02学科前沿讲座(抽油机井动态参数计算机仿真技术)

1、燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 系统：系统：由相互关联、相互制约、相互影响的元素所组成的整体。由相互关联、相互制约、相互影响的元素所组成的整体。 在定义一个系统时，首先要确定系统的边界。在定义一个系统时，首先要确定系统的边界。 尽管世界上的事物是相互联系的，但当研究某一对象时，总尽管世界上的事物是相互联系的，但当研究某一对象时，总 是要将该对象与其环境区别开来。是要将该对象与其环境区别开来。 边界确定了系统的范围；边界确定了系统的范围； 边界以外对系统的作用称为系统的输入；边界以外对系统的作用称为系

2、统的输入； 系统对边界以外的环境的作用称为系统的输出。系统对边界以外的环境的作用称为系统的输出。 描述系统的三要素：描述系统的三要素：实体、属性、活动。实体、属性、活动。 实体：实体：确定了系统构成，也就确定了系统的边界；确定了系统构成，也就确定了系统的边界； 属性：属性：也称为描述变量，描述每个实体的特征；也称为描述变量，描述每个实体的特征； 活动：活动：定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内 部发生变化的过程。部发生变化的过程。 3.1 计算机仿真技术简介计算机仿真技术简介 3 抽油机井动态参数计算机仿真抽油机井动态参数计算机仿

3、真 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 模型模型: :模型是对实际系统的抽象，是对真实系统中那些有用的、令模型是对实际系统的抽象，是对真实系统中那些有用的、令 人感兴趣的特征的抽象。人感兴趣的特征的抽象。 在研究、分析、设计和实现一个系统时，需要进行试验。在研究、分析、设计和实现一个系统时，需要进行试验。 试验的方法基本上可分为两大类：试验的方法基本上可分为两大类： 一是直接在真实系统上进行；一是直接在真实系统上进行； 二是先构造模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真二是先构造模型，通过对模型的试验

4、来代替或部分代替对真 实系统的试验。实系统的试验。 传统上多采用第一种方法，但其具有明显的缺点和不足：传统上多采用第一种方法，但其具有明显的缺点和不足： (1)(1)当系统处于设计阶段时，真实系统尚未建立；当系统处于设计阶段时，真实系统尚未建立； (2)(2)在真实系统上进行试验可能会引起系统破坏或发生故障，风险在真实系统上进行试验可能会引起系统破坏或发生故障，风险 大、损失大；大、损失大； (3)(3)当需要进行多次试验时，难以保证每次试验的条件相同，因而当需要进行多次试验时，难以保证每次试验的条件相同，因而 无法准确判断试验结果的准确性；无法准确判断试验结果的准确性； (4)(4)试验时间

5、太长、费用昂贵。试验时间太长、费用昂贵。 模型模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 仿真：仿真：是一种基于模型的活动。是一种基于模型的活动。 系统、模型与仿真三者之间有着密切的关系。系统、模型与仿真三者之间有着密切的关系。 系统是研究的对象；系统是研究的对象； 模型是系统的抽象；模型是系统的抽象； 仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。 现代仿真技术均是在计算机支持下进行的，因此系统仿真也现代仿真技术均是在计算机支持下进行的，因此系统仿真也 称为计算

6、机仿真。称为计算机仿真。 系统仿真三个要素：系统仿真三个要素：系统、模型、计算机系统、模型、计算机( (包括硬件和软件包括硬件和软件) )； 系统仿真三个基本活动：系统仿真三个基本活动：即系统建模；仿真建模和仿真实验。即系统建模；仿真建模和仿真实验。 仿真仿真 计算机仿真三要素与三个基本活动计算机仿真三要素与三个基本活动 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 系统仿真类型系统仿真类型 物理仿真 根据模型种类分类 数学仿真 半实物仿真 模拟计算机仿真 根据仿真计算机分类 数字计算机仿真 数字模拟混合仿真 连

7、续系统仿真 根据模型特点分类 离散事件系统仿真 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 现代仿真技术的发展与控制工程、系统工程、管理工程、计现代仿真技术的发展与控制工程、系统工程、管理工程、计 算机技术的发展密切相关。算机技术的发展密切相关。 控制工程、系统工程、管理工程的发展促进了仿真技术的广控制工程、系统工程、管理工程的发展促进了仿真技术的

