（油气田开发工程专业论文）地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计方法研究与应用.pdf

t h es t u d ya n d a p p l i c a t i o no fp r o g r e s s i v ec a v i t yp u m pw i t h s u r f a c e d r i v i n go i lw e l l sp r o d u c t i o ns y s t e mo p t i m u md e s i g n m ax i a n 。s h e n g ( o i lp r o d u c t i o nt h e o r ya n d t e c h n i q u e ) d i r e c t e db yv i c e - p r o f e s s o rc h e nd e c h u r l a b s t r a c t t h eo i lp r o d u c t i o nm e t h o du s i n gp r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p ( p c p ) i sm o r ea n dm o r e w i d e l yu s e di nt h ea r e ao fo i le x p l o i t a t i o n ，s om u c ha t t e n t i o ni sp a i do nh o wt oi m p r o v et h e p r o d u c t i o nd e s i g na n dm a n a g e m e n t t h ep r o d u c t i o na n a l y s i sa n dp a r a m e t e r so p t i m u m m e t h o do fp c pw i t hs u r f a c ed r i v i n gi se s t a b l i s h e du s i n gn o d a ls y s t e ma n a l y s i sm e t h o da n d o i lw e l lp r o d u c t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yr e g a r d i n gp c pw i t hs u r f a c ed r i v i n g 弱r e s e a r c ho b je c t t h r e em o d e l si n c l u d i n gt h e3 - d i m e n s i o nw e l l b o r et r a c kd e s i g nm o d e l t h et h e o r e t i c a l f i x i n gp o s i t i o nm o d e lo fr o ds t r i n g sl o c a l i z e ri nl e a n w e l la n dt h e m e c h a n i c sa n a l y s i sm o d e lo fr o ds t r i n gw i t hl o c a l i z e ra n dc e n t r a l i z e ra r eb u i l tc o n s i d e r i n g u s a g eo ft h ep c pw i t hs u r f a c ed r i v i n gp r o d u c t i o nm e t h o di nl e a n w e l l t h er e l e v a n t c a l c u l a t i o ns o f t w a r ei sp r o g r a m m e dw h i c hc a np r o c e e dc o m p r e h e n s i v ec o m p u t a t i o nt o v a r i o u sp r o d u c t i o np o s s i b i l i t i e so fp r o d u c t i o nd e v i c e sa n dt e c h n o l o g i e sw h i c hc a nm a k e o p t i m u mr e s u l t sm u c hm o r eo p e r a b l ea n dh a v et h ea b i l i t yt oc a r r ys e n s i t i v i t ya n a l y s i s t h e e f f e c t so fr o t a t e ds p e e da n dp u m p i n gd e p t ht ol i q u i d sp r o d u c t i o na n dl i f t i n ge f f i c i e n c ya r e a