基于运动力学的塔架式双井抽油机光杆轴力的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于运动力学的塔架式双井抽油机光杆轴力的计算方法，包括如下步骤：步骤1)计算出电动机的瞬时角速度ω；步骤2)计算浸没在石油中的抽油杆柱重量G；步骤3)计算柱塞以上的液柱重量Py；步骤4)计算整个冲次期间，悬点1的载荷T1和悬点2的载荷T2，其中悬点1的载荷T1对应塔架式双井抽油机的1号井的悬点光杆轴力，悬点2的载荷T2对应塔架式双井抽油机的2号井的悬点光杆轴力；本发明专利技术的优点在于，考虑抽油杆柱、部件的相互作用、石油粘性，惯性等因素，根据抽油机的运行情况，给出抽油机的运动动力学基本方程，据此，求出悬点(光杆)最大载荷、截面直径等重要设计参数；同时也可分析破坏原因(断裂，疲劳)。

Calculation method of optical rod axial force of tower type Shuangjing pumping unit based on motion mechanics

The invention discloses a method for calculating the bare rod axial force of a tower type double well pumping unit based on kinematics, including the following steps: step 1) calculating the instantaneous angular velocity_of the motor; step 2) calculating the weight G of the rod string immersed in oil; step 3) calculating the weight Py of the liquid column above the plunger; step 4) calculating the whole stroke; During this period, the load T1 of suspension point 1 and the load T2 of suspension point 2, in which the load T1 of suspension point 1 corresponds to the axial force of the polished rod at the suspension point of well 1 of the tower type double well pumping unit and the load T2 of suspension point 2 corresponds to the axial force of the polished rod at the suspension point of well 2 of the tower type double well pumping unit, have the advantages of taking into account the interaction of the rod string and components, and the oil. According to the operating conditions of pumping units, the basic equations of kinematic dynamics of pumping units are given. Based on these equations, the important design parameters such as the maximum load of the suspension point (bare rod) and the diameter of the cross section are obtained, and the failure causes (fracture, fatigue) can also be analyzed.

【技术实现步骤摘要】
基于运动力学的塔架式双井抽油机光杆轴力的计算方法
本专利技术涉及一种基于运动力学的塔架式双井抽油机光杆轴力的计算方法。
技术介绍
