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调径变矩抽油机悬点载荷计算-汤敬飞

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调径变矩 抽油机 载荷 计算 汤敬飞
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2011年 第 40卷第 11期 第 37页石 油 矿 场 机 械OIL FIELD EQUIPMENT2011,40(11):37~40文章编号 :1001-3482(2011)11-0037-04调径变矩抽油机悬点载荷计算汤敬飞 ,吴晓东 ,马国瑞 ,高照敏(中国石油大学 石油工程教育部重点实验室 ,北京102249)①摘要 :为了计算调径变矩抽油机的惯性载荷和摩擦载荷 ,研究了该抽油机的悬点运动规律 ,得到了悬点运动速度 、加速度和曲柄转角的关系式 ,推导出悬点惯性载荷计算式和抽油杆柱摩擦载荷计算式 。以CYJ8-3-26HY型抽油机为例 ,把相关计算式编写入计算程序并运行 ,绘制出悬点惯性载荷 、摩擦载荷和总载荷与曲柄转角的关系曲线 。为进一步研究此类新型抽油机提供理论支持 。关键词 :抽油机 ;载荷 ;计算中图分类号 :TE933.102   文献标识码 :ACalculation of Suspension Point Load on Adjustable Diameter PumpingUnitTANG Jing-fei,WU Xiao-dong,MA Guo-rui,GAO Zhao-min(MOE KeyLaboratoryofPetroleum Engineering,China UniversityofPetroleum,Beijing102249,China)Abstract:To calculate the suspension inertial load and friction load of diameter adjustable pumpingunit,its movement of suspension point was studied,and the relations between suspension pointvelocity,acceleration and the crank angle were obtained.Thus,the relations of rod load and the re-lations of sucker road friction load were derived.A computer programmingwas used to drawcurves of suspension inertial load,friction load and total load with crank angle based on the exam-ple of CYJ8-3-26HY pumping unit.Finaly,a conclusion was given on the characteristic curve ofit,providing theoretical support to this new type of pumping unit for further development.Keywords:wel pumpingunit;load;calculation符 号 说 明J—曲柄销与游梁转轴的距离 ,m;K—基杆长度 ,m;R—曲柄半径 ,m;θ1—曲柄与机架的夹角 ,θ1=-θ,rad;θ2—基杆与水平面夹角 ,rad;θ—曲柄旋转的角度 ,radβ—游梁与连杆的夹角 ,rad;C—游梁转轴至连杆轴承的长度 ,m;L—连杆长度 ,m;ψ—机架与游梁的夹角 ,rad;ψ1—机架与游梁的夹角下部 (曲柄轴与游梁转轴连线将ψ分成上 、下 