n a l y z e d t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o ni si n d u c e db yp r a c t i c a lw e l la n a l y s i s ，t h a ti s ，i ti s n e c e s s a r yt h a tt oo p t i m i z eo i lw e l lp r o d u c t i o nd e v i c e sb a s e do no i l w e l la n dr e s e r v o i r s c o n d i t i o n si no r d e rt om a k ei t e c o n o m i c a l l ya n de f f i c i e n t l yp r o d u c t i o nc o n s i d e r i n gn o m a t t e rt h eo i l p r o d u c t i o no rl i f t i n ge f f i c i e n c y t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e c a l c u l a t i o nm o d e l sb u i l ti nt h i s p a p e r h a v ec o n s i d e r a b l e p r e c i s i o nw h e nt a k i n go i l p r o d u c t i o n ，w e l lt o p st o r q u ea n dw e l lb o t t o m sp r e s s u r ea sv e r i f i c a t i o nt a r g e t s t h e r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：t h e a v e r a g ee r r o rb e t w e e nd e s i g np r o d u c t i o na n dp r a c t i c a l p r o d u c t i o ni s9 0 5 ；t h er e l a t i v ee r r o rb e t w e e nw e l lt o pt o r q u e sc a l c u l a t i o nv a l u ea n dt e s t v a l u ei s 一8 0 6 , - - 11 9 2 ；t h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o rb e t w e e nw e l lb o r o mp r e s s u r e c a l c u l a t i o nv a l u ea n dt e s tv a l u ei s2 7 5 ，w h i l et h ea v e r a g ee r r o ri s0 7 9 t h i sr e s e a r c hw i l l p l a yas i g n i f i c a n tr o l ei np r o d u c t i o no p t i m u md e s i g no fp c pw i t hs u r f a c ed r i v i n gw e l la n d i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f e c ta n db e n e f i c i a lr e s u l t k e yw o r d s ：p r o g r e s s i v ec a v i t yp u m pw i t hs u r f a c ed r i v i n g ，o i lw e l l ，p r o d u c t i o ns y s t e m ， o p t i m u md e s i g n ，n o d a ls y s t e ma n a l y s i s 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。 学位论文作者銎名：圣! 堡垒日期：枷年，月劣日 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：经堡垒 指导教师签名： 同期：矽谚年，月彩同 中国彳i 油人学( 华力：) 同簿学力硕十学位论文 第1 章前言 地面驱动螺杆泵采油是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种机械采油技术。螺杆泵兼 有离心泵液流平稳和容积泵效率高的特点， 具有一定的优势和广泛的应用前景。法国和 前苏联先后于2 0 世纪6 0 年代术和2 0 世纪7 0 年代初用潜油电机驱动的螺杆泵开采高粘 油取得成功。