一种抽油泵的受力分析方法及装置.pdf

本申请提供一种抽油泵的受力分析方法及装置。所述方法包括计算所述抽油杆带动所述柱塞运动时产生的第一压力、第二压力、惯性力、摩擦力、阻力、顶托力、第三压力以及第四压力，并且根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力，并基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力。本申请实施例提供的一种抽油泵的受力分析方法及装置，根据分析得到的抽油杆下端所受到的合力，能够针对不同的油层情况，选择合适的抽油泵进行作业。

权利要求书
1.  一种抽油泵的受力分析方法，所述抽油泵包括抽油杆以及与所述抽油杆相连的柱塞，所述抽油杆可带动所述柱塞进行上下运动，其特征在于，所述方法包括：
计算所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，液柱作用于所述柱塞上的第一压力、所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞上的第二压力以及液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力；
计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中产生的摩擦力；
计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中液体通过排出阀的阀口或者吸入阀的阀口时产生的阻力以及液柱作用于所述抽油杆上的顶托力；
计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中，所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力以及井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力；
根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力，并基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力。

2.  如权利要求1所述的一种抽油泵的受力分析方法，其特征在于，在所述柱塞紧邻于所述抽油泵的泵筒壁，所述柱塞的下表面开设有用于支撑排出阀的阀口且吸入阀位于所述抽油泵的泵筒底壁上的情况下；
当所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr1＝Fl1+Fhu1+Fp+Iu1-Fi1
其中，Fr1为所述抽油杆下端受到的合成力，Fl1为液柱作用于所述柱塞上的第一压力，Fhu1为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞上的第二压力，Fp为所述柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Iu1为液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力，Fi1为所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力；
其中，
Fhu1+Fl1＝Pout1×(Ap1-ArM1)，Pout1为所述抽油泵的排出口的压强，Ap1为所述柱塞的横截面的面积，ArM1为所述抽油杆下端横截面的面积；
dp为所述柱塞的直径，de为所述柱塞与所述泵筒壁的间隙；
Fl1为液柱作用于所述柱塞上的第一压力，S1为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，r1为抽油机曲柄半径，l1为所述抽油机的连杆长度，N1为冲次，ε1为液柱加速度变化的系数；
Fi1=Pc1Ap1+ρl1g(H1-Hd1)Ap1-1.5×2×ρl1729×μ12×Ap13f012×(S1×N1)2,]]>Pc1为套管压力，ρl1为所述抽油泵内液体的密度，Ap1为所述柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H1为下泵深度，Hd1为油井动液面深度，f01为支撑所述吸入阀的阀口的过流面积，S1为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N1为冲次，μ1为所述吸入阀的流量系数；
当所述抽油杆带动所述柱塞向下运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr2＝Fp+Fbv1+Fhd1+For1
其中，Fr2为所述抽油杆下端受到的合成力，Fp所述柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fbv1为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，Fhd1为井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，For1为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力；
其中，
dp为所述柱塞的直径，de为所述柱塞与所述泵筒壁的间隙；
Fhd1＝Ph1ArM1，Ph1为井口回压，ArM1为所述抽油杆下端横截面的面积；
ρl1为所述抽油泵内液体的密度，f02为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，Ap1为所述柱塞的横截面的面积，S2为所述抽油杆带动所述柱塞向下运动的冲程，N2为冲次，μ2为所述排出阀的流量系数；
For1＝Pout1×ArM1，Pout1为所述抽油泵的排出口的压强，ArM1为所述抽油杆下端横截面的面积。

3.  如权利要求1所述的一种抽油泵的受力分析方法，其特征在于，在所述柱塞与所述抽油泵的泵筒壁相连接，所述抽油泵的泵筒壁可上下移动地套设于油管上，吸入阀位于所述油管的上端面上，排出阀位于所述柱塞中的情况下，所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中产生的摩擦力为所述泵筒壁与所述油管之间的摩擦力；
相应地，当所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr3＝Fl3+Fhu3+Iu3+Fpt-Fi3
其中，Fr3为所述抽油杆下端受到的合成力，Fl3为液柱作用于所述柱塞上的第一压力，Fhu3为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞上的第二压力，Fpt为所述泵筒壁与所述油管之间的摩擦力，Iu3为液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力，Fi3为所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力；
其中，
Fhu3+Fl3＝Pout3×(Ap3-ArM3)，Pout3为所述抽油泵的排出口的压强，Ap3为所述柱塞的横截面的面积，ArM3为所述抽油杆下端横截面的面积；
dp3为所述柱塞的直径，de3为所述泵筒壁与所述油管的间隙；
Fl3为液柱作用于所述柱塞上的第一压力，S3为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，r3为抽油机曲柄半径，l3为所述抽油机的连杆长度，N3为冲次，ε3为液柱加速度变化的系数；
Fi3=Pc3Ap3+ρl3g(H3-Hd3)Ap3-1.5×2×ρl3729×μ32×Ap33f032×(S3×N3)2,]]>Pc3为套管压力，ρl3为所述抽油泵内液体的密度，Ap3为所述柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H3为下泵深度，Hd3为油井动液面深度，f03为支撑所述吸入阀的阀口的过流面积，S3为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N3为冲次，μ3为所述吸入阀的流量系数；
当所述抽油杆带动所述柱塞向下运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr4＝Fpt+Fbv4+Fhd4+For4
其中，Fr4为所述抽油杆下端受到的合成力，Fpt为所述泵筒壁与所述油管之间的摩擦力，Fbv4为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，Fhd4为井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，For4为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力；
其中，
dp3为所述柱塞的直径，de3为所述泵筒壁与所述油管的间隙；
Fhd4＝Ph4ArM3，Ph4为井口回压，ArM3为所述抽油杆下端横截面的面积；
ρl3为所述抽油泵内液体的密度，f04为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，Ap3为所述柱塞的横截面的面积，S4为所述抽油杆带动所述柱塞向下运动的冲程，N4为冲次，μ4为所述排出阀的流量系数；
For4＝Pout4×ArM3，Pout4为所述抽油泵的排出口的压强，ArM3为所述抽油杆下端横截面的面积。

