（机械电子工程专业论文）特高含水期水驱及聚驱抽油机井管流特性与泵特性研究.pdf

特高含水期水驱及聚驱抽油机井管流特性与泵特性研究 摘要 有杆抽油在机械采油中- l | 有很大比例，是油田士要耗能设备之一进入特高含水期后，由丁井液性 质的变化。许多油井山现上冲榉载荷增大、下冲样载荷减小的现象，使抽油机片杆管偏磨程度加重，检 泵周期缩短、抽油机的能耗增加。为了实现有杆抽油系统节能降耗，开展特高期抽油机井管流特性与衮 特性研究系统地分析影响抽油机升管流摩擦阻力与泵摩擦阻力的主要原冈，为抽油机升的设计、管理 提供科学依据，具有工程实际意义 为研究特高含水期水驱及聚驱抽油机井管流特性与泵特性，本文针对特高含水期水驱及聚驱井采出 液进行了流变性试验，确定了特高含水期油井采山液的性质属牛顿流体；利_ i ：i 不同介质，进行管流特性 与泵特性试验，得到了不同工况f 杆、管环空流的摩擦阻力和摩阻系数：根据泵特性相关理论和抽油泵 受力分析模梨，计算了不同参数下柱塞与泵筒间的摩擦阻力，并利用缝隙流与液压 紧力理论对柱塞与 泵筒间的摩擦阻力进行了计算计算结果与实测值误差在1 3 以内文章最后对试验数据采集系统给予 了简要介绍。 论文中提出了特高含水期井口采山液的流体特性属牛顿流体这观点，从试验中已得到证明；提出 了特高含水期含水原油桔度的经验计算公式，与实测粘度值误差不超过1 5 ；得到了不同1 ：况f ，杆管 环空流动中的各种摩擦阻力；将流体力学中的缝隙流与液压紧力理论应j h 剑枉塞与泵筒的摩擦阻力计 算中，计算值与实测值误差较小便r 丁虑用丁：i l = 程实际；认识到影响特高含水期抽油机井上冲稃载荷增 大、下冲挥载荷减小的主要原因，在于井液密度的变化。这些结论的取得对油田开发技术水平的提高 有重要的实用价值。 关键词：特高含水有杆抽油系统缝隙流脖擦阻力粘度 r e s e a r c ho np i p ef l o wa n dp u m pc h a r a c t e r i s t i c so fp o l y m e rf l o o d i n ga n dw a t e r f l o o d i n gr o d - p u m p e dw e l li ne s p e c i a l l yh i g hw a t e r - c u ts t a g e a b s t r a e t o i lp u m p i n gw i t hs u c k e rr o dt a k e sal a r g ep r o p o r t i o ni nm e c h a n i c a lo i lp r o d u c t i o n 。a n di so n eo ft h e m a i ne n e r g y - c o n s u m p t i o ne q u i p m e n t a f t e re n t e r i n ge s p e c i a l l yh i g hw a t e r - c u ts t a g e ，m a n yw e l l sh a v ea p h e n o m e n o nt h a tt h el o a di n c r e a s e si nu 口s t r o k ea n dd e c r e a s e si nd o w n - s t r o k ed u et ot h ec h a n g eo ft h e w e l l l i q u i dc h a r a c t e r i s t i c sw h i c ha g g r a v a t e st h ee c c e n t r i cw e a rl e v e lb e t w e e ns u c k e rr o da n do i lp i p e ， r e d u c e st h ep u m pi n s p e c t i o np e r i o da n di n c r e a s e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f p u m p i n gu n i t i no r d e rt os a v e e n e r g ya n dr e d u c ec o n s u m p t i o ni no i lp u m p i n gs y s t e m ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho i lp i p ef l o wa n dp u m p c h a r a c t e r i s t i c so fp o l y m e rf l o o d i n ga n dw a e rf l o o d i n gr o d - p u m p e dw e l li ne s p e c i a l l yh i g hw a t e r - c u ts t a g e i sd e v e l o p e d ，t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c