现有塔架式一机双井抽油机，包括塔架、塔架的顶端固定上装平台，上装平台上固定水平支撑臂、水平支撑臂的端部固定导向轮、上装平台上固定电动机、电动机输出的动力通过可正反转的变速箱和皮带传递给动力轴、动力轴上固定1号井转动轮及2号井转动轮、两转动轮上缠绕动力绳，动力绳或带的两端经导向轮分别与井口中抽油杆柱在悬点处连接。这样，抽油杆柱的住复运动就可通过柔性元件(钢丝绳或链条)的机构来实现。悬点处通常是个光杆，油机工作过程中常常出现光杆的断裂破坏。研究塔架式抽油机(无游梁抽油机)的运动学，以及任何其它型式的传动装置的运动学都要确定抽油杆柱悬点的运动速度和加速度，分析在上下两次行程期间悬点所走道的路程是怎样变化的。抽油机元件的强度计算、抽油机的平衡、电动机的选择都要知道在上下两个行程期间作用力的变化关系。经过平衡的抽油机的主要特点是当抽油杆柱向下运动时把势能积蓄起来，当抽油杆柱向上运动时则释放出来。于是，抽油杆柱向上运动所需能量由动力机提供的能量和释放的势能两部分组成。平衡井下泵传动的任务在于确定要平衡的抽油机的那些取决于工作条件的参数，从而导致建立发动机的最佳工况和保证抽油机的能量指标最好。一机双井抽油机的两口井的载荷(包括抽油杆柱重量、石油液柱重量、惯性力、摩擦力)，可以混为配重，因此可以减少专门的配重元件。塔架式一机双井抽油机可以实现对不同运行参数的双井抽采，一机双井抽油机是利用丛式井井距近的特点，采用塔架式结构，利用双井载荷互动自平衡，可实现一台抽油设备同时抽汲两口油井，较好地解决常规抽油机低效高耗问题，可以达到降低投资、节能降耗的目的。光杆是连接皮带和抽油杆柱的构件，在油机工作过程中常出现断裂破坏。为提高设备的可靠性、安全性，需要对油机在运行状态下进行动力学分析，得到基本运动力学方程；进行详细地分析不同冲程和冲次条件下，掌握光杆等关键部件的动应力变化规律；依据规律和强度理论，给出光杆的设计尺寸，并解释和避免目前设备常见的破坏，为关键部件的材料和结构设计提供科学基础。
技术实现思路
本专利技术目的是：提供一种基于运动力学的塔架式双井抽油机光杆轴力的计算方法，考虑抽油杆柱、部件的相互作用、石油粘性，惯性等因素，根据抽油机的运行情况，给出抽油机的运动动力学基本方程，据此，求出悬点(光杆)最大载荷、截面直径等重要设计参数；同时也可分析破坏原因(断裂，疲劳)。本专利技术的技术方案是：一种基于运动力学的塔架式双井抽油机光杆轴力的计算方法，包括如下步骤：步骤1)计算出电动机的瞬时角速度ω；式中，r为塔架式双井抽油机中减速机的速比；S1和R1分别为塔架式双井抽油机的1号井的冲程和转动轮的半径；m为抽油机的周期，t为抽油机运行的时间；步骤2)计算浸没在石油中的抽油杆柱重量G；G＝(γs-γp)AsHg＝qHg公式(2)式中，γs为抽油杆柱材料的密度，γp为地层石油密度，As为抽油杆柱的横截面积，Hg为泵挂深度，q为单位长度抽油杆柱的重量；步骤3)计算柱塞以上的液柱重量Py；Py＝aγp(Hg-Hs)＝aγpH公式(3)式中，a为柱塞的截面积，Hs为动液面以下的泵深，H为液体的举升高度；步骤4)计算整个冲次期间，悬点1的载荷T1和悬点2的载荷T2，其中悬点1的载荷T1对应塔架式双井抽油机的1号井的悬点光杆轴力，悬点2的载荷T2对应塔架式双井抽油机的2号井的悬点光杆轴力；式中，G1为浸没在1号井石油中的抽油杆柱重量；G2为浸没在2号井石油中的抽油杆重量；f1为1号井的抽油杆柱受到的摩擦力；f2为2号井的抽油杆柱受到的摩擦力；P1y为1号井的柱塞以上的液柱重量；P2y为2号井的柱塞以上的液柱重量；S2和R2分别为塔架式双井抽油机的2号井的冲程和转动轮的半径；m1和m2分别为1号井和2号井的抽油杆柱质量。作为优选的技术方案，步骤1)中所述电动机的瞬时角速度ω的计算方法如下：假设塔架式双井抽油机的1号井的深度H1、冲程S1、冲次C，其对应转动轮的半径R1；2号井的深度H2、冲程S2、冲次C，其对应转动轮的半径R2；1号井的转动轮和2号井的转动轮平均转动角速度电动机的平均或瞬时转动角速度为周期为m＝60/C，动力绳的速度与1号井的转动轮和动力绳接触点切速度相等，即电动机平均角速度满足:抽油机运行中，在悬点到达最高点和最低时角速度都等于0，即电动机的角速度变化周期和抽油机运行周期是一致的，那么电动机的实际瞬时角速度定义成：ω＝Asinσtm＝mx+ms式中，σ是电动机角频率，A表示电动机角速度最大值，mx、ms分别表示下冲次时间和上冲次时间，两者之和为一个冲次；上式假设上冲次和下冲次近似相等；考虑关系式：得到电动机平均角频率和瞬时角频率的幅度：则电动机的瞬时角速度变化成作为优选的技术方案，步骤4)中1号井的抽油杆柱在一个冲程周期内向下运行，悬点1的载荷T1和悬点2的载荷T2的计算方法如下：悬点1的载荷为T1，摩擦力为f1，自身重力为G1；悬点2的载荷为T2，摩擦力为f2，自身重力为G2；那么根据牛顿定律得到式中