柔性连续抽油杆抽油技术的研究

柔性连续抽油杆抽油技术的研究摘要抽油杆是有杆泵抽油过程中的重要工具，而柔性连续抽油杆抽油系统是近年 来我国石油工业的一项新技术。柔性连续抽油杆具有柔性、连续、重量轻、强度 高的特点，很好的解决了常规杆所带来的脱扣、摩擦阻力大、作业时间较长等问 题。因此柔性连续抽油杆采油系统对于采油效率和产量影响显著。但是目前柔性 连续抽油杆的应用缺乏完善的理论指导及其配套的设备和工具，致使其不能广泛 应用。本文在总结前人研究成果的基础上，首先分析了柔性连续抽油杆的特性、受 力情况等基本理论，对柔性连续抽油杆的抽油系统杆柱及配重的优化方案进行分 析，提出柔性连续抽油杆的设计方案。然后通过进行水力模拟井试验，以提高有 杆抽油系统的效率为目标，对使用柔性连续抽油杆的抽油机井进行超冲程分析、 达到最大产液量时最优参数的选择以及相关的效率分析。最后讨论了使用柔性连 续抽油杆的相关配套设备。因此，本文对使用柔性连续抽油杆有积极的指导作用， 且将拓宽柔性连续抽油杆在抽油井中的应用范围，充分展示了柔性连续抽油杆所 具有的优越性。关键词：柔性抽油杆，杆柱设计，加重杆，超冲程Research On FlexibleContinuous Sucker Rod Pumping TechnologyABSTRACTPumping rod is the key component of the rod pumping system. And flexible sucker rod pumping system is a new technology of oil industry in our country recently. The flexible sucker rod has the advantages of flexibility, continuity, light weight and high strength. It can also solve some problems difficult to overcome, such as: thread off, long work time, large friction resistance, and so on. So the flexible sucker rod pumping system exerts a significant influence on productivity and output of oil extraction. But at present, because of the lack of perfect theory for guiding the application of the flexible sucker rod pumping rod as well as its matching equipments and tools, it can not be widely used.Based on the previous theoretical study, the basic theory of feature , force of the flexible sucker rod pumping rod are described. The article analyzes the optimization program of the flexible sucker rod pumping and heavy weight of the flexible sucker rod pumping system. Then it proposes the design of the flexible sucker rod pumping rod. In order to enhance rod pumping efficiency