（机械电子工程专业论文）碳纤维抽油杆采油系统优化设计与网络故障诊断技术研究.pdf

中文籀要 论文题曩： 专业： 硕士生： 指导教师： 璇绎维撼油抒采油系统倪像设谤与网络敖障诊叛技术研究 机械电子工程 施红勋( 楚名 彭勇( 签名 摘要 碳纤维撇油杆采油系统由于能商效的提高系统产液量、降低能糕，近几年在国虎外 油翻得到较大的发磁和应蔫，其有椴好的市场推广前景。圆此有必撰开展与其配套的优 化设计和网络故障诊断的研究。 本文醴簸弱涵丽油并数据为例，分析和研究了穰纤维捅油秆采漓系统静组成、研究 现状及特点，建立了碳纤维抽油杆柱的纵向振动数学模型，在此基础上提出了碳纤维抽 淘稃程的优化设计方法，稠闻“澄满”将碳纤维摘瀚杼等效为圆形箍油秆以推导其阻届 系数，采用有限差分法求解该模型的数值解，结合采油系统的初始条件、寇解条件和工 况参数给蠢了系统豹饶纯设计参数、预溺静泵功蚕及魏面功图。实际应用绪桑表萌：该 优化设计算法是切实可行的。 本文援懑了稳蠲有陵蕈元法求辩疆纤缭摘涵释继翡敖簿诊簌模篷，得到并下象功图 数据，运用灰度统计特征来提取泵功图的特征参数，并结合专家故障判断推理规则得出 采、淫系统弱鼓障类蘩。 本文重点探讨了运用a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) 、a c t i v e x 控件、s q ls e r v e r 数据库等 按零来实瑗缓纾维攘、漶耔采 鑫系统秘远程数薅诊戮，完成了远程敖簿诊叛瓣滔鹣蘩梅窝 规划。研究袭明：该远程故障诊断技术，不仅能克服传统诊断软件的一些弊端，而且还 毒诲多撬点；胃鞋实现异穗、多方豹诊凝；霹戳使诊甑系缓豹学习辊会大大缮热，筵享 的数据库不断扩展：可以有效地延长油井的检泵周期，避免频繁作业，降低生产成本。 遥过本文茨磅究，可以为碳绎缭接涵移采油系统戆燕广盛用提供较为完整淘配套技 术。 关键词：碳纤维抽油杆柱；采油系统；优化设计；网络故豫诊断；a e t i v e x 控件 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt h et e c h n i q u eo fo p t i m i z a t i o n d e s i g na n dn e t w o r kf a u l t d i a g n o s i so ft h ec a r b o nf i b e rc o n t i n u o u ss u c k e rr o do i lp r o d u c t i o ns y s t e m s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：s h ih 。n g x u n ( s i g n a t u r e ) 6 女纽匕幽 i n s t r u c t o r ：p e n gy o n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h ec a r b o nf i b e rc o n t i n u o u ss u c k e rr o do i lp r o d u c t i o ns y s t e mc a l le f f e c t u a l l yi m p r o v e p r o d u c e df l u i dr a t ea n dr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o no fs y s t e m i th a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l y a n da p p l i e dl a r g e l yi nt h en a t i o na n da b r o a da n dh a sg o o dm a r k e tp r o s p e r i t y s oi ti sn e c e s s a r y t od e v e l o pt h er e s e a r c ho f o p t i m i z a t i o nd e s i g na n dn e t w o r kf a u l td i a g n o s i s t h ep a p e ra n a l y s e sa n dr e s e a r c h e st h ec o n s t i t u t i o na n dt h er e s e a r c h i n gs t a t u sa n dt h et r a i t o f c a r b o nf i b e rc o n t i n u o u ss u c k e rr o do i lp r o d u c t i o ns y s t e m t h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nm a t h m o d e lo fc a r b o nf i b e rc o n t i