（机械工程专业论文）无油管空心抽油杆力学行为及井口配套技术研究.pdf

r e s e a r c ho ft u b e l e s sh o l l o ws u c k e rr o d sm e c h a n i c a l b e h a v i o ra n dw e l l h e a ds u p p o r t i n gt e c h n o l o g y at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w uj i n g s u p e r v i s o r ：p r o f x ux i n g p i n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 送堑日期：z 口f f 年乡月穸口日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：罢堑 指导教师签名： 日期：z o 年5 月3 0 日 日期：为l f 年厂月；奄日 摘要 随着油田的逐步开采，出现了井液含水量不断上升、抽油杆与油管之间偏磨等问题， 使得工况日益恶劣，增加了作业次数，提高了开采成本。针对上述问题，开展了无油管 空心抽油杆采油技术这一课题的研究工作。由于流体与空心杆间存在的摩擦阻力是影响 空心杆下行困难的主要原因，由此提出了具有液力反馈原理的新型空心杆采油工艺的方 案。通过四种抽油泵的比选，得出新型液力反馈抽油泵能从根本上解决空心杆下行困难 的问题，有效的提高系统的效率，延长系统有效生产时间。本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 通过对常规杆式泵、上大下小型液力反馈泵、上小下大型液力反馈泵和新型 液力反馈泵的比选，得出在相同的泵径下，新型液力反馈泵下行程的液压反馈力为最大， 能很好的克服下行阻力。对新型液力反馈泵进行了总体方案的设计，并详细阐述了其工 作原理。对井口排油装置进行了改进，使其适用于空心杆采油系统。最后对空心抽油杆 柱进行了力学分析和计算，得到了上、下冲程中受到的各种载荷的计算并进行了实例计 算。 ( 2 ) 对新型液力反馈型空心杆采油系统进行了行为预测，通过对杆柱和液柱微元 的力学分析，建立了在考虑了液柱载荷对空心杆柱的影响后的空心杆柱和液柱的预测模 型，给出了初始条件和地面边界条件，并对井下边界条件分成加载、吸液、卸载、排液 四个阶段进行了分析。 ( 3 ) 对游梁式抽油机机构进行了运动学计算，得出抽油机悬点位移、速度、加速 度等运动参数及曲线。然后运用了隐式差分法对空心杆柱预测模型的初始条件、边界条 件和偏微分方程进行了差分格式的运算，用追赶法进行了求解，并通过计算机编程进行 了仿真，模拟出在任意时刻下空心抽油杆任意截面上的载荷和位移的关系，并对模拟出 的图形结果进行了比对分析。 ( 4 ) 依据国家标准及组件规范对液力反馈型抽油泵进行了总体尺寸的确定和零件 的设计，包括套管的选择、抽油泵最大外径和长度的计算、抽油杆的规格与泵径的匹配 在盘 寸o ( 5 ) 介绍了所设计的液力反馈型空心杆抽油系统软件的工作流程，以及该软件的 基本功能和使用方法。 关键词：液力反馈原理，空心杆采油，预测模型，仿真 r e s e a r c ho ft u b e l e s sh o l l o ws u c k e rr o d sm e c h a n i c a lb e h a v i o ra n d w e l l h e a ds u p p o s i n gt e c h n o l o g y w u j i n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ux i n g p i n g a b s t r a c t w i t ht h er e c o v e r yo ft h eo i lf i e l dg r a d u a l l y , m a n yp r o b l e m s a p p e a r e d ，s u c ha st h er i s i n g w a t e rc o n t e n to fo i la n dt h ee c c e n t r i cw e a rb e t w e e ns u c k e rr o da n d t u b i n g t h e s ep r o b l e m s w o r s e nt h ec o n d i t i o n s ，i n c r e a s et h ed u r a t i o no fo p e r a t i o n ，r a i s