4.  如权利要求1所述的一种抽油泵的受力分析方法，其特征在于，在所述柱塞包括呈T型连接的上柱塞与下柱塞，所述下柱塞的横截面的直径小于所述上柱塞的横截面的直径，所述上柱塞与所述抽油泵的泵筒壁相邻，所述下柱塞与所述抽油泵的泵筒壁之间形成空腔，所述空腔下端在所述下柱塞与所述抽油泵的泵筒壁之间填充有预设厚度的密封总成，所述排出 阀位于所述上柱塞中以及所述吸入阀位于所述下柱塞中的情况下，在根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力，并基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力的步骤之前，所述方法还包括：
计算所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的粘滞力；
计算所述抽油杆带动所述柱塞向下运动时，位于所述下柱塞内的吸入阀受到的第五压力。

5.  如权利要求4所述的一种抽油泵的受力分析方法，其特征在于，所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中产生的摩擦力至少包括所述上柱塞与所述抽油泵的泵筒壁之间产生的摩擦力以及所述下柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力；
相应地，当所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr5＝Fl5+Fhu5+Iu5+Fp1+Fp2+Flp-Fi5
其中，Fr5为所述抽油杆下端受到的合成力，Fl5为液柱作用于所述上柱塞上的第一压力，Fhu5为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述上柱塞上的第二压力，Fp1为所述上柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fp2为所述下柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Iu5为液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力，Flp为所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的粘滞力，Fi5为所述抽油泵内的压强作用于所述下柱塞上的第三压力；
其中，
Fhu5+Fl5＝Pout5×(Ap5-ArM5)，Pout5为所述抽油泵的排出口的压强，Ap5为所述上柱塞的横截面的面积，ArM5为所述抽油杆下端横截面的面积；
ddp为所述上柱塞的直径，de5为所述上柱塞与所述泵筒壁的间隙；
dsp为所述下柱塞的直径，de6为所述下柱塞与所述密封总成的间隙；
Fl5为液柱作用于所述上柱塞上的第一压力，S5为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，r5为抽油机曲柄半径，l5为所述抽油机的连杆长度，N5为冲次，ε5为液柱加速度变化的系数；
L为所述下柱塞的长度，K为所述抽油管的内壁直径与所述下柱塞直径之比，μl为所述抽油管内流体的粘度，S5为所述抽油杆带动所述柱塞向 上运动的冲程，N5为冲次；
Fi5=Pc5Asp5+ρl5g(H5-Hd5)Asp5-1.5×2×ρl5729×μ52×Asp53f052×(S5×N5)2,]]>Pc5为套管压力，ρl5为所述抽油泵内液体的密度，Asp5为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H5为下泵深度，Hd5为油井动液面深度，f05为支撑所述吸入阀的阀口的过流面积，S5为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N5为冲次，μ5为所述吸入阀的流量系数；
当所述抽油杆带动所述柱塞向下运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr6＝Fi6+Fp1+Fp2+Fbv5+Fhd5+For5-Ffk
其中，Fr6为所述抽油杆下端受到的合成力，Fi6为所述抽油泵内的压强作用于所述上柱塞上的第三压力，Fp1为所述上柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fp2为所述下柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Fbv5为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，Fhd5为井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，For5为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Ffk为位于所述下柱塞内的吸入阀受到的第五压力；
其中，
Fi6=Pc6Asp5+ρl5g(H6-Hd6)Asp5-1.5×2×ρl5729×μ62×Asp53f062×(S6×N6)2,]]>Pc6为套管压力，ρl5为所述抽油泵内液体的密度，Asp5为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H6为下泵深度，Hd6为油井动液面深度，f06为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，S6为所述抽油杆带动所述柱塞向下运动的冲程，N6为冲次，μ6为所述排出阀的流量系数；
ddp为所述上柱塞的直径，de5为所述上柱塞与所述泵筒壁的间隙；
dsp为所述下柱塞的直径，de6为所述下柱塞与所述密封总成的间隙；
Fhd5＝Ph5ArM5，Ph5为井口回压，ArM5为所述抽油杆下端横截面的面积；
ρl5为所述抽油泵内液体的密度，Asp5为所述下柱塞的横截面的面积，f06为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，S6为所述抽油杆带动所述柱塞向下运动的冲程，N6为冲次，μ6为所述排出阀的流量系数；
For5＝Pout5×ArM5，Pout5为所述抽油泵的排出口的压强，ArM5为所述抽油杆下端横截面的面积；
Ffk＝(Ph5+ρl5gH)×Asp5，Ph5为井口回压，ρl5为所述抽油泵内液体的密度，g为重力 常数，H为下泵深度，Asp5为所述下柱塞的横截面的面积。

6.  如权利要求1所述的一种抽油泵的受力分析方法，其特征在于，在所述柱塞包括呈倒T型连接的上柱塞与下柱塞，所述下柱塞的横截面的直径大于所述上柱塞的横截面的直径，所述下柱塞与所述抽油泵的泵筒壁相邻，所述上柱塞与所述抽油泵的泵筒壁之间形成空腔，所述空腔上端在所述上柱塞与所述抽油泵的泵筒壁之间填充有预设厚度的密封总成，排出阀位于所述上柱塞中以及吸入阀位于所述上柱塞与所述下柱塞的交界面上的情况下，在根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力，并基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力的步骤之前，所述方法还包括：
计算所述抽油杆带动所述柱塞向下运动时，位于所述上柱塞中的排出阀受到的第六压力。

7.  如权利要求6所述的一种抽油泵的受力分析方法，其特征在于，所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中产生的摩擦力至少包括所述下柱塞与所述抽油泵的泵筒壁之间产生的摩
擦力以及所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力；
相应地，当所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr7＝Fl7+Fhu7+Iu7+Fp7+Fp8+Fbv7-For7-Fi7
其中，Fr7为所述抽油杆下端受到的合成力，Fl7为液柱作用于所述下柱塞上的第一压力，Fhu7为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述下柱塞上的第二压力，Fp7为所述下柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fp8为所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Iu7为液柱作用于所述抽油泵的泵筒壁上的惯性力，Fbv7为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，For7为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Fi7为所述抽油泵内的压强作用于所述上柱塞上的第三压力；
其中，
Fl7＝ρl7gH7Abp7，ρl7为所述抽油泵内液体的密度，Abp7为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H7为下泵深度；
Fhu7＝Ph7Abp7，Ph7为井口回压，Abp7为所述下柱塞的横截面的面积；
Fl7为液柱作用于所述下柱塞上的第一压力，S7为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，r7为抽油机曲柄半径，l7为所述抽油机的连杆长度，N7为冲次，ε7为液柱加速度变化的系数；
dbp7为所述下柱塞的直径，de7为所述下柱塞与所述泵筒壁的间隙；
dsp7为所述上柱塞的直径，de8为所述上柱塞与所述密封总成的间隙；