n u o u ss u c k e rr o ds t r i n gi sb u i l tu p t h et e c h n i q u eo fo p t i m i z a t i o n d e s i g no f c a r b o nf i b e rc o n t i n u o u ss u c k e rr o do i lp r o d u c t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d t h ec a r b o n f i b e rc o n t i n u o u ss u c k e rr o di se q u i v a l e n tw i t ht h er o u n ds u c k e rr o db yu s i n gw e r e dp e r i m e t e r t h en u m e r i c a lv a l u eo fm o d e li ss o l v e db ya d o p t i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d c o m b i n i n g t h eo r i g i n a lc o n d i t i o n t h ef i xs o l u t i o na n dt h eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o np a r a m e t e ro ft h eo i l p r o d u c t i o ns y s t e m ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g np a r a m e t e ra n df o r e c a s t i n gp u m pc a r da n dt h e g r o u n dc a r da r eg a i n e d i ts h o w e dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sf e a s i b l e t h ep a p e rp r e s e n t st h en e t w o r kf a u l t d i a g n o s i sm o d e l t h ec a r b o nf i b e rc o n t i n u o u s s u c k e rr o ds t r i n gi ss o l v e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ed a t ao fd o w nw e l lp u m p c a r di sg a i n e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro ft h ep u m pc a r di sp i c k e du pb yu s i n gt h e p r o p e r t i e so fg r e ys t a t i s t i c a l c o m b i n i n gt h er e a s o n i n gr u l eo fe x p e r tf a u l tj u d g e ，t h ef a u l tt y p e o f t h eo i lp r o d u c t i o ns y s t e mi ss o l v e d t h ep a p e rr e s e a r c h e su s i n ga s p r a c f i v es e r v e rp a g e ) 、a c t i v e xc o n t r o lu n i ta n ds q l s e r v e rd a t ab a s eo ne m p h a s e s t h er e m o t ef a u l td i a g n o s i so fc a r b o nf i b e rc o m i n u o u ss u c k e r r o do i lp r o d u c t i o ns y s t e mi sr e a l i z e da n dt h ec o n s t r u c t i o na n dt h ep l a n n i n go f t h er e m o t ef a u l t d i a g n o s i sw e bs t a t i o na r ef i n i s h e d i ts h o w st h et e c h n i q u eo fr e m o t ef a u l td i a g n o s i sn o to n l y c a ng e to v e rs o m ea b u s e o ft r a d i t i o n a l d i a g n o s i ss