2部分 ),rad;ψ2—机架与游梁的夹角上部 (曲柄轴与游梁转轴连线将ψ分成上 、下 2部分 ),rad;α—按顺时针方向从曲柄量到连杆的夹角 ,rad;A—游梁前臂长 ,m;ω—曲柄旋转角速度 ,ω=dθdt,常数 ,rad/s;—机架位置角 ,已知值 ,rad;fp—柱塞截面积 ,cm2;fr—抽油杆截面积 ,cm2;ftf—油管的流通断面面积 ,cm2;μ—流体粘度 ,Pa·s;L1—抽油杆长度 ,m;① 收稿日期 :2011-05-08作者简介 :汤敬飞 (1987-),男 ,安徽马鞍山人 ,硕士研究生 ,主要从事油气田开发技术研究 ,E-mail:jingfei_tang@126.com。m—油管内径与抽油杆直径之比 ,m=dtdr,无因次 ;ρl—液体密度 ,kg/m3;h—液体通过流动阀时产生的扬程损失 ,h=f2pv2p2ξ2 f2og,m;vp—柱塞运动速度 ,当把抽油杆看成是非弹性杆柱时 ,与悬点运动速度相同 ,m/s;ξ—由试验确定的阀流量系数 ;fo—阀孔截面积 ,cm2;Wr—杆柱载荷 ,N;Wl—液柱载荷 ,N。调径变矩抽油机 (又称二级平衡游梁抽油机 )是在前置式游梁式抽油机上采用新型平衡方案的新型抽油机 ,取消了曲柄平衡 ,将传统的直游梁设计成3段折线的弯形游梁 。弯游梁上下摆动时平衡重距中轴承水平距离在一定范围内变化 ,改变了平衡力臂长度 ,且可以用调整销进行微调 ,从而得到平稳 、低峰值的悬点载荷曲线[1-4]。通过调节吊臂与游梁后臂之间的夹角和吊臂配重可调整抽油机的工作状态[5-7]。这就决定了调径变矩抽油机悬点运动速度与常规游梁式抽油机不同 ,因此与悬点运动的速度 、加速度相关联的悬点载荷与常规游梁式抽油机也不同 。1 载荷计算1.1 惯性载荷调径变矩抽油机原理如图1。由于悬点以上的驴头运动是变速运动 ,忽略抽油杆柱和液柱的弹性变形影响 ,笔者认为抽油杆柱和液柱各点的运动规律和悬点运动规律是相同的[2]。θ=0°是曲柄位于6点钟位置时的角度 (面向抽油机 ,井口在右 ),并设逆时针方向为正 。图 1调径变矩抽油机原理由余弦定理得J= K2+R2-2 KRcosθ槡 1(1)β=arccosC2+L2-(K2+R2-2 KRcosθ1)2[ ]CL=arccos(C2+L2-J22CL) (2)θ1=2π-θ2-θ-π2=32π-θ-θ2(3)由正弦定理得ψ1=arcsin(RJsinθ1),ψ2=arcsin(LJsinβ) (4)ψ=ψ1+ψ2(5)a=2π-ψ-β-θ1=π2-arcsin(LJsinβ)-β+θ2-arcsin(RJsinθ1)=M+θ-arcsinRJsin(32π-θ2-θ[ ]) (6)其中 ,M=π2-arcsin(LJsinβ)-β+θ2悬点速度[4-5,8]为vA =ARC·sin M+θ-arcsinRJsin(32π-θ2-θ[ ]{ })sin arccos(C2+L2-J22CL[ ])·ω=TF·ω(7)悬点加速度[4,8-10]为aA=ARKCL·sin2β×cosα·sinψ+TFA·cosβ·sin(-θ[ ])·ω(8)由以上分析可知 ,悬点速度vA、悬点加速度αA都是关于转角θ的函数 。可知抽油杆柱的惯性力Fr为Fr=WrgaA=Wrg·ARKCL·sin2β×cosα·sinψ+TFA·cosβ·sin(-θ[ ])·ω(9)液柱的惯性力Fl为Fl=WlgaAε=Wlg·ε·ARKCL·sin2β×cosα·sinψ+TFA·cosβ·sin(-θ[ ])·ω(10)其中 ,ε为考虑油管过流断面变化引起液柱加速度变化系数 。ε=fp-frftf-fr(11)·83·石 油 矿 场 机 械2011年 11月由式 (8)知 ,上冲程前半段 (θ=0~90°)aA≥0,后半段 (θ=90~180°)aA≤0;下冲程前半段 (θ=180~270°)aA≥0,下冲程后半段 (θ=270~360°)aA≤0。