压关系的结果。 三、憋压操作及注意事项 1、憋压操作步骤： 1）、关压力表阀门，更换量程合适的压力表，打开压力表阀门，记录初始压力表读数。 2）、关闭回压闸门开始憋压。 3）、记录压力随时间的变化值，当压力升到一定值时，停抽10min，观察记录压力降随时间的变化值。 4）、打开回压闸门泄压，换回原来的压力表，恢复正常生产。 5）、将井号、憋压时间、压力数据等内容填入有关资料，并画出憋压曲线，根据压力判断泵、管漏失情况、出液情况。 2、注意事项 1）、憋压时压力值不超过压力表量程2／3 ； ] 2）、压力上升值不低于1MPa； 3）、读压力值时，眼睛、指针、刻度成一条垂直于表盘的直线； 4）、憋压时井口不能有渗漏，憋压时人站在阀门侧面。 5）、憋压时，所用的压力表必须经标定合格； 四、憋压资料分析 1、上冲程时油压增高而下冲程时油压稍稳定或略有下降，说明泵工作正常。
抽油机示功图实例 1、泵正常工作 图像分析:供液充足、泵的沉没度大、泵阀基本不漏 失～泵效高～游动阀尔和固定阀尔能够及时开、闭～柱塞 能够迅速加载和卸载。 管理措施:此类井供液充足～沉没度大～仍有生产潜 力可挖～可以将机抽参数调整到最大～以求得最大产量～ 发挥井筒应有的产能水平。 2、振动影响 图形分析:泵深超过800m时抽油杆会发生有规律的振动～一般不会影响泵效～振动引起悬点载荷叠加在正常工作产生的曲线上～由于抽油杆柱的振动为阻尼振动～所以出现逐渐减弱的波浪线。
管理措施:一般不考虑振动影响～如果冲次加大后～振动幅度变大～就导致功图失真～上下死点有小尾巴出现～泵效低～这时需要对油井进行综合评估～减小冲次建立合理制度。 3、供液不足 图形分析:供液不足为油田常见工况～当泵充满系数小于0.6时～可以认为深井泵的工作制度不合理～泵的排出能力大于油层的供液能力～造成沉没度太小～液体充满不了泵筒。管理措施;主要进行油层改造～改善供液条件～机抽参数～对于泵挂较深井可采取长冲程～小泵径、慢冲次～泵挂相对较浅的井～在井况及抽油设备允许情况下～加深泵挂深度～以求得最大泵效。 4、泵工作正常～油稠时的情况。 图像分析:油稠～使摩擦等附加阻力变大～造成上负荷线 偏高～下负荷线偏低～同时～油稠可能使得凡尔开关比6B63 常时滞后～凡尔和凡尔座配合不严密～造成较大漏失。 管理措施:对于稠油井～主要对进泵液体降粘～定期地向 油田区块注入降粘剂～采取环空加热措施～并采用反馈抽
稠泵机抽。 5、油井出砂 图形分析:油层出砂～细小的砂粒将随着油流进入泵 内～造成活塞在工作筒内遇阻～使活塞在整个行程中 增加了一个附加阻力～上冲程时附加阻力使光杆负荷 增加～下冲程时～附加阻力使光杆负荷减少～并且由 于砂子具有流动性～使其分布在泵筒内各处多少不同～ 致使光杆负荷在很短时间内发生多次急剧的变化～严 重时会造成固定凡尔～活塞卡死～造成油井停产。 管理措施:对出砂油井～一方面应保持油井平稳生产～ 减少停井次数和时间～放套气也应平稳运行～另一方 面采取油层防砂～加筛管～砂锚～对油井经常洗井等措施～延长抽油设备的使用寿命。 6、气体影响