et h ei n s t a l l a t i o ni n v e s t m e n t a c c o r d i n gt ot h e s ep r o b l e m s ，t u b e l e s sh o l l o ws u c k e rr o dp u m p i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e d s i n c et h eb o t t l e n e c kl i e si nt h ed r a gf o r c ew h i l et h ew e l lf l u i df l o w i n gu pt h eh o l l o ws u c k e r r o d ，w h i c hi su n f a v o r a b l et or o df a l l o nt h i sb a s i s ，an e wh o l l o ws u c k e rr o dp u m p i n gs c h e m e w i t hh y d r a u l i cf e e d b a c kf u n c t i o ni sd e v e l o p e d c o m p a r i s o no ff o u rk i n d so fp u m pl e a d st o c o n c l u s i o nt h a tt h i sn e wp u m pc a ne l i m i n a t et h eh o l l o ws u c k e rr o df l o a tp r o b l e m ，w h i c h e f f e c t i v e l yc o n t r i b u t e st os y s t e me f f i c i e n c yi m p r o v e m e n ta n de x t e n d e dp r o d u c t i o np e r i o d t h em a i nc o n t e n ti si nt h ef o l l o w i n gb e l o w ： ( 1 ) c o m p a r i s o no fc o n v e n t i o n a ls u c k e rr o dp u m p ，t o pb i g b o t t o ms m a l lt y p eo f h y d r a u l i cf e e d b a c kp u m p ，t o ps m a l l - b o t t o mb i gt y p eo fh y d r a u l i cf e e d b a c kp u m p ，a n dn e w t y p eo fh y d r a u l i cf e e d b a c kp u m pl e a d st oc o n c l u s i o nt h a tt h eh y d r a u l i cf e e d b a c kf o r c eo ft h e n e wt y p eo fh y d r a u l i cf e e d b a c kp u m pi nt h es a m ed i a m e t e ro fp u m pw h i c hc a ne l i m i n a t et h e h o l l o ws u c k e rr o df l o a tp r o b l e m d e s i g nt h ep l a no ft h eh y d r a u l i cf e e d b a c kp u m p ，a n d i n t r o d u c et h ed e t a i lo ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e t h ew e l l h e a de q u i p m e n ti sm o d i f i e dt of i tt h e h o l l o ws u c k e rr o dp u m p i n gs y s t e m f i n a l l yt h em e c h a n i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h e h o l l o ws u c k e rr o dl e a d st ot h ec a l c u l a t i o no ft h ev a r i o u sl o a d d u r i n gu p s t r o k ea