（石油与天然气工程专业论文）聚合物驱抽油机井参数优化设计研究.pdf

要 聚合物驱抽油机井参数优化设计研究 摘要 抽油机井举升方式是目前油田应用最广泛的机械采油方式。为保持抽油机井举升系统高效节能 工作，随着开发的深入，必须针对油藏产能、生产水平、地面地下等生产参数的变化，对生产井进 行随时的地面与地下参数设计优化，改变抽汲参数和机杆泵组合。 聚合物驱抽油机井参数优化设计针对聚驱抽油机井生产中存在的效率较低、能耗偏高以及杆管 检泵问题严重的情况，以抽油机井系统效率为设计目标，分别建立了聚驱抽油机井产能预测模型、 聚驱抽油机井杆柱优化设计模型、聚驱抽油机井拖动设备功率设计模型，同时修正完善了聚驱条件 下的抽油机井摩阻载荷计算模型，并给出了相关约束条件。聚合物驱抽油机井参数优化设计模型在 对传统经验模型进行聚合物驱影响的校正基础上，以能耗指标和系统效率指标等油井经济运行指教 为目标函数，对抽油系统中的能量消耗进行了分解计算，并从现场试验中进行验证，充分结合了油 井实际生产水平的变化，从而优选机杆泵和抽汲参数组合 通过聚驱抽油机井杆柱及扶正器的现场设计试验，确定了其对抽汲系统能耗的影响；通过开展 聚驱抽油机井杆管偏磨受力试验和抽汲速度对能耗影响试验，解决传统抽油机井工艺参数设计方法 在聚驱抽油机井优化设计上的不适用问题。应用喇嘛甸油田抽油机井的数据，对软件所采用的致学 模型进行了检验，并对系统效率低、能耗偏高的聚驱抽油机井进行了参数优化设计，达到了明显的 节能增效的目的 关键词：聚合物驱；抽油机井；系统效率；优化设计 大庆石油学院硕士研究生学位论文 t h es t u d yo no p t i m i z i n gd e s i g no f t h ew h o l ep a r a m e t e rf o rp o l y m e r f l o o d i n g a b s t r a c t t o d a y , t h er o dp u m p i n gi st h ep r e d m 山咱n m e c h a n i c a lr e c o v e r ym o d ei nw o r l d 删州m p r o d i i 面 w i t ho i l f i e l dd e v e l o p m e n t , t o l a k et h er o d p u m p i n gs y s t e mw o r kw i t hh i g h l ye f f i c i e n ta n de n e r g y - s a v i n g j nt h ep o l y m e rf l o o d i n g s o r u cp r o d u c i n gp a r a m e t e r sw i l lc h a n g es “a c h 笛l a y e rp m s s u 。g a s - o i lr a t i oa n d w a t e rc u te t c ，w h i c hw i l li n d u c et h es y s t e mu n c o o r d i n a t e dw o r k s ot h el o we f f i c i e n ts u c k e rr o dp u m p i n g w e l li np o l y m e rf l o o d i n gm u s tb eo l ，t i m i 五n gd e s i g n e db y o p t i m i z i n gt h ep u m p i n gp a r a m c t 日a n dp u m p i n g u n i t - r o d - p u m pc o l n b i i l a t j o n m a n yp r o b l e m sh a sb e e np u tf o r w a x di np o l y m e rf l o o d i n gw e l l st h 锄w h i c hi nw a t e rf l o o d i n gw e l l s 幽l 雠p o l y m e rw e l l sp u ti n t op t o t h l c t i o oi nd a q m go i lf i e l d b yn l y - , i n gs y s t e m a t i cc h a r a c t e r i s t i co f p u m p i n gw e l l ，o nt h eb a s i so fn o d a la n a l y s i so fo v e r a l lp u m p i n gw e l ls y s t e m , b ym m 她i n f l o w p e f f b f m a i l t e l a t i o n s h i p , m u l f i p h a s ep i p i n gf l o wi nw e l l b o r e ，p a r a m e t r i cp r o p 响髓o fo i l - g