2 0 世纪8 0 年代初，美国和加拿 大等国家试用高强度抽油杆代替潜油电机 来驱动螺杆泵，实现了地面驱动，使生产费 用和油井生产系统故障率大大降低，并得到 了推广应用。我国于2 0 世纪8 0 年代中期开展 一地面驱动螺杆泵采油的理论和技术研究，研 玮村设备并进行了现场应用。辽河油田1 9 8 4 年开始研制地面驱动螺杆泵抽油生产系统， 1 9 8 6 年投入矿场试验；19 8 6 年大庆油田引进 墩f 、的螺杆泵开采稠油获得明显的效果；胜 利、大港、南阳和克拉玛依等油田也相继应 用了地面驱动螺杆泵采油技术【l 】【2 1 。 如图1 1 所示，地面驱动螺杆泵采油系 统由地面驱动装置、抽油杆柱和井下螺杆泵 三部分组成。地面驱动装置在井口，具有减 速、变速、承受轴向载荷和提供动力等功能。 动力通过抽油杆柱传递至井下螺杆泵。井下 螺杆泵是由定子和转子组成，转子是高强 1 卡箍法兰2 卡瓦3 光杆4 井口驱动装置 5 抽油杆6 油管7 套管8 井下单螺杆泵 图1 - 1 地面驱动螺杆泵采油系统组成示意图 f i g1 - 1s c h e m a t i cc h a r to fp r o g r e s s i v ec a v i t y p u m pw i t hs u r f a c e - d r i v i n gp r o d u c t i o ns y s t e m 度、精加工、表面有镀层的螺杆，定子是坚固、耐油抗腐的合成橡胶粘接于钢制壳 体内的泵筒。其工作原理是：电网的电能由电动机转化为机械能，通过皮带或齿轮 等传递给驱动头，实现了变速，驱动头通过抽油杆柱将动力传给井下螺杆泵的转子， 使其旋转，从而将由油臧进入井筒的原油连续地举升到地面。螺杆泵办称渐进式容 积泵( p r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p ) ，简称“p c p ”泵，具有以下特点： 第1 章前言 ( 1 ) 地面设备简单、紧凑、占地小、操作安全可靠、管理和使用方便。 ( 2 ) 排出流量均匀平稳，调参容易，通过改变地面驱动转速来调整泵的排量。 ( 3 ) 适宜输送和开采粘度大的流体。 ( 4 ) 自吸能力强，气体对泵效影响小。 ( 5 ) 螺杆泵的定子和转子的密封是柔性的面接触，适用于含砂流体。 随着油田使用螺杆泵采油井数量的增多，如何进一步提高螺杆泵采油的技术和 管理水平，成为各油田普遍关心的问题。国内外的相关研究表明【3 13 1 ，与其他采油方 式相比，螺杆泵井系统效率高，节能显著。但由于应用时间较短，其理论研究滞后 于现场应用，现场应用经常出现因螺杆泵的泵型选择及其它工作参数不匹配等问题， 致使设备和油井生产能力得不到充分发挥，并造成系统资源和能源的浪费。 因此，以地面驱动螺杆泵油井生产系统为研究对象，利用节点系统分析方法和油 井生产系统数值模拟( 仿真) 技术，建立了地面驱动螺杆泵抽油井生产分析和生产参数 优化设计方法，并用研发的配套的计算工具软件，对油井生产设备和技术可行的各种 生产配置的可能性进行全面计算分析，使得优化结果具有很强的可操作性，同时具有 敏感性分析作用。通过地面驱动螺杆泵油井生产系统数值模拟计算，对该油井技术上 可行的方案进行对比分析，再给定优化目标，从中筛选出优化方案进行实施。 同时 考虑到地面驱动螺杆泵采油方式在斜井中的应用，基于油井三维井身轨迹处理、抽油 杆柱弯矩和挠度分析等，进行了抽油杆柱导向器安装位置的理论分析，在抽油杆柱节 点间的固频分析、力学分析的基础上，推导建立了抽油杆柱挠度方程，并根据实际油 井资料进行软件的调试与验证，证明了软件计算功能实用性和主要计算方法的准确 性。 2 中国i 油人学( 华尔) 同等学力硕十学何论文 第2 章地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计理论与方法 2 1 地面驱动螺杆泵井生产系统组成 地面驱动螺杆泵生产系统是由油减、井筒和地面管线三个依次衔接、相互影响， 又具有不同流动规律的三个流动子系统以及采油设备子系统构成f 1 4 】。 ( 1 ) 油藏渗流子系统：反映原油从油层向井底的流动过程，其工作规律由油井流 入动态关系( i p r ) 来描述。 ( 2 ) 井筒管流子系统：描述流入井底的生产流体向井口的流动过程，其工作规律 由井筒多相管流规律相关式来描述。井筒多相管流规律受到采油设备工作的影响， 同时它也影响采油设备子系统的工作状况。 ( 3 ) 地面水平或倾斜管流子系统，描述被举升至地面的生产流体通过地面出油管 线向油气分离器的流动过程，它遵循水平或倾斜多相管流规律，在油井举升工艺优 化设计中，一般认为地面管线不变更，或以要求的井口回压( 油压) 来界定。 固采油设备子系统( 也有人认为它属于井筒子系统的一部分) ：描述抽油设备的 运动学、动力学规律及能量传递与转化过程。它与井简管流子系统、油藏渗流子系 统和地面管流子系统的协调，是油井举升工艺稳定、高效生产的基础。 2 2 节点系统分析与抽油协调 节点系统分析( n o d a ls y s t e m sa n a l y s i s ) 方法【1 4 】是2 0 世纪8 0 年代以来进行油、气井 生产系统设计及生产动态预测广泛采用的一种方法，它是系统协调原理在原油生产 应用方面的发展。 