ρl7为所述抽油泵内液体的密度，Asp7为所述上柱塞的横截面的面积，f07为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，S7为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N7为冲次，μ7为所述排出阀的流量系数；
For7＝Pout7×ArM7，Pout7为所述抽油泵的排出口的压强，ArM7为所述抽油杆下端横截面的面积；
Fi7=Pc7Asp7+ρl7g(H7-Hd7)Asp7-1.5×2×ρl7729×μ72×Asp73f072×(S7×N7)2,]]>Pc7为套管压力，ρl7为所述抽油泵内液体的密度，g为重力常数，H7为下泵深度，Hd7为油井动液面深度，Asp7为所述上柱塞的横截面的面积，f07为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，S7为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N7为冲次，μ7为所述排出阀的流量系数；
当所述抽油杆带动所述柱塞向下运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr8＝Fi8+Fp7+Fp8+Fout
其中，Fr8为所述抽油杆下端受到的合成力，Fi8为所述抽油泵内的压强作用于所述下柱塞上的第三压力，Fp7为所述下柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fp8为所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Fout为位于所述上柱塞中的排出阀受到的第六压力；
其中，
Fi8=Pc8Asp7+ρl7g(H8-Hd8)Asp7-1.5×2×ρl7729×μ82×Asp73f082×(S8×N8)2,]]>Pc8为套管压力，ρl7为所述抽油泵内液体的密度，g为重力常数，H8为下泵深度，Hd8为油井动液面深度，Asp7为所述上柱塞的横截面的面积，f08为支撑所述吸入阀的阀口的过流面积，S8为所述抽油杆带动所述柱塞向下运动的冲程，N8为冲次，μ8为所述吸入阀的流量系数；
dbp7为所述下柱塞的直径，de7为所述下柱塞与所述泵筒壁的间隙；
dsp7为所述上柱塞的直径，de8为所述上柱塞与所述密封总成的间隙；
Fout＝Pout8×(Asp7-ArM7)，Pout8为所述抽油泵的排出口的压强，Asp7为所述上柱塞的横截面的面积，ArM7为所述抽油杆下端横截面的面积。

8.  如权利要求1所述的一种抽油泵的受力分析方法，其特征在于，在所述柱塞包括呈倒T型连接的上柱塞与下柱塞，所述下柱塞的横截面的直径大于所述上柱塞的横截面的直径，所述下柱塞与所述抽油泵的泵筒壁相邻，所述上柱塞与所述抽油泵的泵筒壁之间形成空腔，所述空腔上端在所述上柱塞与所述抽油泵的泵筒壁之间填充有预设厚度的密封总成，所述上柱塞中安置有第一级排出阀，所述下柱塞中安置有第二级排出阀以及吸入阀位于所述抽油泵的泵筒底壁上的情况下，在根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力，并基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力的步骤之前，所述方法还包括：
计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中，所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的第七压力。

9.  如权利要求8所述的一种抽油泵的受力分析方法，其特征在于，所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中产生的摩擦力至少包括所述下柱塞与所述抽油泵的泵筒壁之间产生的摩擦力以及所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力；
相应地，当所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr9＝Fl9+Fhu9+Iu9+Fp9+Fps+Fas-Fi9
其中，Fr9为所述抽油杆下端受到的合成力，Fl9为液柱作用于所述上柱塞上的第一压力，Fhu9为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述上柱塞上的第二压力，Fp9为所述下柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fps为所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Fas为所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的第七压力，Iu9为液柱作用于所述抽油泵的泵筒壁上的惯性力，Fi9为所述抽油泵内的压强作用于所述下柱塞上的第三压力；
Fhu9+Fl9＝Pout9×(Asp9-ArM9)，Pout9为所述抽油泵的排出口的压强，Asp9为所述上柱塞的横截面的面积，ArM9为所述抽油杆下端横截面的面积；
dbp9为所述下柱塞的直径，de9为所述下柱塞与所述泵筒壁的间隙；
dsp9为所述上柱塞的直径，de10为所述上柱塞与所述密封总成的间隙；
Fl9为液柱作用于所述上柱塞上的第一压力，S9为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，r9为抽油机曲柄半径，l9为所述抽油机的连杆长度，N9为冲次，ε9为液柱加速度变化的系数；
Fas＝[Pc9+ρl9g(H9-Hd9)](Abp9-Asp9)，Pc9为套管压力，ρl9为所述抽油泵内液体的密度，Abp9为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H9为下泵深度，Hd9为油井动液面深度，Asp9为所述上柱塞的横截面的面积；
Fi9=Pc9Abp9+ρl9g(H9-Hd9)Abp9-1.5×2×ρl9729×μ92×Abp93f092×(S9×N9)2,]]>Pc9为套管压力，ρl9为所述抽油泵内液体的密度，Abp9为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H9为下泵深度，Hd9为油井动液面深度，f09为支撑所述吸入阀的阀口的过流面积，S9为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N9为冲次，μ9为所述吸入阀的流量系数；
当所述抽油杆带动所述柱塞向下运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr10＝Fp9+Fhd10+Fps+Fbv10+For10-Fas2
其中，Fr10为所述抽油杆下端受到的合成力，Fp9所述下柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fps为所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Fbv10为液体通过所述第一级排出阀的阀口以及所述第二级排出阀的阀口时产生的阻力之和，Fhd10为井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，For10为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Fas2为所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的第七压力；
其中，
dbp9为所述下柱塞的直径，de9为所述下柱塞与所述泵筒壁的间隙；
dsp9为所述上柱塞的直径，de10为所述上柱塞与所述密封总成的间隙；
Fhd10＝Ph10ArM9，Ph10为井口回压，ArM9为所述抽油杆下端横截面的面积；
Fbv10=1.5×2×ρl9729×μ102×Abp93f0102×(S10×N10)2+1.5×2×ρl9729×μ112×Asp93f0112×(S10×N10)2,]]>ρl9为所述抽油泵内液体的密度，Abp9为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，f010为支撑所述第二级排出阀的阀口的过流面积，S10为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N10为冲次，μ10为所述第二级排出阀的流量系数，Asp9为所述上柱塞的横截面的面积，μ11为所述第一级排出阀的流量系数，f011为支撑所述第一级排出阀的阀口的过流面积；
For10＝Pout10×ArM9，Pout10为所述抽油泵的排出口的压强，ArM9为所述抽油杆下端横截面的面积；
Fas2＝[Pc10+ρl9g(H10-Hd10)](Abp9-Asp9)，Pc10为套管压力，ρl9为所述抽油泵内液 体的密度，Abp9为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H10为下泵深度，Hd10为油井动液面深度，Asp9为所述上柱塞的横截面的面积。

10.  一种抽油泵的受力分析装置，所述抽油泵包括抽油杆以及与所述抽油杆相连的柱塞，所述抽油杆可带动所述柱塞进行上下运动，其特征在于，所述装置包括：
