（机械制造及其自动化专业论文）抽油杆柱的动态特性及其应用技术研究.pdf

中文摘要 随着油田开发工作的进展，我国大部分油田都已进入开发后期，油井普遍 都具有较高的含水量，我国石油资源并不丰富，但是石油的消耗却在不断地增 长，导致石油缺口越来越严重。因此，必须加大提升井液的能力，提高采油的 效率。经研究分析发现，抽油杆柱上所受液柱载荷引起抽油杆柱的弹性变形以 及各种动载荷所引起的抽油泵的冲程损失是导致有杆泵抽油系统效率低下的一 个重要原因。针对这一问题，本文建立抽油杆柱的动力学模型和仿真模型，对 抽油杆柱的动态特性进行仿真分析，同时利用其动态特性指导有杆泵抽油系统 的参数优化设计，达到提高原油开采效率、节能的目的。论文取得的具体成果 如下： ( 1 ) 将抽油杆柱离散成质量、弹簧、阻尼结构的系统，建立了抽油杆柱的 动力学模型，运用牛顿运动定律，建立抽油杆柱的振动微分方程，将振动微方 程转变为状态方程，在s i m u l i n k 中建立抽油杆柱数学仿真模型。利用机械系统 动态仿真软件a d a m s 中拉压弹簧阻尼器和质量块相连接建立抽油杆柱的 a d a m s 仿真模型。 ( 2 ) 利用数学仿真模型和a d a m s 仿真模型对抽油杆柱的动态特性进行仿 真分析。分析抽油杆柱刚度和阻尼变化时，泵冲程的变化规律。阻尼不变时， 泵冲程总的趋势是随刚度的减小而减小，但中间会出现一个使泵冲程突然增大 的共振区域；当刚度不变时，阻尼系数的改变将会改变系统振动的幅值，且幅 值随阻尼系数的增大而减小。 ( 3 ) 对有杆抽油系统的优化方法进行分析，提出了利用抽油杆柱的动态振 动特性，即在其他参数基本不变的情况下，可通过设计一种减小抽油杆柱刚度 的结构，使抽油泵的位移增大，实现泵的超冲程，达到提高油井产量，提高原 油开采效率的目的。 关键词：有杆泵抽油系统，抽油杆柱，动态特性，泵冲程，参数优化分析 a b s t r a c t w i n lt h ep r o g r e s so fo i lf i e l dd e v e l o p m e n t , m o s to ft h ef i e l d si nc h i n ah a v eb e e n e x p l o r e da tt h el a t es t a g e ，a n dt h ew e l l sg e n e r a l l yh a v eh i g h e rr e l a t i v ew a t e rc o n t e n t o i lr e s o u r c e so fc h i n aa r en o ta b u n d a n t ，b u tt h eo i lc o n s u m p t i o nh a sc o n t i n u e dt o g r o w ，c a u s i n g o i ls h o r t a g ee v e nm o r es e v e r e t h e r e f o r e ，w em u s te n h a n c et h ew e l l s c a p a c i t yt ol i f tt h ew e l lf l u i da n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fo i le x t r a c t i o n t h es t u d y f o u n dt h a tt h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no fr o ds t r i n gc a u s e db yt h el i q u i dc o l u m n1 0 a d s u f f e r e do nt h er o dc o l u m na n dt h ep u m p ss t r o k el o s sc a u s e db yav a r i e t yo fd y n a m i c 1 0 a da r ea l li m p o r t a n tr e a s o nf o r t h el o we f f i c i e n c yo fs u c k e rr o dp u m p i n gs y s t e m t o s o l v et h i sp r o b l e m ，t h ew r i t e ri nt h i sp a p e re s t a b l i s h e st h ed y n a m i cm o d e lo ft h er o d s t r i n ga n ds i m u l a t i o nm o d e l ，a n dc o n d u c t ss i m u l a t i o na n a l y s i so ft h es u c k e rr o d s t r i n g sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s m e a n w h i l ei tc a nu s et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st o g u i d