n d d o w n s t r o k e ( 2 ) p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o ni sc o n d u c t e do nt h eh y d r a u l i cf e e d b a c kt y p eh o l l o ws u c k e r r o ds t r i n gb yi n t e g r a t i n gt h ee f f e c to ff l u i df l o wa n dh o l l o wr o dd y n a m i c s t h ep r e d i c t i v e m o d e lo ft h eh o l l o wr o da n dt h ef l u i dw i t ht h ei n i t i a l ，u p p e rb o u n d a r ya n dl o w e rb o u n d a r y c o n d i t i o ni se s t a b l i s h e df o ri t a n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o ni sd i v i d e di n t ol o a d i n g ，a b s o r b i n g ， u n l o a d i n g ，f l o w i n go f f o u rs t a g e sw h i c ha r ea n a l y z e d 。 ( 3 ) ak i n e m a t i cm o d e li sd e v e l o p e df o rt h em e c h a n i s mo fb e a mp u m p i n gu n i t ，t h e d i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o ni nt h eh a n g i n g p o i n ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gc u r v e si na m o t i o np e r i o da r eo b t a i n e d t h ei m p l i c i td i f f e r e n c em e t h o do ft h ei n i t i a l ，u p p e rb o u n d a r y l o w e rb o u n d a r yc o n d i t i o na n dp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o ni s u s e d u s i n gt h ec h a s e a f t e r m e t h o dt os l o v et h ee q u a t i o n ，a n ds i m u l a t e db yc o m p u t e rp r o g r a mt os i m u l a t et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nl o a da n dd i s p l a c e m e n ti na r b i t r a r ys e c t i o no fh o l l o ws u c k e rr o da ta n ym o m e n t t h e g r a g h i cr e s u l t si sc o m p a r e da n da n a l y s i s e d ( 4 ) t h et o t a ls i z ea n dc o m p o n e n t so fh o l l o ws u c k e rr o dp u m pi n h e r e n tw i t hh y d r a u l i c f e e d b a c km e c h a n i s mi sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h en a t i o n a ls t a n d a r d s ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o n o ft u b i n g ，t h ec a l c u l a t i o no ft h e p u m p sm a x i m u md i a m e t e ra