节点系统分析的对象是油井生产系统，在本研究中油井生产系统的节点划分如 图2 1 所示，求解点设置在下泵深度处。 油层、井筒和抽油设备的协调和衔接条件： ( 1 ) 质量守恒：油层生产的流体、井筒排出的流体和泵的排量三者质量流量相同： ( 2 ) 能量守恒：流体从油层流入井底时的剩余压力等于井筒流体流动的起始压 力；流体从井底流到泵吸入口处的剩余压力等于泵吸入口压力；泵排出口处的压力 与井口油压和油管中流体的流动压力降之和平衡：泵吸入口处的压力与井口套压和 油套坏空中的流体压力之和平衡； 第2 章地面驱动螺杆泵抽油升生产系统优化设计理论与方法 ( 3 ) 热量守恒：流入井底流体具有的热量与井口流体剩余热量之差和在井筒流动 过程中流体同井筒周围环境热传递量平衡。 i 二；p p i 彤7 ：管鞋处压力“。i 藿 j | 。1 p t ，、一? j 一 。- ，h f ，- ，t 。溯 ，一i：，：。j ? 缀 图2 - 1 地面驱动螺杆泵生产系统节点划分示意图 f i g2 一ls c h e m a t i cc h a r to fp r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p w i t hs u r f a c e - d r i v i n gp r o d u c t i o ns y s t e mn o d a l a n a l y s i s 2 3 地面驱动螺杆泵井生产系统优化设计的原则和内容 ( 1 ) 设计原则 地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计是以整个油井生产系统为研究对象， 以各子系统的协调为基础，以油井的生产能力为依据，以油井的产油量、系统效率 或经济效益为目标，采用节点系统分析方法和油井生产动态模拟技术，进行油井生 产参数的优化设计与采油设备的合理配置，使抽油系统高效、安全地工作。 ( 2 ) 设计与分析内容 对目前正常生产的地面驱动螺杆泵井生产系统进行工况校核分析，以了解油层 的生产能力、设备的工作状况，为进一步制定合理的技术措施提供依据。另一方面， 地面驱动螺杆泵抽油井节点系统软件中所采用的主要计算模型与系统优化设计中的 基本相同，通过校核软件的计算结果与现场测试资料( 如井口扭矩、井筒压力、温度 分布等) 进行对比，对本项目软件的计算模型起到验证作用。 4 q 一国f i 油人。学( 华力：) 同等学力硕十学位论文 厂数据文件三兰三兰兰三兰理 薹毳一艺十谢 川：什l 退出 l 动杆柱致汁结果输出 第2 章地面驱动螺杆泵抽油了卜生产系统优化没计理论与方法 2 5 软件优化设计思想与计算流程 2 5 1 软件优化设计思想 利用地面驱动螺杆泵油井生产系统数值模拟( 仿真) 的思路，对油井生产设备和技 术可行的各种生产配置的可能性进行全面计算分析，使得优化结果具有很强的可操 作性，同时具有敏感性分析作用。通过地面驱动螺杆泵油井生产系统数值模拟计算( 技 术上可行方案的枚举计算) ，对该油井技术上可行的方案进行对比分析，再给定优化 目标，从中筛选出优化方案进行实施。 4 ； “地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计软件”设计思想基于以下四个条件： ( 1 ) 油井流入动态：基于当前的测试资料和生产资料，利用p e t r o b r a s s ( 修正) 方法， 计算油井流入动态关系，这是油井生产系统分析和优化设计基础【i o 】。 ( 2 ) 抽油设备：螺杆泵、抽油杆、地面驱动装置、井下附件( 如导向器、扶正器 等) 的几何参数和特性参数己知，这是油井生产系统分析和优化设计的前提。 ( 3 ) 抽汲参数：下泵深度、驱动转速等。 ( 4 ) 优化目标：油井的产油量、系统效率等 2 5 2 软件计算流程 6 中国彳i 油人学( 华尔) 同等：学力硕+ 学位论文 l 丌始i j 数据调入 j 确定泵吸入口爪力 计算汕套环空- i 的压力分缸 i 计算泵下压力， 温度及流体物性分布 j l 确定泵排卅口压力、计算汕管与抽汕朴 i 环守i i i 的压力、温度、粘度等分以j i 计算泵摩擦力和沿柑柱摩擦力 j 沿抽油杆柱轴向力及扭矩分布计算 l 影响泵效的洲素分析l l 油井效率分析 图2 3 地面驱动螺杆泵抽油井生产系统 工况校核框图 图2 - 4 地面驱动螺杆泵抽油井生产系统 优化设计框图 f i g2 - 3f r a m ep i c t u r eo fp c pw i t hs u r f a c e - d r i v i n gf i g2 - 4f r a m ep i c t u r eo fp c p w i t hs u r f a c e d r i v i n g p u m p i n gw e l lp r o d u c t i o ns y s t e mo p e r a t i o n a lp u m p i n gw e l lp r o d u c t i o ns y s t e mo p t i m i z ed e s i g n m o d ec h e c k 7 第2 章地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计理论与方法 2 6 油井流入动态计算方法 力，油井流入动态常采用i p r 曲线表示。