【正文】 fPff AgHAhLgW 0)( ?? ???? () 式中 pA —— 柱塞面積， 2m ； g —— 重力加速度， g = 2/sm ； h —— 泵的沉沒深度， m ； 0H —— 油井動(dòng)液面深度， m 。其靜變形量 t? 為； 第 2章 游梁式抽油機(jī)基本理論 14 LWEEALW fttft ???? () tt EAE1? () 式中 t? —— 油管柱靜變形， m ； tA —— 油管截面積， 2m ； tE —— 油管彈性常數(shù)， 1)( ?kN 。它代表了懸點(diǎn)載荷變化的基本規(guī)律，是懸點(diǎn)載荷計(jì)算的基礎(chǔ)，也是分析實(shí) 際示功圖的基礎(chǔ)。 圖中 A、 B、 C、 D 四個(gè)特殊點(diǎn) 的 PR 已知，可求出對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角 θ 和加速度，因此各點(diǎn)的 懸點(diǎn)載荷為： gaWWW ArrA ??? () 第 2章 游梁式抽油機(jī)基本理論 16 gaWWWWW BfrfrB )( ??????? () gaWWWWW CfrfrC )( ??????? () gaWWW DrrD ??? () 式中 Aa —— 下死點(diǎn)時(shí)的懸點(diǎn)加速度 ( 0?PR )； Ba —— 上沖程靜變形結(jié)束時(shí)的懸點(diǎn)加速度 ( SPR /?? )； Ca —— 上死點(diǎn)時(shí)的懸點(diǎn)加速度 ( 1?PR )； Da —— 下沖程靜變形結(jié)束時(shí)的懸點(diǎn)加速度 ( SPR /1 ??? )。主要的公式有美國石油學(xué)會(huì)公式 [13]、威爾諾夫斯基 阿道寧公式 [14] 和簡化的計(jì)算公式。 (2)減速器扭矩曲線和扭矩特性參數(shù) 在曲柄旋轉(zhuǎn)一周的過程中，減速器扭矩隨 θ 作周期性的變化，其變化規(guī)律可用扭矩曲線 圖 (圖 )來 表示。 均方根扭矩 eT ： 均方根扭矩是選擇電動(dòng)機(jī)額定功率的依據(jù)，是一個(gè)重要的扭矩特性參數(shù) ?? ??? Ni nine TNdTT 1 220 2 121 ? ?? () 周期載荷系數(shù) CLF ： CLF 是表示抽油機(jī)減速器扭矩變化均勻程度的一個(gè)參數(shù)。 (4)平均無功功率 ? ? 2123 mem PUIQ ?? () 式中 U——電壓， Ie——均方根電流。 系統(tǒng)效率分解 一般 將抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率 分解為地面效率和井下效率： zyx ??? ?? () x? —— 系統(tǒng)效率 y? —— 地面效率 z? —— 井下效率 地面效率包括電動(dòng)機(jī)效率、皮帶傳動(dòng)效率、減速器效率、四連桿機(jī)構(gòu)效率等；井下效率包括密封裝置效率、抽油桿傳動(dòng)效率、深井泵效率、油管柱效率等。 ③ 冷卻風(fēng)扇消耗的功率。皮帶傳動(dòng)效率主要有彎曲損失功率和彈性滑動(dòng)損失功率，可用以下公式計(jì)算： 23 31 1030 ????? ??nrEbP () 322 10 ???? AE vFPL () P? 1—— 皮帶繞輪彎曲損失功率， kW； Eb—— 皮帶縱向彎曲彈性模量， MPa； I—— 皮帶截面慣性矩， mm4； n—— 轉(zhuǎn)速， r/min； α —— 皮帶包角， rad； P? 2—— 皮帶彈性滑動(dòng)損失功率， kW； v —— 皮帶線速度 ,m/s； A—— 皮帶截面積 ,mm2 EL—— 皮帶拉伸彈性模量 ,MPa； F—— 皮帶拉力， N。 (3)四桿機(jī)構(gòu)效率 光桿功率與減速箱輸出功率的比值即為四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，一般不應(yīng)低于94%。按 ? 