of the system, by doing experiments the article analysis the overstroke of pumping that used flexible continuous sucker rod and the optimal Parameters that can be to attain Maximum liquid production. At the end the matching equipments and tools of the flexible sucker rod pumping are discussed. So the words have positive guidance to use the flexible sucker rod pumping rod. It will also widen application scope and full embody advantages of the wire rope pumping rod.Key words: flexible sucker rod pumping, heavy weight, pumping design , overstroke创新点摘要本文主要研究的是柔性连续抽油杆抽油技术，其创新点如下：1理论与现场实际相结合，研究柔性连续抽油杆杆柱的设计以及加重杆的 设计。2通过水力模拟井的试验，对柔性连续抽油杆抽油系统的抽汲方式进行选 择，得出相关的最优参数，进而提高抽油井的产量。3根据柔性连续抽油杆的工作特点，对与其相关的配套装置进行研究并且 对其使用维护和操作标准做了初步研究。目录摘要 ABSTRACT 创新点摘要前言. 1第一章 柔性连续抽油杆抽油技术的发展概况. 31.1 本课题研究的背景以及意义.31.2 几种抽油杆的应用现状.41.2.1 圆钢抽油杆.41.2.2 半刚性金属杆.51.2.3 复合材料带.51.2.4 钢带.61.3 柔性连续抽油杆国内外发展概况.61.4 本课题研究的主要内容.9第二章 柔性连续抽油杆抽油系统的基本工作理论. 102.1 钢丝绳连续抽油杆的结构与特性.102.1.1 钢丝绳的结构分析.102.1.2 钢丝绳的特性. 112.2 钢丝绳混合抽油杆柱的振动数学模型及振动阻尼 .132.2.1 钢丝绳混合抽油杆柱的振动数学模型 .132.2.2 钢丝绳抽油杆的振动阻尼.142.3 钢丝绳抽油杆柱的共振特性分析.162.4 钢丝绳抽油杆柱的固有频率.17第三章 柔性连续抽油杆杆柱的优化设计. 193.1 柔性连续抽油杆加重杆的设计.193.1.1 柔性杆柱的载荷分析.193.1.2 加重杆的设计与计算.223.1.3 钢丝绳抽油杆柱应满足的强度条件.253.2 柔性连续抽油杆柱的应用.263.3 柔性抽油杆抽油泵柱塞超冲程分析.283.3.1 抽油泵的超冲程.283.3.2 载荷的计算方法.293.3.3 试验结果与分析.34第四章 柔性连续抽油杆抽汲模式的选择. 374 .1 利用示功图诊断抽油机井常见故障.374.1.1 抽油泵部分常见故障.374.1.2 杆柱部分常见故障.404.1.3 测试仪器出现故障.404.2 柔性连续抽油杆抽汲参数的确定.414.2.1 泵筒长度.414.2.2 冲次.444.2.3 冲程.464.2.4 电动机功率.474.2.5 其它因素.504.3 关键部件与配套装置.504.3.1 动力滚筒专用车和代用动力滚筒车的研制 .514.3.2 便携式钢丝绳接头压力机与接头的制作 .524.3.3 柔性抽油杆柱使用的各种吊卡及工具 .524.3.4 柔性抽油杆偏心井口及井口密封.544.3.5 探底工艺长度、载荷不间断测量仪.554.4 柔性抽油杆柱的探底工艺.56 结论. 58 参考文献. 59 发表文章目录. 