（机械电子工程专业论文）新型碳—玻璃混合纤维抽油杆应用理论与材料机械特性试验研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 新型碳玻璃混合纤维抽油杆应用理论与材料机械特性试验研究 机械电子工程 张丰功( 签名) 闫文辉( 签名) 摘要 本文根据有杆泵采油系统工作过程中所对应的力学行为特征，分析了碳一玻璃混合 纤维抽油杆杆柱组合的纵向振动特性，建立了其纵向振动的波动方程，结合采油系统模 型的边界条件、初始条件和收敛条件，用有限差分法求解出了波动方程数学模型的数值 解。同时由于碳一玻璃混合纤维抽油杆密度小，弹性模量小，弹性变形大的特点，可减 小抽油机减速箱型号和实现超冲程，通过计算抽油杆柱的基频，得出适合于每口油井的 n i n 的范围，再通过对抽油机主体的参数化综合，结合油井数据，计算出相应采油系 统的主要参数如悬点载荷、超冲程等和预测的泵及地面功图。 在碳一玻璃混合纤维抽油杆的纵向振动理论的基础上，建立了抽油杆弹性模量动力 学法测试实验系统，测试出了碳一玻璃混合纤维抽油杆的弹性模量；同时在实验室对碳 一玻璃混合纤维抽油杆进行疲劳性能测试。结果表明该抽油杆的弹性模量较低，疲劳性 能较好。 在此基础上，编制了碳一玻璃混合纤维抽油杆抽油系统优化和抽油机主体参数综合 软件，建立了油井、抽油机数据库，对抽油机主体参数进行综合，对不同抽汲参数、不 同杆柱组合和不同系统配置下的采油系统进行了优化，计算出采油系统的地面功图，井下 泵功图以及可实现的超冲程值。 关键词：碳纤维玻璃纤维混合纤维抽油杆应用理论材料机械特性试验 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：t h ea p p l i c a t i o nt h e o r yo f t h es u c k e rr o du s e db ys y n t h e t i cf a b r i cb l e n d e d w i t hc a r b o nf i b e ra n dc a r b o nf i b e ra n dt h es t u d yo nt h em e c h a n i c a l s p e c i a l i t yo f t h es u c k e rr o d s p e c i a l i t y ： n a m e ： l n s t r u c t o r ： a b s 1 1 t a c t a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c sb e h a v i o r so fr o dp u m p i n gs y s t e mw h e ni t 咖s t h e l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o np r o p e r t i e so ft h es u c k e rr o du s e db ys y n t h e t i cf a b r i cb l e n d e dw i t h c a r b o nf i b e ra n dg l a s sf i b e ri sa n a l y z e d ，e s t a b l i s ht h ew a v ee q u a t i o n ，t h en u m e r i cs o l u t i o no f t h ew a v ee q u a t i o nb yu s i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o di sd e r i v e dw i t ht h ed o w n - h o l e b o u n d a r yc o n d i t i o n s 、i n i t i a lc o n d i t i o na n dc o n v e r g e n c ec o n d i t i o no f t h em o d e l b e c a u s et h e n e ws u c k e rr o dh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fl o wd e n s i t y 、l o we l a s t i cm o d u l u sa n d h i g he l a s t i c i t y d i s t o r t i o n ，t h et o r s i o no ft h eg e a rb o xc a nb er e d u c e da n do v e r - s t r o k ec a l lb ec a r r i e d o u t a c c o r d i n g 协t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h es u c k e rr o d ，t h er a n g eo fnf n ot h a tf i tf o rt h e o