et h ep a r a m e t e ro p t i m u md e s i g n i n go ft h er o dp u m p i n gs y s t e m i no r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f c r u d eo i lp r o d u c t i o na n ds a v ee n e r g yn 赡a r t i c l ec o n c l u d e s r e s u l t sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) d i s c r e t et h er o ds t r i n gi n t oas y s t e mo fm a s s e s ，s p r i n g s ，d a m p i n gs t r u c t u r e s ， e s t a b l i s h i n gad y n a m i cm o d e lo ft h es u c k e rr o ds t r i n g , u s en e w t o n sl a w so fm o t i o n e s t a b l i s h i n gad i f f e r e n t i a lv i b r a t i o ne q u a t i o no ft h es u c k e rr o ds t r i n g , t r a n s f o r m i n gt h e v i b r a t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o ni n t oa ne q u a t i o no fs t a t e ，e s t a b l i s h i n gam a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o nm o d e lo ft h es u c k e rr o ds t r i n gi n t h es i m u l i n k u s et h et e n s i o na n d c o m p r e s s i o ns p r i n gm a s sd a m p e ri nt h em e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o n s o f t w a r ea d a m st oe s t a b l i s ht h ea d a m ss i m u l a t i o nm o d e lo ft h er o ds t r i n g ( 2 ) u s et h em a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nm o d e la n da d a m ss i m u l a t i o nm o d e lt o c o n d u c ts i m u l a t i o na n a l y s i so ft h es u c k e rr o ds t r i n g sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s w h i l e s t i f f n e s sa n dd a m p i n go ft h er o ds t r i n gi sc h a n g i n g ，w ea n a l y z et h ev a r i a t i o no ft h e p u m ps t r o k e w h e nd a m p i n gi sc o n s t a n t ，t h ep u m ps t r o k e w i l ld e c r e a s ew i t ht h e s t i f f n e s s sd e c l i n e b u tt h e r ew i l lb ear e s o n a n c er e g i o n ，i nt h i sr e g i o n , t h ep u m p s 仃o k ew i l lb es u d d e n l yi n c r e a s i n g ；w h e nt h es t i f f n e s si sc o n s t a n t ，t h ed a m p i n g c o e f f i c i e n t sc h a n g i n gw i l lc h a n g et h ev i b r a t i o na m p l i t u d eo ft h es y s t e m ，a n d a m p l i t u d ew i l ld e c r e a s ew h e nt h ed a m p i n gc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s ( 3 ) a n a l y z et h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so