1.2 摩擦载荷1)抽油杆柱与液柱的摩擦力阻力大小可用近似公式求解[11],即Frl=2πμL1m2-1(m2+1)lnm-(m2-1[ ])vAmax(12)vAmax可用悬点最大运动速度来计算[2],即vAmax=ARC·sinαsinβ·ω(13)2)液柱与油管之间的摩擦力上冲程中 ,游动阀关闭 ,油管内的液体随着抽油杆柱和柱塞上行时 ,液体与油管之间会产生相对运动 ,导致有摩擦力 ,方向与运动方向相反 ,即为向下 。通常采用式(14)经验公式计算摩擦力[11],即Ftl=Frl1.3(14)3)液柱通过游动阀产生的阻力液流通过游动阀的压力损失而产生的最大柱塞下行阻力为[11]Fv=ρlhfpg=ρlf3pv2p2ξ2 f2o(15)不考虑抽油杆柱的弹性变形时 ,可以得到柱塞运行速度与悬点的运动速度相同 ,即vp(t)=vA=ARC·sinαsinβ·ω(16)最大柱塞速度与最大悬点速度vAmax相同 ,即vp=vAmax,代入式 (15)可求得Fv。1.3 静载荷调径变距抽油机的静载荷分为 :抽油杆柱载荷 、作用于柱塞上的液柱载荷 、沉没压力和井口回压 ,计算方法与常规游梁式抽油机一样 。2 计算实例以CYJ8-3-26HY型抽油机为例 ,分析抽油机在新的悬点运动规律下的惯性载荷和摩擦载荷 。已知参数为冲程3m,冲次6min-1,泵挂深度800m,管式抽油泵直径44mm,抽油杆直径19mm,杆柱材料密度7 850kg/m3,抽汲液体密度0.98×103kg/m3,气液比0,油管内径62mm。经过计算机编写程序 ,计算得出悬点速度 、悬点加速度 、悬点惯性载荷 、悬点摩擦载荷 、悬点总载荷曲柄转角的关系曲线 。如图2~6。图 2悬点速度与曲柄转角关系曲线图 3悬点加速度与曲柄转角曲线图 4惯性载荷与曲柄转角关系曲线图 5摩擦载荷与曲柄转角关系曲线·93·第 40卷第 11期汤敬飞 ,等 :调径变矩抽油机悬点载荷计算图 6总载荷与曲柄转角关系曲线3 结论1)用计算机模拟的方法可以非常直观 、精确地了解到调径变矩抽油机的惯性载荷在θ=0°和θ=180°附近分别为最大值和最小值 ;摩擦载荷在θ=100°和θ=240°附近分别为最大值和最小值 ;总载荷在θ=82°和θ=230°附近出现最大值和最小值 。2)调径变矩抽油机的悬点速度 、悬点加速度曲线与常规抽油机类似 ,都是呈现山峰状 ,不同点是调径变距抽油机的曲线趋于平缓 。3)惯性载荷和摩擦载荷不可忽略 ,惯性载荷中液柱载荷较大 ,应尽力避免或减少 ;摩擦载荷比较平缓 。参考文献 :[1]高长乐 ,董宏宇 ,龚晓明 ,等 .调径变矩节能抽油机平衡方案研究 [J].石油机械 ,2003,30(11):40-42.[2]刘富 ,刘清友 ,王海兰 .调径变矩型节能抽油机工作性能仿真研究 [J].钻采工艺 ,2003,26(1):62-64.[3]陈宪侃 ,叶利平 ,谷玉洪 .抽油机采油技术 [M].北京 :石油工业出版社 ,2004:14-15.[4]李明忠 ,许建国 ,尚少福 ,等 .调径变矩抽油机运动学及动力学 特 性 分 析 [J].石 油 钻 采 工 艺 ,2003,10(5):67-69.[5]张晓东 ,贾国超 .关于我国抽油机发展的几点思考 [J].石油矿场机械 ,2008,37(1):24-27.[6]邬亦炯 ,列卓均 ,赵贵祥 ,等 .抽油机 [M].北京 :石油工业出版社 ,1994.[7]黄伟 ,刘显 ,吉效科 ,等 .CYJ7-2.5-26HY型抽油机设计及应用 [J].石油矿场机械 ,2010,39(5):33-35.[8]高世勇 ,罗小辉 ,牛泽浩 ,等 .调径变矩抽油机设计计算[J].科技信息,2010,(35):503-504.[9]彭如苗 .旋转驴头悬点加速度公式 [J].石油矿场机械 ,1998,17(1):17-19.[10]王在强 ,潘宏文 ,王秀华 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