a s - w a t e r , p l l r n p m gp a r a m e t e r ，w e l lt r a c k ，c o m p l e x i t yo fs u c kr o ds t r i n ga n ds l i d i n gf r i c t i o nf o r c ef o rs u c kr o dw i t h t u b e ，t h u sf i m n u l e ai se s t a b l e i s h e df o rs u c k e r - r o dp u m p i n g , f o r m a t i o no p t i m a ld e s i g nm a t h e m a t i c a lm o d e l s u i t a b l et oo p t i m i z i n gd e s i g nt h es u c k - r o dp u m p i n gs y s t e m , d e s i g ns o f ti sc o m p i l e d p b s m gc a l c u l a t e d r e s u l ti sb a s c l a l l ym a t c h e dw i t ht h a to f a c t u a lw e l lc o n d i t i o n s b yf i e l dt e s to fs u c k e rr o dp u m p i n gw e l lf o rp o l y m e rf l o o d i n g ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs y s t e m i c o p t i j i i i z e dd e s i g ni sv e r i f i e db yd a t u m s i t e a p p l y i n gt ot h ea c t u a li m o d u c i n gd a t ao f 2 0w e l li nl a m d i a n o i lf l i e dt oc h e c kt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ea c c t i x b l 净o f s o f t w a r e 。t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nr e s u l ti s c o i n c i d e n c ew i t ht h ea c t u a ls t a t e t h es o f t w a r ec a nw e l ld i r e c tt h ew o r ko f o i l6 c l d k e yw o r d s ：t h ep o l y m e rf l o o d i n g r o dp u m p i n gs y s t e m ，t h ee f f i c i e n c yo fs u c k - r o dp u m p m gs y s t e l n - q 坩m 凶gd e s i g n 大庆石油学院硕士研究生学位论文 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，除文中巴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：型日期：! 翌! ：哆 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昀电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 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：涮导师签名：每杉南 日期：p 町占计日期：7 j _ 7 p 创新点摘要 创新点摘要 ( 1 ) 通过分析抽油机井举升系统特性，对有杆泵抽油系统在聚驱油井的计算进行 了修正和完善，建立了聚合物驱抽油机井系统整体参数优化设计模型，能够准确的对聚 驱抽油机井生产、能耗、效率等各系统进行模拟计算和预测。 ( 2 ) 通过室内模拟和现场试验确定了聚合物驱抽油机井系统抽汲参数、杆管设计、 扶正器布置对抽油系统的效率、能耗和系统运行工况的相互影响关系，对聚驱抽油机井 系统设计模型进行了实际验证。 ( 3 ) 设计开发了适合于聚合物驱有杆抽油系统的整体参数优化设计软件该软件 实现了对传统有杆抽油系统设计的改进，克服了油田对抽油机井经验性调参与设计的不 足，可对抽油机井以系统效率和能耗为目标函数进行地面地下多参数的优化设计，有效 找到油井生产和能耗水平的最佳结合点。实现提高系统效率、降低运行能耗、改善运行 工况的目的。