i lw e l lc a nb ep r e s e n t e d ，a n dt h e na c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e rs y n t h e s i so ft h em a i nb o d yo f t h eb e a mp u m p i n gu n i ta n dt h ep a r a m e t e ro ft h eo i lw e l l ，f i g u r eo u tt h ep a r a m e t e ro ft h er o d p u m p i n gs y s t e ms u c ha so v e r - s t r o k e , p o l i s h e dr o dl o a d ，e t c ，a n dt h ep u m pc a r da n dt h eg r o u n d c a r da l eg a i n e d b a s e do nt h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nt h e o r i e s ，t h ee l a s t i cm o d u l u so ft h es u c k e rr o di s m e a s u r e db yu s i n gt h ed y n a m i c sm e a s u r i n gs y s t e mi sg a i n e d , w h i c ht e s tt h ee l a s t i cm o d u l u so f t h es u c k e rr o d s ；a tt h es f l n l et i m e ，t e s tt h ep e r f o r m a n c ef a t i g u eo ft h es u c k e rr o d si nt h el a b t h er e s u l to ft h ee x p e r i m a n t a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ee l a s t i cm o d u l u si sl o wa n dt h ef a t i g u ei s w e l l b a s e do na b o v e , t h eo p t i m i z e ds o f t w a r ef o rt h ed y n a m i c sp r o p e r t i e so ft h ep u m p i n g s y s t e mu s e dt h es u c k e rr o da n dp a r a m e t e rs y n t h e s i so ft h em a i nb o d yo ft h eb e a mp u m p i n g u n i ti sd e v e l o p e do nt h ep r i n c i p l eo ft h em o d u l a r i z a t i o na n da l s ot h ed a t a b a s ef o ro i lw e l la n d p u m p i n gs y s t e ma r ee s t a b l i s h e d t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e so ft h ep u m p i n gs y s t e mu s et h e s u c k e rr o di so p t i m i z 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 ，d i f f e r e n ts w a b b i n gp a r a m e t e r s ， d i f f e r e n tc o m b i n e ds t r i n g so f d i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dd i f f e r e n ts y s t e mc o n f i g u r e k e y w o r d s ：c a r b o nf i b e r , g l a s sf i b e r , s y n t h e t i cf a b r i c ，s u c k e rr o d ，a p p l i c a t i o n t h e o r y , m e c h a n i c a ls p e c i a l t y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i l l 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己在论文中做 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：! 