，1号井的抽油杆柱的速度，即悬点速度对1号井的转动轮做的功是电动机对1号井的抽油杆柱做的功同时，2号井的抽油杆柱向上运行，满足方程:M2＝(-T2)R2在求出M1,M2后，求出变速箱的输出扭矩：令并考虑电动机的角速度，上式化简为悬点1的载荷悬点2的载荷作为优选的技术方案，步骤4)中1号井的抽油杆柱在一个冲程周期内向上运行，悬点1的载荷T1和悬点2的载荷T2的计算方法如下：悬点的载荷为T1，摩擦力f1，自身重力G1；悬点2的载荷为T2，摩擦力为f2，自身重力为G2；根据牛顿定律得到式中，1号井的抽油杆柱的速度，即悬点速度对1号井的转动轮做的功是电动机对1号井的抽油杆柱做的功同时，2号井的抽油杆柱向下运行，满足方程:M2＝(-T2)R2在求出M1,M2后，求出变速箱的输出扭矩：令并考虑电动机的角速度，上式化简为悬点1的载荷悬点2的载荷本专利技术的优点是：1.本专利技术的基于运动力学的塔架式双井抽油机光杆轴力的计算方法，考虑抽油杆柱、部件的相互作用、石油粘性，惯性等因素，根据抽油机的运行情况，给出抽油机的运动动力学基本方程，据此，求出悬点(光杆)最大载荷、截面直径等重要设计参数；同时也可分析破坏原因(断裂，疲劳)。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述：图1为塔架式一机双井抽油机原理图；图2为动力装置示意图；图3为悬点在和受力分析图；图4为井1悬点光杆轴力随冲次(周期)的变化示意图；图5为井1悬点光杆直径随冲次(周期)的变化示意图；图6为井2悬点光杆轴力随冲次(周期)的变化示意图；图7为井2悬点光杆直径随冲次(周期)的变化示意图；图8为冲程7冲次为6时(周期m＝10秒)，电机转速在一个周期内的变化示意图。具体实施方式参照图1至图3所示，油机运行时，电动机输出的动力通过减速机构传递给动力轴、动力轴上固定1号井转动轮及2号井转动轮、两转动轮上缠绕动力绳，动力绳或带的两端经导向轮分别与井口中抽油杆柱在悬点处连接。因此电动机的运动热性最关键，下面要推出其运动方程。步骤1)计算出电动机的瞬时角速度ω；油(气)井决定冲程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于运动力学的塔架式双井抽油机光杆轴力的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)计算出电动机的瞬时角速度ω；

【技术特征摘要】
1.一种基于运动力学的塔架式双井抽油机光杆轴力的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)计算出电动机的瞬时角速度ω；式中，r为塔架式双井抽油机中减速机的速比；S1和R1分别为塔架式双井抽油机的1号井的冲程和转动轮的半径；m为抽油机的周期，t为抽油机运行的时间；步骤2)计算浸没在石油中的抽油杆柱重量G；G＝(γs-γp)AsHg＝qHg公式(2)式中，γs为抽油杆柱材料的密度，γp为地层石油密度，As为抽油杆柱的横截面积，Hg为泵挂深度，q为单位长度抽油杆柱的重量；步骤3)计算柱塞以上的液柱重量Py；Py＝aγp(Hg-Hs)＝aγpH公式(3)式中，a为柱塞的截面积，Hs为动液面以下的泵深，H为液体的举升高度；步骤4)计算整个冲次期间，悬点1的载荷T1和悬点2的载荷T2，其中悬点1的载荷T1对应塔架式双井抽油机的1号井的悬点光杆轴力，悬点2的载荷T2对应塔架式双井抽油机的2号井的悬点光杆轴力；式中，G1为浸没在1号井石油中的抽油杆柱重量；G2为浸没在2号井石油中的抽油杆柱重量；f1为1号井的抽油杆柱受到的摩擦力；f2为2号井的抽油杆柱受到的摩擦力；P1y为1号井的柱塞以上的液柱重量；P2y为2号井的柱塞以上的液柱重量；S2和R2分别为塔架式双井抽油机的2号井的冲程和转动轮的半径；m1和m2分别为1号井和2号井的抽油杆柱质量。2.根据权利要求1所述基于运动力学的塔架式双井抽油机光杆轴力的计算方法，其特征在于，步骤1)中所述电动机的瞬时角速度ω的计算方法如下：假设塔架式双井抽油机的1号井的深度H1、冲程S1、冲次C，其对应转动轮的半径R1；2号井的深度H2、冲程S2、冲次C，其对应转动轮的半径R2；1号井的转动轮和2号井的转动轮平均转动角速度电动机的平均或瞬时转动角速度为周期为m＝60/C，动力绳的速度与1号井的转动轮和动...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁晓光，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32