论文部分内容阅读
[摘 要]悬点处在抽油机两大重要部件连接处，因此不仅悬点的运动规律关系到整个抽油系统的性能指标，悬点处的载荷的变化也关系到抽油杆的受力以及钢丝绳的受力，影响着整个抽油机系统的稳定性。因此悬点处的载荷的变化规律同样是抽油机系统的一个重要指标。改变载荷可提高整机效率和能效，悬点的载荷的仿真对研究抽油机悬点载荷有指导意义。
[关键词]抽油机 悬点 载荷 仿真
中图分类号：C752 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0295-02
1.前言
在旋转换向电机抽油机实际工作中，由于油田中稠油井的生产环境条件比较苛刻，地形相对复杂些，而且油田上油井的分布比较分散，范围很广，各个油田中油层的地质结构都不相同，再加上油田开发的越来越多，采油的油井的数量也不断的增加，经常会出现一些高粘度、多砂、多气以及重蜡等的复杂地质条件，导致旋转换向电机抽油机抽油杆在上行下行所受载荷不平衡，经常出现旋转换向电机的转速和抽油杆的速度不同步的状态，因此在某点处钢丝绳所受的总力不平衡将导致钢丝绳产生波动，当波动传到直线电机处，幅度大于临界条件时，将会脱离直线电机滚筒上正确的卡槽。旋转换向电机抽油机的需要研究的钢丝绳主要分成两段，天轮处到滚筒处的钢丝绳为悬段钢丝绳，悬点到天轮为提升段钢丝绳，因为悬点处的受载荷不均导致该段钢丝绳的震动。
2.旋转换向电机抽油机悬点载荷分析
悬点载荷一般指的是悬绳器以下部分对悬点的力情况，悬点以下悬挂的是抽油杆，在抽油机的运行中，抽油杆要作直线往复运动并带动着井下抽油泵里面的活塞作直线往复运动，因此直观上可以看出悬点不仅要受到像抽油杆重量和抽油机的运动没有关系的静载荷，抽油机工作时抽油杆所受的摩擦力这样的动载荷也会传递到悬点上，当然悬点会受到其他的静载、动载。因此总体归类来说，悬点所受载荷大致可以分为两大类，静载荷和动载荷。
2.1.悬点所受静载荷的分析
分析抽油机悬点所受静载荷基本是指对抽油机作静力学分析，也就是在抽油机停止运行时悬点所受载荷的分析。悬点受到的静载荷在抽油机运行过程中也是保持不变的。对抽油机作静载荷分析对整个抽油机系统的稳定性分析是个不可或缺的环节，现在许多油井在开采石油时都会时常观测漏失曲线。漏失曲线指的是在抽油机运行到上冲程和下冲程时分别将抽油机停下，在抽油机停止时测出的随时间变化的载荷的曲线，抽油机悬点所受的静载荷有以下几部分：
（1） 抽油杆的自重载荷（方向向下）
以往研究抽油杆的自重大致分成两类作研究：一类是抽油杆在油液里面的浮重；一类是抽油杆本身的重量，是在空气中抽油杆的重量。本文采用的第二类研究方法，在空气中光杆的重量，
（3—1 ）
上式：—空气中抽油杆的重量，（）；—重力加速度，（）；—抽油杆的级数；—第级杆的横截面的面积，（）；—第级杆的密度，（），一般抽油杆为钢质的，密度一般为；—单位长度杆的质量，（）；—一第级杆的长度，（）。
（2）油液对泵中柱塞顶端的压力（方向向下）
抽油机运行上冲程时，泵上面的排出凡尔关闭，泵体内上个冲程吸入油液排除在了柱塞以上，因此柱塞顶端还受到液注给它的压力，间接作用到了悬点上。而在下冲程的时候，排出凡尔是打开的，吸入凡尔关闭，因此油液的作用力是在油管上的，因此不会增大悬点载荷。上冲程柱塞顶端受到的油液重力载荷为：
（3—2 ）
上式：—柱塞顶端所受油液的压力，（）。—抽油泵中柱塞的截面积，（）。—连在抽油泵上的那级光杆的截面积，（）。—下泵深度，（）。—油液的密度，。
（3） 油液对泵中柱塞底端的压力
在抽油机运行上冲程的时候，柱塞上行完成抽油泵将油井内部的石油吸入到泵体里面，油井内部的液体给了吸入凡尔油液压力，使其克服吸入凡尔开关的阻力，打开吸入凡尔油液吸入泵体内。因此在上冲程中，柱塞的底端受到油井内油液的压力载荷，柱塞受到向上的压力：