62 致谢. 63前言虽然早在 20 世纪 50 年代末和 60 年代初，我国曾有人提出过用连续的钢丝 绳代替常规刚抽油杆的设想，并付诸实践，至今已有半个世纪1。在此期间我国、 特别是在美国和苏联，都开始进行试验与开发。虽经几起几伏，甚至早期的试验 仅仅是昙花一现，并且 20 多年的研究没有取得突破性进展，但是用柔性连续抽 油杆代替常规刚抽油杆的抽油技术已显示出其优越性2。因为柔性连续抽油杆的 本身特性可消除常规刚抽油杆的断脱事故和抽油的活塞效应，并提高泵效，降低 能耗等，很好地弥补了常规抽油杆存在的一些不足。尽管这种新的抽油技术在实 验阶段显示出了极强的优越性，倍受石油专家的好评，并具有一定的显著经济效 益和社会效益，但最终因未能克服某些技术障碍而没有在油田得以推广使用3。我国不少油田都存在一些低渗透和中小产量的深抽井。如果这类井再沿用传 统的井下采油工艺技术及传统抽油机，不可避免的形成大马拉小车的状态，造成 耗能高、效益差的局面。严重制约了低产油井生产效益的发挥。因此，很有必要 开发出一套新的适合于低渗、中小产量、深抽井的有杆泵抽油技术。然而，由于 一般抽油井的抽油杆长期在上下往复、冲击、振动的十分恶劣的工作条件下，抽 油杆脱扣、接箍及连接部位断裂现象时有发生。常规抽油杆往往是有杆泵抽油系 统中最薄弱的环节，因此抽油杆的失效就成为制约目前广泛采用的采油方法进一 步发展的“瓶颈”。因此，首先开发研究柔性连续抽油杆代替常规刚抽油杆的新 采油方式成为发展的必然趋势。由柔性连续抽油杆的表面意义就可知柔性连续抽油杆的基本特征就是它的 柔性和连续性。由于柔性，它可以减轻与油管摩擦、磨损而引起的事故。而且， 它相对于常规刚抽油杆它更易于实现长冲程或是超长冲程，小冲次的抽汲方式； 由于连续性，它可以完全消除常规钢抽油杆的断脱事故和活塞效应。但是借鉴于以前钢丝绳抽油杆的发展历程我们明白，不能把柔性连续抽油杆 抽油技术只看作是单纯地用钢丝绳取代常规抽油杆的一种简单的抽油技术。我们 要深入研究，明确最能发挥柔性连续抽油杆抽油技术优势的适应条件。其主体技 术是使用专用的柔性连续抽油杆和与之相适应的抽油机和抽油泵组成的三抽设 备1。而完善的配套技术是针对柔性连续抽油杆的特点，使用与之相适应的加重 杆作业以及地面设备及各种工具4。20 世纪 50 年代末，在玉门老君庙油田曾采用过普通钢丝绳进行的浅井抽油 的试验，后因为一些技术问题而中止了研究工作1。1993 年为了解决我国有杆泵 采油生产中存在的大量抽油杆断脱的严重问题，中国石油大学成立了柔性连续抽 油杆科研组4。开始全面、系统地开展这方面的应用基础研究与应用研究，他们 研究了钢丝绳抽油杆的基本工作理论及相关的一些关键的理论与技术问题。1本文就是在前人的研究成果基础上，对柔性连续抽油杆的振动数学模型、振动阻尼、及共振及固有频率等基本理论进行学习及研究。目前的钢丝绳抽油杆抽 油系统和常规有杆泵抽油系统采用了完全相同的地面驱动设备，因此悬点的运动 规律也完全相同。因此，钢丝绳抽油杆的抽油系统的工作理论分析采用与类似常 规钢抽油杆抽油系统的分析方法，显然，这种方法难以对钢丝绳抽油杆抽油系统 的工作做出准确的分析。根据油田现场要求，对此进行了水力模拟井试验，本实 验是以水为介质，不考虑实际生产井产出液粘度和气体等因素带来的影响。在不 同的冲程、冲次、举升高度、举升能力和能耗的情况下对柔性连续抽油杆进行试 验，取得相关的数据，对柔性连续抽油杆进行详细分析。根据超冲程公式对数据 进行计算，研究并计算其超冲程。另外，柔性连续抽油杆抽油技术不只是单纯的 用柔性连续抽油杆取代常规抽油杆的简单技术，因此，对相关的抽汲方式的参数 进行研究以提高产液量。另外还要研究相关配套的作业工具，已达到最优模式。 根据反复试验，理论与实际相结合，提出柔性抽油杆杆柱的优化设计。