ep i p ef l o wa n dp i p ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c ea r ea n a l y z e d s y s t e m i c a l l y , w h i c hh a sp r o v i d e ds c i e n t i f i cf o u n d a t i o nt ot h ed e s i g na n dm a n a g e m e n to fo i lp u m pw e l l ，a n d h a sap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i no r d e rt od or e s e a r c ho np i p ef l o wa n dp u m pc h a r a c t e r i s t i c so f p o l y m e rf l o o d i n ga n dw a t e rf l o o d i n g r o d - p u m p e dw e l li ne s p e c i a l l yh i g hw a t e r - c u ts t a g e , r h e o m e t r i ct e s ta i m e da tp r o d u c t i o ns t r e a mf r o m p o l y m e rf l o o d i n ga n dw a t e rf l o o d i n gr o d - p u m p e dw e l li ne s p e c i a l l yh i g hw a t e r - c u ts t a g eh a sb e e nm a d e ， a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o d u c t i o ns t r e a mi n e s p e c i a l l yh i g hw a t e r - c u ts t a g ei sc o n f i r m e da sn e w t o n i a n f l u i d e x p e r i m e n t su s i n gd i f f e r e n tm e d i u m sa b o u tp i p ef l o wa n dp u m pc h a r a c t e r i s t i c si sm a d e f r i c t i o n a l r e s i s t a n c ea n dc o e f f i c i e n to ff r i c t i o nr e s i s t a n c eo fa n n u l u sf l u i db e t w e e ns u c k e rr o da n dt h e p i p ef l o wi s c a l c u l a t e du n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s f r i c t i o n a lr e s i s t a n c eb e t w e e np l u n g e ra n dp u m pb a r r e lu n d e r d i f f e r e n tp a r a m e t e r si sc a l c u l a t e db a s e do nr e l a t e dt h e o r yo f p u m pc h a r a c t e r i s t i ca n dt h es t r a i n e da n a l y t i c a l m o d e lo fo i l - w e l lp u m p b e s i d e s ，u s i n gt h et h e o r yo fs l i tf l o wa n dh y d r a u l i c - - c l a m p i n gp r e s s u r e ，t h e f r i c t i o n a lr e s i s t a n c ei sc a l c u l a t e d ，a n dt h ee w o rb e t w e e nt h er e s u l ta n dm e a s u r e dv a l u ei sn om o r et h a n1 3 a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sa r t i c l e v i e w p o i n tt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o d u c t i o ns t r e a mi ne s p e c i a l l yh i g hw a t e r - c u ts t a g eb e