丝主丝日期：丝z ：! 上 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： 遵釜堡 日期：迎z 上! ， 日期：兰立：工。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的目的和意义： 碳一玻璃混合纤维抽油杆是正在开发的一种新型抽油杆，具备碳纤维和玻璃纤维抽 油杆的一些共同的特点，如耐腐蚀、密度小、抗拉强度高等特点，预计会成为有杆采油 方式中一种重要的柔性抽油杆。 本论文主要通过碳一玻璃混合纤维抽油杆的杆柱纵向振动系统的数学模型，模拟碳 玻璃混合纤维抽油杆在井下工作状态，结合地面抽油机型号、油井理论产液量、产液 粘度、泵深等参数，给出最优碳一玻璃混合纤维抽油杆钢质加重杆的杆柱组合和抽油 机、抽油杆、抽油泵的参数以及最佳的工作状态的报表。同时，通过对碳一玻璃混合纤 维抽油杆机械特性的研究，为碳一玻璃混合纤维抽油杆的应用提供数据，从而能够更加 准确合理地优化碳一玻璃混合纤维抽油杆采油系统。 本项目的意义在于： 碳一玻璃混合纤维抽油杆采油方式是一种机械采油方式，同其它抽油杆采油方式一 样，如果杆柱设计不合理或管理不当，有杆抽油系统均会发生故障。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。 因此准确的设计碳一玻璃混合纤维抽油杆与加重杆的杆柱组合，合理的预测油井的 产量和油井、抽油机的各项参数，此时既能保证油井的产量，又能明显提高整套抽油系 统的效率，延长泵的使用寿命。 碳一玻璃混合纤维抽油杆是一种复合材料抽油杆，质量轻、弹性大。因此可以减小 抽油机减速箱的型号，降低能耗，同时合理的设置抽油机的尺寸参数以及冲次，能使泵 塞实现超冲程，增加采油量。 1 2 国内外现状、科学依据： 我国三抽( 抽油机、抽油杆和抽油泵) 井的井数占生产油井总数的8 0 ，其原油产量 占全国原油总产量的7 0 * , 6 。其中抽油杆是有杆泵抽油系统的重要部件。 由于抽油杆的工作条件十分恶劣，使它成为有杆抽油系统中最关键，也是最薄弱的 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”。据统计，在我国由于抽 油杆失效引起的油井事故次数约占抽油井事故总数的6 0 7 0 。 复合材料抽油杆具有以下优点：( 1 ) 复合材料抽油杆比刚性抽油杆轻得多，截面较小， 可充分发挥地面和地下装置的能力；( 2 ) 重量轻、柔性好，与油管的摩擦比较小；( 3 ) 抗 疲劳性能良好，耐腐蚀；( 4 ) 对于带式复合材料抽油杆可缠绕在较小直径的卷筒上，运输、 安装方便。 在复合材料抽油杆中，目前应用的有碳纤维抽油杆和玻璃钢抽油杆。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 1 碳纤维抽油杆【3 1 1 4 1 5 1 1 6 1 1 7 1 碳纤维杆用于有杆泵采油系统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1 0 多年的努力，于2 0 世纪9 0 年代初研制成功碳纤维杆、专用的 油井作业设备和碳纤维抽油杆钢质抽油杆的混合抽油杆柱设计软件，并进行了矿场试 验。杆柱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。 近年来国内也研制出了碳纤维连续抽油杆，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。目前，在国内主 要生产和使用两种碳纤维抽油杆，一种是以环氧树脂为基体，另一种是以乙烯基酯树脂 为基体。以这两种树脂为基体的抽油杆均具有良好的力学性能和耐疲劳性能，在低温浅 井下也具有较高的耐腐蚀性能。在实际的生产中能够大幅度节能降耗，提高采收率，显 著降低采油成本。 碳纤维是含碳量9 9 以上的无机纤维，是由聚丙烯腈等有机纤维在保持纤维形状的 条件下，经固相反应转化成的三维碳化合物。碳纤维突出的特点是强度和弹性模量高， 密度小，耐腐蚀性能好，膨胀系数低，导热性和耐高温蠕变性能好，摩擦系数小，自润 滑，导电性高。碳纤维抽油杆由碳纤维复合材料制成的杆体和由耐腐蚀金属制成的两个 金属端接头采用特殊的连续方式连接而成。杆体呈带状，横载面呈矩形。一根碳纤维抽 油杆的连续长度可超过2 0 0 0 m ，可缠绕在滚筒上。组成碳纤维抽油杆钢质抽油杆混合 抽油杆柱时，上部为碳纤维抽油杆，下部为钢质抽油杆或加重杆。 1 ) 碳纤维抽油杆的优点： ( 1 ) 密度小，碳纤维抽油杆的密度为1 5 9 9 c m 3 ，约为钢抽油杆的五分之一。碳纤维 抽油杆和钢抽油杆的混合抽油杆柱的质量比钢抽油杆柱轻5 0 以上，因此，可以大大降低 光杆载荷和减速器的扭矩，达到节电的目的。可使抽油机的型号降低规格，减少设备投资。 ( 2 ) 弹性好，碳纤维抽油杆的弹性模量e = i 1 6 x1 0 5 m p a ，利用混合抽油杆柱优化设计软件， 优化设计抽油系统，可实现超冲程，增加原油产量。( 3 ) 耐腐蚀，延长了检泵周期。( 4 ) 碳纤 维抽油杆的中间没有接箍，减少了接箍引起的失效和活塞效应。