n dl e n g t h ，s u c k e rr o d s p e c i f i c a t i o na n dt h em a t c h i n go ft h ep u m p sd i a m e t e r ( 5 ) t h eo p e r a t i o no fs o f t w a r ee m u l a t i n gt h eh y d r a u l i cf e e d b a c kt y p eh o l l o ws u c k e rr o d p u m p i n gs y s t e mi si n t r o d u c e da n db o t ht h eb a s i cf u n c t i o na n du s i n gm e t h o do ft h es o f t w a r ei s a l s op r e s e n t e d k e yw o r d s ：p r i n c i p l eo fh y d r a u l i cf e e d b a c k ，h o l l o ws u c k e rr o dp u m p i n gs y s t e m ， f o r e c a s t i n gm o d e l ，s i m u l m i o n 目录 第一章引言l 1 1 无油管采油概述1 1 1 1 无油管采油方式1 1 1 2 无油管采油应注意的问题2 1 1 3 无油管采油技术与常规采油技术的不同之处2 1 1 4 无油管采油技术的工作原理2 1 2 课题的研究背景3 1 3 课题的研究意义3 1 4 国内外研究现状5 1 4 1 空心杆采油工艺技术的研究现状5 1 4 2 有杆抽油系统行为预测的发展现状8 1 5 本文的研究思路和主要内容9 第二章无油管空心杆采油系统的方案设计11 2 1 采油工艺方案比选l l 2 2 新型液力反馈空心杆采油技术整体方案设计1 6 2 3 工作原理18 2 4 井口排油装置的设计一18 2 5 空心抽油杆杆柱力学分析1 9 2 5 1 上冲程力学分析1 9 2 5 2 下冲程力学分析2l 2 6 实例计算2 3 第三章液力反馈型空心杆采油系统的行为预测2 5 3 1 基本假设2 5 3 2 力学分析及预测模型的建立2 5 3 2 1 空心杆运动模型2 6 3 2 2 液柱运动模型2 6 3 2 3 状态方程2 6 3 2 4 阻尼力的计算2 7 3 3 初始条件与边界条件2 7 3 3 1 初始条件2 7 3 3 2 边界条件一2 8 第四章杆柱力学特性的软件分析与仿真模拟3 6 4 1 游梁式抽油机的运动规律分析3 6 4 2 实例分析3 8 4 3 杆柱预测模型的求解4 2 4 3 1 数学模型一4 3 4 3 2 隐式差分格式一4 5 4 3 3 初始条件和边界条件一4 6 4 3 4 泵负荷时间函数4 8 4 3 5 数值计算方法5 0 4 3 6 空心抽油杆轴向力的计算5 3 4 4 模拟结果分析5 3 第五章液力反馈型抽油泵的设计5 6 5 1 抽油泵总体尺寸设计5 6 5 1 1 套管的选择一5 6 5 1 2 抽油泵的最大外径5 6 5 1 3 抽油杆规格与泵径的匹配一5 6 5 1 4 抽油泵长度一5 8 5 2 抽油泵主要零件的设计与计算5 8 5 2 1 泵筒5 8 5 2 2 柱塞6 1 5 2 3 泵阀一6 3 5 2 。4 阀罩一6 6 5 3 冲程和冲次的确定6 7 5 4 抽油泵理论排量6 7 第六章应用软件的编制6 8 6 1 软件的基本组成6 9 6 2 软件的使用方法和功能介绍6 9 结论7 6 参考文献7 8 致 射81 v i 中围油人学( 华东) 坝上学位论文 第一章引言 无油管空心杆采油技术改进了常规有杆泵的采油方法，除去了一般机械采油中所使 用的油管，并且采用了高硬度的空心杆来替代普通实心的抽油杆作为抽油系统中的传动 介质，与此同时又作为石油出入的通道来完成采油工程的一项新技术。该项新技术的使 用，增加了抽油泵其柱塞的有效冲程，既避免了液柱的回压漏失，又可以延长抽油泵的 使用周期，从而减少了作业成本，并且由于空心杆较高的抗弯模量和较高的临界压载， 提高了抽油杆柱的稳定性，使得井下杆柱的力学状态得到了有效地改善，避免了空心杆 柱在井下运动时发生偏磨，因而使得空心杆柱的使用寿命得到了提高，油井的免修期也 相应的得到延长。 伴随着机械采油工艺技术的不断进步，全国各大油罔都相继丌始使用空心抽油杆。 使用空心抽油杆具有使得抽油机悬点负荷减小、并可以节省能耗等的优点。通过可以往 井内空心抽油杆的空心管道罩注入热水、热油、热蒸汽、防腐剂和降粘剂，通过这些有 效的措施，使得丌采难度大大降低，并且可以使用分层丌采并对层数进行计量。