湯敬飛，吳曉東，馬國(guó)瑞，高照敏

（中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249） ①

調(diào)徑變矩抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算

湯敬飛，吳曉東，馬國(guó)瑞，高照敏

（中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）①

為了計(jì)算調(diào)徑變矩抽油機(jī)的慣性載荷和摩擦載荷，研究了該抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到了懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度、加速度和曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系式，推導(dǎo)出懸點(diǎn)慣性載荷計(jì)算式和抽油桿柱摩擦載荷計(jì)算式。以CYJ8－3－26HY型抽油機(jī)為例，把相關(guān)計(jì)算式編寫入計(jì)算程序并運(yùn)行，繪制出懸點(diǎn)慣性載荷、摩擦載荷和總載荷與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。為進(jìn)一步研究此類新型抽油機(jī)提供理論支持。

抽油機(jī)；載荷；計(jì)算

ρl—液體密度，kg／m3；

vp—柱塞運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)把抽油桿看成是非彈性桿柱時(shí)，

調(diào)徑變矩抽油機(jī)（又稱二級(jí)平衡游梁抽油機(jī)）是在前置式游梁式抽油機(jī)上采用新型平衡方案的新型抽油機(jī)，取消了曲柄平衡，將傳統(tǒng)的直游梁設(shè)計(jì)成3段折線的彎形游梁。彎游梁上下擺動(dòng)時(shí)平衡重距中軸承水平距離在一定范圍內(nèi)變化，改變了平衡力臂長(zhǎng)度，且可以用調(diào)整銷進(jìn)行微調(diào)，從而得到平穩(wěn)、低峰值的懸點(diǎn)載荷曲線［1－4］。

通過(guò)調(diào)節(jié)吊臂與游梁后臂之間的夾角和吊臂配重可調(diào)整抽油機(jī)的工作狀態(tài)［5－7］。這就決定了調(diào)徑變矩抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度與常規(guī)游梁式抽油機(jī)不同，因此與懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度相關(guān)聯(lián)的懸點(diǎn)載荷與常規(guī)游梁式抽油機(jī)也不同。

1 載荷計(jì)算

1.1 慣性載荷

調(diào)徑變矩抽油機(jī)原理如圖1。由于懸點(diǎn)以上的驢頭運(yùn)動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng)，忽略抽油桿柱和液柱的彈性變形影響，筆者認(rèn)為抽油桿柱和液柱各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相同的［2］。θ＝0°是曲柄位于6點(diǎn)鐘位置時(shí)的角度（面向抽油機(jī)，井口在右），并設(shè)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?/p>

圖1 調(diào)徑變矩抽油機(jī)原理

由余弦定理得與懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度相同，m／s；

ξ—由試驗(yàn)確定的閥流量系數(shù)；

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(diǎn)速度［4－5，8］為

懸點(diǎn)加速度［4，8－10］為

由以上分析可知，懸點(diǎn)速度vA、懸點(diǎn)加速度αA都是關(guān)于轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)。

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(guò)流斷面變化引起液柱加速度變化系數(shù)。

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(diǎn)最大運(yùn)動(dòng)速度來(lái)計(jì)算［2］，即

2） 液柱與油管之間的摩擦力 上沖程中，游動(dòng)閥關(guān)閉，油管內(nèi)的液體隨著抽油桿柱和柱塞上行時(shí)，液體與油管之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致有摩擦力，方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，即為向下。通常采用式（14）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算摩擦力［11］，即

3） 液柱通過(guò)游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力 液流通過(guò)游動(dòng)閥的壓力損失而產(chǎn)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(shí)，可以得到柱塞運(yùn)行速度與懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度相同，即

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

1.3 靜載荷

調(diào)徑變距抽油機(jī)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(méi)壓力和井口回壓，計(jì)算方法與常規(guī)游梁式抽油機(jī)一樣。

2 計(jì)算實(shí)例

以CYJ8－3－26HY型抽油機(jī)為例，分析抽油機(jī)在新的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的慣性載荷和摩擦載荷。已知參數(shù)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(nèi)徑62mm。

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)編寫程序，計(jì)算得出懸點(diǎn)速度、懸點(diǎn)加速度、懸點(diǎn)慣性載荷、懸點(diǎn)摩擦載荷、懸點(diǎn)總載荷曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。如圖2～6。

圖2 懸點(diǎn)速度與曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

圖3 懸點(diǎn)加速度與曲柄轉(zhuǎn)角曲線

圖4 慣性載荷與曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

圖5 摩擦載荷與曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

圖6 總載荷與曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1） 用計(jì)算機(jī)模擬的方法可以非常直觀、精確地了解到調(diào)徑變矩抽油機(jī)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(xiàn)最大值和最小值。

2） 調(diào)徑變矩抽油機(jī)的懸點(diǎn)速度、懸點(diǎn)加速度曲線與常規(guī)抽油機(jī)類似，都是呈現(xiàn)山峰狀，不同點(diǎn)是調(diào)徑變距抽油機(jī)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(yīng)盡力避免或減少；摩擦載荷比較平緩。

［1］ 高長(zhǎng)樂(lè)，董宏宇，龔曉明，等.調(diào)徑變矩節(jié)能抽油機(jī)平衡方案研究［J］.石油機(jī)械，2003，30（11）：40－42.

［2］ 劉 富，劉清友，王海蘭.調(diào)徑變矩型節(jié)能抽油機(jī)工作性能仿真研究［J］.鉆采工藝，2003，26（1）：62－64.

［3］ 陳憲侃，葉利平，谷玉洪.抽油機(jī)采油技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004：14－15.

［4］ 李明忠，許建國(guó)，尚少福，等.調(diào)徑變矩抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性分析［J］.石油鉆采工藝，2003，10（5）：67－69.

［5］ 張曉東，賈國(guó)超.關(guān)于我國(guó)抽油機(jī)發(fā)展的幾點(diǎn)思考［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（1）：24－27.

［6］ 鄔亦炯，列卓均，趙貴祥，等.抽油機(jī)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994.

［7］ 黃 偉，劉 顯，吉效科，等.CYJ7－2.5－26HY型抽油機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（5）：33－35.

［8］ 高世勇，羅小輝，牛澤浩，等.調(diào)徑變矩抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.科技信息，2010，（35）：503－504.

［9］ 彭如苗.旋轉(zhuǎn)驢頭懸點(diǎn)加速度公式［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1998，17（1）：17－19.

［10］ 王在強(qiáng)，潘宏文，王秀華，等.調(diào)徑變矩抽油機(jī)在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2010，17（1）：95－97.

［11］ 張 琪，王鴻勛.采油工程原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006：100－111.

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(fā)技術(shù)研究，E－mail：jingfei＿tang＠126.com。