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章引言 随着高含水后期油田的开发，油田产油量的下降，产液量及注水量相对持平，但含 水率上升，单位能耗逐年呈上升趋势是不可避免的，原油生产过程中的耗电费用在原油 生产成本中的比例逐年上升，统计表明，已由“九五”初期的1 0 左右上升到目前的2 0 以上，而机采井能耗约占油田生产耗电的3 0 ，是油田的主要耗能系统之一 从2 0 0 1 年开始，油田公司要求对用抽油机井进行能耗普测，测试结果表明，抽油 机井平均系统效率为2 4 ，5 5 。仍处于较低水平。“大马拉小车”现象十分严重，其中约 1 4 0 0 口抽油机没有采取节能措施。抽油机井系统效率是衡量有杆泵系统生产与能耗水平 的综合性指标。目前的有杆泵系统设计技术已不能满足油田成本经济投入、生产低耗运 行的要求。 另外，随着油田进入高含水开采后期，工业性聚合物驱开发规模日益扩大，单井产 量逐年调整，综合含水上升，沉没度下降，供捧矛盾突出。目前聚合物驱抽油机井由于 没有针对性的系统设计方法，受此影响，不仅生产运行成本高、效率低，而且杆柱偏磨 问题也严重影响检泵指标。聚合物驱抽油机井在抽汲参数设计、井下杆柱设计方面暴露 出的问题日益严重。国内目前的有杆抽油系统设计方法比较传统，且针对性不强，直接 应用于喇嘛甸油田聚驱井存在一定的局限性。 因此，立足于油田实际，以聚驱抽油机井系统为研究对象，开展提高油井系统效率， 降低运行能耗，优化机、秆、泵等抽汲参数的设计方法研究，对于提高聚驱抽油机并系 统效率水平，延长聚驱抽油机井检泵周期、降低维护性作业成本及综合返工率等具有重 要意义，也是油田进行低成本开发的一项重要举措。 本文在充分调研油田聚驱油井实际状况的基础上，对有杆泵抽油系统进行了全面的 分析，开展了聚驱抽油机井室内模拟和现场试验，针对聚驱抽油机井特点进行了相关模 型的修正和完善，建立了聚驱抽油机井各系统的计算模型，能够根据油藏、生产和设备 参数对抽油机井系统进行模拟计算。针对抽汲参数配置和系统设计不当的聚驱抽油机 并，开发一套优化设计软件，以整个系统的效率为优化的目标，合理地选择设备的运行 参数，具有有很强的实用性和可操作性，可以实现聚驱油井的系统优化设计 第2 章有杆泵采油系统设计 第2 章有杆泵采油系统设计 游梁式抽油机有杆泵采油是有杆泵采油系统中最重要的，主要通过抽油机悬点的往 复运动，通过抽油杆将地面动力传递给井下柱塞泵，以此将井下液体举升到地面。 2 1 油井流入动态 准确预测油井产能是确定油井合理工作制度的依据，也是分析油井动态的基础。 2 1 - l 单相液流 测试点的井底流压大于堡和压力时，油藏内为单相液体渗流，油井产能可按下式计 算： q = 以( ，一p 一) ( 2 1 ) 以= 址 ( 2 2 ) p ，一p 咖 式中吼产液量，m 3 d ： p 町井底流压，m p a ； 以产液指数，m 3 ( d m p a ) ； g m 。测试产液量，m 3 d ； p 地层平均压力，m p a ； ，咖测试压力，m p a 2 1 2 油气水三相渗流i p r 方程 对于注水开发的油藏，油气水三相同时存在。p e t r o b r a s 根据油流v e g o l 方程，从 几何学角度导出油气水三相渗流时的i p r 曲线及井底流压和采油指数计算式。p e t r o b r a s 方法计算综合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 曲线的加权平均分子 值。当已知测试点计算采液指数时，可按产量加权平均；当预测产量或流压时，可按流 压加权平均。 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 若o q 吼，则有： g5 = j ( p ，一p ) + 等 q l 。= q o 。、jl f 文pr q q 。| jl ) ( 9 - 8 f 1 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) p 可= ；，一争 ( 2 - 6 ) 若吼 g 工g o 。，按流压加权平均进行推导，用组合i p r 曲线计算，用恒定的生产 指数公式计算，则有： p _ = ；，一凳 + 。- 2 s 。一l ，p 。1 8 1 - 8 0q - q - - - - - - l 一- c z 7 ， 若吼。 吼q l 。，综合区线的斜率可近似为常数，则有： 驴q 一对阻t q - - q o m l x 协s ， 式中吼原油饱和压力下的产液量，m ，d ； 吼流压为零时的最大产油量，m 3 d ； q l 流压为零时的最大产液量，m 3 d ： 吼产液量，m 3 d ： l 含水率： 以产液指数，m 3 ( d m p a ) 当测试流压p 咖。儿时 以= 虹 ( 2 9 ) pr p 抽| 当p 。 p 6 时 第2 章有杆泵采油系统设计 小而f 磊q 1 , m 陬t ( 1 一l mp ，一p 。+ 专芝l + l q ，一p ，细) 式中g 姗测试产液量，m 3 d ； a 相关系数。 