l o n g st o n e w t o n i a nf l u i di sp r o p o s e da n dt e s t i f i e di nt h et e s t e m p i r i c a lf o r m u l ao ft h eo i lv i s c o s i t yi ne s p e c i a l l y h i g hw a t e r - c u ts t a g eh a sb e e np u tf o r w a r da n dt h ee r r o rt om e a s u r e dv a l u ei sl e s st h a n15 d e t a i l e d c o m p u t a t i o no fd i f f e r e n tk i n d so ff r i c t i o n a lr e s i s t a n c et ot h ea n n u l u sf l u i db e t w e e ns u c k e rr o da n dt h ep i p e f l o wi sp r o d u c e d t h et h e o r yo fs l i tf l o wa n dh y d r a u l i c - c l a m p i n gp r e s s u r ew a sa p p l i e di nt h ec a l c u l a t i o no f t h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c eb e t w e e np l u n g e ra n dp u m pb a r r e l ，a n dh a sb e e nr e v i s e di no r d e rt ob ea p p l i e dt o r e a l i t ) , t h em a i nr e a s o n st h a th a v ea l li n f l u e n c eo nt h el o a di n c r e a s i n gi nu p - s t r o k ea n dd e c r e a s i n gi n d o w n s t r o k ei ne s p e c i a l l yh i g hw a t e r - c u ts t a g ea r er e a l i z e d ，t h a ti sb e c a u s eo f t h ec h a n g eo f t h ed e n s i t yo f w e l ll i q u i d a l lt h e s ec o n c l u s i o n sh a v eas i g n i f i c a n tp r a c t i c a lv a l u et ot h ei m p r o v e m e n to f e n g i n e e r i n gl e v e l t ot h eo i lf i e l de x p l o i t a t i o n k e yw o r d s ：e s p e c i a l l yh i g hw a t e r - c u t o i lp u m p i n gs y s t e m s l i tf l o wf r i c t i o n a lr e s i s t a n c e v i s c o s i t y l i l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意 作者签名：邋日期：三坐矿 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用 于非赢利冒鹤的少量复帛3 并允许论文进入学校图书馆被查阕有权将学位论文的内客 编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 在解密后适用本规定 学位论文作者签名：鳓鬈变导师签名：墨天寂期a 日期：沙7 ；2 - o日期：妒7 多c o j o 创新点摘要 1 确定了特高含水期井口采出液的流体性质属牛顿流体； 2 提出了特高含水期含水原油牯度的经验计算公式； 3 得到了杆管环空流动中的各种摩擦阻力的计算方法； 4 将流体力学中的缝隙流与液压卡紧力理论应用到柱塞与泵筒的摩擦阻力计算中， 计算值与实测值误差较小，便于应用于工程实际： 5 认识到影响特高含水期抽油机井上冲程载荷增大、下冲程载荷减小的主要原因， 在于含水率的升高。 人庆油学院顾i ：研究生学位论文 引言 目前应用最广泛的有杆抽油设备是游梁式抽油机一抽油泵装置，在我国目前有1 0 万多口抽油机井，占机械采油井总数的9 0 以上，其产量占机械采油井总产量的8 0 左 右，我国机械采油系统的年耗电量己经超过注水系统丽成为油阳生产系统的第一耗能大 户。显然，降低有杆抽油系统的耗电量，提高有杆抽油的系统效率对于油硐节能降耗， 提高油田开发的综合经济效益具有重要的现实意义。 