此外使 用空心抽油杆对含砂油液进行丌采，相对于普通采油系统可有效地缓解抽油泵的砂卡难 题。伴随着各大油f f l 不断开采的高凝固点油、高含蜡油、特稠油和高含沙量油，空心抽 油杆采油工艺系统得到了长足的发展和不断的完善，空心抽油杆的应用领域也在逐年增 大。 1 1 无油管采油概述 1 1 1 无油管采油方式 无油管空心杆采油技术提供了对于油田低产量井的挖潜开采的一种新方法，也创造 了对于部分小井眼及套变井进行恢复生产的丌采条件。当前，无油管采油技术在国内主 要分为两种形式：一种是通过实心抽油杆和套管之间环型空间进行出油，与此同时需要 配套使用放置在抽油泵和套管之间的封隔器，使用此种采油方法需要可靠性很高的封隔 器和内孔质量很好的套管，并且由于封隔器的使用而不能进行井下测试，所以此种采油 方法很少使用；另一种是通过使用空心抽油杆来替换实心抽油杆进行采油，省略了油管， 使用空心抽油杆作为出油的通道，空心抽油杆的下端连接到通过尾管放置于人工井底的 特种抽油泵“1 。 第一章弓f 高 1 1 2 无油管采油应注意的问题 ( 1 ) 不宜应用在原油粘稠的井和含蜡量较高的井中 在稠油井和含蜡量高的井中使用空心抽油杆，由于原油的高粘度和高含蜡量在空心 抽油杆的内部容易结蜡杆，这样造成空心杆在下冲程的过程中遇到的阻力大大提高，使 得驴头和杆柱打架，损伤抽油机。同时，当油井内结蜡较为严重时，空心抽油杆内部会 形成堵塞，采油工作无法正常进行。 ( 2 ) 不宜应用在冲次较高抽油机上 、 由于该采油技术是下冲程时排液，冲次较高就会使得下行速度加快，尤其是加速度 增大了杆柱受力中和点的j 下载荷与负载荷的差值，使得杆柱不断的弯曲，极易使得杆柱 脱扣的情况出现。 ( 3 ) 不宜应用在斜度较大的井和方位多变化的井中 通过检查使用后的杆柱，可以发现受磨损较快的是位于井斜段处的防偏磨扶正器， 磨损的加快使得扶j 下器的使用寿命达不到验泵的时间，使得生产很难进行下去。”。 1 1 3 无油管采油技术与常规采油技术的不同之处 常规抽油机采油技术使用油管作为油液出入的通道，而无油管采油技术省去了机械 采油中的油管，而使用空心抽油杆代替常规抽油杆，空心抽油杆既起到油管作用，使原油 在空心抽油杆内腔流动，作为原油流通的通道，原油经空心抽油杆内腔被输送到地上； 同时又作为传递动力的载体，帮助抽油泵的柱塞完成上下往复运动。无油管采油技术相 对于常规采油技术而言，其主要特点是：省去了油管，在空心抽油杆内腔出油，下冲程 时排油，原油上升速度比较快等。在下行程时，柱塞由空心抽油杆带动向下运动，泵筒 中的油液顶开柱塞的下游动阀尔进入泵筒中。由于空心抽油杆的内腔与柱塞的内腔是相 惯通的，在特种抽油泵的不间断工作下油液不断通过空心抽油杆内腔并上行至井口最后 流入计量站。由于空心抽油杆的内径小于油管的内径，所以在产量相同的情况下，油液 的上升速度要高于常规采油技术的油液上升速度n 1 。 1 1 4 无油管采油技术的工作原理 无油管空心杆采油技术仍然利用抽油机井原有的地面设备，去掉原抽油机举升中的 油管，采用高强度的空心杆作为采油系统的传动工具，同时又作为原油流通的通道。利 用杆柱的重力来压迫油液，下冲程时排油。在具体的使用方面，只需稍加改动下普通的 管式泵，拆除上游动凡尔，使得空心杆与柱塞之间相连接。在把空心抽油杆下入到油井 2 中国石油大学( 垡东) 硕上学位论文 过程的同时，将抽油泵的泵筒、悬挂器等井下配套部件跟随其一并下入到井内，当达到 指定的位置后，转动地面上的空心抽油杆，使悬挂器通过其上的拨动轴完成释放过程， 泵筒由悬挂器独自完成支撑作用，从而解放了空心杆和柱塞。在上冲程时，空心杆带着 柱塞不断向上运动，由于受到空心杆内的油液的压力使得柱塞的游动凡尔关闭，此时抽 油泵内的压力减小。由于沉没压力的作用，固定凡尔开启，原油吸入到抽油泵内；在下 冲程的过程中，空心抽油杆带动柱塞向下运动，此时固定凡尔关闭，空心抽油杆凭借重 力来压迫原油，当泵内压力升高到高于柱塞上部油液的压力时，游动凡尔开启，液柱经 过沿程损失和液体静压头，被排出到地上。通过研究工作原理可以看到，引起抽油泵吸 液的条件是沉没压力要高于泵的吸入压力；引起抽油泵排液的条件是空心杆内部必须保 持静水头、沿程阻力损失和各种相关摩擦阻力损失的存在：由此来抵抗地面回压腩1 。 1 2 课题的研究背景 随着油田的不断开采，出现了地层逐渐出砂严重、井液的含水量不断上升、抽油杆 和油管之间偏磨等问题，使得工况r 益恶劣，增加了作业次数，使得油井的生产无法正 常进行，同时提高了原油开采成本。因此，迫切需要对现有的采油技术进行研究和改造， 来满足油田开发中后期的实际要求。