o f t b u ta l s oh a v em a n ym e r i t s i tc a n i m p l e m e n tt h ed i a g n o s i so fd i f f e r e n tl o c a t i o n so rm a n yd i r e c t i o n s i tg r e a t l yi n c r e a s e st h e c h a n c eo fs t u d yd i a g n o s i ss y s t e ma n dc o n t i n u o u se n l a r g e st h es h a r ed a t ab a s e i te f f e c t i v e l y p r o l o n g st h ec h e c k i n gp u m pp e r i o do fo i lw e l la n da v o i d s 矗e q u e n tt a s ka n dr e d u c e s i i i 英文摘要 p r o d u c t i o nc o s t i n t e g r a t ec o r r e s p o n d i n gt e c h n i q u eh a sb e e ne x p a n d e da n da p p l i e di nt h ec a r b o nf i b e r c o n t i n u o u ss u c k e rr o do i lp r o d u c t i o ns y s t e mt h r o u g hr e s e a r c ht h ep a p e r k e y w o r d s ：c a r b o nf i b e rs u c k e rr o ds t r i n g ；o i lp r o d u c t i o ns y s t e m ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ； n e t w o r kf a u l td i a g n o s i s ；a e t i v e xc o n t r o lu n i t ； t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y * i v - 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：趣丝坠日期：坦= 型 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 日期：塑堕：丛 日期：巡：f ! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的目的、意义和影响 碳纤维增强复合材料连续抽油杆( 以下简称碳纤维抽油杆) 是我国于9 0 年代中后期 引入和研制开发使用的一种新型连续抽油杆，它具备防振动松脱好、抗冲击断裂和疲劳 断裂高、耐磨损、耐腐蚀、密度小、抗拉强度高、无( 或少) 接头、产液量大及效率高、 事故几率低等特点，现已成为有杆抽油井采油方式中一种重要的柔性连续抽油杆，尤其 在开采深井、超深井、腐蚀性油井等以有杆抽油泵为机械采油方式的油田有着巨大的优 势和发展潜力。 通过本项目的研究给出最优碳纤维抽油杆采油系统最佳工作状态的参数以及实现碳 纤维连续抽油杆采油系统的远程诊断，可以指导碳纤维抽油杆采油系统的下井作业和修 井作业，更好的推广碳纤维抽油杆采油系统的应用。 本项目的意义在于：碳纤维抽油杆是一个正在发展中的特种连续抽油杆，不仅具有 其它连续抽油杆接箍少、作业方便的特点，而且还有其自身的优点。碳纤维抽油杆采油 是一种机械采油技术，同其他抽油杆采油方式一样，如果杆柱设计不合理或管理不当， 系统中的机、杆、泵及油井均会发生故障。当泵的工作特性和杆柱特性与油井工作参数 不相适应时，采油系统故障发生率迅速上升。因此准确的设计碳纤维抽油杆与加重杆的 杆柱组合，合理的预测油井的产量和机、杆、泵及油井的各项参数，既能保证油井的产 量，又能明显提高整套碳纤维抽油杆采油系统的效率，还能延长机、杆、泵的使用寿命。 而当碳纤维抽油杆采油系统发生故障时，故障诊断技术能迅速的确定待诊的油井的故障 及相关参数，对于指导正确的修井作业具有重大的意义，可以避免不必要的损失和降低 作业成本。因此，以碳纤维抽油杆柱优化设计和故障诊断技术为基础，模拟实际工况进 行系统的设计和诊断以指导下井和修井作业是一种切实可行的方法。实践证明，通过杆 柱优化设计出来的杆柱组合能明显提高整个抽油系统的效率和延长机、杆、泵的使用寿 命；通过故障诊断技术能够准确的诊断出系统的故障类型，给出相应的解决策略。这对 于保证整个有杆泵采油系统安全、可靠、有效的工作有着重要的意义。 本项目的理论研究证明，碳纤维抽油杆的使用能够有效的解决深抽井需要更换大型 抽油机的问题，解决了超深井的开采问题：给碳纤维抽油杆的推广应用提供了理论依据， 而且碳纤维抽油杆自身的多种性能也将会促进油田机械采油装置的更新换代。