注水油田丌发后期，油井采出液的含水率逐渐增加，井口采出液的流变性质也随之 不断发生变化，由于抽油机井抽汲参数的调整以及抽油机本身固有的弊端，不能适应井 液性质的不断变化，所以在采油工程中的新问题也是层出不穷，这些问题的出现，严重 地影响了抽油机井的正常工作，使检泵周期缩短，能源消耗明显增大。为了从根本上解 决这些问题，实现油田可持续发展的战略目标，就必须有针对性地丌展基础理论研究， 并结合相关试验，使油用丌发的技术水平不断提高。 目前大庆油田大部分区块油井采出液的综合含水率己超过8 5 ，部分区块甚至超过 了9 0 ，己经进入特高含水丌发期( 或称高含水开发后期) 。随着综合含水率的不断上升， 绝大多数油井均出现不同程度的杆管偏磨，以及上冲程悬点载荷增大，下冲程悬点载荷 减小。杆管偏摩使抽油杆断脱几率增加，检泵周期缩短：而上冲程悬点载荷增大使抽油 机装机功率增大，对节能降耗产生不利影响；下冲程悬点载荷减小使上下冲程载荷波动 幅度增加，不仅对电机能耗有负面影响，而且对杆枉振动、磨损等都产生不利影响。针 对这些问题，我们开展了特商含水期水驱及聚驱抽张l 机井管流特性与泵特性研究。 对特高含水期水驱及聚驱抽油机井管流特性与泵特性研究，目前国内外研究文献都 比较少，国内研究主要集中在中高含水期，内容包括：汕井采出液流变性研究、抽油机 井管流特性研究、抽油机并泵特性研究；这些研究从各个方面，深入的分析了采油工程 中存在的诸多问题，有的从理论分析入手，有的从试验分析入手，提出了许多好的解决 问题的方法、建议，有一定的理论根据，有其合理性，可为我们丌展特高含水期的研究 提供许多好的值得借鉴的方法和经验。而在国外由于考虑经济效益的缘故，对处于特高 含水期的油井基本不开采，有关这方面的报道很少，值得我们借鉴的经验也很少。所以， 我们必须立足于我国油田的开采现状，有针对性的开展理论与试验研究，使我国石油丌 采水平不断得到提高。 第一章概述 第一章概述 1 1 本文研究的背景、目的和意义 在油用丌采过程中，地层能量逐渐下降，随着丁f 发时问的延长，地层能量就不能使 油井保持自喷，必须人为地用机械的方法为油井采出液补充能量，石油的开采也由起卡刀 的自喷法采油发展为人工举升采油法( 即机械采油法) 。人工举升法采油的主要方式是 有杆采油和无杆采油，凡是利用抽油杆柱驱动井下抽油设备的统称为有杆抽油设备，凡 是不利用抽油杆柱传递能量驱动并下抽油设备的统称为无杆抽油设备。目前应用最广泛 的有杆抽油设备是游梁式抽油机一抽油泵装置。我国目前有1 0 万多口抽油机井，占机 城采油井总数的9 0 以上，其产量占机械采油井总产量的8 0 左右。据统计，我国机械 采油系统的年耗电量已经超过注水系统而成为油田生产系统的第一耗能大户。若我国有 秆抽油井按1 0 0 0 0 0 口、单井实耗功率按i o k w 、年丌井时问按3 5 0 天计算，则全国有杆 抽油井年耗电8 4 o x1 0 8 k w h 。如果能使有卡丁抽油井耗电量下降1 0 ，则全国有杆抽 油井年节电8 4 x1 0 8 k w h ，年节电经济效益可达到4 2 x1 0 8 元。显然，降低有杆抽油 系统的耗电量，提高有杆抽油的系统效率对于油田节能降耗，提高油田丌发的综合经济 效益具有重要的现实意义。 随着油r 1 的不断开采，油井采出液的综合含水率也不断上升，给油嗣的开采带来了 许多新问题。目前大庆油田大部分区块油井采出液的综合含水率己超过8 5 ，部分区块 甚至超过了9 0 ，己经进入特高含水开发期( 或称高含水丌发后期) 。随着综合含水率的 不断上升和低产油井的大量增加，原油的生产成本越来越高。因此，为了实现油田可持 续发展的战略目标，节约能源消耗，降低开采成本，提高油田丌发的经济效益，就必须 有针对性地对特高含水期抽油机井中出现的新问题丌展研究。 从目前看，由于含水率的升高给采油工程设计、作业带来了许多问题，下面将现场 调查存在的问题作简要分析。 1 水驱抽油机井负载特性变化规律统计分析 对大庆油阳某采油厂5 0 余口水驱井2 0 0 1 - - 2 0 0 5 年的生产数据进行统汁分析，结果 表明：在相同工况( 冲程、冲次、泵径、泵挂) 下，悬点最大载荷随着含水率的上升而 增大，悬点最小载苟随着含水率的上升而减小。下面以某一水驱井为例进行说明。该井 自2 0 0 1 年至2 0 0 5 年一直采用由5 7 r a m 柱塞泵，泵挂始终是1 0 5 4 5 4 m ，在工况相同的情 况下，不同生产时期液面有所变化，所以把悬点最大载荷折算到1 0 0 0 m 进行分析对比。 该井数掘见表l 一1 。 根据生产数据绘制了悬点最大、最小载荷与含水率的关系曲线如图1 - 1 。从图中曲 线可以看出悬点最大载荷随着含水率的上升而增大，悬点最小载荷随着含水率的上升而 减小。 2 聚驱抽油机井负载特性变化规律统计分析 2 人庆彳i 浊学院颀i 研究生学位论文 统计分析了大庆油用某两个注聚区块( 北西块和南中西块) 的生产数据，其中北西 块共1 0 5 口井，2 0 0 1 年丌始注聚，统计数据时间从2 0 0 0 年8 月至今。南中西块2 1 口井。 2 0 0 4 年开始注聚，统计数据时问从2 0 0 3 年8 月至今。