式中: 为抽油杆柱与油管的摩擦力; 为抽油杆柱在空气中的质量。
(2-42)
式中: 为抽油杆级数; 为抽油杆柱直径; 为抽油杆长度。
②柱塞与衬套之间的摩擦力
该摩擦力 在上、下冲程中都存在,一般泵径不超过70 mm时,其值小于1717 N,其值可由下式计算确定:
(2-43)
式中 ΔP—柱塞两端的压差;
δ—柱塞与衬套之间的径(直径)向间隙;
μ—液体粘度;
ε—偏心比;
—柱塞与衬套之间的摩擦力;
L—柱塞长度。
③抽油杆柱与液柱之间的摩擦力
抽油杆柱与液柱之间的摩擦发生在下冲程,其摩擦力的方向向上,是稠油井内抽油杆柱下行遇阻的主要原因。阻力的大小随抽油杆柱的下行速度而变化,其最大值可近似确定为
(2-44)
式中 —抽油杆柱与液柱之间的摩擦力,N;
—井内液体的动力粘度,Pa•s;
—油管内径与抽油杆直径之比, ;
—油管内径, ;
—抽油杆直径, ;
—抽油杆柱最大下行速度, 。
可按悬点最大运动速度来计算,当把悬点简化成简谐运动时可得
由式(2-44)看出,决定 的主要因素是井内液体的粘度及抽油杆柱的运动速度。因此,在抽汲高粘度液体时,往往采用低冲次、长冲程工作方式。
④液柱与油管之间的摩擦力
液柱与油管之间的摩擦力发生在上冲程,其方向向下,故增大悬点载荷。资料表明,下冲程杆柱与液柱的摩擦力 约为液柱与油管间摩擦力 的1.3倍。因此,可根据 来估算
(2-45)
⑤液体通过游动阀的摩擦力
在高粘度大产量油井内,液体通过游动阀产生的阻力往往是造成抽油杆柱下部弯曲的主要原因,对悬点载荷也会造成不可忽略的影响。液流通过游动阀时产生的压头损失为
(2-46)
式中 —液体通过游动阀的压头损失, ;
—液体通过阀时的流速, ;
—重力加速度, ;
—活塞运动速度, ;
—活塞截面积, ;
—阀孔截面积, ;
—阀流量系数,对于常用的标准型阀,可根据雷诺数 查标准型阀的流量系数图。
其中
式中 —阀孔径, ;
—液体的运动粘度, 。
如果把活塞运动看成简谐运动,则式(2-46)可写成
(2-47)
由液流通过游动阀的压头损失而产生的活塞下行阻力为
(2-48)
(5)其它载荷
除上述各种载荷以外,还有如沉没压力和管线回压产生的载荷等都会影响到悬点载荷。沉没压力的影响只发生在上冲程,它将减小悬点载荷。液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压,将对悬点产生附加载荷,其性质与油管内液体的作用载荷相同,即上冲程中增加悬点载荷,下冲程中减小悬点载荷。因二者可以部分抵消,一般计算中常可忽略。
2.6.2悬点的最大和最小载荷
抽油机在上、下冲程中悬点载荷的组成是不同的。最大载荷和最小载荷的计算式分别为
上冲程 (2-49)
下冲程 (2-50)
式中 , —悬点承受的最大和最小载荷,N;
, —上、下冲程中井口回压造成的悬点载荷,N;
, —上、下冲程中的最大摩擦载荷,N;
—振动载荷,N;
—上冲程中沉没压力产生的悬点载荷,N。
在下泵深度及沉没度不是很大,井口回压及冲数不很高的稀油直井内,常可以忽略 , , , , 及 。则最大和最小载荷分别简化为
(2-51)
(2-52)
令
则悬点所承受的最大和最小载荷公式可分别写成另一种形式
(2-53)
(2-54)
式中 —抽油杆在液柱中的重量,即抽油杆柱所受的重力与液体对其浮力之差,N;
—占据整个油管流通面积的液体重量,亦为上、下冲程静载荷差,N;
—光杆冲程, ;
—冲次, 。
2.7抽油机平衡、扭矩与功率计算
2.7.1抽油机平衡计算
当抽油机没有平衡装置时,由于上、下冲程中悬点载荷不均衡,满足上冲程负载要求的电动机在下冲程中将做负功,从而出现抽油机不平衡现象。不平衡将造成电动机功率的浪费,降低电动机的效率,缩短电动机及抽油装置的寿命,破坏曲柄旋转速度的均匀性。
(1)平衡原理
要使抽油机在平衡条件下运转,就应使电动机在上、下冲程中都做正功且做功相等。最简单的方法便是在抽油机游梁后臂上加一重物,在下冲程中让抽油杆自重和电机一起来对重物做功,而在上冲程时,则让重物储存的能量释放出来和电动机一起对悬点做功,即
式中 , ——悬点在上、下冲程做的功;
, ——电机在上、下冲程做的功;
——重物在下冲程储存的能量或重物在上冲程释放的能量。
要使抽油机工作平衡,则应使电机在上、下冲程中所做的功相等,即
=
则
即,为了达到平衡,在下冲程中需要对重物做的功和上冲程中需要重物释放的能量为
(2-55)
上式表明,为了使抽油机平衡运转,在下冲程中需要储存的能量应该是悬点在上、下冲程中所做功之和的二分之一。式(2-55)便是进行平衡计算的基本公式。
(2)抽油机平衡计算
抽油机的平衡计算,就是在一定抽汲参数条件下,计算为使抽油机工作在平衡状态下所需要的平衡物的重量或确定一定平衡重量重物的位置。由于惯性载荷在上、下冲程所做的功等于零,因此在讨论悬点在上、下冲程中所做的功时,可以不考虑惯性载荷。
悬点在上、下冲程中所做的功分别为:
(2-56)
(2-57)
将上面结果代入式(2-55)中得
(2-58)
对于不同平衡方式,重物储存能量的方式不同,因此平衡时所需要重物的重量也不同。
对于游梁平衡,重物在下冲程中所储存的能量为 。将其代入式(2-58)中可得平衡条件下重物的重量为
(2-59)
式中 —抽油机本身的不平衡值,是折算到游梁平衡块重心位置上的附加平衡力。
2.7.2抽油机曲柄轴扭矩计算
一定型号的抽油机所配置的减速箱都有其允许的最大扭矩,因此,抽油机在
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