随着碳纤 维抽油杆的发展，有可能在陆上和海洋替代4 0 或更多的钢质抽油杆。 1 - 2 国内外发展现状与趋势 碳纤维抽油杆用于有杆泵系统采油的应用研究起源于美国，美国利用其独特的航空 航天技术和材料技术，经过l o 多年的努力，于2 0 世纪9 0 年代初研制成功碳纤维抽油杆、 专用的油井作业设备和碳纤维抽油杆一钢抽油杆的混合抽油杆柱设计软件，并进行了矿 场试验【1 】， 2 1 ，1 3 1 ， 4 1 ， 5 1 ，【6 】。1 9 9 1 年5 月至1 9 9 5 年1 1 月美国在3 3 口抽油井中使用了碳纤 西安石油大学硕士学位论文 维杆，平均泵挂深度为1 4 4 4 m ，平均泵径为5 0 5 m m ，7 口井的平均冲数为1 0 5 m i n ，平 均地面冲程为3 9 4 m ，碳纤维杆的长度占整个抽油杆柱长度的平均比例为5 6 8 ，井底 的平均温度4 2 7 ，井液平均含水8 8 8 ，平均日产液9 1 7 t 。其中有一口井正常运行 了4 年，另一口含h 。s 的井正常运行了3 年，还有几口井也连续运行了3 年多。这3 3 口 井在4 年半的矿场试验中共作业4 5 井次，最主要的失效形式是钢接头疲劳断裂和碳纤维 杆端部连接部位失效，其次是由于碳纤维杆受压应力引起失效。试验结果表明：碳纤维 抽油杆是一种很有发展前途的特种抽油杆。 国内于9 8 年前后在媒体上相继有过一些文献报道【7 ， 8 】，【9 】， 1 0 i 【1 l l ，【1 2 ， 1 3 1 | 【1 4 1 ，但作 为一种新的采油方式，国内采油工程界尚未对其进行配套技术的系统研究。我国学者于 9 8 年前后开始研制该产品及其相关技术，1 9 9 9 年张连山简单地介绍了美国碳纤维杆的使 用情况：2 0 0 0 年陈厚等介绍了以环氧树脂作为树脂基体，以碳纤维作为增强材料，采用 拉挤成型工艺生产树脂基碳纤维复合材料抽油杆；并分析和讨论了该连续生产过程中易 出现的问题。2 0 0 1 年4 月吴则中等详细介绍了美国碳纤维连续抽油杆的研究、生产、油 田应用等情况，指出：碳纤维连续抽油杆适用于高含水油井、深井、超深井和腐蚀井的 原油开采。我国现有四个制造厂研制成功碳纤维抽油杆，研制成功的碳纤维抽油杆具有 较高的抗疲劳强度，最高许用工作温度达1 5 0 ，产品质量符合sy t6 5 8 5 2 0 0 3 碳纤 维复合材料连续抽油杆的要求。目前我国正常使用碳纤维抽油杆的抽油井有4 6 口，矿 场应用结果表明，节电和增产效果明显。我国约有抽油井8 万口，原油平均含水在8 0 以上，泵挂深度2 0 0 0 m 以深的井数占总井数的1 5 以上，腐蚀井的井数也占总井数1 5 以上，因此，碳纤维连续抽油杆在我国有广阔的应用前景。 近年来国内也先后研制出了碳纤维抽油杆，在国内油田的应用获得了初步的成功。 由于其在自重和强度上的明显优点，在常规油井中有很大的应用潜力。在采油工程界使 用的抽油杆设计方法主要有3 种，这3 种方法适用于常规的抽油杆。第1 种是从有杆泵 抽油系统诞生以来不断完善的经验或半经验设计法，这种方法大多来自抽油杆生产厂家， 方法简单、适用，但缺少理论根据，国内学者已经提出使用该方法设计碳纤维抽油杆柱 和玻璃钢混合抽油杆柱5 j ， 1 9 1 。第2 种是a p i 方法，这种方法有一定的理论基础，在国 际石油工程界得到了广泛的应用，全世界有数万口抽油井是采用该方法设计的，而且安 全可靠、使用方便，但是它的设计准则是建立在一些简化条件下的。国内外学者曾提出 用a p ir pl l l 推荐作法设计玻璃钢混和抽油杆柱、钢丝绳连续抽油杆绳杆柱和碳纤维抽 油杆柱 2 0 l ， 2 1 】， 2 7 1 ， 2 3 】 2 4 1 。第3 种方法是根据抽油杆柱的波动方程和相关的边界条件求 解的结果来进行设计的，这种方法理论性强、精度高，在国内外得到了广泛的应用【2 6 】，1 2 7 】， 但目前在碳纤维抽油杆优化设计方面还未进行过相应的研究。 在网络技术基础上的远程故障诊断模式最早是在远程医学( t e l e m e d i c i n e ) 领域开 始的1 3 l 】， 3 2 1 。同时，发达国家也开始关注和研究网络技术在工业领域里的应用。斯坦福 大学和麻省理工学院合作开发了基于因特网的新一代远程诊断示范系统。密执安大学也 2 第一牵缝论 在积极针对机械加工的远程诊断和制造系统的研究工作，并在因特网上设立了一个宣传 站点。美嚣的d m 2 0 0 0 系统和p d s 2 0 0 0 系统都是黼络系统，能对多台设备丽对避行在线 监测和智能诊断多种典型故障，具有远程通信能力，能与企业的管理和控制系统联网通 信，使企波静不阕都门都雅同时获取设备运行信惑，也畿对不同蘸区不同企韭的设备进 行监测和诊断。在工业应用方面，美国的话屋公词( w e s t h o u s e ) 建立了电厂数据库和 诊断运雩亍中心；美圈电力研究所( e p r i ) 建立了魄厂蓝溺与诊断中心；德阑西门予公司 和a b b 公司等也开发了相应的监测与诊断系统。所以开发基于计算机网络技术綦础上 静远程诊新和薤溅系统是一颈薪兴静工韭癍丽方淹，丽盈掇其实麓价谴。 