无油管采油技术就是对常规采油技术的创新，其独 特的杆柱结构和巧妙的采油流程较好使得以上问题得到较好的解决，通过使用空心抽油 杆来完成能量传递和原油通道的双重作用，从而简化了采油系统，使得能量传递效率得 到提高，流体的性能得到了改善1 。 1 3 课题的研究意义 无油管空心杆采油技术完善了常规有杆泵采油技术，去掉了机械采油中的油管，使 用具有高强度的空心抽油杆作为抽油机的传动工具来替代实心抽油杆，同时又作为油液 的出油通道进行原油的开采。通过运用该项采油工艺技术，增大了抽油泵柱塞的有效冲 程，使得液柱回压没有损失，并使得抽油泵的工作周期得到延长，减少了作业成本，而 且由于空心杆较大的临界压载和较大的抗弯模量，提高了杆柱抵抗失稳的能力，使得抽 油杆柱在井下的力学状态得到较好的改善，避免了抽油杆柱在井下出现偏磨的现象，因 而增长了抽油杆柱的使用寿命，提高了油井的免修期的时间订1 。 无油管采油技术与常规采油方法相比，其优点主要表现在以下几点： ( 1 ) 节约生产成本 无油管采油省去了实心抽油杆和油管，实现了管杆合一，从而相对于普通的有杆泵 第一章引言 采油节省了管杆费投入一半左右。 ( 2 ) 提高了生产水平 a 、增加了抽油泵的效率。无油管采油工艺技术，避免了由于油管的弹性收缩引起 的冲程损失。由于实心抽油杆的横截面积要小于空心抽油杆的横截面积，所以空心抽油 杆的刚性要好，相同载荷下空心抽油杆的伸缩变形量相比实心抽油杆也要小。因而提高 了抽油泵的效率并且增大了柱塞的有效行程。 b 、增大了抽油泵吸入口的压力，改善了抽油泵的充满程度。 c 、避免了泵的间隙漏失。原油经过柱塞直接流入空心抽油杆，避免与抽油泵的间 隙相通，从而消去了常规有杆抽油系统由于油液压力引起的抽油泵间隙漏失。 ( 3 ) 可较好的应用于含砂井 由于油液在空心抽油杆内腔内流动，泵筒和柱塞之间的间隙内不易进入砂粒，从而 可以有效的减小泵筒磨损和出现砂卡的几率。此外，由于空心抽油杆内部的油液流速非 常大，砂粒不容易形成沉降。油液在上升过程中的上行速度的提高，改善了整体的携砂 能力，从而降低了因砂卡形成的检泵次数。 ( 4 ) 采用无油管采油工艺技术，不仅可以显著提高油井产量，减少能耗，而且具 有很好的节电作用。 ( 5 ) 改善管杆偏磨，提高检泵周期 由于空心抽油杆不易发生弯曲变形，空心抽油杆与套管之间的环空空间相对于普通 抽油杆与油管之间的环形空间要大，所以可以较好地改善管杆偏磨的情况，增加检泵周 期的时间。可完成检泵作业一次性整体起下，从而很好的节省了维修作业的费用脚1 。 虽然无油管空心杆采油工艺技术有上述很多优势特点，但现有的无油管空心杆采 油工艺技术在实际的应用中还有着较多的问题，以下是问题所在和对应的解决措施： ( 1 ) 无油管空心杆采油工艺系统其技术相对普通采油工艺系统较为复杂，而且对 不同的泵深、泵径、冲次、冲程、液体物性、含水率和液体密度等相关参数均十分敏感， 所以有必要进行采油工艺系统的动态参数的工况预测和诊断，通过采用示功图来预测井 下的工作情况，从而预测抽油杆柱的力学模型、动态参数和相应的诊断数学模型的研究 分析。 ( 2 ) 如果采用普通抽油泵与空心抽油杆在现场进行配套应用，会使抽油泵的效率 很低，并出现下行困难的问题。为了解决上述问题，在分析和研究了液力反馈原理，决 定使用液力反馈型无油管空心杆抽油泵，使用这种特殊形式的泵可以保证空心杆在下行 4 中国石油大学( 华东) 硕j j 学位论文 过程中均处于拉伸状态，从而显著的增加空一1 1 , 杆的下行动力，完成了空心杆下行困难的 成功解决。 ( 3 ) 伴随着各种各样的采油工况，作用在抽油杆上的载荷越来越复杂，有必要分 析采油系统的各部分的静态特性和动态特性，以便对采油系统的参数进行选择及各个部 分的设计计算。所谓设计的目标就是在给定的油井生产条件下，选择满足生产条件需要、 符合强度要求的杆柱组合，从而可以更好地节约采油成本。这就需要对杆柱进行优化设 计，可以从杆柱的优化设计中选出杆柱组合的最佳方案。 ( 4 ) 大部分在使用空心杆采油技术时，需要对现有的井口设备进行更新，使用井 口设施需要与空心杆采油相配套，这样造成设施容易受损坏，并且出现了危险的隐患， 既提高了成本，还不易进行管理。所以针对上述问题，使用井口分流技术，可以直接利 用普通抽油泵采油井口设备进行空心杆采油，实现了常规管理，节约了成本。因此，有 必要研究空心杆采油系统的井口配套设施1 。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 空心杆采油工艺技术的研究现状 空心抽油杆最早开始于5 0 年代出现，美国、英国、奥地利和前苏联等国家都在生 产和使用空心抽油杆。