f r o dp u m p i n gs y s t e m t h ew r i t e rp r o p o s e s t ou s et h ed y n a m i cv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr o ds t r i n g ，w h i c hm e a n s ，w h i l et h e o t h e rp a r a m e t e r sa r eb a s i c a l l yu n c h a n g e d ，w ed e s i g nas t r u c t u r et h a tc a nr e d u c et h e r o ds t r i n gs t i f f n e s ss ot h a tt h ep u m pd i s p l a c e m e n ti n c r e a s e s ，a c h i e v i n gt h ep u m p u l t r a - s t r o k e f i n a l l y , i ta c h i e v e st h eg o a lo fi n c r e a s i n go i lp r o d u c t i o na n di m p r o v i n g t h ee f f i c i e n c yo fo i le x t r a c t i o n k e y w o r d s ：s u c k e rr o dp u m p i n gs y s t e m ，s u c k e rr o ds t r i n g ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ， p u m pd i s p l a c e m e n t ，p a r a m e t e ro p t i m i z i n ga n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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的地方外， 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 武汉理工大学或其他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作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：皇至! 至垒1 日 签名：! 土! 塑t 日期：型! ：蔓 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：巧，声1 1 f 导师( 签名)期f c 7 占 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 根据相关资料表明：目前世界石油可采储量为4 5 6 3 亿吨，而我国石油资源 最终的可采储量约为1 3 0 1 5 0 亿吨，仅占世界石油可采储量的3 左右。如果计 算剩余可采储量，我国为2 4 6 亿吨，全世界为1 4 0 2 8 亿吨，其比值下降到了 1 8 。如按每平方公里国土的平均资源比较，我国可开储量的丰度值约为世界 平均值的5 7 ，而剩余可采储量的丰度值仅为世界平均值的3 7 。由此可以看出 我国的石油资源量与世界石油资源量相比具有相对不足的缺点，而且按照目前 的石油消费的增长速度预测，未来的十几年，我国的石油缺口将不断扩大变得 越来越严重。因此，全国的各个油田必须要增加油井产量。当前，我国的油田 大部分已进入开发后期，油井普遍都具有较高的含水量，要提高原油产量，必 须加大提升井液的能力。因而采油系统的优化和节能成为亟待解决的问题之一。 1 2 课题的研究目的和意义 从地层里面开采石油的方法有两大类：一类是自喷采油法；一类是人工举 升采油法。人工举升采油法通常又称为机械采油法。目前，国内外机械采油装 置主要分为有杆泵和无杆泵两大类。其中，有杆泵采油是应用较为广泛的方法。 在美国，大约八成的人工采油井应用的是有杆泵采油。但是，有杆泵抽油系统 的效率都普遍较低。美国的常规型抽油机系统的效率算是比较高的，也仅有4 6 左右，而国内的先进地区至今都没有达到3 0 ，更不用说那些一般地区，平均都 只有1 2 9 0 - - 2 3 。总的来说，目前的有杆抽油系统效率低下，能耗大，耗电多。因 此，各个油田都将节能作为有杆泵抽油系统首先要解决的一个问题，同时也将 提高有杆泵抽油系统的效率作为重中之重。 在长期的研究和实践中，工作者发现有杆抽油系统的效率与油井本身的条 件有着非常密切的关系。在油井条件一定的情况下，影响有杆抽油系统的效率 的因素主要有以下三种：( 1 ) 技术装备；( 2 ) 机、泵、杆的设计；( 3 ) 管理工 作【1 2 1 。 分析有杆抽油系统的效率公式：油井的有效输出功率与电机输入功率的比 值为系统效率。其中油井的产油量以及有效地举升高度直接决定着有效输出功 武汉理工大学硕士学位论文 率，而油井的实际产量与抽油泵的容积效率、抽油泵的实际柱塞冲程有关。