( 5 ) 碳纤维抽油杆与油管 的摩擦力较小，降低了油管的磨损和光杆载荷。( 6 ) 抽油杆起下作业速度快，减轻作业工人 的劳动强度。混合抽油杆柱的起下作业速度约比钢抽油杆柱快6 0 。 2 ) 碳纤维抽油杆的缺点： ( 1 ) 碳纤维抽油杆的两端部与钢接头连接部位的疲劳强度较低，是薄弱环节。( 2 ) 不能 承受压应力。( 3 ) 价格较贵，美国碳纤维抽油杆的价格接近直径2 2 2 m m 玻璃钢抽油杆，比 直径2 2 2 m m 钢制抽油杆贵l 倍。 3 ) 应用前景： 碳纤维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。目前我国约 2 第一章绪论 有抽油井8 万口，原油平均含水在8 0 9 6 以上，泵挂深度2 0 0 0 m 以上的井数占总井数的1 5 以上，腐蚀井的井数也占总井数的1 5 以上。因此，碳纤维抽油杆在我国有广阔的应用前 景。 1 2 2 玻璃钢抽油杆【1 2 1 3 】【1 4 t 5 】【1 6 】 玻璃钢抽油杆诞生于本世纪7 0 年代，由于玻璃钢抽油杆具有质轻、抗腐蚀及通过合 理设计可达到增产的效果等优点，一些国家已使用，我国在几个油田也开始试用玻璃钢抽 油杆。中国耀华玻璃集团公司秦皇岛耀华玻璃厂1 9 8 9 年将玻璃钢抽油杆做为省级新产品 研制项目立项后，开始对抽油杆粘结剂、粘接工艺研究及疲劳试验进行攻关。1 9 9 1 年完 成了全部用国产材料制造玻璃钢抽油杆的工作。通过了疲劳强度7 6 0 万次试验质量达到 美国石油学会a p i s p e e l l c 标准。此项目已列入国家火炬计划国家级新产品。越来越广泛 地被各油田应用。 玻璃钢棒由合成聚合材料制成，这种材料含有以玻璃纤维为基础的填料及聚合物基 质。使用了由连续且平行的导线束合成的玻璃纤维粗纱作为填料。为了构成聚合物基质， 使用了以环氧树脂为基础的黏合剂。用整合法完成了玻璃钢棒的制造。在机加工联合企 业中制造了钢接头，而抽油杆试样用固定钢接头的专用装置制造。按照构造型式，钢接 头在玻璃钢棒上的固定方式可以是不同的。合成聚合材料棒和金属接头借助黏合剂联接 有各种不同方式：用光滑表面；借助动力黏接件；整合；使用柱销；通过外压作用；组 合的方式。利用动力黏接件联接，是制造玻璃钢抽油杆时最常用的方法。在制造试样时， 使用的正是这种由美国专家研究而由日本研究者改进的方法。 玻璃钢抽油杆的优良性能表现为兼有相当大的强度和很大的弹性，其质量大大低于 钢制抽油杆。由于使用玻璃钢抽油杆，抽油杆柱质量减小，这样在不改变地面设备类型 的情况下，可以使用提高泵装置排量的大直径柱塞泵。 玻璃钢抽油杆能够使杆式深井泵采油法运用于4 0 0 0 多米深的油井，这在使用钢制抽 油杆的情况下是很难实现的。使用玻璃钢抽油杆时，由于抽油杆柱使用特性的改善及其 工作条件优化的结果，与类似条件下安装钢制抽油杆的工作装置相比，井下杆式泵装置 的排量大大增加。此外，由抗腐蚀玻璃钢抽油杆配套的抽油杆柱，在硫化氢和二氧化碳 气体含量高、油井含水率高的条件下，具有很好的使用可靠性。 玻璃钢抽油杆通常包括玻璃钢棒和用黏合剂固定在其两端的钢接头。黏合剂充满钢 接头安装件内腔表面与玻璃钢棒外表面之间的空隙，形成黏合连结。钢接头具有带螺纹 部分，以便用杆柱接箍把抽油杆配套为抽油杆柱，并具有带内腔的安装部分，以便安装 玻璃钢棒。 玻璃钢抽油杆具有重量轻、弹性好、抗腐蚀性能强、抗拉强度与d 级钢杆相当、合 理设计杆柱可使泵柱塞具有较大的超冲程以及在现有机泵基础上可显著加大泵挂深度等 优点，因而受到各大油田的重视。 西安石油大学硕士学位论文 玻璃钢抽油杆的失效类型通常分为断杆和脱扣两大类。断杆又分为杆体断、杆端部 断、钢接头断( 外螺纹接头断和钢接头中部断) 和杆端从钢接头内拔出等几类。影响玻 璃钢抽油杆失效的因素主要包括材料质量、制造工艺、承受载荷、井况、作业施工、运 输和储存等几个方面。 1 ) 玻璃钢杆的优点： ( 1 ) 玻璃钢抽油杆重量轻，以秦皇岛耀华玻璃钢厂生产的直径为2 5 4 m m 玻璃钢杆为 例，其线密度为1 2 4 k g m ，约为同级钢杆的1 3 ，从而减少抽油机悬点负荷和功率消耗， 在同样的抽汲条件下。可大幅度减少抽油机的耗电量，可在原抽油机或小型机上实现深 抽；( 2 ) 在地面抽油机不变的情况下，抽油泵可以下的更深，使深油井不必换大型抽油机， 降低了设备费用；( 3 ) 由于杆的重量轻，在井场人工运移方便；( 4 ) 由于弹性模量低，玻璃 钢杆的弹性模量为4 2 5 0 0 m p a ，而钢杆为2 0 5 9 0 0 m p a ，在抽油井设计参数合理时，可使井下 泵的工作行程大大增加，其增加量不但弥补钢质抽油杆的冲程损失，还可以使井下泵的工 作行程大于地面行程，由此可提高泵效，增加油井产量；( 5 ) 玻璃钢抽油杆杆体可防止油井 内的各种腐蚀介质的浸蚀，减少抽油杆的断脱事故；( 6 ) 玻璃钢杆杆体在油井内的长期工 作表面不会结蜡；( 7 ) 强度高，玻杆和钢杆( d 级) 的静强度大致相同，但比强度( 静强 度密度) 为钢杆的3 4 倍，所以，玻璃钢杆的单位承载能力较强。 2 ) 玻璃钢杆的缺点： 成本高、价格贵；不能承受轴向压缩载荷。