川一o z 鲁卜酬2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 2 1 3 聚驱油井流入动态方程 聚合物溶液的流变性可用幂律模式来描述，假设条件为：( 1 ) 油藏是均质等厚的，油 层厚度与渗透率为常数；( 2 ) 忽略重力、系统的压缩性；( 3 ) 地层流体的流变性符合幂 律定律。根据己知条件，可推导出幂律流体在多孔介质中稳定渗流的油井流入动态方程： 蚪砌 黼 蜘 协 式中q 为油井产量； h 为油层有效厚度； 见为泄油边界处压力； ，。为井底流压： 且。为泄油半径： r 。为井筒半径； 为流性指数； k ，为沿径向方向的渗透率； ，锄为液体的有效粘度 卢矿= 6 2 5 k k ，妒( 9 + 3 ) ( 1 一 r ) ( 2 1 3 ) 式中妒为多孔介质的孔隙度。 2 2 供采协调匹配 抽油机井在进行抽汲参数设计时，必须保证地层和井筒的协调生产，以抽油泵吸入 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 3 处为节点，在泵吸入e l 处的压力可以存在三条压力曲线：1 ) 泵上油管和抽油杆之间的 压力曲线；2 ) 从井1 ：3 套管到地层的套管压力分布曲线；3 ) 从动液面处到泵吸入口处的压 力分布曲线。结合以上三条压力分布曲线，结合地层流入动态曲线( 口r ) 和泵效日随泵吸 入口压力pt 的关系曲线，可进行节点系统分析，寻找地层的供采协调点。 套管内的的压力分布曲线可以采用的流入动态曲线拟合方法计算，节点分析方法可 用下图表示 上，m l 尼1 il k 萎 l 酞辟 l 五 ii 一玉 州 q 产 l l l i l 曲线：2 - 哺p 曲线：31 一n 曲线 图2 - i 井泵参数选择的协调原理 根据所建立的三条压力分布曲线，将三条曲线处理后可以绘制在一个图上。综合三 条曲线，建立联立方程可求解其中参数。在上图中，l 轴为油管深度；p 轴为井底流压 及垂直管压力：q 轴为油层产量及排液量：p 轴是三条曲线的公用轴。由于p 轴和q 轴 的公用，给三条曲线建立方程关系创造了条件，求解时，依据四个协调条件： 当p , f f p r ) = g ( t ) ，即油井渗特性曲线上的流压，等于垂直管流曲线上的井底流压。 当尸= 心，即即垂直管流曲线泵1 3 处的压力，等于泵抽曲线上的泵吸入口压力。 只= a p ，即泵吸入口到油层中部这段液柱在正常生产条件下产生的压力降，必 须等于渗流特性曲线上的流压与泵吸入口处的压力差f a b ) o 5 第2 章有杆泵采油系统设计 q ( 堋) = q 一( c 直) 即地层产液量体积( 如r ) ) 和泵抽排液体积( q - ) 必须相等。 保证油井稳定生产必须满足以上四个协调条件 2 3 抽油机悬点载荷计算 抽油机在工作时悬点所承受的载荷，是进行抽油设备选择及工作状况分析的重要依 据。因此，在进行抽油设备选择之前，必须掌握抽油机悬点载荷的计算方法。 2 3 1 悬点承受的载荷 抽油机在正常工作时，悬点所承受的载荷根据其性质可分为静载荷、动载荷以及其 它载荷。静载荷通常是指抽油杆柱和液柱所受的重力以及液柱对抽油杆柱的浮力所产生 的悬点载荷：动载荷是指由于抽油杆柱运动时的振动、惯性以及摩擦所产生的悬点载荷； 其它载荷主要有沉没压力以及井口回压在悬点上形成的载荷。 ( 1 ) 抽油杆柱的重力产生的悬点静载荷 抽油杆柱所受的重力在上、下冲程中始终作用在悬点上，其方向向下，故增加悬点 载荷。上冲程中抽油杆柱的重力作用在悬点的载荷为 形= p ，9 4 ， ( 2 1 4 ) 式中形抽油杆柱的重力，n ； 以抽油杆( 钢) 密度，p , = 7 8 5 0 k g = 3 ； g 重力加速度，取9 8 0 7 m s 2 ； 一，抽油杆截面面积，所2 ； l 抽油杆柱长度。m 。 下冲程中抽油杆柱受液体的浮力，作用在悬点的载荷为 降- = ，一n ) 鲥，l ( 2 1 5 ) 式中辟0 抽油杆柱在液体中的重力，n ； n 抽汲液的密度，培m 3 。 ( 2 ) 液柱的重力产生的悬点载荷 在上冲程中，液柱的重力经抽油杆柱作用于悬点，其方向向下，使悬点载荷增加， 其值为 形= p l g ( a 。一彳，皿 ( 2 1 6 ) 6 大庆石油学院颈士研究生学位论文 式中昕上冲程中由液柱的重力产生的悬点载荷，n ； a 活塞截面积，m 2 。 在下冲程中，液柱的重力作用于油管上，因而对悬点载荷没有影响。 ( 3 ) 振动载荷与惯性载荷 抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕这一过程称之为初变形期。初变形期 之后，抽油杆才带动活塞随悬点一起运动。 抽油杆柱本身是一个弹性体，在周期性交变力的作用下做周期性变速运动，因而 将引起抽油杆柱做周期性的弹性振动。这种振动还将产生振动冲击力，这个力作用于悬 点上便形成振动载荷。同时，变速运动将产生惯性力，作用于悬点上便形成惯性载荷。 据资料和实践表明，液柱载荷一般都不会在活塞上( 即抽油杆下端) 产生明显的振动 载荷，因此，在下面的讨论中忽略了液柱的振动载荷 抽油杆柱的振动引起的悬点载荷 在初变形期末激发起的抽油杆柱的纵向振动，可用一端固定、一端自由的细长杆的 自由纵振动微分方程来描述 孥：口：塑( 2 1 7 ) 西玉 式中“抽油杆柱任一截面的弹性位移，m ； 工自悬点到抽油杆柱任意截面的距离，m ； n 弹性波在抽油杆柱中的传播速度，等于抽油杆中的声速，小厶： f 从初变形期末算起的时间，s 。 