8、广 泛应用，计算机的出现以及计算机技术的发展则为仿真技术提供泛应用，计算机的出现以及计算机技术的发展则为仿真技术提供 了强有力的技术手段和工具。目前仿真技术已经成为一门新兴学了强有力的技术手段和工具。目前仿真技术已经成为一门新兴学 科，具有相对独立的理论体系、知识基础和稳定的研究对象。科，具有相对独立的理论体系、知识基础和稳定的研究对象。 仿真技术的发展几个阶段：仿真技术的发展几个阶段： (1)(1)仿真技术的初级阶段仿真技术的初级阶段 在二次世界大战后期，火炮控制与飞行控制系统的研究促进在二次世界大战后期，火炮控制与飞行控制系统的研究促进 了模拟仿真技术的发展。了模拟仿真技术的发展。 上世纪

9、上世纪5050年代末期至年代末期至6060年代，对于洲际导弹和宇宙飞船的姿年代，对于洲际导弹和宇宙飞船的姿 态及轨道控制动力学的研究，促进了混合仿真技术的发展。态及轨道控制动力学的研究，促进了混合仿真技术的发展。 仿真技术的发展历程仿真技术的发展历程 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University (2) (2)仿真技术的发展阶段仿真技术的发展阶段 上世纪上世纪7070年代，随着数字计算机的诞生，仿真技术不但在年代，随着数字计算机的诞生，仿真技术不但在 军事领域得到迅速发展和应用，而且扩展到了电力、化工、交军事领域

10、得到迅速发展和应用，而且扩展到了电力、化工、交 通运输、通讯、核能等各个领域。通运输、通讯、核能等各个领域。 (3)(3)仿真技术发展的成熟阶段仿真技术发展的成熟阶段 近近2020年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已 从传统的工程领域扩展到非工程领域，例如社会经济系统、环从传统的工程领域扩展到非工程领域，例如社会经济系统、环 境生态系统、能源系统、生物医学系统、教育训练系统等；基境生态系统、能源系统、生物医学系统、教育训练系统等；基 于现代计算机及其网络的仿真技术已经广泛应用于工程与非工于现代计算机及其网络的仿真技术已经广泛应用于工程与非

11、工 程领域。程领域。 仿真技术的发展历程仿真技术的发展历程 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 优化设计是上世纪优化设计是上世纪6060年代初期发展起来的一门新兴学科，年代初期发展起来的一门新兴学科， 它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计 提供一种重要的科学设计方法。提供一种重要的科学设计方法。 利用优化设计方法，设计者可以从众多的方案中寻找出最利用优化设计方法，设计者可以从众多的方案中寻找出最 佳设计方案，从而大大提高设计效率和设

12、计质量；优化设计已佳设计方案，从而大大提高设计效率和设计质量；优化设计已 经广泛应用机械系统的设计。经广泛应用机械系统的设计。 优化设计方法的研究内容：优化设计方法的研究内容： (1)(1)设计变量设计变量 (2)(2)目标函数目标函数 (3)(3)约束条件约束条件 (4)(4)数学模型数学模型 (5)(5)优化算法优化算法 优化设计方法优化设计方法 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 机械采油系统动态仿真与运行优化技术机械采油系统动态仿真与运行优化技术 以石油开采过程中的机械采油系统为研究对象，综合应

13、用力学、数学基以石油开采过程中的机械采油系统为研究对象，综合应用力学、数学基 础理论，建立机械采油系统动态仿真模型，实现对系统力能参数的动态仿真，础理论，建立机械采油系统动态仿真模型，实现对系统力能参数的动态仿真， 探索影响系统性能的主要因素与改进系统性能的有效途径。探索影响系统性能的主要因素与改进系统性能的有效途径。 以系统动态仿真为基础，以提高系统效率与系统可靠性为目标，优化系统以系统动态仿真为基础，以提高系统效率与系统可靠性为目标，优化系统 组成与运行参数，达到节能降耗、提高系统经济效益的目的。组成与运行参数，达到节能降耗、提高系统经济效益的目的。 燕山大学机械工程学院 School o