国内幽于科研资金、人力不足等原因，工业领域的远程诊断工作进展相对较慢。华 串疆工大掌、嚣安交逶大学、同济大学已经开始了前麓磷究工俸。华中毽工大学疆经在 因特网上建立了一个远程诊断宣传站点，向国内用户介绍远程诊断技术，并以技术示范 瓣方式囱麓户疆鼷寄陵静远程渗鼗鼹务。黼济大学司德鬣一家公嗣台 辛铃对上海大众汽 车公司冲压生产线进行远程服务系统的研究，包括故障诊断技术的开放性专家系统、协 霜专家会议等功裁。上海阏滂大学c t m s 研究中心夯绍了露l 建金鼗匏远毯馥漳诊薮系统 的模型，同时结合中德政府合作项霸面向上海大众汽车有限公司的具体应用给出了实例。 舅一方瑟，嚣乡 石潼互堑已缀在钴掇瓣远程专家控裁系统上斑弱了躐终技零，实现 了在钻机工作期间的远程昴地控制监测及钻井信息的网络共享，以及油田现场实时数据 传辕系统帮痤爱了远程鄹络技术。霆内，大庆窝耨疆酒露等单谴瓣采题国乡 遴毯瓣演圈 信息管理系统，由中控室处理从前端传输过来的各种工艺参数信号，其实现形式是基于 慰域嬲的客户极黢务器模式，逐存在与零缝设各豹接目秘穆棱懿阏题。 由上述的国内外发展状况可着出，碳纤维抽油杆采油系统的优化设计与网络故障诊 敷磷究还处子初期，基于羰纾维獭洼柽采、渡系统熬貔他设诗与网终远程诊叛技术褒采溜 工况上的应用还是较新的领域，遗有大量的工作要做，迫切需要展开规模的研究正作。 l 。3 论文魄主要研究内容 本文以胜利油田油井数据为例，分析和研究了碳纤维抽油杆聚油系统的组成、研究 现状及特点，在此基础上开展与其配套的枉柱优化设计孝珏网络故蹲诊断研究工作。 对于碳纤维抽油秆采油系统的优化设计，本文主要的研究内容包括： 1 通过分柝碳纤维抽油杆挂缎台鲍缴囱振动，导出其纵向搬动波动方程的数学模 型； 2 。用褥限差分法求解波动方程数学模型； 3 莉厢“湿阕”将碳纤维抽油杆等效为圆形韵油杆，通过计鳟抽油秆柱在一个循环 中由粘滞力引起的摩擦功来推导其阻尼系数，并农相同的条件下与钢制抽油杆的阻尼医 予和阻尼力作对比分析： 4 利用碳纤维抽油杼采油系统的初始条件、定解条件，结合系统的工况参数给出系 统的优纯设计参数和预测豹泵功瀚及地耐功图； 西安石油大学硕士学位论文 5 机、泵的优选。机、泵的优选原则为：产量确保，小泵径优先，长冲程优先，低 冲次优先，即在确保产量的前提下，按小泵径、长冲程、低冲次的先后顺序优选。 对于碳纤维抽油杆采油系统远程故障诊断，本文主要的研究内容包括： 1 利用有限单元法求解碳纤维抽油杆柱组合的数学模型，得到井下泵功图数据，运 用模式识别中的灰度统计特征法来提取泵功图的特征参数，并结合专家故障判断推理规 则得出井下泵功图的故障类型； 2 碳纤维抽油杆采油系统的故障数据的采集，通过到胜利油田的采油现场对典型故 障油井的故障数据进行采集，作为诊断标准工况和诊断专家判断规则的依据： 3 远程诊断中心的通讯网络、诊断模块的架构及规划。将基于a c t i v e x 控件技术的 故障诊断模块嵌入诊断网页中以后，运用a s p 技术搭建w e b 服务器、浏览器的远程诊 断模型框架； 4 运用s q ls e r v e r 数据库技术建立动态w e b 数据库。建立包含了抽油井数据资料、 抽油机的数据、地面示功图、知识库、典型故障功图等数据多种数据形式的s q ls e r v e r 数据库； 5 远程诊断技术网站的组建和规划。组建面向远程用户的故障诊断网站，提供多方 位的诊断服务： 1 4 论文的来源及受助情况 目前，本人所在导师的课题组在总结了其多年开展“有杆泵采油系统优化设计与故 障诊断技术应用研究”的研究成果的基础上，通过大量的调研，已收集到有关碳纤维抽 油杆采油系统的优化设计与网络故障诊断的设计与实现的资料和文献，并已经做了一些 切实的工作。因此通过本论文的研究，应用先进的远程诊断模式能进一步提高碳纤维抽 油杆采油系统的优化设计与故障诊断水平，切实促进纤维抽油杆采油系统在油田的广泛 应用。 另外，本论文的研究内容是省级重点学科“机械电子工程”的主要研究方向之一：“机 械系统工况监测与故障诊断”的长期研究课题内容，得到陕西省教育厅专项科研计划项 目“基于网络技术的有杆抽油井故障远程诊断系统研究”的项目资助，同时课题组已经 与胜利油田工程机械总厂开展了“碳纤维抽油杆采油系统优化设计与故障诊断软件”的 开发，为本论文的研究和实现提供了充足的技术、资料和经费的保证。 4 第二章碳纤维抽油杆采油系统的概述 第二章碳纤维抽油杆采油系统的概述 2 1 碳纤维抽油杆和其它抽油杆的比较 近年来，国内外抽油杆技术发展很快，为满足高难度油井的采油需要，研制了许多 新型的抽油杆，品种不下数十种，概括起来分为连续柔性( 包括半刚性) 抽油杆和刚性 抽油杆，现将主要品种列于表2 1 。 