假定悬点载荷在初变形期的变化接近于静变形，沿秆柱的速度按直线规律分布，则 微分方程的初始条件和边界条件分别为 初始条件l i i 。2 0 ；剖，。= - v 主 边界条件 “i 。= o ； 剖x = 工= o 式中v 初变形期末抽油杆柱下端( 活塞) 相对于悬点的运动速度。 根据分离变量法，在以上初始条件和边界条件下。方程组的解为 嘶力= 孝粪若嚣i n ( 圳州s i n 莩争 c z 一 式中 抽油杆柱自由振动的固有频率，= 等等。 第2 章有杆泵采油系统设计 抽油杆柱的自由纵振动在悬点处产生的振动载荷只为 p e a ，o 剖u - 警薹器s 叫射w 倍 式中抽油杆材料的弹性模量。 由上式可看出，悬点的振动载荷是r 的周期性函数，其周期为2 万。初变形期末 激发的抽油杆柱的自由纵振动，在悬点处产生振动载荷的振幅，即最大振动载荷为 c 。= 丝a v( 2 2 0 ) 最大振动载荷发生在i = i i m ，；，r 处但实际上由于存在阻尼，振动将会随时 间逐渐衰减，故最大振动载荷发生在，= i 1 埘处，出现最大振动载荷的时间则为 f ：j l ：一l ( 2 2 1 ) 一2 面2 = 化一 抽油杆柱与液柱的惯性产生的悬点载荷 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。如果忽略 抽油杆柱和液柱的弹性影响，则可以认为抽油杆柱和液柱各点和悬点的运动规律完全一 致。抽油杆柱与液柱的惯性力的大小与其质量和加速度的乘积成正比，方向则与加速度 方向相反 由前面分析知道，悬点在接近上、下死点时加速度最大，因此，惯性载荷也在接近 上、下死点时达到最大值。并且，惯性载荷在上死点附近方向向上，减小悬点载荷；在 下死点附近方向向下，增加悬点载荷。 如果采用曲柄滑块机构模型来计算加速度，抽油杆柱和液柱在上、下冲程中产生的 最大惯性载荷值分别为 = 詈抄l = 形羔o ( 2 - 2 2 ) 民= 詈扣l 圳= 盯高( 1 + a 弦 ( 2 - 2 3 ) = 詈却l 卅= 虻羔( 1 卅 ( 2 _ 2 4 ) 式中，h ，妇抽油杆柱和液柱在上冲程中产生的最大惯性载荷，n ； ，0 抽油杆柱在下冲程中产生的最大惯性载荷，n ； 大庆石油学院硕士研究生学位论文 占油管过流断面扩大引起液柱加速度降低的系数。可由下式计算： 。一4 = ：一 a “ 式中山油管的过流断面面积 实际上，由于抽油杆柱和液柱的弹性，抽油杆柱和液柱各点的运动与悬点的运动并 非一致，因此，上述按悬点最大加速度计算的惯性载荷将大于实际值。下面讨论考虑抽 油杆柱的弹性时，抽油杆柱产生的惯性载荷。 初变形期末抽油杆柱随悬点做变速运动，必然会由于强迫运动面在抽油杼柱内产生 附加的惯性载荷。惯性载荷的大小取决于抽油杆柱的质量、悬点加速度及其在杆柱上的 分布。为了讨论问题方便，将悬点运动近似地看做简谐运动。这时，悬点运动的加速度 为 口= 妄出2c o s 7 ( 2 2 5 ) 式中口。悬点加速度； ，从悬点下死点算起的上冲程时阃。 抽油杆柱上距悬点一处的加速度n ，为 4 j - c o s ( t 一予 ( 2 2 6 ) 在z 处单元体上的惯性力正为单元体的质量“驯g 与加速度q 的乘积，即 崛2 詈；矿础一 ( 2 - 2 7 ) 对式( 1 0 - - 3 6 ) 求积分，可得任一时刻作用在整个抽油杆柱上的总惯性力c 为 艮= r 譬酬一 协2 8 ， 考虑到弹性波在抽油杆中的传播速度n = j 吾，则上式的解为 b ：丝兰科s i i i 耐 - s i n o “f ，一三) 1 ( 2 2 9 ) 口z口 由此看出：抽油杆柱的惯性力并不正比于加速度的瞬时值，而是正比于在时间旦期间内 悬点速度的增量。当“ 三+ 丝2 a 时，惯性力将改变方向，并且随f 而增大 ( 4 ) 摩擦载荷 抽油机在工作时，作用在悬点上的摩擦载荷由以下五部分组成。 抽油杆柱与油管的摩擦力 该摩擦力b 在上、下冲程中都存在，其大小在直井内通常不超过抽油杆重量的】5 。其表达式为 只= o 0 1 5 w , ( 2 3 0 ) 式中：只为抽油杆柱与油管的摩擦力；形为抽油杆柱在空气中的质量。 彤= 窆1 9 6 2 ，5 耐2 厶g ( 2 3 1 ) 式中：t 为抽油杆级数；d 为抽油杆柱直径：工为抽油杆长度 柱塞与衬套之间的摩擦力 该摩擦力f _ 在上、下冲程中都存在。一般泵径不超过7 0 哪时，其值小于1 7 1 7 n ， 其值可由下式计算确定： 厶= 学+ 蔫 ( 2 3 2 ) 式中：a p 为柱塞两端的压差；6 为柱塞与衬套之间的径( 直径) 向间隙；p 为液体粘度； e 为偏心比；f 为柱塞与树套之间的摩擦力；l 为柱塞长度。 抽油杆柱与液柱之问的摩擦力 抽油杆柱与液柱之间的摩擦发生在下冲程，其摩擦力的方向向上，是稠油井内抽油 杆柱下行遇阻的主要原因。阻力的大小随抽油杆柱的下行速度而变化，其最大值可近似 确定为 晶= 鲫。