使用温度不能超过规定值；废杆不能回收 利用。 3 ) 应用前景 该技术是增产节能、提高经济效益的有效途径，它完全适应抽油泵大深度生产的需要， 在小泵深抽、大泵提液及腐蚀严重油井上的使用有广泛的前景。 1 3 碳一玻璃混合纤维抽油杆的特点 碳一玻璃混合纤维抽油杆是一种新型的抽油杆，目前正处于实验室阶段，还没有正 式投入使用。它具备复合材料抽油杆的特性，是一种有发展前途的抽油杆。 用碳一玻璃混合纤维复合材料制成的抽油杆( 简称碳玻杆) ，由于其质量轻的特点， 在常规井中可使抽油机的型号降低；适中的弹性模量，保证抽油杆提升有足够的冲程； 高的疲劳强度和极好的耐腐蚀性能，保证了其使用寿命。碳一玻璃混合纤维抽油杆的使 用将会显著增加采油效益。 相对于铜质材料而言，在满足泵的载荷条件下，它具有如下的特性： ( 1 ) 碳一玻璃混合纤维抽油杆因为其比重轻、强度高，可以降低举升能耗，降低抽油 机级别，减少地面设备的一次性投入费用，降低能耗； ( 2 ) 由于其重量轻、强度高，可用于深井、超深井，实现大泵深抽，提高采油效率； ( 3 ) 碳一玻璃混合纤维复合材料杆杆体有良好的耐腐蚀性能，因而适用于井况腐蚀介 4 第一章绪论 质较高的油井； ( 4 ) 弹性模量低，弹性变形大，合理设置抽汲参数可以减小冲程损失，甚至实现超冲 程； ( 5 ) 耐磨耗性及摩擦系数低使杆的磨损很小； ( 6 ) 具有较高的疲劳强度，使用年限长。 综上所述，玻璃纤维和碳纤维两种材料具有各自的优缺点：玻璃纤维虽然价格便宜， 延伸率相对较大( 约为2 3 ) ，但其抗拉强度和弹性模量较碳纤维逊色不少；碳纤维虽 然抗拉强度和弹性模量指标很高，但延伸率相对较低( 约为1 1 4 ) ，且价格一般为玻 璃纤维的几十倍。故为降低采油成本，同时满足举升要求，采用碳一玻璃混合纤维作为 新型抽油杆的材料。 ! ? 1 4 本论文研究内容 ( 1 ) 本论文以优化设计技术为基础，以新型碳一玻璃混合纤维抽油杆为应用对象，研 究建立新型碳一玻璃混合纤维抽油杆采油系统的优化设计模型；通过对杆柱纵向振动数 学模型的有限差分解，结合初始条件、边界条件、油井参数等，计算出最优碳一玻璃混 合纤维抽油杆钢质加重杆的杆柱组合和抽油机、抽油杆、抽油泵的各种参数以及最佳 的工作状态的报表； ( 2 ) 由于复合材料抽油杆的特殊性，包括其密度小，杨氏模量小，弹性变形大等，可 以减小抽油机变速箱的型号和实现超冲程，降低能耗和提高采油量。通过计算杆柱基频， 得出适合于该油井的抽油机的冲次，通过对抽油机进行参数化综合，结合油井数据，计 算抽油机主体参数化综合后可实现的超冲程值以及抽油机、抽油杆、抽油泵的各种参数。 ( 3 ) 为了给新型碳一玻璃混合纤维抽油杆的实际应用提供依据，开展对碳一玻璃混合 纤维抽油杆的疲劳试验的研究以及杨氏模量试验的研究。 1 5 项目来源：( 应用技术研究科研项目) 本项目为中国石油化工集团公司科研项目“碳纤维连续抽油杆采油应用技术研究” ( 项目编号：1 0 3 0 6 6 ) 的部分内容，由西安石油大学机械工程学院、胜利石油机械总厂和 北京化工大学共同承担。 西安石油大学硕士学位论文 第二章碳一玻璃混合纤维抽油杆采油系统优化设计 2 1 有杆泵采油系统优化设计 2 1 1 有杆抽油系统的设计内容 有杆抽油系统的设计包括两类设计内容，一是新投产井有杆抽油系统的优化设计， 即根据地质部门的预产以及油田长期开发的需要，合理的选择抽油机型号，抽油泵直径， 抽油杆柱组合，并选择油井投产时所应用的抽汲参数( 冲程，冲次与泵径) ：二是已投产 井抽汲参数的优选，即在满足现有抽油机的承载能力以及满足油井配产要求的条件下， 合理的设计抽汲参数( 冲程，冲次，泵径与下泵深度) 。 有杆泵采油系统优化设计的前提条件是：已知套管射孔段中部深度及尺寸、油管尺 寸及长度、初选抽油机类型、油井中油、水、气产量以及密度、动液面高度、套管生产 压力、关井套压、关井油压等。在上述已知条件下，通过系统优化设计，最后需完成的 设计内容包括以下三个方面： ( 1 ) 确定油井产量： ( 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； 机械设备主要是抽油机、原动机、抽油杆、抽油泵和油管。 ( 3 ) 确定系统的工作参数。主要指的是抽油机的冲程长度、冲次、所需平衡力矩等。 2 1 2 有杆抽油系统的设计原则 要合理的选择抽油设备，应遵循以下几条基本原则： ( 1 ) 符合油层及油井的工作条件 所选择的抽油设备及油井的工作条件： 所选择的抽油设备，应该适应该井或该地区的自然条件和生产条件，诸如气候条件、 地表条件、流体物性条件、生产维护条件等。 ( 2 ) 能充分发挥油层的抽油能力 所选择的抽油设备，应该在其经济寿命内，能满足油井的最大供液能力要求，以防 止因抽油设备的限制而使生产受到影响。 ( 3 ) 设备利用率较高而又能满足安全生产的需要 所选择的抽油设备，应在使用周期中的大部分时间内有较高的载荷利用率，扭矩利 用率，电动机功率利用率以及抽油杆应力利用率，但又不至于因超负荷而造成设备损坏。 所选择的抽油机须适应其经济寿命期内的油井产液能力，以防止在抽油机主要部件 尚未到维修高峰期时，因满足不了油井排液量的需要而过早换型，造成换型经济损失。 