本文主要研究的内容有一下几个方面： 一、研究柔性连续抽油杆的基本工作理论 本文分析柔性连续抽油杆的结构与特性，柔性连续抽油杆混合抽油杆柱的振动数学模型及阻尼，共振特性，固有频率等工作理论。为深入研究柔性连续抽油 杆柱做理论铺垫。二、柔性连续抽油杆柱的优化设计 根据柔性连续抽油杆的特点，进行优化设计。对其超冲程现象做进一步分析。使柔性连续抽油杆在油田的实际应用提供了依据。对现场的实际应用有一定的指 导作用。三、对柔性连续抽油杆柱抽油系统的效率分析 本文通过水力模拟井的试验对柔性连续抽油杆抽油系统的抽汲方式进行选择，得出最优参数，进而提高抽油井的产量。根据柔性连续抽油杆的工作特点， 对与其相关的配套装置及使用维护和操作标准做了初步研究。2第一章 柔性连续抽油杆抽油技术的发展概况1.1 本课题研究的背景以及意义有杆抽油法是世界石油工业传统的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一 直占主导地位的人工举升方式。据 20 世纪 90 年代的统计，全世界的机械采油井 的井数已占油井总数的 90以上，其中 8085都是有杆泵抽油井5。在我国各油田的生产井中大部分也是采用有杆抽油技术，并且全国各油田产 液量超过半数以上是靠有杆抽采出的。加之我国每年要有几千口新井投入生产， 连同已有设备的更新，每年需要新增几千台抽油机、上万台抽油泵、上千万米的 抽油杆和相应的辅助工具。同时由于我国投入开发的油藏类型越来越复杂，投入 开采的储层深度不断增加，泵挂深度也不断增加，加以部分老油田含水持续上升， 对有杆抽油技术不断提出新的要求，推动了有杆抽油技术的发展，因此有杆抽油 技术在我国石油开采中占有重要的地位。有杆泵抽油技术之所以成为国内外广泛应用的一种人工举升采油方法，就在 于它具有设备简学、工作可靠、操作、维护方便和适用性强等优点。然而，由于 油井的多样性和复杂性，使得抽油杆的工作条件也十分繁重。随着各油田进入开发后期，低渗透油层的进一步开发，低产液（单井产液量 小于 15 t/d）井数急剧增加。截止 05 年底大庆油田采油三厂这类井已达 243 口， 长垣过渡带有一千三百余口，外围油田有八千多口，并且 06 到 08 年以每年一千 口左右的速度逐年增加。就大庆油田而言，低产液井数，目前就超过 16000 口， 且每年新增 1800 口。如果这类井沿用传统的井下采油工艺技术，不可避免地形 成大马拉小车的状态，造成耗能高、效益差的局面，严重制约了低产油井生产效 益的发挥。而且常规钢抽油杆也存在一系列问题制约着生产效率的提高。抽油杆的失效 主要表现为由单个抽油杆连接的抽油杆柱在工作过程中频繁发生的断、脱事故。 抽油杆在抽油过程中长期承受交变载荷、振动载荷和冲击载荷以及与油管相对运 动所产生的摩擦力。并且抽油杆还处于直接与油井中的盐、氯离子、H2S、C0 等 多种腐蚀性介质以及沙粒等磨损性颗粒相接触的恶劣环境中，从而使它受到繁重 的载荷作用以及强烈的腐蚀和磨损。尽管当前已研制出多种高强度和超高强度的优质抽油杆，并且不断完善其表 面处理工艺，抽油杆的强度、耐磨和防腐性能有了较大的提高，但是由于钢抽油 杆的杆长只有 8m 左右，必须通过许多接头和接箍连接数十根以至数百根抽油杆 组成抽油杆柱才能完成井下抽油作业，如下泵深度为 1000m，要采用 125 个接箍。 在我国，由于抽油杆失效引起油井事故的井次约占抽油井事故总井次的 65380%。由此可见，抽油杆已成为有杆泵抽油系统中最薄弱的环节，成为制约这种采油方式进一步发展和扩大应用的“瓶颈”6。 为了解决上述常规抽油杆存在的各种问题，就必须从根本上改变这种传统的用许多接箍将单根抽油杆连接成足够长的抽油杆柱以实现井下采油的工作方式。 因此，从 20 世纪 60 年代初，先后出现了以各种柔性连续抽油杆为特征的有杆泵 抽油技术。柔性连续抽油杆是指在专用生产线上加工成具有特殊形状的截面，中间没有 接头，长度在几百米以上的抽油杆，包括椭圆截面的半刚性钢杆和采用特种钢丝 绳、钢带或复合材料带制成的柔性杆。