上曹焉鲁而p 一( 2 - 3 3 ) 式中 n 抽油杆柱与液柱之间的摩擦力， n ； 1 0 鸬井内液体的动力粘度，p a s ； 拼油管内径与抽油杆直径之比。m = d 。，d ，； 以油管内径，m ； 大庆石油学院颈士研究生学位论文 v 。抽油杆柱最大下行速度，州s v 。可按悬点最大运动速度来计算，当把悬点简化成简谐运动时可得 k 2 j 牡百 由式( 1 0 3 9 ) 看出，决定的主要因素是井内液体的粘度及抽油杆柱的运动速度。 因此，在抽汲高粘度液体时，往往采用低冲次、长冲程工作方式。 液柱与油管之间的摩擦力 液柱与油管之间的摩擦力发生在上冲程，其方向向下，故增大悬点载荷。资料表明， 下冲程杆柱与液柱的摩擦力晶约为液柱与油管问摩擦力晶的1 3 倍。因此，可根据晶 来估算毛 尼= 鲁 ( 2 - 3 4 ) 液体通过游动阀的摩擦力 在高粘度大产量油井内，液体通过游动阀产生的阻力往往是造成抽油杆柱下部弯曲 的主要原因，对悬点载荷也会造成不可忽略的影响。液流通过游动阀时产生的压头损失 为 _ | i i = 7 1 瓦v l z = 7 1 万a p 2 虿v p 2 ( 2 - 3 5 ) 式中啊液体通过游动阀的压头损失，m ； v f 液体通过阀时的流速，州s ； g 重力加速度，以2 ； v ，活塞运动速度，m s ； 彳，活塞截面积m 2 ； 4 阀孔截面积，m 2 ； 阀流量系数，对于常用的标准型阀，可根据雷诺数尺。查标准型阀的流量系 数图。 第2 章有杆泵采油系统设计 其中也：盟 式中d ，阀孔径，肘； ，液体的运动粘度，朋2 厶。 如果把活塞运动看成简谐运动，则式( 2 - - 3 5 ) 可写成 岛= 面l 7 1 了a p 2t ( s n ) 2 ( 2 - 3 6 ) 由液流通过游动阀的压头损失而产生的活塞下行阻力为 f “= p j 鲥，啊= 面1 7 p t 万a p 3 脚) 2 ( 2 3 7 ) ( 5 ) 其它载荷 除上述各种载荷以外，还有如沉没压力和管线回压产生的载荷等都会影响到悬点载 荷。沉没压力的影响只发生在上冲程，它将减小悬点载荷。液流在地面管线中的流动阻 力所造成的井口回压，将对悬点产生附加载荷，其性质与油管内液体的作用载荷相同， 即上冲程中增加悬点载荷，下冲程中减小悬点载荷。因二者可以部分抵消，一般计算中 常可忽略。 2 3 2 悬点的最大和最小载荷 抽油机在上、下冲程中悬点载荷的组成是不同的。最大载荷和最小载荷的计算式分 别为 上冲程。= 形+ + + 凡+ 死+ ，_ + e c ( 2 3 8 ) 下冲程= 一，0 一一尼一 ( 2 3 9 ) 式中。，阡二悬点承受的最大和最小载荷，n ； ，l ，0 r e _ l ：、下冲程中井口回压造成的悬点载荷，n ； 兀，日上、下冲程中的最大摩擦载荷，n ； 丘振动载荷，n ； e 上冲程中沉没压力产生的悬点载荷，n 。 在下泵深度及沉没度不是很大，井口回压及冲数不很高的稀油直井内，常可以忽略 e ，乃，毛及，k 。则最大和最小载荷分别简化为 1 2 大庆石油学i 射舜士研究生学位论文 = 彤+ + = 形+ 彤+ 普( 1 + ( 2 4 0 ) = 一= 一鲁( 1 卅 ( 2 _ 4 1 ) 令 彤= k = p l g ，l 则悬点所承受的最大和最小载荷公式可分别写成另一种形式 = 形+ 町+ 鲁( 1 + ( 2 4 2 ) = 町一蔫( 1 一 ( 2 - 4 3 ) 式中 町抽油杆在液柱中的重量，即抽油杆柱所受的重力与液体对其浮力之差，n ； 吖占据整个油管流通面积的液体重量，亦为上，下冲程静载荷差，n ； s 光杆冲程，椭； 冲次，m m 一。 2 4 抽油机平衡、扭矩与功率计算 z 4 1 抽油机平衡计算 当抽油机没有平衡装置时，由于上、下冲程中悬点载荷不均衡，满足上冲程负载要 求的电动机在下冲程中将做负功，从而出现抽油机不平衡现象。不平衡将造成电动机功 率的浪费，降低电动机的效率，缩短电动机及抽油装置的寿命，破坏曲柄旋转速度的均 匀性。 ( 1 ) 平衡原理 要使抽油机在平衡条件下运转，就应使电动机在上、下冲程中都做正功且做功相等。 最简单的方法便是在抽油机游粱后臂上加一重物，在下冲程中让抽油杆自重和电机一起 来对重物做功，而在上冲程时，则让重物储存的能量释放出来和电动机一起对悬点做功， 即 e 。+ e 。= e 。 式中 昱，悬：点在上、下冲程做的功： 点0 ，e 。一电机在上、下冲程做的功； 第2 章有杆泵采油系统设计 以一重物在下冲程储存的能量或重物在上冲程释放的能量。 要使抽油机工作平衡，则应使电机在上、下冲程中所做的功相等，即 e h 2 e _ 零a e 。一e 4 = e t e 即，为了达到平衡，在下冲程中需要对重物做的功和上冲程中需要重物释放的能量为 ，：墨些 ( 2 4 4 ) 上式表明，为了使抽油机平衡运转，在下冲程中需要储存的能量应该是悬点在上、 下冲程中所做功之和的二分之一。式( 2 - 4 4 ) 便是进行平衡计算的基本公式 ( 2 ) 抽油机平衡计算 抽油机的平衡计算，就是在一定抽汲参数条件下，计算为使抽油机工作在平衡状态 下所需要的平衡物的重量或确定一定平衡重量重物的位置。