对选用的泵、杆来说，须适应一个检泵周期内的油井产能，以防止在泵况良好时因规格 过小满足不了排液量和负载的变化而提前作业更换。 6 第二章碳一玻璃混合纤维抽油杆采油系统优化设计 ( 4 ) 有较高的系统效率和经济效益 选用抽油设备应从多方面统筹考虑，尽可能采用先进技术设备，把高指标、低成本、 低消耗统筹考虑，以获得尽可能高的经济效益。 有杆泵采油系统是一个复杂的系统，通常它包括带动抽油机的原动机、抽油机( 及 其减速箱) 、抽油杆柱、井下抽油泵、油管等。有杆泵采油系统优化设计并不是从机械设 计的角度来设计某一种抽油机、抽油泵等机械设备，而是要为给定的某一口油井选定一 套合理的机、泵、秆组合，并确定其工作参数。 2 1 3 有杆抽油系统的设计步骤 由于有杆泵采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 先完全地确定其中的某一环节，然后在此基础上进行优化设计计算，一次性地确定出系 统的各个环节，在实际中几乎是不可能的。例如：抽油机的负荷决定于泵、杆，而泵、 杆的运动又反过来受抽油机的制约。由于上述特点，几十年来虽然有杆泵采油系统的设 计计算方法在不断的完善，但基本上都是采用试算( 试凑) 法，一般包括以下几个步骤， 即： ( 1 ) 根据试井资料确定油井产量； ( 2 ) 根据原始要求和条件初选设备及工作参数； ( 3 ) 对初选出的系统进行校核设计计算； ( 4 ) 将校核结果与原始要求对比，如不满足，则需要改变初选参数或初选设备，再进 行核算，如此进行，直到满足要求为止。 设计有杆抽油系统时，必须全面综合的考虑诸多因素，例如系统实际产液量与预产 的差别，设备能力利用率，设备初期投资和生产经济效益等，但由于这些性能指标优劣 的描述是模糊的，采用普通数学的方法很难对其进行定量描述。 2 1 4 有杆抽油系统优化设计的解波动方程法 该方法是以描述带粘滞阻尼杆柱动态的二阶偏微分波动方程为基础建立处理模型， 根据抽油杆位置及载荷的连续性，给定边界条件，并考虑阻尼系数，建立位移位置、载 荷位置与时间的函数关系式，以对系统进行求解计算。 该方法是利用联立的波动方程组模拟、求解有惯性作用的杆管柱和油管内的液柱 压力波，从而拟合整个有杆抽油系统。然后改变有杆泵系统中的任一参数，再拟合该参 数对整个系统的影响，从而进行系统工况参数的预测和模拟。系统当前的工作参数及动 液面、产量、含水率、油管套压等工况参数，根据f e t k o v i c h 或v o g e l 方法来确定i p r 数据、泵吸入口压力、井底流压以及油层压力等。 每选定一套有杆抽油系统及其工作参数后，可以使用预测程序在计算机上预测出该 系统的井下示功图、地面示功图、抽油杆柱任何一点处的最大及最小应力、扭矩等。由 7 西安石油大学硕士学位论文 之即可以校核选出的有杆抽油系统的泵排量、抽油杆强度、抽油机及其减速箱的负荷、 电动机的功率是否满足要求；还可以校核初选系统的总功率、地面及地下功率等，最后 确定该初选的系统是否符合要求。 2 2 碳一玻璃混合纤维抽油杆柱组合动力学模型的建立 抽油机在下冲程过程中，杆柱由于受到油液浮力、摩擦力、泵的吸入压力等作用， 致使杆柱下端有一段受到压应力的作用，碳一玻璃混合纤维抽油杆由于其抗压能力差， 在实际应用中不能单独使用，而是在碳一玻璃混合纤维抽油杆下端联接钢抽油杆使用， 钢抽油杆作为加重杆，必须确保整个抽油杆在抽油机下冲程时，抽油杆受到的压应力到 图2 - 1 混合杆柱组合的动力学模型 拉应力的过渡段作用在钢抽油杆上，而碳一玻璃混合纤维抽油杆在整个冲程中始终处于 受拉状态。在研究这种碳一玻璃混合纤维抽油杆组合结构的纵向振动特性时，可采用图 2 1 所示的力学模型，该模型可描述为：上部固连于基础a ( 驴头悬点) 上，下部在一集中 外力f ( f ) 作用下的长变径、变杆材直杆b 的受迫纵向振动，且沿杆长作用有粘滞阻尼力， 基础a 有确定的运动规律，为采油系统驴头悬点特有的运动规律。图中u b ( t ) 是基础a ( 悬 点) 在任意时刻f 时相对于下始点的位移：u ( x ，f ) 是碳一玻璃混合纤维抽油杆柱中相对于 基础a 的任意截面x 处在时刻，时相对于下始点的位移，m ；e ，、e 。分别为碳一玻璃混合 纤维抽油杆和钢加重杆的弹性模量，p a ；a ，、a 。分别为碳一玻璃混合纤维抽油杆和钢 加重杆的截面积，m 2 ；l ，、三。分别为碳一玻璃混合纤维抽油杆和钢加重杆的长度，m ；成、 成分别为碳一玻璃混合纤维抽油杆和钢加重杆的密度，k g m 3 。 建立抽油杆运动的维波动方程，取图2 2 所示的抽油杆模型及缸段的单元体，规 定x 为位移前抽油杆的位置( 向下为正) 。 第二章碳一玻璃混合纤维抽油杆采油系统优化设计 正= e 4 ( 学) ， f 。= e c a c e 。 1 4 = o c a c i a 2 u 缸 驴c 鼍缸 。= p i a 。b x 罟 i ( b ) 图2 - 2 抽油杆模型 ( 2 1 ) 式中：u ( x ，f ) ：位移( 向下为正：x 为位置，f 为时间) ； 正和正+ 。：单元体缸上下截面上的内力； 五：单元体上的惯性力( 与加速度方向相反) ； 五：作用一单元体单位长度上的粘性阻尼( - q 速度方向相反) ； l ：单元体重力： c ：单位长度上的阻力系数。 