在 生产实践中发现，抽油机的光杆冲程、抽油杆柱和油管在液柱载荷作用下的弹 性变形而产生的冲程损失以及抽油杆柱在静载、动载等一些交变载荷作用下的 弹性振动所引起的抽油泵柱塞的超冲程决定了抽油泵的柱塞实际冲程。 抽油杆柱在工作过程中，处于非常复杂的受力、变形和运动状态。抽油杆 柱在运动过程中受到的各种摩擦力、阻力以及振动载荷不但给抽油机的工作带 来了不便，而且大大增加了功率损耗。同时，抽油杆柱上所受液柱载荷引起抽 油杆柱的弹性变形，减小了抽油泵的冲程，最终导致有杆抽油系统的效率降低。 因此，有必要建立抽油杆柱的动力学模型和仿真模型，对抽油杆柱的动态特性 进行仿真分析，同时利用其动态特性指导有杆抽油系统的优化设计，达到提高 原油开采效率、节能的目的。 1 3 国内外研究现状 抽油杆柱在井上抽油机的带动下，与连在其下端的抽油泵在充满井液的狭 长井筒内进行上下往复运动，在运动的过程中，承受着拉、压、弯、扭以及液 柱载荷，处于非常复杂的受力、变形和运动状态，是一个复杂的动力学系统。 对于抽油杆柱动力学，国外很早就有研究人员对其进行了研究。1 9 6 3 年， 吉布斯( g i b b ss q ) 建立了描述抽油杆柱纵向振动的一维带阻尼波动方程p 】，其 形式为 0 2 u ( 广x , t ) = 6 , 20 2 u ( x , t ) 一c 掣鲨一g ( 1 - 1 ) o 0 lo xo l 以光杆的位移、载荷与抽油泵的工作状况为边界条件，借助有限差分法求 解出了该波动方程数值解，从而可以精确的绘出杆柱任意截面的示功图。后来 吉布斯( g i b b ss g ) 提出解多级杆的重要性，但是没有提出多级杆的有限差分解 法。d j 斯凯弗和j w 詹宁斯在使用有限差分法解预测模型时，使用等位置间隔 x ，在杆柱直径与杆材性质发生变化段采用等效值的概念解决了多级杆及混合 杆的设计问题【4 l 。j e l e a 在两级杆界面处列出了力和位移连续条件，并使用泰勒 级数，得出了改进的有限差分方程，可用于解多级杆及不同材料混合杆的预测 模型【5 1 。1 9 6 7 年，美国中西部研究所通过模拟机械系统动力学模型，建立了描 述各集中质量振动规律的常微分方程组，并应用常用的数值积分方法建立了系 统仿真模型【6 l 。2 0 世纪八十年代，美国的d a l er u s s e ld o t y 和z s c h m i d t 在一维 2 武汉理工大学硕士学位论文 模型的基础上，同时考虑了抽油杆柱和液柱振动，并推出其二维预测模型【7 1 ，其 形式为 p , a , a 优v - - - l = 警+ 辟科一c ( 1 - 2 ) 辟4 鼍= 鲁 ( 1 - 3 ) p s ( a , 卅( 鲁+ 吁警= 4 卅誓+ 删4 卅一口 ( 1 4 ) 誓+ 昙( p f v f ) = 。( 1 - 5 ) 该模型比吉布斯的一维带阻尼波动方程要更加完善。方程中，将抽油杆柱 任一截面的处的轴向力和轴向速度作为描述杆柱纵向振动的基本参数，而液体 的振动方程则采用液体压力和液体运动速度作为参数。1 9 9 1 年，s d l l c k i a 和& d e v a n s 等人对考虑抽油杆和液体耦合的抽油杆柱模型又做了进一步研 究，把液柱分为可压缩和不可压缩两种模型【8 】。同时期，s 。a l u k a s i c w i c z 提出 了斜井中抽油杆柱的工作行为的预测和分析模型，这个模型包括弯曲抽油杆柱 的动力学分析，以及包含杆管接触产生的摩擦力的二阶偏微分方程，并用有限 差分法解这个方程【9 】。s o l o m o nd i _ 七t c hl c k i a 则提出了抽油杆柱和液体的组合模 型的求导和数值算法，这样可以精确的计算出粘性阻尼系数的影响【l o 】。 由于计算机技术的发展以及油田工作者和研究人员对于抽油杆柱动力学的 认识，计算机仿真技术逐渐的应用到了抽油杆柱及整个有杆抽油系统的设计和 计算之中。文献 1 中吉布斯( g i b b ss g ) 所提出有杆抽油系统动态参数的预测模 型实际上已经具有计算机仿真的特点。后来，吉布斯( g i b b ss q ) 对有杆抽油系 统动态参数的计算机仿真进行比较全面的总结【n l 。j o cd u n nc l e g g 应用有杆抽油 系统动态参数的计算机仿真技术对抽油泵不同充满程度情况下的系统动态参数 进行了计算机仿真，并将仿真结果绘成了类似于a p i r p i i l 的图表供手工设计有 杆抽油系统时使用【l2 1 。j e c h a c i n 和j c p u r c u p i l c 在对有杆抽油系统的动态参 数进行计算机仿真时，将抽油杆柱离散成有阻尼的弹簧质量系统，即采用了中 西部研究所的模拟机械系统动力学模型，建立了描述各集中质量振动规律的常 微分方程组，并应用常用的数值积分方法建立了系统仿真模型【1 3 l 。 由于各个方面的原因，我国学者直到2 0 世纪8 0 年代中期才有人开始对有 杆抽油系统计算机仿真技术进行研究。抽油杆柱一维和二维模型的计算机仿真 武汉理工大学硕士学位论文 玟不冗后仕戎崮脊天捆出伺j 例步酮脞用，开升娟伺j 目已明针氕厩朱。