由于惯性载荷在上、下冲程 所做的功等于零，因此在讨论悬点在上、下冲程中所做的功时，可以不考虑惯性载荷 悬点在上、下冲程中所做的功分别为： 毛= ( 吖+ 咖 ( 2 4 5 ) 日= 晔 ( 2 4 6 ) 将上面结果代入式( 2 - - 4 4 ) 中得 e 。：( 町+ 孚弦 ( 2 4 7 ) 对于不同平衡方式，重物储存能量的方式不同，因此平衡时所需要重物的重量也不 同。 对于游梁平衡，重物在下冲程中所储存的能量为。= 三j 。将其代入式( 2 4 7 ) 中可得平衡条件下重物的重量为 叫+ 争三一l ( 2 4 8 ) 式中y 0 抽油机本身的不平衡值，是折算到游梁平衡块重心位置上的附加平衡力 2 4 2 抽油机曲柄轴扭矩计算 一定型号的抽油机所配置的减速箱都有其允许的最大扭矩，因此，抽油机在工作时， 除了悬点的晟大载荷要小于抽油机的许用载荷之外，还必须使曲柄轴上产生的实际扭矩 应小于减速箱的许用扭矩。在一定条件下，减速箱的许用扭矩既限制着油井生产时所采 用的最大抽汲参数，也限制着保证大参数生产所需要的电动机功率 抽油机工作时，由悬点载荷及平衡重在曲柄轴上造成的扭矩与电动机输入给曲柄轴 1 4 大庆石油学院硕士研究生字位论文 的扭矩相平衡，因此，通过悬点载荷及平衡来计算曲柄轴扭矩，不仅可以检查减速箱是 否在超扭矩条件下工作，而且可以用来检查和计算电动机功率的利用情况。 ( 1 ) 计算扭矩的基本公式 抽油机结构受力分析如图2 - - 2 所示，可从游梁系统和曲柄连杆系统两部分进行分 析。 图2 - - 2 抽油机几何尺寸与曲柄销受力图 分别在曲柄连杆系统和游梁系统中，取力矩平衡可得 昂+ r s m _ i = 巳r s i n a ( 2 - 4 9 ) 呢+ 孚三”g b s i ，+ 侧口( 2 - 5 0 ) g a 睨7 ：坠盥( 2 - 5 1 ) 式中 钆悬点运动加速度， 辱，玢别为作用在曲柄销处的切线力和连杆的拉力，n ； 形哳算到曲柄上回旋半径，处的平衡重量，n 。 由式( 2 - - 4 9 ) 和式( 2 - - 5 0 ) 消去巴，可求得复合平衡条件下的矩计算公式： m 。：昂，= 【矿一三螂口+ 妥旦i a ，磐一w r s i n 妒( 2 - 5 2 ) a a g ds i n 一 曲柄平衡抽油机，= o ，则扭矩计算公式为 m ，= 詈，嵩矿一w ；s i n # s 1 1 1d口 游梁平衡抽油机，阡：* o ，则扭矩计算公式为 ( 2 - 5 3 ) 第2 章有杆泵采油系统设计 肠= 【肛三口c o e 一+ a 2 墨g 钆岛坐s t o p b s m ( 2 5 4 ) 口 一 对于曲柄平衡的抽油机，公式( 2 5 3 ) 中的第一项表示悬点载荷矿在曲柄轴上产生 的扭矩，称之为油井负荷扭矩，用m 。表示，可写成 令帚：! ，s i n bs i n m w = 詈，器形 则肘。= 丽 腰称作扭矩因数或扭矩因子，即为悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩( 负荷扭矩) 肘。与悬 点载荷w 的比值。 式( 2 5 3 ) 中的第二项咿咖妒表示曲柄及其平衡重在曲柄轴上造成的扭矩肘。，称 之为曲柄平衡扭矩，可写成 m 。= w r s i n = ( 胄+ 睨r 。) s i n ( 2 - - 5 6 ) 把曲柄轴上的负荷扭矩盯，与曲柄平衡扭矩吖。之差，称作净扭矩，用j | l f 表示为 = m 。一m 。= 丽一m 。s i n e( 2 5 7 ) 式中m 。一一曲柄最大平衡扭矩，m 。= r + 形置。 当考虑抽油机本身的结构不平衡时，公式( 2 - - 5 2 ) 可写成 材。= 吵一( 占+ 昙) s p + 告警a 】罢，粤詈一町，s i i l 妒( 2 - 5 8 ) b s m 口 d c口 式中口抽油机结构不平衡值，等于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁处于水平位置而 需要加在光杆上的力。 为了简化计算，可忽略游梁摆角口及游粱平衡重的惯性力矩产生的影响( 般计算 误差不超过1 0 ，扭矩峰值的误差小于5 ) ，则扭矩计算公式简化为 复合平衡： 膨一= 吵一但+ 导) 面一 t 。s i n e ( 2 5 9 ) 曲柄平衡： m ，= ( 形一曰) 帚一m 。s i n e( 2 6 0 ) 游梁平衡： 肘_ 【矿一+ 三) 】亓( 2 6 1 ) ( 2 ) 悬点位移与曲柄转角的关系 大庆石油学院硕士研究生学位论文 欲绘制扭矩曲线，需先求出悬点载荷形与曲柄转角一的变化关系，为此，可利用示 功图中悬点载荷与悬点位移s 之间的关系，以及悬点运动规律中悬点位移，与曲柄转 角之间的关系，建立悬点载荷与曲柄转角妒的关系。 在研究悬点运动规律时，曾得出了悬点位移5 随曲柄转角妒变化的计算公式，因此， 曲柄转角一同悬点位移s 的关系式应是对s 关系式求反函数。 由于，一关系式的反函数很难直接求得，而用迭代方法求解的计算工作量大、较 麻烦，因此，建议采用插值方法求解。 首先选定一定步长妒，预先计算出不同角妒对应下的位移s 的值，然后利用插值方 法便可求出任一悬点位移，所对应的曲柄转角的值。