柔性连续抽油杆一般具有以下特点：1没有接箍，从而从根本上消除了抽油杆柱的活塞效应，并大大减小了抽 油杆柱的断、脱事故和结蜡现象。2可连续进行起下作业，大大简化了作业工序，提高了作业速度，节省了 作业时间，从而可大大减少油井停产时间，并减轻了起下作业的劳动强度，还有 利于实现起下作业的自动化。3质量轻，而且连续杆柱和油管之间的摩擦、磨损显著减小，从而使抽油 机的载荷大大减小，并可延长油管的寿命。从目前使用钢丝绳连续抽油杆的情况来看，各油田使用了较长时间，钢丝绳 没有出现断丝现象，说明其力学性能、疲劳性能、耐腐蚀性能良好，达到或超过 了 D 级刚性组合抽油杆的水平。而我国现有 10 万多口油井，每年还将新增钻井9000 多口，机械采油井数占油井总数的 90%以上，根据柔性抽油杆的生产使用情况，若国内有 5000 口井使用柔性抽油杆，每口井平均年减少断、脱事故作业1.5 次，每井次作业费用按 2.8 万元计，一年可节约作业费 2.1 亿元;每口井的平 均含水按 85%计，保守计算，平均泵效提高 10%，平均单井可增液 10t/d，年增 产原油近 270 万吨，直接经济效益 30 多亿元7。因此采用这种抽油杆，可显著 提高采油效率，减少能耗和大大降低修井成本，具有很好的经济效益和社会效益。柔性连续抽油杆与国外连续抽油杆性能比较、以及在油田试用结果来看：柔 性连续抽油杆代替现有的刚性抽油杆是安全可行的，泵效提高显著，节能降耗效 果明显。柔性抽油杆是今后抽油杆发展的必然趋势。随着钻进技术的不断发展， 将大大拓宽柔性连续抽油杆在抽油井中的应用范围，解决以上常规抽油杆难以克 服的问题，并充分体现钢丝绳抽油杆所具有的优越性，这正是本课题的意义所在。1.2 几种抽油杆的应用现状1.2.1 圆钢抽油杆目前，世界上采用机械产油的系统中 90%以上使用圆钢抽油杆作泵杆，是其4具备以下优点:1抽油系统的机械设备简单。2抽油杆制造工艺简单，运输方便、易于维护。 但圆钢抽油杆存在以下难以克服的缺陷:1接头和接箍多，在长期承受交变、冲击和振动载荷的工作条件下经常发 生脱扣，甚至断裂。并且产生多级活塞效应，降低抽油效率。2圆钢抽油杆的起下作业是间断进行的，作业时间较长、工人劳动强度大。3常规的圆钢抽油杆在深井和超深井中使用时因自身重量较大，只能采用 小泵深抽，使能耗高、效益差，而且钢杆的拉脱和断裂更易发生。4圆钢抽油杆的端头由热加工而成型，在端头的热加工和杆体的过度段存 在热应力区，是导致圆钢抽油杆端头疲劳断裂的主要原因。1.2.2 半刚性金属杆1965 年，加拿大 Corod 制造有限公司开始研制金属连续抽油杆，1968 年研 制成功7。随后，先后在加拿大、美国、苏联、委内瑞拉等国的 15000 多口井上 使用8。目前，我国也有个别油田应用。这种连续抽油杆的截面为椭圆形，采用这种截面，可使其缠绕在直径为 55m的卷筒上不会产生屈服变形。 半刚性金属具备上述连续抽油杆的特点，但是存在以下不足：1缠绕连续抽油杆的卷筒的直径太大，它倾斜安装在拖车上，运输不便。2需要配备专用的起下作业装置以及贮存与运输连续抽油杆的拖车等辅助 设备。1.2.3 复合材料带20 世纪 80 年代初，美国带式抽油杆公司的 Hensley 等人采用聚丙烯腈（PAN） 纤维、芳纶纤维和乙烯基酯树脂等材料研制出一种先进的高性能的增强复合材料 带8。1992-1993 年，美国 Amoco 公司，用 4 台起下作业装置先后将复合材料带下 入 8 口油井中试验，其中一台在含有大量 H2S 的油井中正常工作了 3 年多。随后， 又在多口井中试验，井深大都在 9141524m，采用由 40%80%复合材料组成 的抽油杆柱的油井适用条件是产液量 17.5201.6m3/d,平均含水率 89%，原油相 对密度为 0.86，井底温度低于 52.89。