从数掘统计分析情况可以看出， 在相同工况条件下，随着含水率的增加抽油机井悬点最大载荷略微有增大趋势，悬点最 小载荷减小；随着含聚浓度的增加悬点最大载荷增大，悬点最小载荷减小。下面以某一 聚驱井为例进行说明。 表1 - 1 水驱抽油机井生产数据表 悬点载荷( k n ) l + p 大 l + p 小i 一 b ub u7 u8 u 9 01 0 0 禽水率( ” 圈卜l水驱抽油机井悬点载荷随含水率的变化曲线 该聚驱井自2 0 0 3 年至2 0 0 5 年一直采用中8 3 m m 柱塞泵，泵挂是9 0 5 8 1 m ，在工况 相同的情况下，不同生产时期液面有所变化，所以把最大载荷折算到8 9 0 m 进行分析对 比。该井生产数据见表1 2 。 表卜2 聚驱井生产数据表 们；寻 m 0 第一章概述 i p kul l 上一 l 上 鎏。孝 ii 1 c ；n 一一 一一_ ， 一媳i 1 j r。 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0m o o9 0 01 0 0 0 召聚浓度( m g l ) 图1 - 2 聚驱井息点载荷随含聚浓度的变化曲线 由以上统计分析可知，在特高含水期抽油机井悬点最大载衙呈增大趋势，这对抽油 机井的设计来说，需要增大抽油机装机功率，对节能降耗产生不利影响；在下冲程抽油 机井悬点最小载荷呈减小趋势，说明下冲程阻力增大，由于上下冲程载荷波动幅度增加， 不仅对电机能耗有负面影响，而且对杆柱振动、磨损等都产生不利影响。 针对特高含水期采油系统中出现的上冲程载荷增大，下冲程载荷减小这一问题，有 登要歼展特高含水期抽油机井管流特性与泵特性的试验研究，通过研究弄清特高含水期 影响抽油机悬点最大载荷增大、最小载荷减小的主要原因，为油甩抽油机井的设计提供 理论依据，这对油阳抽油机井的节能降耗有重要意义。 1 2 国内外研究现状 注水油田丌发后期，随着油井采出液的含水率不断升高，以及聚合物驱油技术的应 用，采出液粘度、密度、溶解气含量不断发生变化，这些因素都会对举升过程产生影响。 比如，目前绝大多数油井均出现不同程度的杆管偏磨，现有文献“”“普遍认为与采出液 粘度变化有关；对采出液的密度来说，它是随井深压力梯度不同而不断变化的值，而且 还受到井液中溶解气含量的影响，目前对井下采出液的众多研究，均把此值看作常数。 而其他方面性质的变化对举升过程的影响还不是很明确。 1 2 1 特高含水期插油机井采出液流交特性研究现状 1 9 9 5 年，赵子刚等1 讨论了大庆喇嘛甸高含水原油的流变性，给出了高含水原油的 流变特性曲线和回归方程。应用流交参数的回归方程可进行气体非牛顿型流体压降计 算，对管道设计和改造有着重要意义。1 9 9 7 年，黄福堂1 讨论了原油在水中乳化液的特 性，利用4 种不同粘度原油乳化液，研究了影响原油乳化液流变性的因素。原油液滴粒 度的大小是决定因素之一。乳化液配制时的搅拌强度、持续时间以及乳化荆浓度与形成 的乳化液粒度大小成反比。李福军、王德喜等o ”在对矿场实际应用的分子量为1 7 0 0 百 万的聚合物溶液进行流变性试脸的基础上，通过对试验数掘进行回归分析，验证了在单 井注入量小于5 0 0 m 3 d 的条件下，聚合物溶液的流变特性符合幂律流体的拟塑性流变模 式；同时，分析了聚合物溶液浓度对其流变特性的影响，描述了聚合物溶液表观粘度、 4 人庆石油学院硕l ：研究生学位论文 流性指数n 和稠度系数k ，随聚合物溶液浓度的变化规律。1 9 9 9 年。吴明等“”1 讨论了 高含水原油流变特性，指出高含水原油的视粘度是温度、含水率以及剪切速率的函数， 给出了高含水原油流变曲线，并对曲线进行了分析，确定了油水乳化液转相点在水的质 量分数为6 5 2 ，在转相点以前形成w o 型乳化液，视粘度随含水量上升而增加，且受 温度影响较大，同时剪切速率影响也相当明显。同年，卢东风等9 ”应用r s 一1 5 0 应力流 变仪对注入的聚合物溶液及油井采出液的流变性进行了试验研究。研究结果表明，含聚 合物的油水混合物具有明显的非牛顿特性，其中未脱水油相和水相的粘性在中等剪切速 率范围内可用幂律模式来描述。根据牛顿流体在圆管中的雷诺数，可算出幂律流体在圆 管中的稳定性参数临界值。应用随机理论，推导出幂律流体在管道中的平均流速及紊流 压力梯度方程。计算分析表明，所确定的临界雷诺数与试验结果吻合较好，其相对误差 为5 ，4 。2 0 0 0 年，吴维夫”讨论了低温高含水原油的流变特性。通过对油田实际数据 的大量收集和分析，得出了低温高含水原油非牛顿流体特性，并研究了流变特性与含水 率及温度之问的关系。从大庆油h 1 现场实际出发全面研究了高含水原油流变特性。2 0 0 4 年，康万利等汹1 研究了油水乳化液流变特性。乳化液的剪切应力剪切速率关系明显受 油滴尺寸的影响，在含油量一定时，表观粘度随油滴尺寸的减小而增加。绝大多数乳化 液在低剪切速度下( 低于5 0 s 1 ) ，呈现剪切变稀行为；在剪切速率超过1 0 0 0s 。时呈现牛 顿流体特性。高含水原油的视粘度是温度、含水率以及剪切速率的函数。并介绍了乳化 液的3 种流变模式，给出了流变性评价方法实例。提出了油水乳化液流变性研究的发展 方向。