（3—3）
上式：—是抽油泵活塞底端所受的井内油液的压力，方向向上（）。—泵的沉没度，（）。
抽油机运行中的下冲程时，抽油泵上的排出凡尔打开，吸入凡尔关闭，两者之间的高度差和抽油泵所在的井的深度相比可以忽略，因此排出凡尔的相对于吸入凡尔的高度产生的压力差能够忽略。因此泵中柱塞所受的压力实际指的是抽油杆在管内所受的油液对它的浮力，方向向上，（）。
（3—4）
根据上面对悬点所受静载荷的分析可以总结出悬点的静载荷分成兩种情况：—指的是上冲程悬点所受静载荷。—指的是下冲程悬点所受静载荷。
（3—5）
2.2.悬点动载荷的分析
抽油机正常工作时，抽油杆上下往复运动，首先会有惯性力的产生。抽油杆在运动时发生碰撞会产生震动，因此会有振动载荷。
悬绳器连接着抽油杆上下往复运动，抽油杆属于弹性体，在抽油机运行过程中悬点速度方向发生改变的时刻，抽油杆上瞬间受到的油液对它的冲击或者瞬间失去油液对它的冲击都会使井下抽油系统产生振动。悬点所受的振动载荷 （3—6）
的大小是随着时间周期性变换的，一个周期是，在整个周期中，是按照压力波的方式产生的。在抽油机工作的一个冲程内，悬点都会受到振动载荷的影响，尤其是悬点速度改变的瞬间振动载荷影响最大。
根据上面对旋转换向电机抽油机悬点的动载荷和静载荷的分析，总结出悬点的载荷计算公式为：
（3—7）
3.旋转换向电机抽油机悬点载荷仿真
前面我们分析了抽油机悬点的载荷，分两部分研究：一是抽油机停止运动时所受的静载荷，和抽油机的运动无关，二是抽油机在工作过程中所受的动载荷，在抽油机静止时没有动载荷的产生。根据前面分析的悬点载荷的数学模型用Matlab/simulink软件对悬点载荷的变化规律作仿真。
用simulink仿真以前需先选取抽油机系统参数，并将所需参数输入到Matlab软件中。先将连接动载荷的部分消除，仿真悬点静载荷，然后仿真动载荷，结果如下图所示：
图3.5 P静-t 关系图
[关键词]抽油机 悬点 载荷 仿真
中图分类号：C752 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0295-02
1.前言
在旋转换向电机抽油机实际工作中，由于油田中稠油井的生产环境条件比较苛刻，地形相对复杂些，而且油田上油井的分布比较分散，范围很广，各个油田中油层的地质结构都不相同，再加上油田开发的越来越多，采油的油井的数量也不断的增加，经常会出现一些高粘度、多砂、多气以及重蜡等的复杂地质条件，导致旋转换向电机抽油机抽油杆在上行下行所受载荷不平衡，经常出现旋转换向电机的转速和抽油杆的速度不同步的状态，因此在某点处钢丝绳所受的总力不平衡将导致钢丝绳产生波动，当波动传到直线电机处，幅度大于临界条件时，将会脱离直线电机滚筒上正确的卡槽。旋转换向电机抽油机的需要研究的钢丝绳主要分成两段，天轮处到滚筒处的钢丝绳为悬段钢丝绳，悬点到天轮为提升段钢丝绳，因为悬点处的受载荷不均导致该段钢丝绳的震动。
2.旋转换向电机抽油机悬点载荷分析
悬点载荷一般指的是悬绳器以下部分对悬点的力情况，悬点以下悬挂的是抽油杆，在抽油机的运行中，抽油杆要作直线往复运动并带动着井下抽油泵里面的活塞作直线往复运动，因此直观上可以看出悬点不仅要受到像抽油杆重量和抽油机的运动没有关系的静载荷，抽油机工作时抽油杆所受的摩擦力这样的动载荷也会传递到悬点上，当然悬点会受到其他的静载、动载。因此总体归类来说，悬点所受载荷大致可以分为两大类，静载荷和动载荷。
2.1.悬点所受静载荷的分析