第一计算单元，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，液柱作用于所述柱塞上的第一压力、所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞上的第二压力以及液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力；
第二计算单元，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中产生的摩擦力；
第三计算单元，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中液体通过排出阀的阀口或者吸入阀的阀口时产生的阻力以及液柱作用于所述抽油杆上的顶托力；
第四计算单元，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中，所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力以及井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力；
合成力选择单元，用来根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力；
合成力计算单元，用来基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力。

说明书一种抽油泵的受力分析方法及装置
技术领域
本申请涉及石油开采领域，特别涉及一种抽油泵的受力分析方法及装置。
背景技术
有杆泵抽油是最广泛的一种人工举升采油的方法，全世界大概有80％以上的油井都是采用有杆抽油泵开采的，虽然在整个有杆泵抽油井生产系统的总成本中，抽油泵占的比例并不是特别大，但是抽油泵却是决定抽油装置工作技术的关键部件，抽油泵的工作状况对于油井的检泵周期具有很大影响。在常规有杆泵的设计基础上，为了解决油田生产过程中出现的诸如出砂、油稠、气体、斜井等特殊问题，研制出了各种类型的特殊抽油泵。
目前，特殊抽油泵的技术不完全成熟，还需要根据现实中具体的问题来进行调节和修正，以使泵能够更好的工作，提高泵效。对于各种不同类型的抽油泵，需要分析它们的物理模型，研究相应的数学模型来熟悉各种泵的特点，从而可以针对不同的油层情况确定所需要的具体抽油泵。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种抽油泵的受力分析方法及装置，能够针对不同的油层情况选择所需要的抽油泵。
本申请实施例提供的一种抽油泵的受力分析方法及装置是这样实现的：
一种抽油泵的受力分析方法，所述抽油泵包括抽油杆以及与所述抽油杆相连的柱塞，所述抽油杆可带动所述柱塞进行上下运动，所述方法包括：
计算所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，液柱作用于所述柱塞上的第一压力、所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞上的第二压力以及液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力；
计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中产生的摩擦力；
计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中液体通过排出阀的阀口或者吸入阀的阀口时产生的阻力以及液柱作用于所述抽油杆上的顶托力；
计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中，所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第 三压力以及井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力；
根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力，并基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力。
一种抽油泵的受力分析装置，所述抽油泵包括抽油杆以及与所述抽油杆相连的柱塞，所述抽油杆可带动所述柱塞进行上下运动，所述装置包括：
第一计算单元，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，液柱作用于所述柱塞上的第一压力、所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞上的第二压力以及液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力；
第二计算单元，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中产生的摩擦力；
第三计算单元，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中液体通过排出阀的阀口或者吸入阀的阀口时产生的阻力以及液柱作用于所述抽油杆上的顶托力；
第四计算单元，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中，所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力以及井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力；
合成力选择单元，用来根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力；
合成力计算单元，用来基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力。
本申请实施例提供的一种抽油泵的受力分析方法及装置，通过计算抽油泵在工作时抽油杆以及柱塞受到的各种力，从而可以根据抽油杆带动柱塞运动的方向，选择与运动的方向相对应的力，从而可以分析抽油杆下端所受到的合力。这样，根据分析得到的抽油杆下端所受到的合力，能够针对不同的油层情况，选择合适的抽油泵进行作业。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动 性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本申请实施例中一种常规抽油泵进行上下冲程的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种抽油泵的受力分析方法的流程图；
图3为本申请另一实施例中第二抽油泵进行上下冲程的结构示意图；
图4为本申请另一实施例中第三抽油泵进行上下冲程的结构示意图；
图5为本申请另一实施例中第四抽油泵进行上下冲程的结构示意图；
图6为本申请另一实施例中第五抽油泵进行上下冲程的结构示意图；
图7为本申请一实施例提供的一种抽油泵的受力分析装置。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例中一种常规抽油泵进行上下冲程的结构示意图。如图1所示，所述常规抽油泵可以包括抽油杆以及与所述抽油杆相连的柱塞，所述抽油杆可带动所述柱塞进行上下运动。图2为本申请实施例提供的一种抽油泵的受力分析方法的流程图。虽然下文描述流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操作，这些操作可以顺序执行或并行执行(例如使用并行处理器或多线程环境)。如图2所示，所述方法可以包括：
S1：计算所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，液柱作用于所述柱塞上的第一压力、所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞上的第二压力以及液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力。
以图1中所示的常规泵为例，所述柱塞3紧邻于所述抽油泵2的泵筒壁，所述柱塞3的下表面开设有用于支撑排出阀4的阀口7且吸入阀5位于所述抽油泵2的泵筒底壁上，当抽油杆1带动柱塞3向上运动时，由于抽油泵2内的空间变大，导致压强降低，从而吸入阀5会被油井中的液体向上冲起，油井中的液体从而可以进入抽油泵2内。此时，由于抽油杆1带动柱塞3向上运动，那么柱塞3的上表面会受到液柱对其的压力，该压力即可以为所述液柱作用于所述柱塞上的第一压力。此外，抽油泵2的排出口处的压强同样会对柱塞3的上表面产生压力，该压力即可以为所述的第二压力。同时，由于抽油泵2内存在液柱，那么在柱塞3运动的过程中，还会受到液柱作用于抽油泵2的泵筒上的惯性力，该惯性力往往与柱塞3的冲程以及冲次相关。上述的第一压力、第二压力以及惯性力的方向均向下。具体地，在 本申请一优选实施例中，如图1所示的常规泵中的第一压力、第二压力以及惯性力可以按照下述公式表示：
Fhu1+Fl1＝Pout1×(Ap1-ArM1)，Fl1为液柱作用于所述柱塞3上的第一压力，Fhu1为所述抽油泵2的排出口的压强作用于所述柱塞3上的第二压力，Pout1为所述抽油泵2的排出口的压强，Ap1为所述柱塞3的横截面的面积，ArM1为所述抽油杆1下端横截面的面积；
Fl1为液柱作用于所述柱塞3上的第一压力，S1为所述抽油杆1带动所述柱塞3向上运动的冲程，r1为抽油机曲柄半径，l1为所述抽油机的连杆长度，N1为冲次，ε1为液柱加速度变化的系数。