i p r 曲线反映了油藏的工作特性，它既是确 定油井合理的工作制度的依据，也是分析油井动态的基础。本研究中采用p e t r o b a s 方法( 修正) 计算油井流入动态关系。 p e t r o b r a s 方法 1 4 - 5 1 计算综合i p r 曲线的实质是按含水率取纯油i p r 曲线和水i p r 曲线的加权平均值。 p e t r o b r a s 方法存在的问题： ( 1 ) 计算产液指数时用产量加权平均法，而计算i p r 时采用流压加权平均法，理 论上不严格，迭代中误差累加。 ( 2 ) 当( 删) j 时，预测的i p r 曲线不通过测试点。 修正思想： ( 1 ) 均采用流压加权平均法。 ( 2 ) 推- g t 删， i 时的产液指数计算方法。 2 6 1 采液指数计算 已知一个测试点：厶黜。、9 姗，和饱和压力只及油藏压力p r 。 ( 1 ) 只，则： z ：旦l( 2 1 ) pr 一慨| 式中，以为产液指数，m 3 ( d m p a ) ；口胁，为测试流量，m 3 d ；。，为井底测试流 压，m p a ；一p ，为油藏平均压力，m p a 。 ( 2 ) 只，则： j ，：丁 警r ( 2 2 ) 2 五f 蕊面 仫吃 舯驴加2 ( 等卜( 等) 2 中国彳i 油人学( 华尔) 同等学力硕士学位论文 式中，只为饱和压力，m p a ：a 为含水率，小数。 ( 3 ) 0 ： ，：丛呸：1 2 ： 。 p 咖s f 一4 p 6 兀+ p ，( 8 凡一9 ) + 4 p 2 6 2 某一产量口，下的流压计算 ( 1 ) 0 9 ，9 6 ： _ ，号 式中，岛为井底流压，m p a ：q ，为油井产量，m 3 d 。 ( 2 ) 9 6 g ，q o 郦： 矿= 兀( ，一q 考) + 0 1 2 5 ( 1 - f w ) p b 一t + ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 式中，9 。为油相i p r 曲线极限产量，m 3 d ：q 。为井底流压等于饱和压力时的 产量m 3 d 。 g 。m “ 3 0c l = 4 6 7 1 0 一；c 2 = 1 1 1 0 5 ；c 3 = 1 3 3 7 x1 0 9 a p i 3 6 c l = 4 6 6 7 1 0 。4 ；c 2 = 1 7 5 1 1 0 ；c 3 = 一1 8 1 0 6 x1 0 9 b 。= b 耐p 一。( 7 。一尸) ( 2 2 1 ) 式中，为“死油”的体积系数。 ( 6 ) 原油粘度心 “死油”( 脱气油) 粘度： 耐2 1 0 y 一1 ( 2 2 2 ) 其中：y = 1 0 ( 1 8 丁+ 3 2 ) - 1 3 ；x l = 3 0 3 2 4 0 0 2 0 2 3 xa p l 1 2 中国fi 油人学( 华力：) 同筲；。学力硕十! 学位。论文 或用粘温实验资料回归： l g l g ( t 耐+ 1 ) - - 。+ l g ( 1 8 t + 3 2 )， “活油”粘度： 鸬5a , u o d 疗 舯删们5 ( 志删) m 引5 5 4 4 ( 志州。广8 式中，以为“活油”粘度；- r o d 为“死油”( 脱气油) 粘度。 ( 7 ) 水的粘度“ 。：8l 舯3 - 1 4 9 7 9 x - 。一2 ( 1 8 t + 3 2 卜1 9 8 2 x 1 0 - ( 1 8 7 + 3 2 ) 2 式中，风为水的粘度；t 为温度。 ( 8 ) 水的表面张力盯。 童 o w = 7 9 1 x e - 0 0 8 3 吲“ ( 9 ) 天然气粘度以 g = k x1 0 - 4e ( x x k 。) ： 其中，k：(94+002mx492+!8t)5 7 0 1 + 1 9 m + 1 8 丁 ：y = 2 4 0 2 x ；m = 2 8 9 6 y g ； x ：3 5 + 2 1 鱼 + o 0 1 m 式中，m 为天然气分子量。 ( 1 0 ) 天然气的压缩因子z 1 1 6 - 1 7 矧+ h 等+ 私+ 卜和+ 等 舯足= 警瓦= 瓮篙p = 瓦p a i = 0 3 15 0 5 ，a 2 = 一1 0 4 6 7 ，彳3 = 一0 5 8 3 a 4 = 0 5 3 5 7 ，a ，= 0 6 1 2 3 ，以= 0 6 8 1 5 ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 式中，丁和疋分别为温度和临界温度，k ；尸和尸。分别压力和临界压力，p a 。 1 3 第2 章地面驱动螺卡十泵抽油升生产系统优化设计理论与方法 2 1 0 井底流压的计算方法 油井正常生产时，井底流压可通过动液面等有关资料确定。根据套管不产气正 常生产井井筒流体的分布状态将井筒流体划分为气柱、油柱及液柱三段。