的不同，可以分為第 3章 游梁式抽油機(jī)節(jié)能研究 24 三種機(jī)構(gòu)： ? =0 的非偏移機(jī)構(gòu)， ? ﹥ 0 和 ? ﹤ 0的偏移機(jī)構(gòu)。近年來，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)得到了長足的發(fā)展，在游梁式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的桿長設(shè)計(jì)上也開始應(yīng)用，國內(nèi)也發(fā)表過很多關(guān)于游梁式抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的文章。 ?? rtrg PvfK d h PP )(1 0 0 3???? () f —— 摩擦系數(shù)，橡膠對鋼鐵可取 ； K—— 系數(shù)， V 型夾織物圈可取 ，其他密封去 ； d —— 光桿直徑， m； h —— 密封有效高度， m； tP —— 油管壓力， Pa。 (6)深井泵功率損失 深井泵功率損失主要包括： ① 深井泵機(jī)械 摩擦造成的功率損失 jP? 25 ?????? ?????? 2603 1 1602106010 ?? ??? nSlpnSdP j () 1d —— 柱塞直徑， m； p? —— 柱塞上、下壓差， MPa； ? —— 柱塞與鋼桶間徑向間隙， mm； l —— 柱塞長度， m； ? —— 井液粘度， Pa (8)抽油機(jī)井有效功率 86400gQHPs ?? () Q ——日產(chǎn)液量， kg/m3； H ——有效揚(yáng)程， m； g pPHH ctd ? )(1000 ??? () dH —— 動(dòng)液面深度， m； tP —— 油管壓力， MPa； cp —— 套管壓力， MPa； 提高系統(tǒng)效率的措施 在系統(tǒng)效率分解測試的基礎(chǔ)上，各部效率一般都規(guī)定了最低值，當(dāng)效率偏低時(shí)，就應(yīng)該具體分析原因，采取措施。 (2)皮帶傳動(dòng)效率低 ① 皮帶類型是否選擇適當(dāng)，應(yīng)盡量選用窄 V 帶、多楔帶。 ② 檢查軸承是否磨損，應(yīng)及時(shí)更換。 (5)密封裝置效率低 ① 驢頭對正井口是否超標(biāo)，應(yīng)及時(shí)校正。 ② 抽油桿與油管摩阻大，設(shè)計(jì)、調(diào)整扶正器或滾輪接箍。 (8)油管效率低 檢查油管漏失情況，及時(shí)檢泵。機(jī)械傳動(dòng)摩擦損 耗除與傳動(dòng)環(huán)節(jié)本身的特性、潤滑條件有關(guān)外，與抽油機(jī)的平衡也有很大的關(guān)系。另一個(gè)是在曲柄軸和電機(jī)軸之間存在能量倒流，它不是存在于整個(gè)下沖程內(nèi)，而只是當(dāng)曲柄軸出現(xiàn)負(fù)扭矩時(shí)才出現(xiàn)能量倒流，這種 能量倒流現(xiàn)象同樣會(huì)使從電動(dòng)機(jī)到曲柄軸的傳動(dòng)效率平均值降低。銅損和雜損與電流的平方成正比， 大體上也和電動(dòng)機(jī)功率的平方成正比，稱為可變損耗，也 與 抽油機(jī)的平衡有很大的關(guān)系。 (1)平衡方法 目前，游梁式抽油機(jī)的平衡方法有機(jī)械平衡和氣平衡兩種。在上沖程時(shí)，平衡重物下落，釋放位能，協(xié)助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿柱和液柱，從而減輕了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載和減小了減速器所傳遞的扭矩。下沖程時(shí)，抽油桿柱下落釋放位能再加上動(dòng)力機(jī)提供的能量，以氣體壓能的形式貯存起來。由圖可見，由于載荷扭矩的非正弦規(guī)律，使得該抽油機(jī)的凈扭矩在一個(gè)工作循環(huán)中， 存在 較大的“負(fù)扭矩”， 扭矩波動(dòng)很大，抽油機(jī)平衡效果不佳。游梁平衡的典型代表是調(diào)徑變矩抽油機(jī)， 如 圖 所 示為新疆第三機(jī)床廠研制的調(diào)徑變矩節(jié)能抽油機(jī)。