美国是曾经在5 0 年代就丌始研制空心抽油杆，并广泛应用于美 国的各个石油行业进行采油，空心抽油杆的前身是用直径为2 5 4 m m 大小的油管来代 替空心抽油杆，这种抽油杆虽然很方便制造和加工，但由于螺纹连接的部分不存在推承 面，所以接箍漏失的情况时有发生、并且很容易出现抽油杆的断裂和抽油杆与接箍之间 的脱扣等问题。为了避免由于弯曲应力而形成的以上出现的问题，以后生产的空心抽油 杆做了相应的改进和调整，在其连接部位设置了锁紧平面，这样就很好的解决了上述各 种问题m 1 。 在7 0 年代初期，前苏联就已经开始研究和制造空心抽油杆，在1 9 7 3 年鞑靼石油科 学研究所曾经研制了4 5 3 空心抽油杆，这种空心抽油杆的连接形式采用了锥螺纹，并 且使用4 5 号钢作为毛坯进行加工。 我国的部分油田在8 0 年代前期就开始使用空心抽油杆应用于电加热空一1 1 , 抽油杆开 采稠油的实验，并应用于抽油油井的定期热洗清蜡。但是当时的试验没有能够顺利进行 下去，原因是以当时的制造技术还没有企业可以提供合适的空心抽油杆来满足试验的要 求。由于在我国胜利、华北、大庆、大港等十多个油田的高凝油油田和稠油油田的不断 第一牵引言 被开采，已经迫切需要对空心抽油杆和其配套的采油工艺技术进行研发和制造。目前在 这些油田开展的空心抽油杆应用于高凝油和稠油的试验和研究中均获得了很好的使用 效果，空心抽油杆在开采高凝油和稠油的使用中展示了良好的发展空间。全球经济的飞 速发展，我国国民经济的不断提高，势必需要更多的石油开采量来满足各行业和人类需 求，所以对高凝油和稠油的开采迫在眉睫。除此之外，在遇到含有高腐蚀性化学物质( 如 m a 、日，s ) 的石油，就不宜使用常规的采油技术设备，这样就大大限制了石油开采的 能力，于是这种情况下空心抽油杆的出现和使用就成了当务之急3 。 在八十年代中后期，我国开始研究空心杆的采油工艺技术。并于九五年开始，在采 油现场逐渐使用起空心抽油杆。我国的空心抽油杆的结构和原理与前面所阐述的国外的 第二种方法基本类似，其现有的主要技术基本都是从国外借鉴和引进的，即对常规泵进 行稍加改造，来作为即将所使用的空心抽油杆所配套使用的特种抽油泵，并将其连接在 井下套管接箍的锚定器上，随着空心抽油杆的下井一同下入井内，从而实现了空心杆采 油。由此看来，空心抽油杆的使用必须保证使用过程的可靠、稳定、安全和便于施工作 业和技术维修n 羽。 无油管空心杆采油工艺作为一种新型的采油技术，省去了常规抽油泵采油中的油 管，将空心抽油杆既充当油管，作为油液流通的的通道，油液通过空心抽油杆内部空腔 被运送到地面；又作为传递动力的媒介，将动力传递给抽油泵，使得抽油泵柱塞做上下 往复运动。在起下泵时，抽油泵由抽油杆连接着一同送入井下，可用油管锚来锚定抽油 泵，也可在用扶正器扶正的同时，用抽油泵下部连接的尾管和筛管直接坐于井底。地面 配套设施的研制也在相应的开展，井上的光杆部分可用软管将空心光杆和地面的输油管 线连接起来，并将空心抽油杆开采出来的油液输送至中转站，完成空心杆采油n 3 1 。 除此之外，无油管空心杆采油工艺系统的组成不光包括抽油机、抽油泵、空心杆等 硬件设施，还应包括相配套的优化软件和设计软件等，如无油管抽油泵抽油设备的设备 优选、智能诊断、参数选择、动态监测、抽油系统的优化设计、杆柱的组合设计、油井 的完井设计等等。因为完成一个符合每口抽油井具体工况的无油管空心杆采油系统的各 个部件是紧密联系不可分割、共同运作的，所以不可能首先完成其中的某一个环节，再 在此基础上分析设计并进行计算，并逐步的确定出系统的其他环节。只有将硬件和软件 一起考虑并看成一个整体进行研究和优化，才能设计出一套符合每口井的无油管空心杆 采油工艺系统。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 大庆石油学院和大庆采油厂曾对无油管空心杆采油工艺进行了初步的研制和试验， 该项技术曾经被作为国家“八五攻关项目，其中涉及了无油管抽油泵采油方案的研究 和井下配套机构的设计，并包括了井口排油部件的设计、悬点载荷的计算、抽油泵的锚 定技术、油井资料录入技术、修井操作技术、洗井清蜡技术等等，随着各大高校、相关 科研单位和多个石油行业对空心杆采油技术的深入研究，该项技术得到了广泛的调研和 试验以满足实际的生产需要并得到了不断的创新n 钔。 1 9 9 9 年，大港油田新世纪机械制造有限公司的余泽华工程师等人发表的论文研制了 一种新型悬挂器，提出将整筒抽油泵用该新型悬挂器固定在套管的内壁上，从而大大改 善了抽油泵的工作稳定性n 5 1 。 2 0 0 1 年，上海交通大学机械工程学院的姜东工程师将液力反馈原理应用于空心杆的 抽油泵中，并提出了液力反馈型空心杆抽油泵，系统论述了液力反馈型空心杆采油系统 的原理u 6 1 。 2 0 0 1 年，中国石油大学石油工程学院的袁谋工程师发表的论文对液力反馈型空心杆 采油技术中的抽油机的上、下悬点载荷进行了详细和合理的分析计算，以试验的方式验 证并进一步说明了液力反馈型空心杆采油比常规采油技术的优越性所在n 7 1 。 