分别求出 各段的压力降落，从而计算井底流压。 驴_ 警- 警峭( 2 - 2 9 ) = 名+ 此+ 邮 7 式中，为井底流压，p a ；为井口套压，p a ；叱为气柱压力降落，p a ；叱 为油柱压力降落，p a ： 邮为液柱压力降落，p a ；c 为动液面处压力，p a 。 ( 1 ) 动液面处的压力 n 0 3 4 1 6 f n & 。 一1 名= 珞忍 ( 2 3 0 ) 式中，名为动液面处的压力( 绝对) ，p a ；为井口套压( 绝对) ，p a ；为标准 条件下天然气的相对密度，无因次；z 为气柱的平均压缩因子，无因次：为动液 面深度，m 。 ( 2 ) 油柱压力降落 当套管不产气时，动液面到油管管鞋之间为纯油柱，油柱几乎不运动，因此可 以忽略摩阻压力梯度和加速压力梯度：另外油柱中基本上不存在游离气且含水极少， 所以可按静油柱处理。但是在井筒压力作用下，油柱中溶有天然气，且在各个深度 上因压力的不同、溶解的气量不同，使得油柱各点的密度也不同。因此采用分段迭 代法。将整个油柱分成若干小段，在每一小段上求出其压差皈，最后即可求得整个 油柱的压差配。 必= 蛾= g 见础 ( 2 - 31 ) 式中，觚为第i 小段油柱的高度，m ；岛，为第i 小段油柱的平均密度，k g m 3 ； 皑，为第i 小段油柱的压差，p a 。 ( 3 ) 井底流压的计算 1 4 中国彳i 油人! 学( 华尔) 同等学力硕十学位论文 当油管未下至油层中部时，在油管管鞋至油层中部深度处流体呈现多相混合流 动。已知油管管鞋处的压力、温度等，并以之为起点，利用b e g g s 。b r i l l 方法即可算 出井底流压。 已知油井井底流压计算油井动液面深度的计算方法与上述方法相同，但必须进 行相应的公式调整。 2 1 1 地层静压的计算方法 井底静压反映了油层能量的大小。油井关井后，随着井底压力的恢复，环空中 的液面逐渐上升，最终趋于静液面；同时，在重力作用下，环空中的流体重新分布， 当其稳定时，井筒中呈现静气柱、静油柱和静水柱三段分布。根据流体静力学的原 理，关井后井底静压是井口套压与各段流体压力降落之和，即 只2 ：c 兰一o + 心w ( 2 - 3 2 ) = 足+ 叱+ 蛾 然中，只为地层静压，p a ；以为水柱压力降落，p a 。 【1 ) 井筒中油水界面深度。 根据物质平衡原理，关井后井筒中水的体积等于正常生产时井筒中水的体积 摹 k 与失井后续流到井筒中的水和泵及油管漏失到井简中的水的体积a v 之和，即： k = k + a v 为了便于研究，特作如下假设： 关井之后由地层续流到井筒中的原油含水率与油井正常生产时地面产液的含 水率相同； 关井之后由抽油泵及油管漏失到井筒中的流体的含水率与正常生产时地面产 液的含水率相同。 耻卧帆川 卜引扣引电以卜制最l ( 2 - 3 3 ) 式中，h 。为井筒中油水界面深度，m ：h 。为油层中部深度，m ；h j 为油管 管鞋深度，m ；h 。为正常生产时，油管管鞋以下液柱的持水率，无因次；日，为泵 第2 章地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计理论与方法 吸入口的深度，m ；a ，为油管内截面面积，m 2 ；4 为套管内截面面积，m 2 ；荔。为 正常生产时泵吸入1 ：3 至油管进油口之间这段油管中流体的平均空隙率，无因次：日， 为动液面深度，1 7 1 ； 以为静液面深度，m ；a ，。为油管外截面面积，m 2 ；匕为地 面的生产水油比，m 3 m 3 ；e ：为关井后，井筒中原油的平均体积系数。 ( 2 ) 计算气柱的压力降落 ! ：! 翌堡垒 名= i c e 庀 ( 2 3 4 ) 式中，z 为气柱的平均压缩因子，无因次。 ( 3 ) 计算油柱的压力降落 a e o = = r p o g d h ( 2 - 3 5 ) 式中，h 。为井筒中油水界面深度，m ；p o 为某一深度h 处的静油柱密度，k g m 3 。 ( 4 ) 计算水柱的压力降落 水的溶气能力很小，可以忽略，且其密度可认为不随压力变化。 峨= p ，g ( h ，一h 。)( 2 - 3 6 ) 式中，h 。为油层中部深度，m 。 由于油气物性参数都是压力的函数，所以整个井底静压计算过程仍需按迭代法 进行。 已知油层压力计算油井静液面深度的计算方法与上述方法相同，但必须进行相 应的公式调整。 2 1 2 抽油杆柱轴向载荷计算【2 0 】 ( 1 ) 泵产生的轴向水力载荷 轴向水力载荷只，是一个集中载荷，它的作用方向沿杆柱的轴向向下，其大小可由 下面的半经验公式确定： 耳= 【印f ，积；+ 1 6 p r p j 一棵。2j 1 0 6 ( 2 - 3 7 ) 1 6 中国彳彳油人学( 华尔) 同等学力硕十学位论文 式中，f ，为抽油杆柱下端面所产生的轴向力，n ；r p 为转子直径，m ：r 片为抽油 杆截面半径，m ；e o u l 为螺杆泵出口压力，m p a ；卸为泵排吸两端的压力差，m p a ；r 为 螺杆的断面半径，m ：e 为螺杆衬套副的偏心距，m 。 ( 2 ) 杆柱载荷 f r i2q j jcosqili c o s j n2 ( 2 3 8 ) 式中，r 为第f 段抽油杆柱重力所产生的轴向力，n ；g ，为第f 段抽油杆单位重量， n l t l ；，为第f 段抽油杆长度，m ；0 为第f 段抽油杆与垂向方向的夹角，r a d 。 ( 3 ) 抽油杆与井筒流体间的摩擦载荷 f r l i = 一2 n d l i e | i v _ j l i 肌铲雨蔫击两= 考 ( 3 3 9 ) 武中，为第i 段抽油杆柱与流体间的摩擦载荷，n ：胁为第f 段流体平均粘度， p a 霎1 ，为第f 段井筒流体平均流速，州s ；d ，j 为第f 段对应的油管内径，m ；九为第f 段抽油杆柱直径，m ( 空心杆取外径) 。 尊向器与井筒流体间的摩擦载荷： = 一2 掣f e 。v c 7 伽 肌铲雨南= 老 ( 2 4 0 ) 式中，c 为第- 个导向器与井筒流体间的摩擦载荷，n ；以为导向器对应深度处 流体平均粘度，p a s ；v 口为导向器对应深度处井筒流体平均流速，毗：d o 为导向器 对应深度处对应的油管内径，m ；d 。蛳为导向器直径，m 。 ( 4 ) 多级杆接合点处流体压强产生的上托力 兀= 一三一d ；+ 江1 0 6 u = 1 ，2 ，历一1 )( 2 - 4 1 ) 式中，f o 为第级和第+ 1 级抽油杆接合处流体压强产生的上托力，n ；dj = 为第- 级抽油杆直径，m ；dr ，+ i 为第+ 1 级抽油杆直径，m ；e 为第级抽油杆下端流体的压 第2 章地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化殴计理论与方法 强，m p a ；m 为抽油杆级数( 最上端为第1 级) 。 ( 5 ) 抽油杆柱所受的轴向载荷 f | o = f p f | l = f + f n + f n i f u = f li + fr i 七f | 七f 2 1 3 抽油杆柱扭矩计算陋1 9 】 ( 1 ) 泵举升井筒流体做功所需的扭矩 巧= 9 5 5 只，r 肌b = 譬掣 厂 j 、 l ，上p 一，fl 、k - - i ， i 、 h 乩一，疗i 、七= l ( 2 4 2 ) ( 2 - 4 3 ) ( 2 - 4 4 ) ( 2 - 4 5 ) 式中，耳为泵举升井筒流体做功所需的扭矩，n s ；r 为泵的转速，r m i r ab 为 举升流体时泵的功率，w ；o ，。为油井产量，以；p 删为泵排出口处流体压强，m p a ：匕 为泵吸入口处流体的压强，m p a ；屏为泵处流体的密度，k g m 3 。 ( 2 ) 螺杆泵转子与定子问的摩擦扭矩 = 9 1 3 8 - r 0 。4 5 + 4 6 5 ( 2 4 6 ) 式中，为螺杆泵转子与定子间的摩擦扭矩，n m ；万为泵转子与定子间的过盈 值，m m 。 ( 3 ) 杆液的摩擦扭矩 = 糍等 式中，为第f 段抽油杆与井筒流体间摩擦产生的扭矩，n m 。 ( 4 ) 启动时驱动抽油杆柱的扭矩 t r ；= 9 5 5p r i r ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) 中国彳i 油人学( 华尔) 同等学力硕十学位论文 其中，巴= 警， 式中，l 为第i 段抽油杆启动时驱动扭矩，n m ：巴为第i 段抽油杆启动时的驱 ( 5 ) 杆管摩擦扭矩 t 哪= f d 口nj 舯竹i 再6 4 一q y e i l j 胁5 一配万2 z 一去曰。万3 e 一竺竺 ( 2 - 4 9 ) 式中，乙为第j 个扶正器，抽油杆接箍或抽油杆柱体与油管接触点处的摩擦扭矩， n m ；厂为摩擦系数，一般取o 1 0 2 ；d ，为第个接触点处扶正器、抽油杆接箍或抽 油杆体外径，m ；n j 为第个接触点处杆管产生的正压力( 可按挠曲线方程计算) ，n 。 巨) 抽油杆柱所受的总扭矩 善乃t 。2 乃z 。2 乃，+ 乃( 2 - 5 0 ) 启动时： 霉 乃。，= 乃，+ 乃，+ + ( 2 5 1 ) j = l 正常生产： 月， 乃2 ，= 乃2 川+ 死+ c t r ，+ ( 2 5 2 ) j = l 式中，c 为正常生产时杆运动的非匀速性修正系数，一般取0 2 ；，z ，为第i 段抽油杆 柱以下接触点数。 2 1 4 抽油杆柱强度理论 2 1 4 1 综合强度分析 地面驱动螺杆泵生产系统在f 常工作条件下，杆柱同时承受轴向力和扭矩的作 用，因此在抽油杆柱横截面上各点同时存在剪切应力和拉( 压) 应力，其方向不同，不 1 9 第2 章地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计理论与方法 能作简单叠加。在这种复杂应力状况下，材料的破坏不仅与剪切应力和拉( 压) 应力的 数值大小有关，而且还与它们的比值有关。 本研究采用第四强度理论进行抽油杆柱的强度分析。第四强度理论认为在复杂 应力状况下，最大形状改变比能是引起材料破坏的主要原因，只要材料构件内部一 点的形状改变比能达到拉伸发生屈服破坏时的形状改变比能，材料就发生屈服破坏。 第四强度理论的强度条件为： 盯叫。