图3为本申请另一实施例中第二抽油泵进行上下冲程的结构示意图。如图3所示，在所述第二抽油泵中，柱塞22与抽油泵的泵筒壁23相连接，所述抽油泵的泵筒壁23可上下移动地套设于油管24上，吸入阀26位于所述油管24的上端面上，排出阀25位于所述柱塞22中。在本申请该实施例中，当抽油杆21带动柱塞22向上运动时，吸入阀26会被油管24内的液体向上冲起，排出阀25则会堵住阀口。这样，柱塞22的上表面同样会受到液柱对其的第一压力，抽油泵的排出口的压强同样会产生作用于柱塞22上表面的第二压力，抽油泵内的液柱也同样会产生作用于泵筒上的惯性力，在本申请该实施例中，上述的第一压力、第二压力以及惯性力的方向同样均向下。所述第一压力、第二压力以及惯性力可以按照下述公式进行表示：
Fhu3+Fl3＝Pout3×(Ap3-ArM3)，Fl3为液柱作用于所述柱塞22上的第一压力，Fhu3为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞22上的第二压力，Pout3为所述抽油泵的排出口的压强，Ap3为所述柱塞22的横截面的面积，ArM3为所述抽油杆21下端横截面的面积；
Iu3为液柱作用于所述抽油泵的泵筒壁23上的惯性力，Fl3为液柱作用于所述柱塞22上的第一压力，S3为所述抽油杆21带动所述柱塞22向上运动的冲程，r3为抽油机曲柄半径，l3为所述抽油机的连杆长度，N3为冲次，ε3为液柱加速度变化的系数。
图4为本申请另一实施例中第三抽油泵进行上下冲程的结构示意图。如图4所示，所述柱塞包括呈T型连接的上柱塞32与下柱塞33，所述下柱塞33的横截面的直径小于所述上柱塞32的横截面的直径，所述上柱塞32紧邻于所述抽油泵的泵筒壁34，所述下柱塞33与所述抽油泵的泵筒壁34之间形成空腔，所述空腔下端在所述下柱塞33与所述抽油泵的泵筒壁34之间填充有预设厚度的密封总成35，所述排出阀36位于所述上柱塞32中，所述吸入阀39位于所述下柱塞33中。在这种情况下，当抽油杆31带动柱塞向上运动时，空腔的体积变 大，从而导致空腔以及下柱塞33中的压强变小，液体会从下柱塞33的下端38向上顶起吸入阀37，液体便会通过吸入阀37的阀口39进入空腔和下柱塞33内。由于上柱塞32的上表面受到液柱以及抽油泵排出口压强的作用力，此时排出阀36便会堵住排出阀的阀口。这样，上柱塞32的上表面会受到液柱对其的第一压力，同时上柱塞32的上表面还会受到抽油泵的排出口的压强对其的第二压力以及液柱作用于抽油泵的泵筒壁34的惯性力。此外，空腔内的液柱还会对下柱塞33的运动产生粘滞力，因此，在本申请该实施例中，所述抽油泵的受力分析方法还可以包括下述步骤：
计算所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的粘滞力。
那么，在本申请该实施例中，所述第一压力、第二压力、惯性力以及所述粘滞力可以按照下述公式计算：
Fhu5+Fl5＝Pout5×(Ap5-ArM5)，Fl5为液柱作用于所述上柱塞32上的第一压力，Fhu5为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述上柱塞32上的第二压力，Pout5为所述抽油泵的排出口的压强，Ap5为所述上柱塞32的横截面的面积，ArM5为所述抽油杆31下端横截面的面积；
Iu5为液柱作用于所述抽油泵的泵筒壁34上的惯性力，Fl5为液柱作用于所述上柱塞32上的第一压力，S5为所述抽油杆31带动所述柱塞向上运动的冲程，r5为抽油机曲柄半径，l5为所述抽油机的连杆长度，N5为冲次，ε5为液柱加速度变化的系数；
Flp为所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞33上的粘滞力，L为所述下柱塞33的长度，K为所述抽油管的内壁直径与所述下柱塞33直径之比，μl为所述抽油管内流体的粘度，S5为所述抽油杆31带动所述柱塞向上运动的冲程，N5为冲次。
在本申请该实施例中，所述第一压力、第二压力、惯性力以及所述粘滞力的方向均向下。
图5为本申请另一实施例中第四抽油泵进行上下冲程的结构示意图。如图5所示，所述柱塞包括呈倒T型连接的上柱塞42与下柱塞43，所述下柱塞43的横截面的直径大于所述上柱塞42的横截面的直径，所述下柱塞42紧邻于所述抽油泵的泵筒壁44，所述上柱塞42与所述抽油泵的泵筒壁44之间形成空腔，所述空腔上端在所述上柱塞42与所述抽油泵的泵筒壁44之间填充有预设厚度的密封总成48，排出阀45位于所述上柱塞42中，吸入阀位于所述上柱塞42与所述下柱塞43的交界面上。在这种情况下，当抽油杆41带动柱塞向上运动时，空腔的体积变小，从而导致空腔以及上柱塞42中的压强变大，液体会从冲起排出阀45并从排出阀45的阀口49排出。由于此时空腔和上柱塞42内的压强较大，因此吸入阀46会 在压强的作用下堵住吸入阀的阀口。在这种情况下，下柱塞43的上表面会受到空腔和上柱塞42中的液柱对其的第一压力，此时抽油泵的排出口的压强通过液柱传递到了下柱塞43的上表面上，从而排出泵的排出口的压强会对下柱塞43的上表面产生第二压力，同时，空腔内的液柱还会对抽油泵的泵筒壁44产生惯性力，上述第一压力、第二压力以及惯性力的方向均向下，可以按照下述公式进行计算：
Fl7＝ρl7gH7Abp7，Fl7为液柱作用于所述下柱塞43上的第一压力，ρl7为所述抽油泵内液体的密度，Abp7为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H7为下泵深度；
Fhu7＝Ph7Abp7，Fhu7为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述下柱塞上的第二压力，Ph7为井口回压，Abp7为所述下柱塞的横截面的面积；
Iu7为液柱作用于所述抽油泵的泵筒壁44上的惯性力，Fl7为液柱作用于所述下柱塞上的第一压力，S7为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，r7为抽油机曲柄半径，l7为所述抽油机的连杆长度，N7为冲次，ε7为液柱加速度变化的系数。
图6为本申请另一实施例中第五抽油泵进行上下冲程的结构示意图。如图6所示，所述柱塞包括呈倒T型连接的上柱塞52与下柱塞53，所述下柱塞53的横截面的直径大于所述上柱塞52的横截面的直径，所述下柱塞53紧邻于所述抽油泵的泵筒壁54，所述上柱塞52与所述抽油泵的泵筒壁54之间形成空腔，所述空腔上端在所述上柱塞52与所述抽油泵的泵筒壁54之间填充有预设厚度的密封总成510，所述上柱塞52中安置有第一级排出阀58，所述下柱塞53中安置有第二级排出阀57，吸入阀55位于所述抽油泵的泵筒底壁上。在这种情况下，当抽油杆51带动柱塞向上运动时，尽管空腔的体积变小，但是空腔内的液体可以通过通孔59排出去，从而保持了空腔内的压强不变。而随着柱塞的上升，位于下柱塞53下方的空间变大，导致压强降低，油井中的液体从而可以冲开吸入阀55并从吸入阀55的阀口56进入到抽油泵内。这样，上柱塞52的上表面同样会受到液柱对其的第一压力，上柱塞52的上表面还会受到抽油泵的排出口的压强对其的第二压力，同时还会产生液柱作用于抽油泵的泵筒壁上的惯性力。此外，在本申请该实施例中，空腔内的液柱还会对下柱塞53的上表面产生第七压力，因此，在本申请该实施例中，所述抽油泵的受力分析方法还可以包括下述步骤：
计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中，所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的第七压力。
具体地，在本申请该实施例中，上述的第一压力、第二压力、惯性力以及第七压力可以通过下述公式表示：
Fhu9+Fl9＝Pout9×(Asp9-ArM9)，Fl9为液柱作用于所述上柱塞52上的第一压力，Fhu9为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述上柱塞52上的第二压力，Pout9为所述抽油泵的排出口的压强，Asp9为所述上柱塞52的横截面的面积，ArM9为所述抽油杆51下端横截面的面积；
Iu9为液柱作用于所述抽油泵的泵筒壁54上的惯性力，Fl9为液柱作用于所述上柱塞上的第一压力，S9为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，r9为抽油机曲柄半径，l9为所述抽油机的连杆长度，N9为冲次，ε9为液柱加速度变化的系数；
Fas＝[Pc9+ρl9g(H9-Hd9)](Abp9-Asp9)，Fas为所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞53上的第七压力，Pc9为套管压力，ρl9为所述抽油泵内液体的密度，Abp9为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H9为下泵深度，Hd9为油井动液面深度，Asp9为所述上柱塞的横截面的面积。
在本申请该实施例中，当抽油杆51带动柱塞向下运动时，下柱塞53的上表面同样会受到空腔内的液柱作用于其上的第七压力，具体地，在柱塞向下运动时，所述第七压力可以表示为：
Fas2＝[Pc10+ρl9g(H10-Hd10)](Abp9-Asp9)，Fas2为所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的第七压力，Pc10为套管压力，ρl9为所述抽油泵内液体的密度，Abp9为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H10为下泵深度，Hd10为油井动液面深度，Asp9为所述上柱塞的横截面的面积。