主要是沖擊振動(dòng)問題，因?yàn)槠胶馀渲匕惭b在游梁上，連桿受周期性變化的拉力和壓力，雖然連桿力的最大值和平均值比曲柄平衡抽油機(jī)小很多，但在拉力和壓力相互轉(zhuǎn)換時(shí)對橫梁造成沖擊 ，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)造成整機(jī)的顫動(dòng)，產(chǎn)生異響，光桿失載后可能造成較大損失 [18]。 圖 1：驢頭； 2：游梁； 3：中央軸承座； 4：支架； 5：曲柄配重； 6：曲柄； 7：減速器； 8：連桿； 9：橫梁； 10：下偏杠鈴； 11：底座； 12：電動(dòng)機(jī) 。由以上分析可知，下偏杠鈴平衡這種典型的復(fù)合平衡由于其特殊的平衡方法，取得了較好的平衡效果，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。其不同之處是曲柄上無平衡塊，用氣缸內(nèi)氣體壓力產(chǎn)生的推力實(shí)現(xiàn)平衡。 當(dāng)然，與游梁平衡相比，其優(yōu)勢在于可以做到使連桿只 承受拉力，可避免游梁平衡抽油機(jī)因連桿承受拉壓交變載荷而帶來的抽油機(jī)穩(wěn)定和安全方面的問題。驢頭從下死點(diǎn)到上死點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中，下偏配重平衡力矩由最大值逐漸減小直至最小值，反之，驢頭從上死 點(diǎn)到下死點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中，下第 3章 游梁式抽油機(jī)節(jié)能研究 32 偏配重平衡力矩由最小值逐漸減小直至最大值，如此循環(huán)。傳統(tǒng)的復(fù)合平衡抽油機(jī)是直接在游梁尾部加平衡重，因其平效果不佳已逐步被淘汰。根據(jù)懸點(diǎn)載荷曲線的變化規(guī)律，通過改變配重質(zhì)量和其重心運(yùn)行軌跡兩方面來調(diào)節(jié)平衡扭矩，使減速器扭矩曲線波動(dòng)更加平穩(wěn)，扭矩峰值更低， 達(dá)到比較理想的平衡效果。由此可見，曲柄平衡抽油機(jī)平衡效果差、能耗高的缺點(diǎn)正是由曲柄平衡這種平衡方式所決定的。 曲柄平衡的 平衡重在曲柄軸上所產(chǎn)生的平衡扭矩按正弦規(guī)律變化 ， 而懸點(diǎn)載荷作用到曲柄軸上的載荷扭矩并不按正弦規(guī)律變化，加上因懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng) 加速度所帶來的附加動(dòng)載荷 、液體摩擦力、桿柱彈性振動(dòng)等因素 的影響，曲柄平衡扭矩并不能與抽油機(jī)的載荷扭矩很好地平衡，使抽油機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中曲柄軸輸出凈扭矩 波動(dòng) 較大，如圖 所示。氣平衡是利用氣體的可壓縮性而改變壓能來實(shí)現(xiàn)平衡的。游梁平衡是把平衡重裝在游梁尾端，重量可調(diào)而位置不變；曲柄平衡是把平衡塊裝在兩曲柄上，位置可調(diào)，平衡塊重量基本不變；復(fù)合平衡則兩處都有平衡重，各占一定比例。 游梁式抽油機(jī) 平衡分析 [20] 從以上游梁式抽油機(jī)的能耗分析可知，抽油機(jī)是否節(jié)能關(guān)鍵是抽油機(jī)的平衡率 ，平衡 率 直接影響到 減速器 的最大 扭矩 和均方根扭矩 ， 最大扭矩越大，就要選用額定扭矩更大的減速器，均方根扭矩越大，就要選用更大功率的電動(dòng)機(jī)，負(fù)扭矩增大會(huì)加大齒輪沖擊，降低減速器壽命，扭矩波動(dòng)增大，使抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加不平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)性能惡化，抽油機(jī)的軸功率波動(dòng)加大，增加電動(dòng)機(jī)的輸入功率，降低 29 電動(dòng)機(jī)效率。 