复合材料带除了具有前述一般连续抽油杆的共同特点之外，还具有以下优 点：1具有极高的弹性模量和很好的抗疲劳性能，耐腐蚀，使用寿命长。2自重很小，约相当于常规抽油杆的 1/10，可大大减少抽油机的悬点载荷，5在大多数情况下，可降低两个型号选用配套的抽油机。3与其他连续抽油杆相比，它可盘绕在直径更小的卷筒上，运输方便。1.2.4 钢带20 世纪 70 年代，苏联奥伦堡石油联合公司研制出钢带式超长冲程抽油机， 并于 1978 年进行了矿场试验10。1985 年该公司又和全苏石油科学研究院研制了 另外一种样机进行了矿场试验。1968 年全苏冶金机器制造设计科学研究院也研 制出钢带式超长冲程抽油机，并在布祖卢克石油管理局进行了矿产试验。1994 年，由瑞典列旦工程公司研制的钢带式超长冲程抽油机在奥伦堡石油联合公司的 油田进行了矿场试验11。这种抽油装置的主要特点是12：1采用厚度为 23.5mm，宽度为 45mm 的高强度连续钢带取代常规抽油杆， 按照下泵深度的需要，整根连续钢带的长度为 8001500m。2通过地面抽油机的滚筒，实现钢带的上下往复运动和起下作业，滚筒直 径为 1.182.5m，瑞典列旦工程公司生产的钢带式超长冲程抽油机的滚筒直径为2.3m，可将 1500m 的高强度钢带缠到滚筒上，共 167 层。3井下配备有特殊结构的抽油泵柱塞，已实现长冲程，柱塞的冲程长度一 般可达 401500m。1.3 柔性连续抽油杆国内外发展概况针对圆钢抽油杆的缺陷，自 60 年代以来国外工业发达国家积极研制连续抽 油杆以求获得有杆泵抽油的技术突破，获取最佳的综合经济效益13。据资料介绍， 美国自 60 年代起就开展了研究开发连续柔性抽油杆的工作。Bethlehem 钢铁公司 和 mobil 石油公司经过多年的试验室研究，1962 年研制开发的钢丝绳抽油杆，是 用拉伸强度不小于 1655MPa，宜径为 1.52.5mm 的高强度钢丝制成 137 型不 同直径的钢丝绳，并采用杜邦公司的“Eytel”尼龙树脂塑料在每根钢丝的外表面形 成厚度为 0.254mm 的防护层，还在整个钢丝绳的外表面形成厚度为 0.635mm 的 尼龙外套。1972 年初在 Hugoton 油田安装试用，泵挂深度 1219 米;后来陆续在西 德克萨斯的油井上也进行了试验14。这种 137 绞线的伸长较大，油泵的净冲程 损失较大。为解决这一问题，将游梁式抽油机进行了彻底改造，直径为 1.22m 缠 绕钢绞线的工字轮安装到抽油机机架上，钢绞线经过机架顶部安装的导轮放入油 井中，抽油机的连杆带动工字轮转动，使钢绞线做往复运动，实现柱塞上下运动， 达到抽油的目的。缺点是改装抽油机的成本高。若每台游梁式抽油机都按此法改 装，费用很高，油田难以承受。137 绞线和普通圆股钢丝绳 6W(19)、6(19)等 本身结构缺陷而产生的结构伸长大、弹性模量低是无法弥补的，在抽油中产生的6伸长是无法克服的，是这几种柔性抽油杆陆续试运行 3 年后无法推广应用的主要原因。八十年代初，美国 Axe1Son 公司的 HenSley 等人采用高级石墨、玻璃纤 维、芳纶纤维和乙烯基树脂等材料研制出一种复合材料带，该带的弹性模数高柔 性好抗腐性强，用直径为 2.44 米、宽 015 米滚筒可缠绕 1524 米长的带15。其抗 拉强度为 879Mpa，单位长度的重量为 0.109Kg/m.。复合带的主要缺点是成本较 高，约为圆钢抽油杆的 2 倍16。复合带本身不耐高温，推荐的工作温度约为76， 不适合井深大于 1800 油井中使用。美国研制开发连续柔性抽油杆替代圆钢抽油 杆的工作仍在进行。前苏联是石油发达国家之一，有自己独特的采油技术和装备。为提高抽油装 置的可靠性和使用寿命，在解体前也不断地开展柔性抽油杆的研制。七十年代末、 八十年代初苏联伊万诺夫司基等人在总结了前人研究柔性抽油杆的经验后，采用20-r-B-H-160 矿井提升钢丝绳作柔性抽油杆。