2011年第03期 抽油机井典型示功图分析及应用 孙 浩 大庆油田有限责任公司第二采油厂 黑龙江大庆 163414 摘 要：利用示功图对井下生产状况进行分析时，必须要全面了解油井的情况（井下设备、管理措施、目前产量、液面、油气比以及以往的生产情况等），才能对泵的工作状况和故障原因做出正确的判断，可诊断抽油机井是否正常生产，并提出了地面示功图的发展方向，为油田开发现场分析诊断提供可借鉴性依据。 关键词：抽油机 示功图 应用 发展 一、典型示功图分析 典型示功图是指某一因素的影响十分明显，其形状代表了该该因素影响下的基本特征。虽然实际情况下有多种因素影响示功图的形状，但总有其主要因素。所以，示功图的形状也就反映着主要因素影响下的基本特征。 （1）正常功图。动载荷和摩擦载荷不大，充满良好，漏失较小的正常功图，较接近于理论静载荷示功图。见图1。 图1 图2 图3 图4 （2）气体影响。由于在下冲程结束前，泵的余隙内残存一定数量的溶解气和压缩气，上冲程开始后泵内压力因气体的膨胀而不能很快降低，使固定阀打开滞后，加载变缓。余隙越大，残余的气量越多，泵口压力越低，则固定阀打开滞后的越多，则线越长。下冲程时，气体受压缩，泵内压力不能迅速提高，使游动阀滞后打开，卸载变缓。泵的余隙越大，进入泵内的气量越多，示功图卸载线的上凸抛物线越明显，见图2。 （3）泵充不满。当沉没度过小，供液不足，使液体不能充满泵筒时示功图特征是，下冲程中悬点载荷不能立即减小，只有当柱塞接触到液面时才迅速卸载。所以，卸载线较气体影响的卸载线（左凸形抛物线）陡而直。有时，因柱塞撞击液面（液击）在抽油泵上会造成很高的冲击应力，使卸载线出现波浪。快速抽吸时往往因液击发生较大的冲击载荷使图形变形严重。见图3。 （4）泵漏失。泵漏失主要包括排出部分漏失，吸入部分漏失和排出和吸入同时漏失。排出部分漏失：上冲程时，泵内压力降低，柱塞两端产生压差，使柱塞上面的液体经排出部分不严密（游 动阀及柱塞间隙），漏失到柱塞下部的泵筒内，漏失速度随柱塞下面压力减小而增大。当漏失量很大时，由于漏失液体对柱塞的“顶脱”作用很大，上冲程的载荷远低于最大载荷，固定阀始终是关闭的，泵的排量为零，见图4。吸入部分漏失：下冲程开始后，由于吸入阀漏失使泵内压力不能及时提高，延缓卸载过程。下冲程后半冲程中因速度减小，当小于漏失速度时，泵内压力降低使游动凡尔提前关闭，悬点提前加载。当固定凡尔漏失严重时，游动凡尔一直不能打开，悬点不能卸载，功图在下载荷线以上，接近上载荷线漏失图，见图5。吸入和排出部分同时漏失：吸入部分和排出部分同时漏失的示功图是分别漏失图形的叠加，在上下载荷线之间，近似于椭圆形。 图5 图6 图7 图8 （5）带喷井。在抽吸过程中，游动凡尔和固定凡尔处于同时打开状态，液柱载荷基本上不能作用于悬点。示功图的位置和载荷变化的大小取决于喷势的强弱以及抽吸液体的粘度。见图6。 （6）抽油杆柱断脱。抽油杆断脱后的悬点载荷实际上是断脱点以上的抽油杆柱重量，只是由于摩擦力，才使上下载荷线不重合。图形的位置取决于断脱点的深浅。见图7。抽油杆断脱位置比较深的示功图可能类似于带喷井的示功图，但带喷井的泵效高、产量高，而断脱井泵效和产量较低，甚至为零。抽油杆柱断脱的位置可根据公式（1）计算：L=hf d /（（1－ρL /ρr ）q r ），（1） 式中：L—自井口算起的断脱点深度，m；f d —测示功图所用动力仪的力比，N/mm；h—示功图中线至基线的距离，mm；q r —每米 抽油杆在空气中的自重，N/m。