表2 1 目前设计和使用的抽油杆类型 类 型 抽油杆名称结构特征特点 普通钢由强度较高的钢制实 1 技术成熟 2 价廉，适用性强 抽油杆心圆形杆，分段连接 3 自重大，不耐腐蚀 超高强度钢 由高强度合金钢制造， 1 刚性、强度均较普通钢质抽油杆 结构为实心圆形杆，分 提高 抽油杆2 自重相对减少 段连接 刚 3 具k 级杆的耐蚀性 性 不锈钢 有完全不锈钢型和表1 能提高耐蚀性 连 抽油杆 面喷涂不锈钢型实心2 自重大 接 圆形杆，分段连接3 价格相对较高 式 铝合金有高强度铝合金制成 1 自重为钢的1 3 抽 抽油杆实心圆形杆，分段连接 2 耐蚀性相对提高 油 3 正在试用中 杆 内孔有小孔和大孔两 1 可通过空心孔向井内注入热油、 钢制空心稀释剂等辅料或架设电阻丝加热 抽油杆 种，为空心圆柱状杆， 井下油质 分段连接，孔一直相通 2 适用开采高凝油、稠油、结蜡等 由玻璃纤维增强树脂1 自重轻( 比铝质更轻) 玻璃钢材料制成，为实，t l , 园柱2 强度高，耐腐蚀性强 抽油杆形杆，分段连接，每节3 扭矩小、抽油效率高、但耐疲劳 比钢杆长，性差，使用年限短 连由长方形截面的钢带1 长方形扁带式柔性杆，可以卷绕 续制成的带式连续杆包装、起下方便 柔钢带抽油杆截面尺寸为( 2 3 5 )2 无接头，减少活塞效应 性m i l l x 4 5 m m3 可供1 0 0 0 3 0 0 0 米深井使用 抽4 不耐腐蚀，自重大 西安石油大学硕士学位论文 油椭圆形截面形状的钢 1 - 柔性较差，要用大直径的架卷 杆质半刚性抽油杆( 有6 椭圆形连续2 产品类型多，已广泛使用，技术 抽油杆 种型号，椭圆长轴 成熟，可用于3 5 0 0 米以上的深井 2 2 9 3 2 3 m m ，短轴 1 5 2 1 8 9 m m ) 1 连续可卷装 钢丝绳由多种钢丝编织成绳2 起下方便 抽油杆缆，外加保护层3 耐蚀性差，耐磨性差 4 延展性大，影响冲程 长方形截面带状连续 1 连续可卷装 碳纤维 杆，由碳纤维和树脂材 料制成，基本截面尺寸 2 起下方便 抽油杆3 质量最轻、强度最高 为：( 3 5 ) m m 4 耐腐蚀 ( 3 0 3 5 ) r n r f l 在有杆泵抽油系统中，抽油杆是关键部件之一，尽管国内外已研制出多种高强度和 超高强度常规抽油杆，并且不断完善其相关工艺技术，使抽油杆的使用寿命有了较大的 提高，但由于常规抽油杆本身的结构特点，它存在以下难以克服的弱点： ( 1 ) 常规抽油杆必须靠接头和接箍将多根抽油杆连接起来后才能实现井下抽油。下 泵越深，接箍越多，这些接箍在长期承受交变、冲击和振动载荷的工作条件下往往会发 生脱扣，以至断裂和杆柱的弯曲疲劳折断等。这种失效约占抽油杆柱失效总数的5 0 以 上。 ( 2 ) 由于接箍的多级活塞效应，当抽油杆柱在油液中运动时，将产生较大的附加摩 擦阻力。 ( 3 ) 由于常规抽油杆的起、下作业是间断进行的，使其作业时间较长。 ( 4 ) 在斜井中，抽油杆与油管之间的摩擦主要集中在接箍上，上冲程时，载荷最大， 加剧了接箍和油管之间的磨损，而为了减轻这种磨损，往往在抽油杆上加扶正器，但这 样会使抽油机的载荷增加2 0 以上。 ( 5 ) 在深井采油中( 泵深2 5 0 0 3 2 0 0 米) ，常规钢抽油杆自身的重量已占去举升重 量的6 0 以上，导致系统效益大幅下降，成本升高。 ( 6 ) 常规钢抽油杆自身密度和抗拉强度的双重约束，下泵深度受到限制。 鉴于上述情况，研制具备防振动松脱、抗冲击断裂、抗疲劳断裂、耐磨损、耐腐蚀、 密度小、抗拉强度高、无( 或少) 接头的连续抽油杆就成了热点研究领域。用轻质高强 碳纤维复合材料制成的连续抽油杆( 如图2 1 ) ，具有连续杆的一切特性。另外，由于 其质轻的特点，在常规井中可使抽油机的型号降低；适中的弹性模量，保证抽油杆提升 6 第二章碳纤维抽油杆采油系统的概述 霄足够静孥程；裔鹣疲劳强度帮极好酶耐藤锤经熊，傈迸了使霜寿命可遮3 5 年。 碳纤维抽油杆是采用高强型聚丙烯腈基 ( p a n ) 骥纤维长丝为潜强毒孝料，绫繇氧( 或改穗 环氯) 树脂或乙烯基酯树脂为基体材料，通过拉挤 残整工艺爨冬瑟袋。碳纾缝跑重较轻，强瘦裹，瑟 裂废变很小，导热，耐磨，摩擦系数小，耐腐蚀性 磐，是爨予靛天靛空豹毫掰楗辩。翅6 0 v 0 1 懿碳终 维和4 0 v 0 1 的基体树脂复合的单向拉挤复合材料， 其瞧韪与镧、玻璃镄摆魄，碳努缍复合睾孝秘兹密蘩 最小，比强度、比模量最商，刚性好，变形最小； 另终在囊砉熬导热、嚣重囊蚀耱热变形j | 生l 方藤遣缀俊 异。用碳纤维树腊复合材料制成的抽油杆，因为其图2 - - 1 碳纤维浅续抽油杆 比黧轻，强度毫，耀对于镪凄材糕瑟言，在渍是泵匏载饕祭 孛下可以蠼较小夔截藤裁残 扁溅的带状连续秆，它具有连续杆的一切特性，如： ( 1 ) 碳缍维撼浊爨因为其毙蘩轻，强度毫，每予米羹爨仅3 0 0 k g ，嚣铡厦搀溜疑( 以 最轻的中1 9 钢杆为例) 每千米重爨达2 3 4 0 k g ，因此可以降低举升能耗，降低抽油机级 别，减少| 囊蘧设釜的一次瞧投入费用，降低戆耗达5 0 左右。 ( 2 ) 由于其煎量轻、强度高，解决了深井、超深并、斜井的机械采油难题，燕现大 泵涤撞，提高采浊效率。 ( 3 ) 碳纤维抽油杆无需使用常规金属接头，每千米可省去常规金属接头1 2 0 个以上， 可大大降低液体流动阻力，消除活塞效应，降低接头的敝、脱事故率。 ( 4 ) 由于碳纤维，树脂复合材料的特性，碳纤维抽油秆有较高的比强度，而受拉延 伸率很小，碳纤维复合材料的弹性形变可实现超冲程采浪，因而比金属抽油杆丽畜，丈 大提高了獭油泵桂塞的有效冲程，提高产油量。 ( 5 ) 碳纤维树脂复合材料肖良好的耐腐蚀性能，因而运用于井况腐蚀介质较高， 以及海洋的机械采油。 ( 6 ) 碳纤维抽油杆的截面为矩形扁带式，可以缠绕在中3 m 的轮盘上，运输极为方 便，作监简单， 乍泣效率沈钢质接头秆提高4 5 倍。 此外，由于碳纤维复合材料的特殊性质，使遣续孝于其有： ( 1 ) 极好静掰腐蚀毪能。碳纤维几乎能抗各萃牵强酸稻强碱，只是由予基体树黯的缘 故会对某些高浓度酸( 如醋酸) 和碱( 如n a o h ) 及高湿度下才易受损害，但在一般浊 并多# 况下黼腐蚀毪远晓玻璃钢及钢材饶雾。 ( 2 ) 极高的抗变形性能保证提升有足够的冲稷。从断裂伸长、比模量和热膨胀系数 鞠磁看翻，碳纤维笈台材料凡乎在断裂蓠不会产黧大的交形或热窝形，其离豹院模量提 供极高的弹性，所以提升澈程中保证了稳定的冲穰。 西安石油大学硕士学位论文 ( 3 ) 耐磨耗往及摩擦系数低使秆的磨损很小。 ( 4 ) 具有离的疲劳强度，使用年限长。由于杆受周期性交变载荷、振动载荷和冲击 载荷，玻璃锯疲劳性能竣差，在1 0 6 次交变载蘅作焉下强度降低至原采静2 0 ，大约1 6 年即此结果，可见其使用寿命之低；而碳纤维复合材料即使在1 0 7 1 0 8 交变作用下其强 度仍为琢值酶6 0 ，甚至可傈持9 0 ，所班英俊用寿命穰长。 由于碳纤维抽油杆的以上特点，油井越深，采用碳纤维抽油杆采油系统的采油量及 效率越黼，弓l 超豹事故几率将魄传统脊大为减少，碳纤维籀漓稃采涵系统静广泛使蔫褥 会显著增加采油效益。 2 。2 穰纤维接油秆采漓系统酶梅成 由于碳纤维抽油杆采油系统的通用性，可以采用现有的地酾抽油机、采油井口、集 输设备簿，仅辩碳纾臻糖澹秆农使霜中上部与光释连接，下部与耱重杼连菝赴敬为特殊 设计的接头( 接头基本结构示意图如图2 2 所示，该接头是一颈实用新型专利纤维增 强复合枣葶秘连续弦灌秆谈头) ，劳下麓挂热重褥与嵇滚泵连接。冀基本魏绥戒结稼翔下 图2 3 所示： 豳2 2 磺纤缀抽油秆攘抉基本缩构示意瑟 1 碳纤维抽油杆2 内筒3 外套4a p i 抽油杆接头 图2 3 碳鍪 维抽油杼采油系统构成 接油辘2 光秆3 油管4 并簿5 上接头 6 碳纤维事由油杆7 下接头8 加璧杆9 抽油泵 1 0 井下液面 2 3 穰纤维抽油秆采油系统的优点 使用碳纤维抽油杆采油系娩能明照地提高产量和裂效，降低能耗，主要原因是碳纤 3 第二章碳纤维抽油杆采油系统的概述 维抽油杆采油系统有着其它常规抽油杆采油系统不具备的优点： ( 1 ) 作业操作简单，起下作业速度快，易达到高效率操作； ( 2 ) 基本可沿用常规抽油机、泵，机械设备无须大改动，工作可靠。 ( 3 ) 碳纤维抽油杆与钢杆相比，其弹性模量( 分别为1 l o g p a 和2 1 0 g p a ) 减小了4 7 6 。 因此碳纤维抽油杆的弹性更大。在杆柱的运行过程中，杆柱的振动会使碳纤维抽油杆柱 运动的加速度发生变化，造成杆柱上、下冲程的末端( 泵柱塞) 的位移迟滞于驴头悬点 的位移，即上死点时，杆柱会在惯性作用下继续上移一段距离；下死点时，杆柱会在惯 性的作用下继续下移一段距离；这样运动的结果使杆柱末端( 即泵处) 的实际位移比理论 的位移要大，甚至出现超冲程的现象。 ( 4 ) 碳纤维抽油杆采油系统采用的冲程长度比普通的钢抽油杆抽油系统的冲程长度 长，在相同的油井条件下，其损失的冲程长度占悬点的冲程长度的比例就低，从而使冲 程效率变高，增加了油井的产量和泵效。 ( 5 ) 碳纤维抽油杆的杆柱表面光滑，类似于钢抽油杆的接箍很少，使得像钢抽油杆 的“活塞效应”减小，同时杆柱表面结蜡现象减轻。直接的结果是使流动阻力减小，最 终导致悬点载荷减小，扭矩减小，动力消耗降低。 ( 6 ) 碳纤维抽油杆采油系统的杆柱组合是柔性的，在其运动的过程当中，一般不会 和抽油管发生碰撞和磨损，又直接降低了阻力，最终导致悬点载荷减小，扭矩减小，动 力消耗降低。 ( 7 ) 工作效率高，承载能力大，采用碳纤维抽油杆可加大泵的直径，增大有效载荷 液柱的重量，提高油井的采油量。 ( 8 ) 适用性强，可有效地用于具有不同生产条件的油井，如深井超深井采油、大泵 强采等； 2 4 碳纤维抽油杆采油系统的应用现状及存在的问题 美国于1 9 9 1 年5 月至1 9 9 5 年1 1 月在3 3 口抽油井中使用了碳纤维杆，平均泵挂深 度为1 4 4 4 m ，平均泵径为5 0 5 m m ，7 口井的平均冲数为1 0 5 m i n 一1 ，平均地面冲程为3 9 4 m ， 碳纤维杆的长度占整个抽油杆柱长度的平均比例为5 6 8 ，井底的平均温度4 2 7 ，井 液平均含水8 8 8 ，平均日产液9 1 7 t 。其中有一口井正常运行了4 年，另一口含h 2 s 的 井正常运行了3 年，还有几口井也连续运行了3 年多。 目前，我国正常使用碳纤维抽油杆的抽油井有4 6 口( 见表2 2 ) ，最深的泵挂深度为 3 0 0 3 4 6 m ( 泵径3 8 r a m ) ，安全运行时间最长的超过8 1 5 天l l 。 