S2：计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中产生的摩擦力。
步骤S1中分别对五种不同的抽油泵进行了分析，这里将继续对这五种抽油泵进行分析。在图1所示的常规抽油泵中，柱塞3在运动过程中会与抽油泵的泵筒壁产生摩擦，该摩擦力可以表示为：
Fp为所述柱塞3与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，dp为所述柱塞的直径，de为所述柱塞与所述泵筒壁的间隙。
在柱塞3向上运动时，所述摩擦力的方向向下；在柱塞3向下运动时，所述摩擦力的方向向上。
在本申请另一实施例的如图3所示的第二抽油泵中，柱塞22在运动过程中，会带动抽油泵的泵筒壁23与油管24发生相对位移，从而产生摩擦力。在本申请该实施例中，所述泵筒壁23与油管24之间的摩擦力可以表示为：
Fpt为所述泵筒壁23与所述油管24之间的摩擦力，dp3为所述柱塞22的直径，de3为所述泵筒壁23与所述油管24的间隙。
在本申请另一实施例的如图4所示的第三抽油泵中，柱塞在运动过程中，上柱塞32会与抽油泵的泵筒壁34之间产生摩擦力，同时下柱塞33会与密封总成35之间产生摩擦力。在本申请该实施例中，这两个摩擦力具体可以表示为：
Fp1为所述上柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，ddp为所述上柱塞的直径，de5为所述上柱塞与所述泵筒壁的间隙；
Fp2为所述下柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，dsp为所述下柱塞的直径，de6为所述下柱塞与所述密封总成的间隙。
在本申请另一实施例的如图5所示的第四抽油泵中，柱塞在运动过程中，下柱塞43会与抽油泵的泵筒壁44之间产生摩擦力，同时上柱塞42会与密封总成48之间产生摩擦力。在本申请该实施例中，这两个摩擦力具体可以表示为：
Fp7为所述下柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，dbp7为所述下柱塞的直径，de7为所述下柱塞与所述泵筒壁的间隙；
Fp8为所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，dsp7为所述上柱塞的直径，de8为所述上柱塞与所述密封总成的间隙。
在本申请另一实施例的如图6所示的第五抽油泵中，柱塞在运动过程中，下柱塞53会与抽油泵的泵筒壁54之间产生摩擦力，同时上柱塞52会与密封总成510之间产生摩擦力。在本申请该实施例中，这两个摩擦力具体可以表示为：
Fp9为所述下柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，dbp9为所述下柱塞的直径，de9为所述下柱塞与所述泵筒壁的间隙；
Fps为所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，dsp9为所述上柱塞的直径，de10为所述上柱塞与所述密封总成的间隙。
S3：计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中液体通过排出阀的阀口或者吸入阀的阀口时产生的阻力以及液柱作用于所述抽油杆上的顶托力。
在抽油杆带动柱塞运动过程中，根据运动方向的不同，会造成吸入阀或者排出阀的打开或者关闭，从而导致液体流过排出阀的阀口或者吸入阀的阀口时会产生阻力，另外，在抽油杆运动时，抽油泵内的液柱会对抽油杆造成顶托力。
在本申请一实施例如图1所示的常规抽油泵中，在抽油杆1带动柱塞3向下运动时，由于抽油泵内的空间变小，造成压强变大，从而使得吸入阀5堵住了吸入阀的阀口6，而抽油泵内的液体会冲开排出阀4并通过阀口7，在液体通过阀口7时便会对柱塞产生阻力。同时，抽油泵内的液体会对抽油杆的下端产生顶托力。在本申请该实施例中，所述阻力与所述顶托力可以表示为：
Fbv1为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，ρl1为所述抽油泵内液体的密度，f02为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，Ap1为所述柱塞的横截面的面积，S2为所述抽油杆带动所述柱塞向下运动的冲程，N2为冲次，μ2为所述排出阀的流量系数；
For1＝Pout1×ArM1，For1为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Pout1为所述抽油泵的排出口的压强，ArM1为所述抽油杆下端横截面的面积。
在本申请另一实施例如图3所示的第二抽油泵中，在抽油杆21带动柱塞22向下运动时，同样会受到液体经过排出阀25的阀口28时的阻力以及抽油泵内的液体对抽油杆21的顶托力。在本申请该实施例中，所述阻力与所述顶托力可以表示为：
Fbv4为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，ρl3为所述抽油泵内液体的密度，f04为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，Ap3为所述柱塞的横截面的面积，S4为所述抽油杆带动所述柱塞向下运动的冲程，N4为冲次，μ4为所述排出阀的流量系数；
For4＝Pout4×ArM3，For4为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Pout4为所述抽油泵的排出口的压强，ArM3为所述抽油杆下端横截面的面积。
在本申请另一实施例如图4所示的第三抽油泵中，在抽油杆31带动柱塞向下运动时，同样会受到液体经过排出阀36的阀口310时的阻力以及抽油泵内的液体对抽油杆31的顶托力。在本申请该实施例中，所述阻力与所述顶托力可以表示为：
Fbv5为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，ρl5为所述抽油泵内液体的密度，Asp5为所述下柱塞的横截面的面积，f06为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，S6为所述抽油杆带动所述柱塞向下运动的冲程，N6为冲次，μ6为所述排出阀的流量系数；
For5＝Pout5×ArM5，For5为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Pout5为所述抽油泵的排出口的压强，ArM5为所述抽油杆下端横截面的面积。
此外，由于吸入阀37位于下柱塞33内，因此当抽油杆31带动柱塞向下运动时，空腔内以及下柱塞33内的液体会对吸入阀37造成第五压力，在本申请该实施例所述的抽油泵的受力分析方法中，所述方法还包括下述步骤：
计算所述抽油杆带动所述柱塞向下运动时，位于所述下柱塞内的吸入阀受到的第五压力。
具体地，该第五压力可以表示为：
Ffk＝(Ph5+ρl5gH)×Asp5，Ffk为位于所述下柱塞内的吸入阀受到的第五压力，Ph5为井口回压，ρl5为所述抽油泵内液体的密度，g为重力常数，H为下泵深度，Asp5为所述下柱塞的横截面的面积。
该第五压力与上述的阻力和顶托力的方向均相反。
在本申请另一实施例如图5所示的第四抽油泵中，在抽油杆41带动柱塞向上运动时，由于空腔内体积变小，导致压强变大，从而导致排出阀45被液体冲开，液体流经排出阀45的阀口49。这样，柱塞会受到液体流过阀口49时产生的阻力以及液体对抽油杆41的顶托力。所述阻力和所述顶托力具体可以表示为：
Fbv7为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，ρl7为所述抽油泵内液体的密度，Asp7为所述上柱塞的横截面的面积，f07为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，S7为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N7为冲次，μ7为所述排出阀的流量系数；
For7＝Pout7×ArM7，For7为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Pout7为所述抽油泵的排出口的压强，ArM7为所述抽油杆下端横截面的面积。
在抽油杆41带动柱塞向下运动时，由于空腔内体积变大，从而导致液体可以冲开吸入阀46并流经吸入阀的阀口47进入上柱塞42内，而排出阀45在抽油泵排出口的压强下会堵住排出阀的阀口49。在这种情况下，所述排出阀45将受到抽油泵排出口的压强作用与其上的第六压力。因此，在本申请该实施例中，所述抽油泵的受力分析方法还包括以下步骤：
计算所述抽油杆带动所述柱塞向下运动时，位于所述上柱塞中的排出阀受到的第六压力。
具体地，所述第六压力可以表示为：
Fout＝Pout8×(Asp7-ArM7)，Fout为位于所述上柱塞中的排出阀受到的第六压力，Pout8为所述抽油泵的排出口的压强，Asp7为所述上柱塞的横截面的面积，ArM7为所述抽油杆下端横截面的面积。
在本申请另一实施例如图6所示的第五抽油泵中，在抽油杆51带动柱塞向下运动时，柱塞会受到第一级排出阀58的阀口512以及第二级排出阀57的阀口511处液体流过的阻力 之和以及液体对抽油杆51的顶托力。具体地，所述阻力之和以及顶托力可以表示为：