根据轴向力的平衡条件： 只= o ( 2 2 ) 推得： 9 西安石油大学硕士学位论文 臣一( 罢k 。一只4 ( 警) ，= 倒祟缸+ c 詈缸一p a a x g ( 2 - - 3 ) d tc 霄戗 一 讲 对上式除以a x 并取极限就得出： 疋4 窘= 岛4 窘+ c 詈一以船 ( 2 - 4 ) 则碳一玻璃混合纤维抽油杆组合杆柱纵向阻尼受迫振动的数学模型( 考虑杆柱自重) 的波动方程为： 刨窘= 窘+ c 害一p a g ( 2 5 ) 为了差分方便去掉常数重力常数项倒g ，在计算各级杆顶部受力时再加上去 整理得 塑o t 2 + v 詈= 6 2 窘 ( 2 - - 6 ) 一w 瓦勘萨 【2 式中：v = c 刎； b = e p ：声波在抽油杆中的传播速度，m s ； 由于碳一玻璃混合纤维抽油杆的连接需要用钢接头，而钢接头和杆体的材料密度和 直径差别较大，为此对波动方程( 2 5 ) 做了修正【2 2 1 ，即将方程中应力波在抽油杆中传播 速度除以修正系数k ，修正系数k 用下式计算 拈( 箸p , a 一片 c 2 1 ， l。 、 式中：k ：吉布斯波动方程在碳一玻璃混合纤维抽油杆中应用时的修正系数： 岛：碳一玻璃混合纤维抽油杆杆体密度，k g m 3 ； p 2 ：钢接头密度，k g m 3 ； 4 ：碳一玻璃纤维抽油杆杆体截面积，m 2 ； 4 2 ：钢接头截面积，m 2 ； ：碳一玻璃混合纤维抽油杆的单根长度，m ； ，：钢接头的长度，m 。 故可得修正后波动方程为 窘+ v 詈= 萨0 2 u c z - 8 ) 矿瓦2 l ij 萨 ( 2 2 3 碳一玻璃混合纤维抽油杆柱组合动力学模型的有限差分解法 对于碳纤维抽油杆柱组合，其组合为不同杆截面和不同材料，本文采用变步长差分 1 0 第二章碳一玻璃混合纤维抽油杆采油系统优化设计 法，在碳纤维抽油杆与加重杆的界面处，依据其连续条件求解。则将方程( 2 - - 8 ) 改写为： 昙【尉掣】= , o a k 2 学倒丁i g u ( x , t ) ( 2 - - 9 ) 根据力的连续条件，在图2 - - 3 中所示i 节点处碳纤维抽油杆口所受的力应与钢制加 重杆b 所受的力相等，即： 无= 厶 ( 2 一l o ) 根据虎克定律，又可以写成： 倒) 。( 刍。= ( 尉) 。( 罢) 曲( 2 - 1 1 ) 根据上述条件用泰勒级数推导波动方程的有限差分方程。设驴头下死点为x 坐标 的原点，向下为正。u ( x ，t ) 也以向下为正，血为x 的步长，出为时间步长。足标f 表 示位置，表示时间，则由泰勒公式得： 剐，一( m ( 峨+ 圭( 拳u ：( 2 一。， 毯+ ( 。( 。+ 丢( 争。( 一 所以： c 耠净删n + 哿。卅， c 缸一三c “c a + 赫 西安石油大学硕士学位论文 厶= 竽r 昙c 尉鼽删n 诸 。州， 厶一半c 丢c 觑罢m + c 尉，a 嚣 z00 i 凸工， 在公式( 2 - - 9 ) ( 2 - - 1 1 ) 中，均指在时间f 为，时的函数值，在波动方程中可取： 从而可以推得： 可0 2 u ( x , t ) ：堑 墨掣 f - o ，1 ，2 ，m o t 2 ( 血) 2 ( 2 一1 5 ) o u ( x , t ) ：垫 旦 _ ，：o , 1 2 一，k o t a t 。 瓦0 【削弘o u 制确n 字懈i - 、字( ：州) 秀0c 蜊a u 制小堑铲慨等 将( 2 7 ) 式和( 2 1 1 ) 式代入其中可得到： 口a i ，一l 一2 “f j + f ，一1 ) + p a ( u i , p l 一“f ，) + y n ( u i , ，一卜1 ，) ( 2 - 1 7 ) = - a , ( u f ，+ 1 2 u f ，+ “i , j - 1 ) 一屁( “f + l 一“f ，) + r b ( u f + 1 ，一u l ，) 式中： 口。= p a 以_ | 2 ( 血) 。 2 ( a t ) 2 】尾= e 七2 ( a t ) a 。 九= e a o ( 功。= 岛a b ( 缸) 6 2 ( a t ) 2 】 ( 2 一1 8 ) 尾= g ( 血) = e b a b ( 缸) 6 方程( 2 - - 1 7 ) 是多级抽油杆柱的变步长差分方程，在碳一玻璃混合纤维采油系统优化设计 模型中的差分格式为： ( 2 口+ 一y o y b ) u f ，一口“f 。j 一+ y b u f + i ，+ ，。u i 一1 ，j 训。再万一 两级界面处动载荷 正，= 口。( f + l 一2 u f ，+ “i , j - i ) + 见( “f p l u i , j ) + 儿( “，一u i - i , j ) 式中： a = g t ，+ a b ，p = p o + 8 b 2 4 收敛条件 有限差分解的收敛条件是 ( x ) f 口，( f ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 - - 2 2 ) 第二章碳一玻璃混合纤维抽油杆采油系统优化设计 式中：a l 为纵向振动应力波在第f 个杆柱单元中的传播速度，且q = 0 i 瓦丽 对于碳一玻璃混合纤维抽油杆，应对其进行修正，即d ，= j 2 , ( 工, r ) p k 所以对于本文所建立的两级抽油杆柱，须同时满足以下两式 丝1 ( e ( x ，d ，成k ) ( 血) ! 