分析抽油机悬点所受静载荷基本是指对抽油机作静力学分析，也就是在抽油机停止运行时悬点所受载荷的分析。悬点受到的静载荷在抽油机运行过程中也是保持不变的。对抽油机作静载荷分析对整个抽油机系统的稳定性分析是个不可或缺的环节，现在许多油井在开采石油时都会时常观测漏失曲线。漏失曲线指的是在抽油机运行到上冲程和下冲程时分别将抽油机停下，在抽油机停止时测出的随时间变化的载荷的曲线，抽油机悬点所受的静载荷有以下几部分：
（1） 抽油杆的自重载荷（方向向下）
以往研究抽油杆的自重大致分成两类作研究：一类是抽油杆在油液里面的浮重；一类是抽油杆本身的重量，是在空气中抽油杆的重量。本文采用的第二类研究方法，在空气中光杆的重量，
（3—1 ）
上式：—空气中抽油杆的重量，（）；—重力加速度，（）；—抽油杆的级数；—第级杆的横截面的面积，（）；—第级杆的密度，（），一般抽油杆为钢质的，密度一般为；—单位长度杆的质量，（）；—一第级杆的长度，（）。
（2）油液对泵中柱塞顶端的压力（方向向下）
抽油机运行上冲程时，泵上面的排出凡尔关闭，泵体内上个冲程吸入油液排除在了柱塞以上，因此柱塞顶端还受到液注给它的压力，间接作用到了悬点上。而在下冲程的时候，排出凡尔是打开的，吸入凡尔关闭，因此油液的作用力是在油管上的，因此不会增大悬点载荷。上冲程柱塞顶端受到的油液重力载荷为：
（3—2 ）
上式：—柱塞顶端所受油液的压力，（）。—抽油泵中柱塞的截面积，（）。—连在抽油泵上的那级光杆的截面积，（）。—下泵深度，（）。—油液的密度，。
（3） 油液对泵中柱塞底端的压力
在抽油机运行上冲程的时候，柱塞上行完成抽油泵将油井内部的石油吸入到泵体里面，油井内部的液体给了吸入凡尔油液压力，使其克服吸入凡尔开关的阻力，打开吸入凡尔油液吸入泵体内。因此在上冲程中，柱塞的底端受到油井内油液的压力载荷，柱塞受到向上的压力：
（3—3）
上式：—是抽油泵活塞底端所受的井内油液的压力，方向向上（）。—泵的沉没度，（）。
抽油机运行中的下冲程时，抽油泵上的排出凡尔打开，吸入凡尔关闭，两者之间的高度差和抽油泵所在的井的深度相比可以忽略，因此排出凡尔的相对于吸入凡尔的高度产生的压力差能够忽略。因此泵中柱塞所受的压力实际指的是抽油杆在管内所受的油液对它的浮力，方向向上，（）。
（3—4）
根据上面对悬点所受静载荷的分析可以总结出悬点的静载荷分成兩种情况：—指的是上冲程悬点所受静载荷。—指的是下冲程悬点所受静载荷。
（3—5）
2.2.悬点动载荷的分析
抽油机正常工作时，抽油杆上下往复运动，首先会有惯性力的产生。抽油杆在运动时发生碰撞会产生震动，因此会有振动载荷。
悬绳器连接着抽油杆上下往复运动，抽油杆属于弹性体，在抽油机运行过程中悬点速度方向发生改变的时刻，抽油杆上瞬间受到的油液对它的冲击或者瞬间失去油液对它的冲击都会使井下抽油系统产生振动。悬点所受的振动载荷 （3—6）
的大小是随着时间周期性变换的，一个周期是，在整个周期中，是按照压力波的方式产生的。在抽油机工作的一个冲程内，悬点都会受到振动载荷的影响，尤其是悬点速度改变的瞬间振动载荷影响最大。
根据上面对旋转换向电机抽油机悬点的动载荷和静载荷的分析，总结出悬点的载荷计算公式为：
（3—7）
3.旋转换向电机抽油机悬点载荷仿真
前面我们分析了抽油机悬点的载荷，分两部分研究：一是抽油机停止运动时所受的静载荷，和抽油机的运动无关，二是抽油机在工作过程中所受的动载荷，在抽油机静止时没有动载荷的产生。根据前面分析的悬点载荷的数学模型用Matlab/simulink软件对悬点载荷的变化规律作仿真。
用simulink仿真以前需先选取抽油机系统参数，并将所需参数输入到Matlab软件中。先将连接动载荷的部分消除，仿真悬点静载荷，然后仿真动载荷，结果如下图所示：
图3.5 P静-t 关系图