Fbv10=1.5×2×ρl9729×μ102×Abp93f0102×(S10×N10)2+1.5×2×ρl9729×μ112×Asp93f0112×(S10×N10)2,]]>Fbv10为液体通过所述第一级排出阀的阀口以及所述第二级排出阀的阀口时产生的阻力之和，ρl9为所述抽油泵内液体的密度，Abp9为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，f010为支撑所述第二级排出阀的阀口的过流面积，S10为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N10为冲次，μ10为所述第二级排出阀的流量系数，Asp9为所述上柱塞的横截面的面积，μ11为所述第一级排出阀的流量系数，f011为支撑所述第一级排出阀的阀口的过流面积；
For10＝Pout10×ArM9，For10为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Pout10为所述抽油泵的排出口的压强，ArM9为所述抽油杆下端横截面的面积。
S4：计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中，所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力以及井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力。
在抽油杆带动柱塞的运动过程中，抽油泵内的压强会作用于所述柱塞上并产生第三压力，油井的井口回压也会对抽油杆的下端表面产生第四压力。
在本申请一实施例如图1所示的常规抽油泵中，当抽油杆1带动柱塞3向上运动时，抽油泵内的液体会对柱塞3的下表面产生第三压力。具体地，该第三压力可以表示为：
Fi1=Pc1Ap1+ρl1g(H1-Hd1)Ap1-1.5×2×ρl1729×μ12×Ap13f012×(S1×N1)2,]]>Fi1为所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力，Pc1为套管压力，ρl1为所述抽油泵内液体的密度，Ap1为所述柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H1为下泵深度，Hd1为油井动液面深度，f01为支撑所述吸入阀的阀口的过流面积，S1为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N1为冲次，μ1为所述吸入阀的流量系数。
当抽油杆1带动柱塞3向下运动时，油井的井口回压会对抽油杆1的下端表面产生第四压力。具体地，所述第四压力可以表示为：
Fhd1＝Ph1ArM1，Fhd1为井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，Ph1为井口回压，ArM1为所述抽油杆下端横截面的面积。
在本申请另一实施例如图3所示的第二抽油泵中，当抽油杆21带动柱塞22向上运动时，抽油泵内的液体会对柱塞22的下表面产生第三压力。具体地，该第三压力可以表示为：
Fi3=Pc3Ap3+ρl3g(H3-Hd3)Ap3-1.5×2×ρl3729×μ32×Ap33f032×(S3×N3)2,]]>Fi3为所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力，Pc3为套管压力，ρl3为所述抽油泵内液体的密度，Ap3为所述柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H3为下泵深度，Hd3为油井动液面深度，f03为支 撑所述吸入阀的阀口的过流面积，S3为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N3为冲次，μ3为所述吸入阀的流量系数。
当抽油杆21带动柱塞22向下运动时，油井的井口回压会对抽油杆21的下端表面产生第四压力。具体地，所述第四压力可以表示为：
Fhd4＝Ph4ArM3，Fhd4为井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，Ph4为井口回压，ArM3为所述抽油杆下端横截面的面积。
在本申请另一实施例如图4所示的第三抽油泵中，当抽油杆31带动柱塞向上运动时，抽油泵内的液体会对下柱塞32的下表面产生第三压力。此处下柱塞32的下表面可以理解为吸入阀37的支撑面。具体地，该第三压力可以表示为：
Fi5=Pc5Asp5+ρl5g(H5-Hd5)Asp5-1.5×2×ρl5729×μ52×Asp53f052×(S5×N5)2,]]>Fi5为所述抽油泵内的压强作用于所述下柱塞上的第三压力，Pc5为套管压力，ρl5为所述抽油泵内液体的密度，Asp5为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H5为下泵深度，Hd5为油井动液面深度，f05为支撑所述吸入阀的阀口的过流面积，S5为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N5为冲次，μ5为所述吸入阀的流量系数。
当抽油杆31带动柱塞向下运动时，抽油泵内的压强同样会对上柱塞32的下表面产生第三压力，同时，油井的井口回压会对抽油杆31的下端表面产生第四压力。具体地，所述第三压力以及第四压力可以表示为：
Fi6=Pc6Asp5+ρl5g(H6-Hd6)Asp5-1.5×2×ρl5729×μ62×Asp53f062×(S6×N6)2,]]>Fi6为所述抽油泵内的压强作用于所述上柱塞上的第三压力，Pc6为套管压力，ρl5为所述抽油泵内液体的密度，Asp5为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H6为下泵深度，Hd6为油井动液面深度，f06为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，S6为所述抽油杆带动所述柱塞向下运动的冲程，N6为冲次，μ6为所述排出阀的流量系数；
Fhd5＝Ph5ArM5，Fhd5为井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，Ph5为井口回压，ArM5为所述抽油杆下端横截面的面积。
在本申请另一实施例如图5所示的第四抽油泵中，当抽油杆41带动柱塞向上运动时，抽油泵内的液体会对上柱塞42的下表面产生第三压力。此处上柱塞42的下表面可以理解为排出阀45的支撑面。具体地，该第三压力可以表示为：
Fi7=Pc7Asp7+ρl7g(H7-Hd7)Asp7-1.5×2×ρl7729×μ72×Asp73f072×(S7×N7)2,]]>Fi7为所述抽油泵内的压强作用于所述上柱塞上的第三压力，Pc7为套管压力，ρl7为所述抽油泵内液体的密度，g为 重力常数，H7为下泵深度，Hd7为油井动液面深度，Asp7为所述上柱塞的横截面的面积，f07为支撑所述排出阀的阀口的过流面积，S7为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N7为冲次，μ7为所述排出阀的流量系数。
在本申请另一实施例如图6所示的第五抽油泵中，当抽油杆51带动柱塞向上运动时，抽油泵内的液体会对下柱塞53的下表面产生第三压力。具体地，该第三压力可以表示为：
Fi9=Pc9Abp9+ρl9g(H9-Hd9)Abp9-1.5×2×ρl9729×μ92×Abp93f092×(S9×N9)2,]]>Fi9为所述抽油泵内的压强作用于所述下柱塞上的第三压力，Pc9为套管压力，ρl9为所述抽油泵内液体的密度，Abp9为所述下柱塞的横截面的面积，g为重力常数，H9为下泵深度，Hd9为油井动液面深度，f09为支撑所述吸入阀的阀口的过流面积，S9为所述抽油杆带动所述柱塞向上运动的冲程，N9为冲次，μ9为所述吸入阀的流量系数。
当抽油杆51带动柱塞向下运动时，油井的井口回压会对抽油杆51的下端表面产生第四压力。具体地，所述第四压力可以表示为：
Fhd10＝Ph10ArM9，Fhd10为井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，Ph10为井口回压，ArM9为所述抽油杆下端横截面的面积。
S5：根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力，并基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力。
从步骤S1至S4的分析可以看出，根据抽油杆带动柱塞运动方向的不同，所述柱塞受到的力也会不同。本申请实施例可以根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力，并基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力。由于抽油杆下端与柱塞相连接，因此此处抽油杆下端受到的合成力可以视为抽油杆与柱塞整体受到的合成力。
具体地，在本申请一实施例如图1所示的常规抽油泵中，当抽油杆1带动柱塞3向上运动时，按照下述公式计算所述抽油杆1下端受到的合成力：
Fr1＝Fl1+Fhu1+Fp+Iu1-Fi1
其中，Fr1为所述抽油杆下端受到的合成力，Fl1为液柱作用于所述柱塞上的第一压力，Fhu1为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞上的第二压力，Fp为所述柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Iu1为液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力，Fi1为所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力；
当所述抽油杆1带动所述柱塞3向下运动时，按照下述公式计算所述抽油杆1下端受到的合成力：