上述文献，主要针对中高含水期，从各方面对油井采出液的流变特性进行了研究， 阐述了油井采出液粘度是温度、剪切速率的函数，以及油水乳状液的流变模式等等。随 着油田进入特高含水期，油井采出液中含水率的大幅度升高，采出液的粘度、密度等均 发生了变化，所以有必要丌展特高含水期抽油机井采出液流变特性的研究，上述的研究 方法可作为我们的借鉴。 1 2 2 特高含水期抽油机井管流特性研究现状 1 9 9 4 年，昌锋等进行了抽油杆柱在粘性流体中运动的m 力试验研究。把流体在抽 油杆与油管环形空间的流动看作足有杆抽油系统的一个动态子系统。对抽油杆柱的粘滞 阻力进行了理论分析。并利用自行设计建立的有秆抽油系统模拟试验装置，对四种不同 条件下的抽油丰t 柱阻力进行试验研究，得到了计算抽油杆杜阻力系数的相关式。2 0 0 0 年，陈杰等1 利用原油和自来水作为试验介质，在不锈钢环道上进行了油水两相流试验。 试验中进行了流型测量和观察，观察到7 神汕水两相流流型，分别属于分教、分离和分 散分离混合流型。对油水两相流型及流型1 5 】的转化作了详细的描述，根据流型特征进行 了流型划分。2 0 0 1 年，郑俊德等1 研究了聚合物产出液在杆管环空中的流动。在室内对 聚合物溶液的流交性进行了测试，表明大庆油f 嗣应用的聚合物溶液的流变性符合幂率模 式。使用非牛顿流体力学理论和数理方法，并考虑了抽油杆的上、下往复运动，建立了 杆管同心与偏心2 种情况下速度、流量与压力梯度方程，并得到近似解。2 0 0 4 年，颜廷 俊等“”研究了高含水原油对油管和抽油杆摩擦磨损性能的影响。在实验室考察了油井采 第一章概述 出液含水率对抽油杆和油管摩擦磨损性能的影响，采用扫描电子显微镜观察了抽油杆和 油管试样磨损表面形貌。结果表明：当油井采出液含水率处于7 0 - - 8 5 之间时，抽油杆 和油管摩擦副的摩擦系数和磨损率随含水率增加呈增大趋势。当油井产出液含水率小于 7 0 或大于8 5 时，抽油杆和油管摩擦副的摩擦系数和磨损率变化较小；油井产出液含 水率对抽油杆和油管试样磨损震面形貌也具有明显影响，当含水率低于5 5 时，抽油杆 和油管磨损表面较光滑，存在少量犁沟：而当含水率高于9 0 时，磨损表面出现宽而深 的犁沟，呈现严重粘着和擦伤迹象。上述研究针对杆管环空内粘滞阻力进行了理论分析， 得到了计算摩擦阻力系数的相关式；使用非牛顿流体力学理论和数理方法，建立了速度、 流量与压力梯度方程；阐述了含水率对摩擦磨损的影响。可以况从不并j 度对管流特性 进行了研究，得到了一些有规律性的成果，但最终缺乏对液体摩撩阻力的相关计算，使 它们在实际中的应用受到限制。针对目前大部分油田已进入特高含水期，我们借鉴了上 述研究中的优点，开展了特高含水期抽油机井管流特性研究。 1 2 3 特高含水期抽油机井泵特性研究现状 2 0 0 0 年，郑俊德、刘合等”对聚合物产出液在抽油泵的缝隙中流i0 进行了研究。通 过对室内聚合物溶液流变性的测试，表明大庆油兀1 应用的聚合物溶液。流变性符合幂律 流体模式，运用非牛顿流体力学理论和数理方法，结合抽油泵柱塞运动特点( 并假设液 体为不可压缩的) ，液体在缝隙中流动的水力半径很小，呈层流流动柱塞在每一位胃 的瞬间，流动做定常流处理，建立了泵筒与柱塞同心和偏心两种情况下运动方程，确定 了边界条件，引入无量纲坐标、无量纲速度和柱塞与泵简偏心配合时的缝隙高度，并给 出缝隙流流速，流量的解析解：讨论了流性指数n = l 时的特殊情况，所得的流速、流量 方程与目前国内外应用的缝隙流公式完全相同。此外，还作出牛顿流体和非牛顿流体在 柱塞与泵筒i 司心和完全偏心的情况下，漏失量与压差关系图，在其他条件相同情况下， 偏心时漏失量大于同心时漏失量。2 0 0 3 年，吴琼等“2 1 进行了泵效影响因素分析，通过对 泵工作原理分析研究表明，影响泵效的因素可归纳为3 个方面：受抽汲液的粘度、温 度、密度和气体影响，存在充满程度损失；液体粘度低时，若抽油泵配合不当则柱塞的 间隙漏失增加；而粘度高时，使上冲程泵充不满；温度影响液体的粘度和溶解气的逸出； 液体密度影响负荷，井液的含水率又影响其密度和粘度。受冲程损失的影响，上下冲 程油管、油杆受交变载荷产生弹性伸缩，使悬点冲程与柱塞冲程之间产生位移差，杜塞 有效冲程缩短，导致泵效下降。下泵深度越深、泵径越大，管杆变形越大冲程损失也 大。特别在稠油中，因摩擦力引起的管、杆变形增大，使冲程损失增大。由于漏失的 影响，包括柱塞与泵筒的问隙漏失、凡尔与凡尔座之间的漏失和油管漏失。贺茹等”3 根据泵系统效率和摊量系数的定义，导出了泵系统效率和排量系数之间的数学关系式。 通过理论分析确定了影响泵系统效率和排量系数关系的主要因素。并对不同抽汲参数和 生产气油比条件下的泵系统效率和排量系数进行了数值计算，分别绘制了泵系统效率和 排量系数与冲程、冲次及生产气油比的关系图，阐明了泵系统效率和排量系数的关系。 上述研究从试验和理论两方面对泵特性作了研究，详细的分析了影响泵特性的各方面因 6 人庆石油学院硕j 研究生学位论文 素，但都主要集中在中高含水期泵特性的研究，而且多数侧重于机理分析，缺乏较精确 的泵摩擦阻力计算。由此我们借鉴了上述研究中的好方法，开展了特高含水期抽油机井 泵特性研究。 