第四方面 ， 是電動(dòng)機(jī)的損耗，主要有鐵損、銅損、機(jī)械損耗和各種雜損。 第三方面 ， 是系統(tǒng)能量倒流造成的損耗，游梁式抽油機(jī)因載荷劇烈變化，系統(tǒng)中存在能量倒流。 在 以上的四 種主要能耗中 ： 第一方面 ， 提升液柱所耗的能量是工作時(shí)必須消耗的，不論采用任何方法都是不能節(jié)省的。 (7)深井泵效率低 ① 測示功圖拉線檢查漏失，漏失超標(biāo)應(yīng)檢泵。 ③ 密封過緊，及時(shí)調(diào)整。 (4)四連桿機(jī)構(gòu)效率低 ① 檢查軸承潤滑油是否不足或變質(zhì)，應(yīng)補(bǔ)充或更換。 ③ 檢查皮帶是否過松或有油污 ，應(yīng)調(diào)整或清洗 。 27 ② 研究資料表明，電壓低于額定電壓不超過 10%時(shí)，一般降壓 5%左右往往能提高效率。 (7)油管功率損失 油管功率損失主要包括兩個(gè)方面 ① 油管漏失功率損失 )(10 3 bgl pP ??? () p? —— 油管、套管空間壓力差， MPa； Q —— 油井井口產(chǎn)量， m3/s； 第 3章 游梁式抽油機(jī)節(jié)能研究 26 bQ —— 深井泵排出量， m3/s； ② 油管水力損失功率 ????? ni idiiit duLQP 13 210 ?? () i ——抽油桿級(jí)數(shù)； ? —— 與第 i 級(jí)抽油桿相應(yīng)的油管摩阻系數(shù)； iL —— 第 i 級(jí)抽油桿的相應(yīng)長度， m； idd —— 與第 i 級(jí)抽油桿相應(yīng)的油管當(dāng)量內(nèi)徑， m； iu —— 與第 i 級(jí)抽油桿相應(yīng)的井液流速， m/s； Q —— 油管流量， m3/s。在抽油過程中抽油桿與油管和抽油桿與液體之間會(huì)產(chǎn)生摩擦造成功率損失，對稀油而言，抽油桿與液體的摩擦力很小，可以忽略不計(jì)，但對稠油井而言，摩擦力相當(dāng)大，由于每口井井況千差萬別，無法準(zhǔn)確計(jì)算。需要指出的是：抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)桿長的優(yōu)化設(shè)計(jì)除了優(yōu)化抽油機(jī)性能外，尚需考慮盡可能減小輪廓尺寸、減輕整機(jī)重量的要求，即應(yīng) 在性能、尺寸和重量之間取得協(xié)調(diào)的結(jié)果。 不同的四桿機(jī)構(gòu)型式對抽油機(jī)的性能有重大影響，而且同一機(jī)型 的桿長尺寸的相互比值對抽油機(jī)的 性能也有顯著影響。從某種意義上說，游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)，主要就是四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，一副軸承傳動(dòng)能量損失約為 1%，減速箱一般三副軸承 共損失3%；一副齒輪傳動(dòng)功率損失約為 2%。其大小隨載荷增大而增大，與電流平方成正比。 游梁式抽油機(jī)工作是電動(dòng)機(jī) 載荷變化極大，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)載荷，存在不同程度的大馬拉小車現(xiàn)象，因此電動(dòng)機(jī)效率變化極大，影響效率的主要因素有： ① 銅損，產(chǎn)生于電動(dòng)機(jī)繞組中電流的損耗，其大小與電流的平方和電阻成正比。 第 3章 游梁式抽油機(jī)節(jié)能研究 22 第 3 章 游梁式抽油機(jī)節(jié)能研究 機(jī)采系統(tǒng)效率分析 [10] [26] 將井下的液體舉升至地面的有效功與抽油機(jī)采油系統(tǒng)輸入功之比就是系統(tǒng)效率。 ??????NiniNinimeCLTNTNTTF11211 () 游梁式抽油機(jī)的 功率計(jì)算 [9] (1)光桿功率 光桿功率 Pr 是指在懸繩器處測得的為了提升光桿載荷而消耗的功率， 也就是游梁式抽油機(jī)的輸出功