四女 石油学院余国安教授针对我国油管不锚定的特点，建立了同时考虑抽油杆、液 柱和油管的三维预测模型【1 4 1 ，其形式为 抽油杆的运动方程 辟4 鲁= a 苏o , + 辟西一c ( 1 - 6 ) e 4 善= 警( 1 - 7 ) 触- 4 ) 鲁= 警讹_ 4 ) 一e ( 1 - 8 ) 讹- 4 ) 鲁= - 硷s - ( 1 - 9 )苏 液柱的运动方程 州叫等叫4 4 ) - 以- f f - + 卅一(1-10)rag(4 乃( 4 4 ) i 2 一( 4 一 + 一4 ) 一 b 誓= 一誓( 1 - 1 1 )b 丢一i 式( 1 - 1 ) ( 1 - 1 1 ) 中，u 为抽油杆的位移函数，c ，为应力波在抽油杆中的传播 速度，c 为阻尼系数，g 为重力加速度，屏、p ，、n 分别为抽油杆、液体以及 油管的密度，4 、4 、4 分别为抽油杆的横截面积、油管内径面积和外径面积， 尸厂为液柱压力，q ，、q 分别为抽油杆和油管的内力，c 、c 、b 分别为作用 在抽油杆、油管以及液柱上的阻力，v ，、v 、 ，分别为抽油杆、油管以及液柱 的速度，e 、e 、e ，分别为抽油杆、油管以及液柱的弹性模量。该模型的建立 是对有杆抽油系统仿真技术的进一步完善和发展，但此模型仅针对单级抽油杆 柱。随后余国安又对多级抽油杆柱的有杆抽油杆柱进行了进一步的研究【l5 1 。同 时，他还与彭勇等人一起研究建立了抽油杆柱的有限单元模型，并提出了诊断 用有限单元有限差分递推解法【1 6 j 。除此之外，董世民等人于2 0 世纪末改进 各种模型中所使用微分方程或偏微分方程组的数值解，提出一种求解抽油杆柱 波动方程的新方法。该方法将偏微分方程的数值解转化成常微分方程组的数值 解，节省了大量计算机运算时间【1 7 1 9 】。 进入到2 1 世纪以后，国内对于抽油杆柱的动态特性的研究越来越多，理论 也逐渐成熟。刘清友等人于2 0 0 4 年在研究抽油杆柱一维、二维、三维纵向振动 4 武汉理工大学硕士学位论文 力学模型的基础上，建立了基于油管内液柱、油管振动相互作用下的抽油杆柱 纵向振动力学模型、扭转力学模型以及仿真模型，对有杆抽油系统的力学模型 有了进一步的完善，同时完成了“有杆抽油泵系统工作行为的仿真软件”的开 发【2 2 1 。 最近几年，国内对抽油杆柱的许多研究工作主要集中在解决抽油杆柱的横 向振动所引起抽油杆柱的弯曲、偏磨问题。王素玲等人利用有限元分析方法预 测抽油杆柱和对抽油机井抽油杆柱进行瞬态力学行为研究，确定油管柱偏磨点 的位置【2 3 删。文献 2 5 中提到针对管杆偏磨原因，发现抽油杆底部加重技术的 井发生偏磨的较少，在优化抽油杆组合，采用底部加重杆的同时，重点推广应 用抽油杆扶正器技术。文献 2 6 - 2 7 详细的介绍了通过计算抽油杆柱中和点的位 置来确定扶正器安装。文献 2 8 将有限元理论、接触非线性理论以及抽油杆柱 动力失稳的力学理论结合起来，建立了抽油杆柱的动力学模型，并对其进行求 解计算和仿真分析，将抽油杆柱的变形状态和与油管的接触状态准确的描述了 出来，根据结果来进行扶正器安装位置设计和抽汲参数优化。 另外，有很少一部分学者开始研究抽油杆柱的减震问题。河南油田研制出 了光杆减震器，通过安装减震器，减小了光杆振动，增强了光杆稳定性【2 9 】。文 献 3 0 是大庆油田有限责任公司朱君等人发明的一个专利，该专利是从能量的 角度出发，提出通过利用弹性元件组成的抽油杆缓冲器来改变抽油杆柱的弹性 模量，使抽油杆柱固有频率满足一定的公式，使杆柱振动固有频率为最佳振动 频率，从而实现了抽油机的节能、降耗、增产。文献 3 1 建立了具有减震器的 混合抽油杆柱的纵向振动特性与悬点示功图仿真模型，证明了减震器对抽油杆 柱的固有频率有较大的影响，同时分析了减震器的弹簧刚度和阻尼系数对减震 效果的影响。 1 4 论文的研究内容和结构安排 抽油杆柱在运动过程中是一个非常复杂的动力学系统，其边界条件较多， 这些边界条件都会对抽油杆柱的动态特性产生影响，在简化处理的时候需谨慎 对待。本课题的研究内容是在国内外研究成果的基础上，建立抽油杆柱的动力 学模型和仿真模型，对抽油杆柱的动态特性进行仿真分析，同时利用其动态特 性指导有杆抽油系统的优化设计。本文的结构安排如下： 第一章阐述课题的背景和研究的目的和意义，分析抽油杆柱动力学及仿真 分析国内外研究现状，总结目前的研究成果，提出本文主要研究内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章分析有杆泵抽油系统的工作过程，主要是“三抽设备”的工作原理， 同时对有杆抽油系统井下设备抽油杆在工作过程中所承受的载荷进行分析。 第三章建立抽油杆柱的动力学模型，并确定粘性阻尼系数的计算公式；同 时建立抽油杆柱数学仿真模型，并运用机械系统动力学仿真软件a d a m s 建立 柔性抽油杆柱的仿真模型，并利用仿真模型来计算抽油泵的冲程。 第四章对抽油杆柱的动态特性进行仿真分析，重点分析在刚度变化、阻尼 变化情况下抽油杆柱的动态特性；同时分析有杆抽油系统的优化方法，并研究 分析如何运用抽油杆柱的动态特性来对有杆抽油系统进行优化。 第五章对本文在课题中所做的工作做一个全面的总结和展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章有杆泵抽油系统的工作原理 从地层里面开采石油的方法有自喷采油法、人工举升采油法( 机械采油法) 两大类。目前，根据各种油井工况的不同，出现了多种多样的人工举升采油法。 