该种钢丝绳在阿里迈吉耶夫油气管 理局进行了下井试验，泵深达到 1018 米。为了解决提升钢丝绳受载荷后的结构 伸长、弹性伸长引起的柱塞冲程损失，研制出三级差动式深井泵。试验证明，采 用提升钢丝绳代替圆钢抽油杆是可行的。但是虽然苏联选用的钢丝绳，其弹性模 量与相应的钢抽油杆相近，基本上满足了钢丝绳抽油技术的要求。而其最大下泵 深度仍停留在 1200m，且需要对油田使用的抽油系统进行更新改造，带来诸多不 便。无法充分显示它相对于常规抽油杆抽油技术的优势，因而对深井泵抽油技术 的发展没有产生什么影响17。在我国，虽然早在 20 世纪 50 年代末和 60 年代初，国内外都曾有人提出过 用连续的钢丝绳取代常规钢抽油杆的设想18，并付诸实践，持别是在美国和苏联， 先后都开展了 10 来年的矿场试验，尽管在最初阶段他们都肯定了这种新的抽油 技术的突出优点，但最终因未能克服某些技术障碍而没有在油田推广应用。考虑到我国不少油田都有一些低渗透和中小产量的深抽井，采用电潜泵效率 低、成本高，而用水力活塞泵抽油的单井操作费用往往也高于普通有杆泵抽油的 单井操作费用，因此，很有必要开发出一套新的适合于低渗、中小产量、深抽的 有杆泵抽油技术。然而，由于般的抽油井(尤其是深抽井)的工作条件十分恶劣， 常规抽油杆往往是有杆泵抽油系统中最薄弱的环节，因而抽油杆的失效就成为制 约这种目前广泛采用的采油方法进一步发展的“瓶颈”。为此，在 20 世纪 90 年代 初，我们在对国内外各种机械采油技术进行广泛调查和深入分析的基础上，决定 并发用连续的钢丝绳取代常规的钢抽油杆这种新的采油方式。1993 年，为了解决我国有杆泵采油生产中存在的大量抽油杆断脱的严重问 题，中国石油大学(北京)成立了柔性连续抽油杆科研组，在对国内外(重点是美国 和苏联)的有关情况进行全面、系统地深入调查和认真分析钢丝绳连续抽油杆抽 油系统工作理论、杆柱设计方法和抽汲方式的优化等一些关键性的理论与技术问7题19。提出了国内发展柔性抽油系统的设想和方案，选定宁夏石嘴山钢铁厂(现 宁夏恒力钢丝绳股份有限公司)当时生产的密封钢丝绳作为钢丝绳连续抽油杆的 原型(该钢丝绳的主要特点是金属断面系数大，钢丝绳不旋转)，协助该厂进一步 改善钢丝绳的性能，使其结构伸长减小到队 0.01，开发出长度达 5000m 的 RS 系列钢丝绳抽油杆。并采用柔性连续抽油杆两端加金属连接套的方式解决了圆钢 抽油杆与柔性连续抽油杆间的联结问题，这种独创性的连接方式使柔性连续抽油 杆在油井中的应用变得十分简捷方便，无须对现有的机械抽油系统做任何改造就 可以使用，大大降低了产品在油田推广应用的难度，并简化了操作工序。为了解决柔性连续抽油杆的防腐问题，石油大学(北京)还研究了钢丝绳抽油 杆在青海油田油井产出水中的腐蚀行为，发现高碳钢(70 号钢丝)的点蚀倾向比低 碳钢大 10 倍(氯化铁试验)20。为此，研究了钢丝绳抽油杆的表面防腐问题，筛 选出了 4 种尼龙类聚合物，作为钢丝绳抽油杆热挤塑表面防腐的主要材料21，还 协助宁夏石嘴山钢铁厂建成国内第一条钢丝绳抽油杆热挤塑生产线，生产出热挤 塑包覆尼龙涂层的钢丝绳抽油杆22。至此，为钢丝绳抽油杆的小批推广应用从理 论到实践上提供了技术支持。从 1997 年开始，我国在钢丝绳抽油杆抽油系统故障诊断技术研究方面进行 了大量的研究和实验工作，取得了较大的进展23。石油大学的张嗣伟教授、北京 化工大学的王奎升教授等在钢丝绳抽油杆的理论研究和现场推广中做了大量的 工作，提出了抽油杆抽油系统的系统工作理论和现场操作方法，并先后在我国九 个油田进行了一百余口井现场实验。西安石油学院的彭勇教授等对钢丝绳抽油杆 进行了动力学模型分析，并对其诊断和行为预测进行了研究。