Fr2＝Fp+Fbv1+Fhd1+For1
其中，Fr2为所述抽油杆下端受到的合成力，Fp所述柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fbv1为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，Fhd1为井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，For1为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力。
在本申请一实施例如图3所示的第二抽油泵中，当抽油杆21带动柱塞22向上运动时，按照下述公式计算所述抽油杆21下端受到的合成力：
Fr3＝Fl3+Fhu3+Iu3+Fpt-Fi3
其中，Fr3为所述抽油杆下端受到的合成力，Fl3为液柱作用于所述柱塞上的第一压力，Fhu3为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞上的第二压力，Fpt为所述泵筒壁与所述油管之间的摩擦力，Iu3为液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力，Fi3为所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力；
当所述抽油杆21带动所述柱塞22向下运动时，按照下述公式计算所述抽油杆21下端受到的合成力：
Fr4＝Fpt+Fbv4+Fhd4+For4
其中，Fr4为所述抽油杆下端受到的合成力，Fpt所述泵筒壁与所属油管之间的摩擦力，Fbv4为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，Fhd4为井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，For4为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力。
在本申请一实施例如图4所示的第三抽油泵中，当抽油杆31带动柱塞向上运动时，按照下述公式计算所述抽油杆31下端受到的合成力：
Fr5＝Fl5+Fhu5+Iu5+Fp1+Fp2+Flp-Fi5
其中，Fr5为所述抽油杆下端受到的合成力，Fl5为液柱作用于所述上柱塞上的第一压力，Fhu5为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述上柱塞上的第二压力，Fp1为所述上柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fp2为所述下柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Iu5为液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力，Flp为所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的粘滞力，Fi5为所述抽油泵内的压强作用于所述下柱塞上的第三压力；
当所述抽油杆31带动所述柱塞向下运动时，按照下述公式计算所述抽油杆31下端受到的合成力：
Fr6＝Fi6+Fp1+Fp2+Fbv5+Fhd5+For5-Ffk
其中，Fr6为所述抽油杆下端受到的合成力，Fi6为所述抽油泵内的压强作用于所述上柱塞上的第三压力，Fp1为所述上柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fp2为所述下柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Fbv5为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，Fhd5为井 口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力，For5为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Ffk为位于所述下柱塞内的吸入阀受到的第五压力。
在本申请一实施例如图5所示的第四抽油泵中，当抽油杆41带动所述柱塞向上运动时，按照下述公式计算所述抽油杆41下端受到的合成力：
Fr7＝Fl7+Fhu7+Iu7+Fp7+Fp8+Fbv7-For7-Fi7
其中，Fr7为所述抽油杆下端受到的合成力，Fl7为液柱作用于所述下柱塞上的第一压力，Fhu7为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述下柱塞上的第二压力，Fp7为所述下柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fp8为所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Iu7为液柱作用于所述抽油泵的泵筒壁上的惯性力，Fbv7为液体通过所述排出阀的阀口时产生的阻力，For7为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Fi7为所述抽油泵内的压强作用于所述上柱塞上的第三压力；
当所述抽油杆41带动所述柱塞向下运动时，按照下述公式计算所述抽油杆下端受到的合成力：
Fr8＝Fi8+Fp7+Fp8+Fout
其中，Fr8为所述抽油杆下端受到的合成力，Fi8为所述抽油泵内的压强作用于所述下柱塞上的第三压力，Fp7为所述下柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fp8为所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Fout为位于所述上柱塞中的排出阀受到的第六压力。
在本申请一实施例如图6所示的第五抽油泵中，当抽油杆51带动所述柱塞向上运动时，按照下述公式计算所述抽油杆51下端受到的合成力：
Fr9＝Fl9+Fhu9+Iu9+Fp9+Fps+Fas-Fi9
其中，Fr9为所述抽油杆下端受到的合成力，Fl9为液柱作用于所述上柱塞上的第一压力，Fhu9为所述抽油泵的排出口的压强作用于所述上柱塞上的第二压力，Fp9为所述下柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fps为所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Fas为所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的第七压力，Iu9为液柱作用于所述抽油泵的泵筒壁上的惯性力，Fi9为所述抽油泵内的压强作用于所述下柱塞上的第三压力；
当所述抽油杆51带动所述柱塞向下运动时，按照下述公式计算所述抽油杆51下端受到的合成力：
Fr10＝Fp9+Fhd10+Fps+Fbv10+For10-Fas2
其中，Fr10为所述抽油杆下端受到的合成力，Fp9所述下柱塞与所述泵筒壁之间产生的摩擦力，Fps为所述上柱塞与所述密封总成之间产生的摩擦力，Fbv10为液体通过所述第一级排出阀的阀口以及所述第二级排出阀的阀口时产生的阻力之和，Fhd10为井口回压作用于所述抽 油杆下端表面上的第四压力，For10为液柱作用于所述抽油杆上的顶托力，Fas2为所述空腔内的液柱作用于所述下柱塞上的第七压力。
本申请实施例还提供一种抽油泵的受力分析装置。所述抽油泵包括抽油杆以及与所述抽油杆相连的柱塞，所述抽油杆可带动所述柱塞进行上下运动。图7为本申请一实施例提供的一种抽油泵的受力分析装置。如图7所示，所述装置包括：
第一计算单元100，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞向上运动时，液柱作用于所述柱塞上的第一压力、所述抽油泵的排出口的压强作用于所述柱塞上的第二压力以及液柱作用于所述抽油泵的泵筒上的惯性力；
第二计算单元200，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中产生的摩擦力；
第三计算单元300，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中液体通过排出阀的阀口或者吸入阀的阀口时产生的阻力以及液柱作用于所述抽油杆上的顶托力；
第四计算单元400，用来计算所述抽油杆带动所述柱塞运动过程中，所述抽油泵内的压强作用于所述柱塞上的第三压力以及井口回压作用于所述抽油杆下端表面上的第四压力；
合成力选择单元500，用来根据所述抽油杆带动所述柱塞运动的方向，从上述各种力中选取与运动方向相对应的力；
合成力计算单元600，用来基于选取的力计算所述抽油杆下端受到的合成力。
具体地，本申请实施例提供的受力分析装置可以与步骤S1至S5中相对应地设置针对各个抽油泵的计算单元，所述计算单元中应用到的计算公式均与步骤S1至S5中涉及的公式相同，这里不再赘述。
本申请实施例提供的一种抽油泵的受力分析方法及装置，通过计算抽油泵在工作时抽油杆以及柱塞受到的各种力，从而可以根据抽油杆带动柱塞运动的方向，选择与运动的方向相对应的力，从而可以分析抽油杆下端所受到的合力。这样，根据分析得到的抽油杆下端所受到的合力，能够针对不同的油层情况，选择合适的抽油泵进行作业。
上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本社恩情旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。