表2 2 我国正常使用碳纤维抽油杆的抽油井井数 制造厂工程机械总厂龙口东辰嘉兴 抽油井数 91 22 l 4 我国各油田共有油井8 万多e l ，其中用机械方式采油的占7 0 近5 万多口，而其中 话安石油大学硕士学位论文 深并、超深并，矿记秘较高豹瘸锤萑焱静溃并占2 0 ，在谣部漓圈鹃_ 歼发中不断密璃深 井、超深井，大部分油井深度超过3 0 0 0 米，部分超深井己接：j 履5 0 0 0 米。现在碳纤维抽 酒桴采漓系统在我藿各潼圈芷楚予试骏除袭，其中在簸零j 潼隧豹试验溜并最多，获憨翻 油田各个采油厂的油井的现场试验资料可以看出，单井日产液量明显提高，泵效平均提 蔫2 4 ，经济效益受著。西藏，瑗纤维糖漶释会毽獒优良熬特性在我国专广阑静瘦爝 前景。 竣绥维麴漉轷采溪系统僻然存在戮下矮瑟： ( 1 ) 由于碳纤维抽油杆抗压和抗扭强度差，所以蕻采油系统不适合应用于水平井、 麟薯等特臻条绋、洼_ 著筑开采。 ( 2 ) 碳纤维抽油秆采油系统相关的配套的技术还不是很成熟，有待研究开发。例如： 麴汲参数不合瑷，难 美发撂碳绥维撞 囊抒瓣貔努，撞瀵凝选鬏不合理，建成骥绎维强涟 杆柱工作时惯性载荷大、下行程阻力大等不良后果。 ( 3 ) 碳纾缳攮浊秘嚣接头连接屡爨存在越题，容菸出现锻接头疲劳羝裂秘碳纾维锯 端部连接部位失效。 1 0 第三章碳纤维抽油杆采油系统优化墩计 第三章碳纤维搁、漓秆采油系统优化设计 3 1 有杆泵采油系统优化设计技术介绍1 3 9 l 有释袋采潼系统是一个复杂懿系统，蘧常它傻括带动撞酒税的覆动税、麴溃机、撞 油杆柱、井下抽油泵、油瞥等。有杆泵采油系统优化设计并不是从机械设计的角度来设 诗蘩一耪辛鑫演凝、砉盘渣泵等祝棱设备，嚣怒要为绘定豹菜一西_ 灌劳选定套合理豹掇、 泵、杆组合，并确定其工作参数。 有括祭采涵系统往纯漩诗豹癌容帮多骤蟊下： 1 设计内容 有抒浆采涵蓉绫佳纯浚诗熬嚣箍条终跫：基翔套管射孑t 段孛蘩深度及足寸、演营尺 寸及长度、初选抽油机类测、油井油、水、气产量以及密度、动液面高度、套管生产压 力、关著容器、关著涟匿簿。在上述已怒条停下，暹过系绞甓纯设诗，藏螽嚣完戏数没 计内容包括以下三个方面： 1 ) 礁定涵并产量； 2 ) 计算各种载荷并确定系统中各种机械设备的类型和规格； 枫壤设备主要是抽涵枫、摄韵撬、撼溃轷、接、渡泵魏漕管。下瑟具髂谥唆各耱撬械 设备的确定步骤。 ( 1 ) 撼、魂樵确定撼浊极懿炎型，楚游粱式还是 游粱式；查鞋选展游粱式撼油捉， 还襦要进一步确定是常规式、偏簧式、前溉式或空气平衡式；选用非游粱式抽油机时， 也霭要确定其具体螅类型。选定类型后，避一步确定其鬏楱；有时还应根据抽浊桃的负 荷及冲程选用或梭核减速箱，最稻找出具体的机型。 ( 2 ) 朦动枧确定原动机鲍类型与搜格，明确是选用黪步电动枫还是天然气发动枫； 如选用异步电动机，是y 系列、j o 。系列或是超高转差率异步机；缀后找出原动机的具体 型号。 ( 3 ) 抽油杆首先要确定怒选用常规钢制抽油杆，遥是选用连续抽油杆、中空抽油 枰戏其它非金属拙油杆；确定类型后，进一步需确定杼的长度，强度等级及尺寸；对应 阶梯秆应确定选粥几种类溅的秆及杆的长度。对予需要安装扶正器的抽、漓杆柱，应确定 捩正器的类型、尺寸、材料和数羹，以及器扶正器的安装位置。 ( 4 ) 擒油泵确定泵的类墅，包括蹩选用管式泵、秆式泵、淫管泵阻及是整体泵还 是树套泵等等。其次是确定泵的内径、柱塞本身长度及可运动长度、柱寨与衬套的配合 间豫等级等。 ( 5 ) 油管确定油管类型( 豫通或外加厚等) 及材料、名义尺寸、壁厚及总长。如 漓管锚定时，还需选定酒篱锚的尺寸与型号。 3 ) 确定系统的工作参数。主疆指的怒抽油机的冲程长度、冲次、所需平衡力矩等。 2 设计步骤 由于有杆泵浆油系统的各个元件是相互联系、共同工作、不可分割的，所以企图首 西安石油大学硕士学位论文 先完垒堍确定冀中的莱一环节，然看程诧基确上进行抗亿设计计算，次往穗确定出系 统的各个环节，在实际中几乎题不可能的。例如：抽油机的负荷决定于泵、杆，而泵、 轩静运潮又爱过来受撼渣辊豹潮约。密予上述特点，凡十年来摄然有孝予泵采、濑系统酌设 计计算方法在不断的完善，但然本上都是采用试算( 试凑) 法，一般包括以下几个步骤， 帮： 1 ) 根据试井资料确定油井产量； 2 ) 寝蕹豢戆要求辩条臀嵇迷设备及工 挈参数： 3 ) 对初选出的系统进行枝核设计计算； 4 将校竣缭巢与辣始要求对魄，翔不潢足，爨羲簧改变秘选参数袋裙选设备，霉遴 行核算，如此j 藏行，直到满足要求为止。 3 。2 袁姆泵采泊系缀优讫设计技术懿发栽 随耩科学技术的进步，有杆泵采油系统优化设计的校核计弊方法也在不断的发展。 躲结起寐设诗诗算方法大致可以分为三大类。它们是逡 娃公式诗嬖法；鞋电模熬诗算嘏 工作为凝础的a p ir pll l 所推荐的方法；求解波动方程的数学方法。下面对兰种方法分 裂作对魄分撰： 1 近似公式计算法 近戗公式诗算是对生产中纛经实施蛉大量蠢柽撼溱系统懿饶秀羧诗数据邀抒统计汇 总、分析、回归处理，再拟合、设计出新的有杆泵抽油系统的优化方法。其优点是： 对与己经实施的优秀设诗参数( 瞧括油藏、共麓及垃覆没冬参数) 楣近熬叛系绞寒说，设 计参数可靠性较高；可以随时添加好的设计结果，剔除差的设计结果，不断修正和究 善系统设计经骏参数( 礁分析及回归黪优秀设诗井数越多，拟会出的掰系