此时钢丝绳抽油杆已陆续在我国青海、中原、华北、大港、大庆、胜利及辽 河等油田逐步扩大试用15，先后已有 90 余口井应用钢丝绳抽油杆，其中下泵深 度最深的一口井已达 3000m(胜利油田)，最大泵径达 95mm，而连续正常工作时 间最长的一口井已达 3 年(青海油田)。最近几年，各油田又相继试用，此项技术 已初步显示出它在消除常规钢抽油杆的断脱事故和活塞效应以及提高泵效、节能 等多方面的优越性。经油田使用证明，油井抽油用柔性连续抽油杆具有以下优点：1安装方便，柔性连续抽油杆在油井安装中下端与加重杆相接，上端与光 杆相接，无须对现有抽油系统作任何改动就可以使用。2节省检泵作业时间，柔性连续抽油杆在油井安装中可通过地面专用的滚 筒装置无停顿地一次性完成作业，大幅度减轻劳动强度，缩短安装时间。3可提高抽汲率，中间无接箍，消除了钢质组合式抽油杆中的“活塞”效应， 泵效提高 30%以上。4工作效率高，柔性连续抽油杆优质的物理性能使其抗拉强度是钢质组合8式抽油杆的 2.5 倍，重量减轻 30%以上;同规格的两类抽油杆相比，柔性连续抽油杆重量减轻 10%抽油机负荷下降，电机能耗下降 13%25%。因此，它可以加大 泵的直径，增大液柱载荷的重量，提高产液量，提高采油系统工作效率。5摩擦阻力小：柔性连续抽油杆外表经涂塑处理而非常光滑，减轻了钢质 组合式抽油杆的“硬磨擦”现象，减轻了油管和油杆的磨损。6井下事故少：柔性连续抽油杆最多中间只有一至两个接箍(当组合使用 时)，减少了连接螺纹松动、脱扣等不利现象。目前，我国已成为世界上使用柔性连续抽油杆水平最高的国家，但由于此项 新技术还有待于进一步完善，至今还没有在我国采油生产中产生较大影响。1.4 本课题研究的主要内容虽然柔性连续抽油杆的研制以及使用取得了阶段性的成功，并且得到了石油 行业专家和领导的好评。但是要代替使用近百年的传统抽油杆实际上还存在一些 问题，尤其是在理论和实践上存在不足。根据上述情况，在总结前人研究成果的基础上，对大油田使用圆钢抽油杆的 状况、使用环境等进行了详细分析，进行柔性连续抽油杆及现场应用做进一步研 究。一、研究柔性连续抽油杆的基本工作理论 针对柔性连续抽油杆代替传统抽油杆理论上的不足，例如：柔性连续抽油杆的柔性对柱塞的振动影响、加重杆的振动频率与柔性连续抽油杆的振动频率不同 对柱塞运动规律的影响等等。本文进一步分析柔性连续抽油杆的结构与特性，柔 性连续抽油杆混合抽油杆柱的振动数学模型及阻尼，共振特性，固有频率等工作 理论。为深入研究柔性连续抽油杆柱做理论铺垫。二、柔性连续抽油杆柱的优化设计 针对柔性连续抽油杆在油田实践方面的不足，通过对其受力分析，研究柔性连续抽油杆杆柱的杆柱设计，加重杆柱的设计，根据柔性连续抽油杆在油田实际 应用进行设计过程。并且对其超冲程现象做进一步分析。使柔性连续抽油杆在油 田的实际应用提供了依据。对现场的实际应用有一定的指导作用。三、对柔性连续抽油杆柱抽油系统的效率分析 针对缺乏实践的技术原理与方法及配套机具，抽汲方式的优化等一些关键性理论与技术的研究。本文通过示功图对抽油系统进行故障诊断，根据水力模拟井 的试验对柔性连续抽油杆抽油系统抽汲方式进行选择，得出最优参数，进而提高 抽油井的产量。根据柔性连续抽油杆的工作特点，对与其相关的配套装置及使用 维护和操作标准做了初步研究。9第二章 柔性连续抽油杆抽油系统的基本工作理论本章对柔性连续抽油杆建立振动模型，分析它的振动阻尼，以及共振特性和 固有频率进行分析，从而为柔性连续抽油杆柱的工况诊断以及抽油超冲程分析奠 定初步基础。由于钢丝绳抽油杆具有它本身的特性，通常油田所用柔性连续抽油 杆是指钢丝绳连续抽油杆。因此，本文也是主要对钢丝绳连续抽油杆为例进行分 析。2.1 钢丝绳连续抽油杆的结构与特性石油工业既是国民经济中一个极其重要的基础产业，也是钢丝绳的一个大用 户，因而倍受钢丝绳行业的普遍关注。石油用钢丝绳通常主要是指钻井和采油作 业使用的钢丝绳。钢丝绳抽油杆与常规抽油杆的主要区别：一、常规杆的弹性模量 Er 是一个常数，与承受的载荷无