14、f Mechanical Engineering, Yanshan University 系统组成：系统组成：电网、电动机、皮带传动、减速电网、电动机、皮带传动、减速 箱传动、换向机构、抽油杆柱、油管柱、液箱传动、换向机构、抽油杆柱、油管柱、液 柱、抽油泵、地层。柱、抽油泵、地层。 电网：电网：供电电压、供电频率；供电电压、供电频率； 电动机：电动机：转子定轴转动；转子定轴转动； 皮带传动装置：皮带传动装置：皮带具有弹性、存在纵向与皮带具有弹性、存在纵向与 横向振动；大小皮带轮转速存在波动；横向振动；大小皮带轮转速存在波动； 减速箱传动装置：减速箱传动装置：轮系存在扭转振动与横向轮系存在扭转振

15、动与横向 振动；振动； 换向机构：换向机构：各构件作定轴转动或平面运动，各构件作定轴转动或平面运动， 存在弹性与振动；存在弹性与振动； 3.2 3.2 有杆抽油系统动态仿真模型有杆抽油系统动态仿真模型 抽油杆柱、油管柱与液柱：抽油杆柱、油管柱与液柱：抽油杆柱与油管柱为弹性体，空间三维振动；液柱抽油杆柱与油管柱为弹性体，空间三维振动；液柱 为油气水的多相不稳定流动；为油气水的多相不稳定流动； 抽油泵：抽油泵：由柱塞、泵筒、泵阀与流体组成；泵阀作复杂空间运动；流体为多相由柱塞、泵筒、泵阀与流体组成；泵阀作复杂空间运动；流体为多相 不稳定流动；不稳定流动； 地层：地层：多相流体在地层内流动多相流体在

16、地层内流动渗流；当油井稳定生产时，地层的渗流特性渗流；当油井稳定生产时，地层的渗流特性 决定了油套环空内动液面的高度与油井产量。决定了油套环空内动液面的高度与油井产量。 系统描述：系统描述： 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 边界与假设：边界与假设： (1)假设电网供电电压、频率为确定已知假设电网供电电压、频率为确定已知 的；假设电动机三相电压平衡，即电动的；假设电动机三相电压平衡，即电动 机的机械特性已知；机的机械特性已知； (2) 假设油井稳定生产时，油套环空内假设油井稳定生产时，油套环空内 流体

17、动液面已知；不研究流体在地层内流体动液面已知；不研究流体在地层内 的流动规律。的流动规律。 简化为确定性的机械动力学系统。简化为确定性的机械动力学系统。 边界与假设边界与假设 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 力学模型力学模型 地面装置地面装置 力学模型力学模型 力力 学学 模模 型型 井下装置井下装置 力学模型力学模型 单自由度系统力学模型单自由度系统力学模型 两自由度系统力学模型两自由度系统力学模型 多自由度系统力学模型多自由度系统力学模型 离散连续混合系统模型离散连续混合系统模型 纵向振动纵向振

18、动 力学模型力学模型 三维振动三维振动 力学模型力学模型 抽油杆柱纵向振动力学模型抽油杆柱纵向振动力学模型 杆液耦合纵向振动力学模型杆液耦合纵向振动力学模型 杆管液耦合纵向振动力学模型杆管液耦合纵向振动力学模型 杆柱三维振动力学模型杆柱三维振动力学模型 杆液三维耦合振动力学模型杆液三维耦合振动力学模型 杆管液三维耦合振动力学模型杆管液三维耦合振动力学模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University (1) 地面装置仿真模型地面装置仿真模型单自由度模型单自由度模型 有杆抽油系统示意图有杆抽油系统示意图地面装置力学

19、模型地面装置力学模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 曲柄运动微分方程：曲柄运动微分方程： 式中：式中： Med转化到曲柄轴处的系统等效驱动力矩，转化到曲柄轴处的系统等效驱动力矩，Nm； Mef转化到曲柄轴处的系统等效阻力矩，转化到曲柄轴处的系统等效阻力矩，Nm； Je等能转动惯量，等能转动惯量，kgm2； 时刻时刻t曲柄相对于悬点下死点时曲柄位置的转角，曲柄相对于悬点下死点时曲柄位置的转角，rad； 0在在=0时，曲柄转动的角速度，时，曲柄转动的角速度，1/s。 000 2 0 2 1 ， t e