竺圣l 丘( 工，t ) p , ( f ) 2 5 初始条件 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 在确定初始条件。时可以假定任意的初始条件为零初始条件，即 u l , 0 = o ， i = 0 , 1 ，2 ，n ( 2 2 5 ) 一般经过3 4 个循环就可以收敛到稳定解，每一个循环结束后要检查它与前一循环 对应值的差是否小于给定的允许误差，即 “2 ) ，o 一甜1 ) i o 0 4 ，才 能实现超冲程1 2 4 】。但考虑尽量避免发生共振造成的事故，一般0 取值0 4 - - , 0 7 比较合 适2 4 1 。 在实际选择悬点的冲程次数时，必须低于抽油泵的最大允许冲程次数。 抽油泵的最大允许冲程次数 ，k 】由下式计算 u o ，层 ( 3 6 ) 式中：s 一：悬点最大冲程长度，m 所以h 一b 】 ( 3 - - 7 ) 最大冲程次数n 一不能和抽油杆自振频率的整数倍相重合，以免发生共振现象。 根据我国油田抽油机的使用经验 4 2 1 ，悬点最大冲程次数，l 一一般低于1 2 1 5 m i n 1 。 3 2 3 抽油杆柱固有频率的计算方法 目前国内外所用的杆柱的固有频率0 的计算方法有两种，即a p i 计算方法和t r i p p 计算法，目前也有用有限元法来求解杆柱的固有频率【3 5 】。 在初选混合杆柱时，使用t r i p p 计算方法计算较为简单，计算速度较快【3 5 1 。该方法 虽然是估计值，但计算结果与杆柱实际固有频率相差很小口4 1 ，可以使用该值作为杆柱的 固有频率值。 t f i p p 计算法是根据振动理论将混合杆柱等效为一单自由度振系，振系的参数为质量 肘。，刚度k 。，则固有频率。为： o = 罢扛了瓦 ( 3 8 ) 上刀 其中m 。= m ，+ o 3 m r ，k 。= 1 1 k s + 1 ( 5 k ，) 】 式中：m ，：钢抽油杆总质量，k g ：m ，：碳玻杆总质量，k g ： 足，：钢抽油杆弹性刚度，n m ：k ，：碳玻杆弹性刚度，n m ； 求解出基频后，就可以在0 4 n o 0 7 n o 选择抽油机的冲次。 3 2 4 机构综合后的抽油机悬点运动规律 第三章抽油机主体的参数化综合 对于应用复合材料抽油杆的抽油机，由于抽油杆柱的弹性模量变小，可以人为的改 变抽油机悬点的运动规律，以实现超冲程。 为了使抽油杆柱实现超冲程，抽油机悬点的运动规律如图3 - 6 所示，以加大杆柱的 总移动量，并且反行程速度较慢【2 们。其横坐标表示抽油机悬点的位移s ，纵坐标表示抽 油机悬点的速度v 。 图3 - 6 所示的抽油机悬点的最大速度应该发生的位置可以由抽油杆柱下悬点处的运 动规律，通过求解杆柱的波动方程来得到。 抽油机本质为四连杆机构，所以可以通过改变抽油机的四连杆机构的尺寸，使抽油 机悬点的运动规律与图3 - 6 相符。 同样以3 2 8 中算3 油井永1 - 2 7 应用的抽油机抽油机c y j t 8 3 4 8 曲为例，冲次 为1 3 3 1 m i n 1 ，曲柄半径r = 0 9 7 5 m ，游梁前臂长a = 3 m ，游梁后臂长c = 2 5 m ，连杆p = - 3 2 m ， 两心水平距i - - 2 4 m ，两心中心高h g = - 3 2 m ，冲程2 4 m 。对四连干机构综合后连杆长度 p - - 4 0 8 6 m ，游梁后臂c = 1 4 5 4 m ，其它尺寸保持不变。 y 、 一5 图3 _ 6 应用碳玻抽油杆的综合后的抽油机悬点的运动规律 对于综合后抽油机的运动规律，由图3 - 6 可以看出，当曲柄等速转动时，在下冲程 的过程中悬点最大速度发生在接近于下冲程死点处，上冲程速度较慢，从而使抽油机悬 点往复运动的平均速度不一样，使机构具有急回特性。 如图3 7 所示，记曲柄、连杆、摇杆( 游梁后臂) 和机架的长度分别为r 、p 、c 、 k ( k = ( 日一g ) 2 + ，2 ) ，摇杆的行程摆角( 即为抽油机悬点上下死点位置的夹角) 为妒， 由波动方程可以解定出抽油机悬点最大位置发生处后，可以得到该四连杆机构的行程速 比系数k 及极位夹角0 。 机构的急回程度取决于极位夹角口的大小，其值越大，急回特性越明显。 3 2 5 曲柄摇杆机构杆长的计算公式： 由于四连杆机构，已知两杆的尺寸，求解其它两杆的尺寸，故共有6 种组合。 1 9 西安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) 已知条件k ，y ，r ，p 图3 - 7 抽油机四连杆机构示意图 k ：上 曰 s m 一 2 ( 2 ) 已知条件k ，y ，c , p k ：上 6 c o s 一 2 ( 3 ) 已知条件七，缈，k ，p ( 3 9 ) ( 3 一1 0 ) ( 3 1 1 ) (