在国外，由于考虑经济效益的缘故，处于特高含水期油井基本不丌采，有关这方面 的报道很少，值得我们借鉴的经验也很少。 综合上述，目前对油井采出液流变特性，管流特性、泵特性的研究，都集中在含水 率7 0 8 5 的中高含水期，缺乏对含水率商于8 5 的特高含水期的研究。山于在特 高含水期，采出液含水率的大幅度升高，井液性质发生了变化，与之相关的杆、管、泵 受力状况也产生了变化，井下设备在其运动过程中受到自身重力、液柱重力、液体对运 动件的局部阻力和摩擦力，以及抽油杆柱受压变形与油管接触产生的摩擦力等，均随之 发生变化，由此导致抽油机驴头悬点载荷以及减速箱扭矩的变化。现役的抽油设备能否 适应井液性质带来的变化，这是采油工程需要回答的问题。因此，有必要丌展特高含水 期抽油机井管流特性与泵特性的试验研究 1 3 本文主要的研究工作 有杆抽油系统的井下设备包括油管、抽油卡t 柱和抽油泵。有杆抽油系统在抽汲井液 时，井下设备在其运动过程中受到自身重力、液柱重力、液体对运动件的局部阻力和摩 擦力等作用，受力情况复杂。所以，针对特高含水期丌展管流特性以及泵特性研究，弄 清特高含水期泵功图肥大以及杆管偏磨的主要原因，有利于提高抽油机井系统效率，对 油田抽油机井的设计、使用具有重要的理论与现实意义。 本文的主要研究内容如下： 1 3 1 油井采出液的气变特性试验研究 开展特高含水期 i _ 井采出液流变性试验研究，找出水驱油井采出液在某一温度下的 粘度、密度隧含水率的多i 化规律，确定在特商含水期油井采出液的牛顿或非牛顿流体特 性；确定聚驱以及水驱见聚油井采出液在某一含水率时，含聚浓度与粘度、密度的变化 关系：弄清配制聚合物溶私从注入到_ ：口采出，含聚液体的流变性变化规律；对大庆油 r 1 使用的不同分子量相同浓渡的聚合物溶液，以及现场含聚井产出液中分离水样粘度和 密度进行测试，对比分析配翩繁合物溶液和井口采出聚合物溶液的法向力大小；确定一 种与原油物性相近，易于清洗n j 介质，代替原油进行模拟试验。 1 3 z 抽油机井管流特性理论分杉；与试验研究 对管流特性进行理沦分析，确适合特高含水期管流摩擦阻力的计算公式；建立油 管、抽油杆沿程阻力损失测试试验装；置，并建立受力分析模型：利用原油替代介质，模 拟不同含水率油井采出液，在油管、汕；警一抽油杆、油管一抽油杆一接箍、油管一抽油 杆一接箍一扶正器四种不同流道内的流动啃况，通过计算机进行数掘采集，根据所得数 据，计算与管流相关的各项摩擦阻力，并髟定在特高含水期管流摩擦阻力系数。 第一章概述 1 3 3 抽油机井泵特性理论分析与试验研究 对抽油泵水力特性进行回顾与分析，阐述现有抽油机井柱塞与泵简间摩擦阻力的计 算方法及优缺点；建立模拟抽油泵试验装置，在不同冲程、不同冲次运动参数下，利用 原油替代介质，进行不同含水率井口采出液的摩擦阻力试验，测试不同泵间隙的常规、 低摩阻泵柱塞与泵筒闻摩擦阻力，利用所得数据采l 鬯正现有柱塞与泵筒摩擦阻力计算公 式，并找出影响拄塞与泵筒摩擦阻力的主要因豪 1 3 4 试验数据采集 现有试验数据采集系统使用串行数据传输，。学虑到串行数据传输采集速度相对较慢， 所以改用了并行数据传输的方式，利用嵌入式板卡p c l - - 8 1 2 p g ，自行制作数据采集装置， 数据采集准确可靠。应用v i s u a lb a s i c6 0 m m a t r i x v b4 5 编制了数据采集系统软 件。软件运行可靠，数据采集速度快、存储方便，可以液足工程要求。 8 大庆石浊学院顾。i j 研究生学经硷史 第二章特高含水期油井采出液流变特性研究 大庆油田是注水丌发油田，油田开发后期，油井中井液的含水率逐年上升。目前， 部分油井井液的含水率己达到9 5 。随着油井含水率的上升以及油井见聚后井液性质的 变化，其桔度、密度和润滑性的改变，使抽油机井负载发生一定程度的变化，导致抽油 机井的受力状况变差，检泵周期缩短，能耗增加，系统效率下降，给抽油机井的设计、 使用和管理带来许多未知因素。 油井采出液流变性是油田开发及油气集输中重要的物性参数，油井采出液是一种 油、气、水混合物。水驱时，采出液即为原油、天然气和水的混合物i 聚驱时，采出液 包括油相、气相和水相，但其中水相已经不是纯水，而是聚合物溶液。油井采出液的粘 度影响液体在流动过程中内部摩擦阻力，密度影响杆管环空中静液槛载荷的大小，而采 出液含水率是影响粘度和密度的因素之一，在抽油机井生产过程中，采出液含水率及粘 度的变化会引起悬点载荷不同程度的变化。针对特高含水期油井采出液性质发生的变 化，开展采出液流变性研究，对进行抽油机井管流特性和泵特性是非常必要的。 油井采出液是一种粘性流体，属于流体力学研究的范畴。历史上，流体力学一直沿 着理论和实验的两个不 司的途径发展。理论流体力学出于1 7 5 5 年欧控( l e o n h a r de u l e r ) 方程的提出，对于不考虑粘性的理想流体流动已逐渐达到较为理想的程度。遗憾的是理 想流动的解往往与真实流动的实验结果相差甚远。1 7 5 2 年达朗贝尔( j e a nl er o n d d a l e m b e r t ) 发表了他著名的达朗贝尔佯谬，指出在无界、理想不可压缩流体中，物 体作匀速直线运动时的阻力为零。