2 0 0 3 年，石油大学机电工程学院宋开利工程师发表的文章在理论分析的基础上， 考虑了液体运动、空心杆柱受力等因素的影响，完成了液力反馈型空心杆采油管柱力学 分析，建立了空心杆采油工艺的二维数学模型，并对液力反馈空心杆采油工艺系统进行 了工况预测u 舯。 2 0 0 5 年，河南油田石油工程技术研究院采油工艺研究所的余梅卿工程师发表的文章 对空心抽油杆采油技术的扶正器放置间距进行了分析和计算，并对无油管采油系统的举 升液量进行了分析和计算，计算结果与现场应用情况所测得的数据比较接近，验证了该 方法的合理性n 引。 目前空心杆采油工艺的使用还存在着一定的局限性，因为该项技术的出现主要是为 了适应小井眼采油的情况和作为产量低的油井为了节省生产成本而出现的一种新型的 采油技术，还没有得到广泛的应用和推广。作为一种新研制的采油技术，需要在实际的 作业和采油应用中不断的改进和改善。当前无油管空心杆采油在油田中的使用过程中遇 到了诸多的难题，例如空心杆扶正器的结构不能满足实际使用要求，安装位置和使用数 量很难用科学的方法来加以计算，造成了使用过程中的偏磨，使得空心杆在井下下行时 遇到的下行阻力增大：空心杆抽油泵的悬挂器一开始是使用了套管悬挂器，后来又发展 7 第一章引言 到了去胶皮的封隔器，现在又出现了双卡悬挂器，悬挂器的不断研究和完善，虽然大体 可以适应空心杆抽油泵的实际工况环境，但却出现了防冲距不易调整的难题。而且空一t l , 杆采油系统在参数优化、选井、和配套设施方面还处在刚刚起步的阶段，科学有效的技 术方法还没有成形，迫切需要一套针对无油管空心杆的系统优化设计软件和方法，更缺 乏空心杆采油相适用的井口配套设施和排油装置啪1 。 综上所述，对无油管空心杆采油的杆柱组合设计、井口排油装置研制、井上配套设 施的研究、空心杆相适应的的新型抽油泵及采油系统的优化设计方法等方面，还需要开 展大量的研究和现场调研。 1 4 2 有杆抽油系统行为预测的发展现状 当前在全球范围内的采油方式大多均使用的有杆采油技术，用有杆泵完成油液的抽 汲。尽管这种采油技术存在了很长的时间，但是鉴于抽油技术的机一杆一泵这一套系统 的紧密相关性和不可分割性，使得直n - - 十世纪中期以后，才对这套抽油系统进行全面 和系统的的理论分析和研究。 预测有杆抽油系统的行为，是对该抽油系统的各个部件进行动态和静态的特性研 究，并且在给定的抽油机一抽油杆一抽油泵的前提下和现场实际的工作条件下，设计出 该抽油系统的各个部件、对其各个部件的尺寸进行计算并根据工况条件选择出合理的参 数进行配置。例如，在对抽油系统进行设计之前，首先要确定出抽油井的工况参数和抽 汲参数并选择出抽油泵的尺寸大小，然后把抽油杆分成各个单元体，通过上述给定的各 个条件计算出各级抽油杆最上部的最大负荷和最小负荷的值，通过这些值来设计抽油机 的各部件尺寸，并对抽油杆柱进行设计。最后，绘制出抽油杆任意截面的示功图，通过 绘制的示功图可以反映出各级抽油杆最上端所受到的载荷的最大值和最小值，以及上、 下冲程、吸液、排液的各个阶段瞳。 在最初的阶段，抽油机悬点负荷的计算是使用近似公式来代替，例如杆柱的运动看 成是在做简谐振动来计算出其悬点载荷，并对杆柱的受力进行了简化，只涉及到杆柱在 大气下的净重和杆柱在油液中所受到的浮力。在上世纪中期，来自原苏联的科学家威尔 诺夫斯基在考虑了杆柱弹性收缩变形的特性和液柱对杆柱受力的影响下计算出了杆柱 的悬点载荷的大小，并给出了计算公式。在1 9 5 4 年，一家具有非营利性质的专门研究 有杆抽油系统的公司在美国成立，该公司使用了模拟计算机对抽油杆柱进行了研究和仿 真。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 有杆抽油系统的行为预测是在1 9 6 3 年，由s g 吉布斯最早提出的，该预测模型作 为一个重要的理论基础可以应用于杆式抽油系统的设计中。该预测模型确定了抽油系统 的初始条件、由抽油机几何特性确定的上边界条件和由抽油泵凡尔启闭状态确定的下边 界条件，并建立了带阻尼的双曲线偏微分方程，对该波动方程的求解可以使用有限差分 法，这样可以对抽油杆柱上任何一个截面进行示功图的绘制，得到任意一个截面上的位 移和载荷的关系曲线图。唯一遗憾的是，s g 吉布斯没有能对多级杆柱的波动方程进行 有限差分的求解。在实际的工作中，通常使用的是多级杆柱相组合的形式，显然这种运 用具有一定的局限性。j w 坚尼斯和d j 斯凯弗用有限差分法解决了混合杆和多级杆的 杆柱设计问题，在不同材料和杆径处采用等效值的方法。r e 兰和j w 坚尼斯提出在进 行玻璃钢混合杆的设计时使用美国石油协会