只要将计算步长选得充分小( 一般 选l 。便足够了) ，利用最为简单的线性插值方法进行计算，便足可以满足精度要求。 ( 3 ) 扭矩因数计算 在利用悬点载荷及平衡计算曲柄轴扭矩时，关键是计算扭矩因数示，而由前面知， 求i 哥需计算角口和角值。根据四连杆机构的几何关系，卢和口可分别由下述两式求得 卢：掀惦壁尘塑堕攀坚竺! ! 生业 ( 2 6 2 ) 。26， 口= 石+ j 一( 户一一) ( 2 6 3 ) 式中j 蝣梁后臂b 与铅垂线的夹角。 另外，由于m 。= 聊。，故可得 帚：丝 ( 2 6 4 ) 这表明，用悬点运动速度v 。除以曲柄旋转角速度0 3 也可得到扭矩因数i 哥的值。 ( 4 ) 计算最大扭矩公式 在实际生产中，计算曲柄轴的扭矩固然是很重要的，但由于扭矩是随曲柄转角的变 化而变化，并且计算很麻烦，而在抽油技术设计和一般应用分析中，常常只需要知道曲 柄轴的最大扭矩，因此多采用近似计算公式或经验公式计算最大扭矩。 计算最大扭矩的近似公式 当把抽油机悬点运动简化为简谐运动，并忽略抽油机系统的惯性和游梁摆角的影 响，以及认为最大峰值扭矩发生在曲柄转角为9 0 0 时，式( 2 5 8 ) 可变为 1 7 第2 章有杆泵采油系统设计 = 咿一印+ 詈】詈r s i n e w ：r s i n # ( 2 - 6 5 ) 将，= 詈三代入式( 2 6 5 ) ，整理得 = ；吵一( 丑+ 昙+ - 。b w ；) s i n # ( 2 - 6 6 ) 令 c = 口+ 三+ 皇形 c 值实际上是抽油机结构不平衡及平衡重在悬点处产生的平衡力，它表示被实际平 衡掉的悬点载荷值，因此，称之为实际有效平衡值。 为了使抽油机工作达到平衡状态实际所需要的有效平衡值应为 c 0 = ( 。+ ) 2 ( 2 - - 6 7 ) c 0 为实际需要的有效平衡值。当c = c 0 时抽油机达到了平衡，即工作在平衡状 态 般认为，最大扭矩与最大载荷出现在同一曲柄转角位置。由式( 2 - - 6 6 ) 看出，当 = 9 0 0 或2 7 0 。，并且不考虑悬点载荷矿的变化时，m 达到最大值。因此，将矿= 阡r 陬和 s i n 一= l 以及c = c 0 代入式( 2 - - 6 6 ) ，整理得 m 。= 主( 一c ) = i ( 一) ( 2 - 6 8 ) 计算最大扭矩的经验公式 前苏联拉玛扎诺夫( p a pam a a ahob ) 于1 9 5 7 年，根据类似于式( 1 0 - - 7 5 ) 的近 似公式和拉比诺维奇( a m pa6mh ob1 4q ) 的精确公式，利用一批实测示功图，分 别计算了曲柄销处的切线力，并经回归分析得出了计算最大扭矩的经验公式( s i 单位制) m 一= 3 0 0 s + 0 2 3 6 s ( 一) ( 2 - - 6 9 ) 我国一些学者根据国内油井扭矩曲线的峰值，也建立了类似的经验公式( s i 单位制) 吖一= 1 8 0 0 s + o 2 0 2 s ( ，一) ( 2 - - 7 0 ) 2 4 3 电动机的功率计算 选择电动机时，除了确定适合于抽油机工作特点的类型之外，还要确定适合各型抽 油机工作能力的电动机容量，即功率大小。 已知传动效率叩、冲次一、传动比f 和电机转数，电机功率p 与曲柄轴扭矩m 关 系为 大庆石油学院硕士研究生学位论文 m ：9 5 4 9 p q ：9 5 4 9 p t 矗 再i 由上式可得，需要的电动机功率为 p ：生 9 5 4 鲫 ( 2 7 1 ) ( 2 7 2 ) 曲柄轴扭矩在工作过程中是变化的，应当按均方根取其等值电流或等值扭矩来计 算，即 只：坐生( 2 7 3 ) 9 5 4 9 日 所谓等值扭矩，就是用一个固定扭矩来代替变化的实际扭矩，使其电动机的发热条 件相同，则此固定扭矩称为实际变化扭矩的等值扭矩( 即均方根值) 它可由扭矩曲线来 计算 盼i 1 三：j 晕 ( 2 7 4 ) 对于抽油机来说，等值扭矩与最大扭矩之间存在一定关系，可以写成如下形式 m f 肼m 式中t 不同方法确定的比例系数，简谐模型i - - 0 7 0 7 计算出电动机的功率后，在具体选择电动机的型号时，还应注意电动机的转数与皮 带轮直径和冲次的配合，以及考虑电动机的超载能力和启动特性。 2 5 泵挂深度设计 抽油泵的吸入口压力常低于饱和压力，因此总有气体进泵。气体进泵占据部分泵筒 空间，必然减少进泵液体的量，并导致液体不能充满泵简，从而使得泵效降低。当气体 影响严重时，由于气体在泵内的压缩和膨胀，使得吸入阀无法打开而抽不出油，这种现 象称为“气锁”。气体对泵效的影响程度常用泵的充满系数来反映，充满系数口是指每 冲次吸入泵内的原油( 或液体) 的体积与活塞让出容积之比，即 ，= 每= 揣一告( 2 - - 7 5 ， 令k = v d v p ，上式可改写为： ，=等一k=雨1-kr(2-76)1r 。 +l + r 1 9 第2 章有杆泵采油系统设计 式中k 泵余隙比： 胄经泵生产的气液比，m 3 m 3 。 由上式可知，要向减小气体影响可减小余隙比和气液比，是提高充满系数的重要途 径。 泵内条件下的气液比可表示为： 胄=争：(i-fxr-r,)bsb ( 2 一功 n，