其中有杆泵抽油方法就是其中的一种。 有杆泵抽油方法很早就被人类所采用，现在也是应用最为广泛的一种人工 举升采油方法，在石油工业刚问世时，就开始采用这种方法进行石油开采。随 着技术的不断发展，有杆抽油设备也在不断完善。目前，在各种人工举升采油 方法中，有杆泵抽油仍然居于首要地位。 有杆泵抽油方法包括游梁式有杆泵抽油方法和地面驱动螺杆泵抽油方法两 种。采用游梁式有杆泵抽油方法时，系统的结构简单、耐用、操作简便、寿命 长等，正是基于这些明显优势，游梁式有杆泵抽油方法成为目前各个油田使用 最为普遍的一种机械采油方法。基于本文的研究对象和研究内容，本章将系统 的介绍有杆泵抽油系统的组成，以及对其工作过程中的载荷特性进行分析。 2 1 有杆泵抽油系统的组成及工作过程 图2 - 1 为有杆泵抽油系统组成，其主要包括三个部分：一是地面驱动设备 即抽油机，二是悬挂在油管下端的抽油泵，三是连接抽油机和抽油泵的抽油杆， 它将地面设备的动力和运动传递给井下的抽油泵。除以上三个主要组成部分外， 有杆泵抽油系统还包括用于悬挂抽油泵并作为液体通道的油管柱、油套管环形 空间以及井口装置等。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 抽油机 图2 - 1 有杆泵抽油系统结构示意图 抽油机是有杆泵抽油系统的主要地面设备，在有杆泵抽油系统中起着重要 的作用。抽油机的种类繁多，按最新的分类方法可将抽油机分为：抽油杆做上 下往复运动的抽油系统和抽油杆做旋转运动的抽油系统。 其中抽油杆做上下往复运动的抽油系统，按游梁分类可分为游梁抽油机和无 游梁抽油机；按冲程分类可分为常规冲程抽油机和长冲程抽油机。游梁抽油机 包括常规型游梁抽油机、适应型游梁抽油机、节能型游梁抽油机和自动型游梁 抽油机；无游梁抽油机包括低矮型无游梁抽油机、缸体型无游梁抽油机和井架 型无游梁抽油机。 抽油杆做旋转运动的抽油系统主要是地面驱动螺杆泵采油系统。这种采油 系统主要有美国m o y n o 采油系统和加拿大c o r o d 公司的螺杆泵采油系统等。 常规型游梁式抽油机是目前油田中使用最为普遍的抽油机，其结构如图2 2 所示。其主要由换向机构、减速机构、动力设备、辅助装置四部分组成。其中 8 武汉理工大学硕士学位论文 换向机构主要由游梁、连杆、曲柄机构( 四连杆) 组成；减速机构由皮带轮、皮 带、减速器组成；动力设备主要是电动机或内燃机；辅助装置则包括杀车装置、 底座等。 7 图2 - 2 常规型游梁抽油机结构示意图 1 底座：2 一支架：卜悬绳器：卜驴头：删 梁：卜横梁轴承座：7 一横梁： 8 _ 连杆：卜曲柄销装置：1 卜曲柄装置：1 1 一减速器：1 2 一刹车保险装置： 1 3 一刹车装置；1 4 _ 电动机：1 5 一配电箱 常规型游梁式抽油机的最主要的特点是：结构上，支架在驴头和曲柄连杆 之间，而且上冲程和下冲程的时间相等。 当前，由于石油开采难度的不断加大，对抽油机的要求也越来越高。一方 面要求抽油机能够适应多种井况工况条件如垂直井、斜井、水平井和丛式井等； 另一方面要求适应不同的地质油藏条件、能够进行深井开采和稠油井开采、能 够在边远地区落后的采油条件下进行石油开采，还要求抽油系统具有较高的效 率、较低的能源消耗，较低的开采成本等。面对着这些需求，在不断的研究和 探索之中，出现了各种各样的新型抽油机，各种新型抽油机的出现也引导着抽 油机朝着大型化、自动化、智能化、低能耗、高效率，高适应性的方向发劂3 2 】。 2 1 2 抽油泵 9 武汉理工大学硕士学位论文 抽油泵是有杆泵抽油系统中的主要设备，由工作筒、活塞及阀等组成，其 中工作筒包括外筒和衬套，阀包括游动阀和固定阀，固定阀通常又称为吸入阀， 游动阀通常又称为排出阀，如图2 3 所示。这两个阀工作起来就如同两个单流 阀，在柱塞的上下运动过程中开启和关闭，起吸入井液和排出液体的作用。 ( a ) 管式泵( b ) 杆式泵 图2 - 3 抽油泵结构示意图 卜油管；2 一锁紧卡；3 一活塞；4 一游动阀；5 一工作筒；6 - 固定阀 抽油泵按其结构不同可分为管式泵和杆式泵。管式泵是把外筒、衬套和固 定阀在地面组装好后，接在油管下部先下入到井内，然后把装有游动阀的活塞 接在抽油杆柱下端下入泵筒内。如图2 - 3c a ) 所示。管式泵的结构简单，成本较 低；与杆式泵相比，在相同油管直径下，允许下入的泵径较大，因而其排量比 杆式泵大：但是在检泵时，必须起下管柱，这样就会导致修井工作量加大。综 合以上叙述的管式泵的特点，可以得出管式泵主要适用于下泵深度不大、产量 较高的油井。 如图2 3 ( b ) 所示为杆式泵的结构示意简图，杆式泵又称为插入泵，它有内 外两个工作筒，首先将锥体座和卡簧装在外工作筒的上端，其中卡簧的位置就 是下泵的深度，接着将外工作筒和油管一起下入井中，然后将装有活塞和衬套的 内工作筒接在抽油杆的下端下入到外工作筒中并由先已经装好的卡簧固定。杆 式泵在检泵时，通过抽油杆柱把内工作筒拔出即可，不需起出油管，因此其检 泵非常方便，但是杆式泵的结构一般都较为复杂，制造成本偏高；且其排量较 小。综合以上叙述的杆式泵的特点，可以得出杆式泵适用于下泵深度较大，产 量较小的油井。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 在实际的石油开采中，由于井液性质复杂，如井液中有大量的气体、井液 粘稠度高等，这样对泵往往有比较特殊要求。