：、昙峙，一0 2 ) 2 + b ：一0 3 ) 2 + p ，一仃。2 】b 】( 2 - 5 3 ) 对抽油杆截面的力学分析可知，其危险点为二向应力状态： 盯l = 吖2 + 1 9 3 = 吖2 一 仃2 = 0 所以抽油杆柱的强度条件为： 4 = 盯2 + 3 r 2 b 】 ( 2 5 4 ) 鼽仃= 每f = 瓦m i = 刃糊3 6 式中，1 7 埘。为抽油杆柱综合应力，p a ；r 为抽油杆第i 截面上的轴向力，n ；a j 为抽油杆第i 截面面积，m 2 ：脱为抽油杆第i 截面扭矩，n m ；，为抽油杆第i 截面抗扭截面模量，m 3 。 2 1 4 2 抽油杆柱刚度分析 盯p 】 ( 2 - 5 5 ) f r 】- p 】3 ( 2 5 6 ) = 半若邓】 ( 2 - 5 7 ) 式中，g 为抽油杆剪切弹性模量，8 0 x1 0 9 ；r m 。为扭矩，n m ；【印为许用扭转 2 0 中国，f i 油人学( 华尔) 同等学力硕十学位论文 角，一般传动轴【9 】_ ( 0 5 。l 。) m 。 2 1 5 泵效分析 容积式抽油泵的泵效表示实际t = l 量与理论排量的比值，在地面驱动螺杆泵油井 正常生产过程中，影响泵效的因素主要有三个方面： 漏失的影响； 气体的影响； 原油体积系数变化的影响。 ( 1 ) 泵的理论排量 q 卿d c a i = q ，r x2 4 6 0 ( 2 5 8 ) 式中，g 删为泵的理论排量，1 1 1 3 i d ；g 为泵的每转排量，m 3 r ；r 为泵 的实际转速，r m 。 ( 2 ) 实际泵效 1 0 0 0 q p u m p 耻型妥丛( 2 - 5 9 ) t q m 础口l 式中，巨为实际泵效，小数；q 倒叩为泵的实际排量，t d ；p o 为原油密度，k g m 3 ； p 。为水的密度，k g m 3 。 ( 3 ) 计算气体的影响 蠢：坚互1 业0 0 0 q p , 毛px(1_-fw)xt+273 x 9 8 0 0 0 亿6 。， 式中，e ：为气体影响造成的泵效损失，小数；r p 为生产气油比，i t l 3 m 3 ；t 为 泵吸入1 ：3 温度，；乙为地表恒温层温度，；p 为泵吸入口压力，p a 。 ( 4 ) 计算体积变化造成的影响 e ，：旦生_ 誓了m l ) + 1 ( 2 - 6 1 ) e 32 一q p u m p e d e v l z i i i - = _ 万 再_ 苫：万l b nl 1 一wj + 8 w f - 1 j 第2 章地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计理论与方法 式中，e ，为体积变化造成的系数损失，小数：b 。为泵吸入口处原油的体积系 数，m 3 m 3 ；b 。为泵吸入口处水的体积系数，m 3 m 3 。 ( 5 ) 漏失的影响 漏失对泵效的影响与泵的间隙、泵的磨损程度及泵两端的压差等因素有关，在 泵效分析模型中，由于实际泵效、气体的影响及体积变化的影响程度可以计算出， 因此，漏失的影响程度为： e 4 = 1 一e i e 2 一e 3( 2 6 2 ) 式中，e 为漏失造成的系数损失，小数。 2 1 6 扶正器间距的设计方法 地面驱动螺杆泵采油系统工作时，因井斜及抽油杆柱受力等原因会使抽油杆柱 发生弯曲，导致杆管严重摩擦，增加了抽油杆柱被破坏的可能性。为了改变这种状 况，应在抽油杆柱上安装扶正器，使抽油杆柱与油管不接触，同时使抽油杆柱与油 管的滑动摩擦转变为扶f 器与油管的滚动摩擦。但是，若扶正器间距过大，不能有 效地产生应有的作用，另一方面若扶正器间距过小，会造成不必要的浪费，并且增 加了抽油杆柱的轴向力和扭矩，为此有必要合理地确定抽油杆扶正器的间距【2 1 抛】。 ( 1 ) 挠曲线方程 取两扶正器间的一段抽油杆柱为研究对象，假设抽油杆柱为铰支座结构( 如图2 5 ) 。 图2 5 抽油杆柱扶正器间距设计受力分析图 f i g2 - 5s t r a i n e da n a l y s i so fp u m p i n gr o dc e n t e r i n gd e v i c ei n t e r s p a c i n gd e s i g n 中国彳i 油人学( 华东) 同等学力硕十学f f 7 = 论文 二二二二二二= - 一一一 y 一可y 哪s l n l ( 2 - 6 5 ) 甜：f = 了e r d x 差 ：詈f | 芳y ：i 二cs i n 了 i x ，z 出 2 - 6 6 彬= s 。万= 既f 三。) 2 出= 鱼生岂 ( 2 6 7 ) 吩翁i 嬲羔愁： 亿6 8 ， = 互g 。啦出p = 竿 一 式中，吼为抽油杆柱径向力，n ：靠为抽油杆柱重量产生的径向力，n ；q j 为抽 第2 章地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计理论与方法 ( 5 ) 抽油杆柱径向力做功 铲矿詈j ， 呢= r g 。y d x = 呢。+ ： 。= f g ，y d x = 2 q j ，y 。l 岭 q 60 ) 2 y 2 出= 譬 式中，c o 为旋