之后拉普拉斯( p i e r r e s i m o nl a a p l a c e ) ，拉格朗日 ( 3 0 s e p h - l o u i sl a g r a n g e ) 等人把理想流体运动的砑究推向了瓤的高潮。理论流体力 学进一步的发展是自1 8 2 1 年丌始，纳维( c l a u d e - l o u i s m a r i e - h e n r in a v i e r ) 等人开 始考虑将分子问的作用力加入到欧拉方程r 卜去。1 8 4 5 年斯托克斯将分子问的作用力用粘 性系数p 表示，并正式完成了纳维一斯托克斯方程，最终建立了粘性流体力学的基本方 程，奠定了近代粘性流体力学的基础。2 0 世纪初，德国工程师普朗特由于提出边界层理 论而对流体力学，特别是粘性流体力学的发展作出了卓越的贡献。普胡特提出在雷诺数 很大的情况下，粘性的作用主要局限在绕流物体或其他流动边界的固体壁面附近很薄的 一层流动中，这个薄层称为边界层。边界层外部流动则可按理想流动处理。这一设想克 服了粘性流动求解中数学上的巨大困难。根本上解决了流动阻力和能量损失这样重大的 粘性流动问题。边界层理论的提出使理论和实验更好的统一起来，从而使流体力学的两 个分支理想流体力学和水力学逐渐结合与统一，使流体力学得到划时代的发展。 2 1 牛顿流体与非牛顿流体流变特性 在科学研究和生产实践中，对材料性质的认识，总是在特定的形变和流动条件下进 行的。按着流体流动时的切应力与切应变之问的关系，可以将流体分为牛顿流体和非牛 顿流体两种。在流体力学中，主要通过不同流体在简单剪切流中所表现的不同力学性质 9 第二章转向含永期抽油机j r 管流特性研究 加以区分。 2 1 1 流体的粘性与牛顿内摩擦定律 粘性是流体抵抗剪切变形的一种属性。由流体的力学特点可知，静止流体不能承受 剪切力，即在任何微小剪切力的持续作用下，流体也要发生连续不断地变形。但不同的 流体在相同的剪切力下其变形速度是不同的，它反映了抵抗剪切变形能力的差别。这静 能力就是流体的粘性。 牛顿进行了简单剪切流试验( 如图2 - 1 ) ，从中得出，运动的流体所产生的内摩擦力 ，的大小与垂直于流动方向的速度梯度d u d y 成正比，与接触面的面积a 成正比，并与 流体的种类有关。而与接触面上压强p 无关。内摩擦力的数学表达式为： ，：倒d _ u ( 2 1 ) 则 式中f 流体层接触面上的内摩擦力，n ： 爿流体层问的接触面积，m 2 ； 如，痧垂直予流动方向上的速度梯度，1 s ； 动力粘度，p a s 。 流层问单位面积上的内摩擦力称为切向应力，则 fd h 仁i 2 面 式中r 切向应力，p a ； 。，土 丢” u = 0 图2 - 1 简单剪切流动示意图 但速度梯度等于零时，内摩擦力等于零。所以当流体处于静止状态或以相同速度运 动时，内摩擦力等于零，此时流体有粘性，流体的粘性作用也表现不出来。当流体没有 粘度( = 0 ) 时，内摩擦力等于零。 在流体力学中还常引用动力粘度与密度的比值，称为运动粘度，用符号v 表示，即 i o 人庆 i 油学院碗h 研究生学位论文 y ：生( 2 - 2 ) p 式中y 运动粘度，m 2 s 。 2 1 2 影响粘性的因素 流体粘性随压强和温度的变化而变化。在通常的压强下，压强对流体的粘性影响很 小，可忽略不计。在高压下，流体( 包括气体和液体) 的粘性随压强升高而增大。流体 的粘性受温度的影响很大，而且液体和气体的秸性随温度的变化是不同的。液体的祜性 随温度升高而减小，气体的粘性随温度的升高而增大。造成液体和气体的粘性随温度不 同变化的原因是由于构成它们粘性的主要冈素不同。分子问的吸引力是构成液体粘性的 主要因素，温度升高，分子问的吸引力减小，液体的粘性降低；构成气体粘性的主要因 素是气体分子作不规则热运动时，在不同速度分子层问所进行的动量交换。温度越商， 气体分子热运动越强烈，动量交换就越频繁，气体的粘性也就越大。 2 1 3 牛顿流体流体与非牛顿流体 1 牛顿流体 牛顿在1 8 6 7 年首先提出了一个假殴，流彳辛= 流动时，其切应力与切应变速度成j 下比， 在简单剪切流中，不可压缩流体的牛顿内摩擦定律可表示为： ”缈 ( 2 - 3 ) 式中牛顿流体的动力粘度，它在一定温度和压力下是常数。 虽然水和空气等大多数流体是牛顿流体，但也有很多流体不满足上式的，或者说应 力与应变速度之间存在着非线性关系，即非牛顿流体。 2 非牛顿流体的本构方程 描述流体切应力和应变速度之间关系的方程式，叫做流体的本构方程。牛顿内摩擦 定律就是牛顿流体的本构方程。t f t t = - 顿流体不同于牛顿流体，它没有一个统一的本构方 程，随非牛顿流体类型的不同而不同。 1 ) 宾汉模式 宾汉模式常被用束描述塑性流体的流变性。塑性流体不同于牛顿流体，当所加的切 应力低于极限静切应力时，塑性流体的内部不发生相对运动，而象固体一样，只有当切 应力超过极限静切应力时。塑性流体爿丌始流， 动。图2 2 表示宾汉流体的剪切应力随剪切速 率的增大而增大的趋势。当塑性流体的流速大 到一定程度时，它的本构方程可以用宾汉公式 表示为：土 f = o + ，户 ( 2 4 ) f o 式