因此，从用途上来分，又可将抽 油泵分为常规泵和特种泵。其中特种泵主要有防气泵、防砂泵、抽稠泵、分抽 混出泵和双作用泵以及各种组合泵【3 3 】。 2 1 3 光杆和抽油杆 在有杆抽油系统中，抽油光杆通过光杆卡、悬绳器与地面的抽油机相连， 同时，它通过光杆接箍与井下的抽油杆相连，将抽油机的往复运动传递给抽油 杆。有的光杆还会在其杆体上套上光杆衬套。当电机启动，抽油机工作时，光 杆的杆体或者光杆衬套会在抽油机的带动下在井口盘根盒内做往复运动，这样 光杆与盘根盒之间会产生摩擦力。由于抽油杆柱在有杆抽油系统中的特殊作用， 在抽油杆的选择和设计中，往往将其抗疲劳性能放在首位。而其疲劳强度和使 用寿命直接对整套抽油设备的最大下泵深度和排量有着非常重要的影响，同时 要求光杆具有较高的强度和表面光洁度【3 4 1 。 常用的抽油杆主要有普通抽油杆、空心抽油杆和玻璃纤维抽油杆三种类型。 普通型抽油杆具有结构简单、制造容易、成本低、直径小，有利于在油管 中上下运行的特点。因此，它主要用于常规有杆泵抽油方式。 空心抽油杆由空心圆管制成，成本较高，它主要是用于一些特殊抽油工艺， 如热油循环、热电缆加热等，也可以通过利用其结构的特点，从空心通道向井 内添加化学药剂。空心抽油杆主要适用于高含蜡、高凝固点的稠油井。 玻璃纤维抽油杆的主要特点是：耐腐蚀、重量轻、弹性模量小。这三个特 点使其相比其他种类的抽油杆具有较长的使用寿命，而且使用这种抽油杆还可 以降低抽油机悬点载荷从而节约能量，可实现超冲程，有利于提高泵效。 此外，还有一些特殊用途的抽油杆，如连续杆、钢丝绳杆、不锈钢杆以及 非金属带状杆等。 抽油杆柱是由数十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成，在采油的过程中， 抽油杆柱承受不对称循环载荷的作用，工作介质为包含原油和矿层水的井液。 抽油杆柱的工况恶劣，受力复杂。这一内容将在下一节重点介绍。 2 1 4 有杆泵抽油系统工作过程 有杆泵抽油系统是通过抽油机、抽油泵、抽油杆以及其他的辅助装置的协 同工作来达到抽取地层中的原油。下面将以常规型游梁抽油机为例来介绍有杆 武汉理工大学硕士学位论文 泵抽油系统的工作过程。 其工作过程是：由电机驱动经皮带将高速的旋转运动传递给减速箱，经过 减速箱的三轴二级减速后，再由曲柄连杆机构将旋转运动变为游梁的上、下摆 动，悬绳器与游梁一端的驴头相连挂带动抽油杆柱做上下往复运动， 抽油杆柱 的下端连有抽油泵，抽油泵也跟着抽油杆柱做上下运动。抽油泵的活塞上、下 运动一次称为一个冲程，向上运动的过程为上冲程，向下运动的过程为下冲程。 当悬点( 抽油杆柱) 处于上冲程时，抽油泵活塞在抽油杆柱带动下向上运动， 如图2 - 4 ( a ) 所示，活塞上的游动阀受管内液柱压力作用而关闭，泵内压力则因 游动阀的关闭而降低。固定阀在沉没压力与泵内压力的共同作用下，主要是向 上的沉没压力大于向下的泵内压力，克服重力而被打开，液体则进入抽油泵活 塞上冲程所释放的泵筒空间内，同时柱塞上部的井液与抽油杆一起向上运动， 并从井口排出。 ( a ) 上冲程；( b ) 下冲程 图2 - 4 泵的工作原理图 卜排出阀；2 一活塞；3 一衬套；4 一吸入阀 下冲程时，抽油泵活塞在抽油杆柱带动下向下运动，如图2 4 ( b ) 所示。抽 油泵的固定阀靠自重下落而关闭，泵内压力由于泵内空间减小而逐渐升高，当 泵内压力升高到大于活塞上部液柱压力和游动阀重力的合力时，游动阀被顶开， 活塞下部的液体通过游动阀进入到活塞上部，泵内液体排向油管，进入油管环 形腔内。在抽油泵的上冲程和下冲程过程中，固定阀和游动阀交替的关闭和打 开，完成了抽油泵的工作循环。从而将原油不断抽汲至地面。 在系统的整个工作过程中，悬点在上、下死点间的位移称为光杆冲程，抽 油泵在上、下死点间的位移称为泵冲程，分别用s 和s 。来表示。每分钟完成上、 下冲程的次数称为冲次，用1 1 来表示。冲程和冲次直接关系到油井的产量。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 有杆泵抽油系统的载荷特性及分析 在对有杆泵抽油系统进行载荷分析时，驴头悬点即抽油杆柱所受的载荷分 析是最重要的一个部分。抽油杆柱的载荷对其动态特性有极大的影响，同时也 影响着整个有杆泵抽油系统的效率。 2 2 1 载荷类型 抽油杆柱是由数十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成，抽油杆柱的上端 经光杆与抽油机连接，下端与抽油泵的柱塞相连。在采油的过程中，抽油杆柱 承受不对称循环载荷的作用，工作介质为包含原油和矿层水的井液。抽油杆柱 在工作过程中，处于非常复杂的受力、变形和运动状态。抽油杆柱在不同的工 作状态、不同的位置受到不同的载荷作用。基于抽油杆柱的受力特点，将抽油 杆柱分为上冲程和下冲程来对其载荷特性进行分析。 ( 1 ) 上冲程状态，如图2 - 5 ( a ) 所示，悬点驴头( 抽油杆柱) 承受的载荷主要有： 抽油杆柱自身的重力和浮力、液柱的重力、抽油杆柱和液柱的惯性载荷、抽油 杆柱和接箍与井液的摩擦力、抽油杆柱和井口盘根之间的摩擦力、液柱和油管 之间的摩擦力、抽油泵泵筒与柱塞之间的摩擦力以及振动载荷等。 ( 2 ) 下冲程，如图2 - 5 ( b ) 所示，悬点驴头( 抽油杆柱) 承受的载荷主要有：抽 油杆柱自身的重力、浮力和惯性载荷、抽油杆柱和井口盘根之间的摩擦力、抽 油杆柱和接箍与井液的摩擦力、抽油杆柱与油管的接触摩擦力，抽油泵泵筒与 柱塞之间的摩擦力、液体通过游动阀的阻力以及振动载荷等。在下冲程的过程 中，油柱的重量作用在了油管上。 武汉理工大学硕士学位论文 箍 ( a ) 上冲程； ( b ) 下冲程 图2 5 抽油杆柱上冲程受力简图 1 抽油杆柱的重力 对于单级杆而言，抽油杆柱的重力公式为： g r = p a l g 式中：辟抽油杆柱的密度，姆m 3 ： 4 抽油杆柱的截面积，1 7 1 2 ； 上抽油杆柱的长度，历： g 重力加速度，m s 2 。 对于多级杆而言，抽油杆柱的重力为： g r = p r 4 l i g 1 4 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 箍 琢木i 武汉理工大学硕士学位论文 式中：f 抽油杆的级数； 店抽油杆柱的密度，姆掰3 ； 4 抽油杆柱的截面积，掰2 ； 厶抽油杆柱的长度，朋； g 重力加速度，朋s 2 。 2 抽油杆柱的浮力 浮力指物体在流体( 包括液体和气体) 中，上下表面所受的压力差，方向向上， 其值的大小为排开液体的重量。所以在计算悬点的载荷时，计算浮力的公式为： 咚= 卑= ( 屏一乃) g 4 厶 ( 2 3 ) 式中：p 抽油杆柱在液体中的重量，n ； 岛抽油杆柱的密度，姆i m 3 ； p ，井筒内液体的密度，k g m 3 。 这样处理浮力，在计算抽油机悬点载荷时没有影响，但是如果是对抽油杆 柱和管柱的变形状态和应力状态进行分析计算，那 霎翼望薹嚣翼竺霎完全失真，所以在此必须重新考hl 虑浮力的分布形式。 1 由浮力的概念可以得知：浮力的作用位置为浸 在液体中的物体的下端表面，其值为上下端表面的 压力差，即上下端表面压力的合力，这个合力的大 小就是排开液体的重量。 如图2 6 所示，设a b 为浸在油液中的一段等 截面直杆，直径为d ，长为l ，上端表面距液面的图2 - 6 浮力分析简图 高度为q ，下端表面距液面的高度为皿，井液的密度为p ，则杆a b 所受浮力 为： 艮= p g 等( 吼枷= p g l 孚 4 ) 由上式可知，抽油杆柱所受浮力作用于抽油杆柱的底部。 3 液柱的重力 在抽油杆柱的上冲程中，会提升一段液柱，即有一段液柱的重量会作用在 抽油杆柱上面，油井中的这段液柱为油管内抽油泵柱塞面积与抽油杆外径环空 的井液。它的重力为： 武汉理工大学硕士学位论文 g ，= 乃( a p 一4 ) 磁 ( 2 5 ) 式中：p ，井筒内液体的密度，k g m 3 ； 4 。抽油泵柱塞的截面积，m 2 ； 4 抽油杆柱的截面积，m 2 ； 卜油井动液面深度，m ； g 重力加速度，m s 2 。 4 惯性载荷 驴头带动抽油杆柱和液柱做变速运动时存在加速度，因而将产生惯性力， 将悬点运动近似地认为是在做简谐运动。这时，悬点运动的加速度为： 瓯= 芸功2 ( 2 - 6 c o s ( o t ) 嚷= i 功 ， 二 式中：s 光杆冲程，m ； 曲柄匀速转动的角速度，r a d s ； t 从悬点下死点算起的上冲程时间，s 。 抽油杆柱的惯性载荷为 噜惯= m r a 。 液柱的惯性载荷为 珞惯= 7 叶口。 式中，加，抽油杆柱的质量，k g ； m ，液柱的质量，k g 。 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 5 抽油杆柱和井口盘根之间的摩擦力 井口盘根安装在井口，主要起密封作用，抽油杆柱在上下往复运动会与其 产生摩擦力，根据相关实验得出的经验公式【4 1 】为： & = 9 8 1 7 ：k 岍d h f ( 2 9 ) 式中，卜摩擦系数； 卜常数； v 二一抽油杆柱的运动速度，m s ： 卜光杆直径，m ； 卜有效密封高度，m ； 卜油管压力，m p a 。 6 抽油杆柱和接箍与井液的摩擦力 抽油杆柱和接箍相连在一起，在油管中做上下往复运动，抽油杆柱和接箍 都会与井液产生摩擦阻力。 ( 1 ) 抽油杆柱与井液的摩擦阻力 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 & 田：三丝翌x 1 0 。 阻2 平q 式中，井液的平均动力粘度，p a s ； l ，下泵深度，m ； v 夕液体与抽油杆柱之间的相对速度，m s ； k r 的值取决于油管的内径d f 与抽油杆柱的直径d r 的比值m ， 巧= 藉1 n 一1 胁一一l ( 2 ) 抽油杆接箍与井液的摩擦力 嚷阻= 允( 4 4 ) 华m 式中，五阻力系数，与液体的粘度、流速有关； 以抽油杆接箍面积，m 2 ； ，痨液体与抽油杆接箍之间的相对速度，m s ； m 抽油杆柱上接箍的总的个数。 7 抽油杆柱与油管的接触摩擦力 抽油杆柱和接箍在油管中做上下往复运动的过程中， 产生变形而与油管接触，并产生摩擦，摩擦力为 摩2 4 瞻 ( 2 - 1 0 ) 其计算式为 ( 2 一1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 抽油杆柱会因为受压 ( 2 - 1 3 ) 式中以为摩擦系数，& 为接触压力，n 。