20、fed e e MM d dJ J 地面装置仿真模型地面装置仿真模型单自由度模型单自由度模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 仅考虑皮带的弹性，并仅考虑皮带的弹性，并 将皮带简化为无质量弹簧，将皮带简化为无质量弹簧， 力学模型：力学模型： 地面装置仿真模型地面装置仿真模型两自由度模型两自由度模型 数学模型：数学模型： 221 1111211122 1 1111222122111 222 2221222121 2 1211222222112 d1 + 2d d1 2d t t t t J JKKRRR

21、 CRRRCRRRQ J JKKRRR CRRRCRRRQ MM MM 1121 1ed M10M20 1222 2bf M10M20 11 11 F RF R QMee RLRL F RF R QMee RLRL 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 综合考虑抽油机地面装置各传动件弹性，多自由系统振动的综合考虑抽油机地面装置各传动件弹性，多自由系统振动的 力学模型：力学模型： 地面装置仿真模型地面装置仿真模型多自由度模型多自由度模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Eng

22、ineering, Yanshan University 数学模型：数学模型： 地面装置仿真模型地面装置仿真模型多自由度模型多自由度模型 2 1 111b111122b212211b111122 1 b212211ed 22b121122b222211b121122 b222211123123 3313213 d1 2d 0 0 J JKRRRKRRRCRRR CRRRM JKRRRKRRRCRRR CRRRKC JKC 2234234d35 b3 44243243d46 b4 55357357d35 b5 66467467d46 b6 77375375476476d78 b7 88589 0

23、 0 0 0 0 KCFr JKCFr JKCFr JKCFr JKCKCFr JK 58968106810d78 b8 29bf 999598598 9 210bf 10101061086108 10 0 d1 0 2d2 d1 0 2d2 CKCFr JM JKC JM JKC 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University (2)(2)井下杆管液柱耦合振动数学模型井下杆管液柱耦合振动数学模型 研究目的：研究目的： (1) 仿真抽油机悬点示功图、泵示仿真抽油机悬点示功图、泵示 功图与杆柱任意截面示功图；功图与杆

24、柱任意截面示功图； (2) 仿真油管柱任意截面内力、位仿真油管柱任意截面内力、位 移随时间的变化规律；移随时间的变化规律； (3) 仿真抽油泵吸入口、排出口流仿真抽油泵吸入口、排出口流 体压力变化规律；体压力变化规律； (4)仿真抽油泵泵阀运动规律、流仿真抽油泵泵阀运动规律、流 体在泵内流动规律。体在泵内流动规律。 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 考虑的因素与假设：考虑的因素与假设： 仅研究抽油杆柱纵向振动；仅研究抽油杆柱纵向振动； 不考虑油管柱、液柱的振动；不考虑油管柱、液柱的振动； 不考虑泵阀的

25、动力因素；考虑泵不考虑泵阀的动力因素；考虑泵 阀开启状态对泵筒内液体压力的影阀开启状态对泵筒内液体压力的影 响；响； 考虑流体对杆柱的液体摩擦力，考虑流体对杆柱的液体摩擦力， 即液体摩阻；即液体摩阻； 考虑抽油杆柱与油管之间的刚考虑抽油杆柱与油管之间的刚 体摩擦力。体摩擦力。 抽油杆柱纵向振动仿真模型抽油杆柱纵向振动仿真模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 考虑的因素与假设：考虑的因素与假设： 同时研究抽油杆柱与液柱纵向振同时研究抽油杆柱与液柱纵向振 动；动； 不考虑油管柱的振动；不考虑油管柱的振动

26、； 不考虑泵阀的动力因素；考虑泵不考虑泵阀的动力因素；考虑泵 阀开启状态对泵筒内液体压力的影阀开启状态对泵筒内液体压力的影 响；响； 考虑流体对杆柱的液体摩擦力，考虑流体对杆柱的液体摩擦力， 即液体摩阻；即液体摩阻； 考虑抽油杆柱与油管之间的刚体考虑抽油杆柱与油管之间的刚体 摩擦力。摩擦力。 抽油杆柱与液柱纵向耦合振动仿真模型抽油杆柱与液柱纵向耦合振动仿真模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 考虑的因素与假设：考虑的因素与假设： 同时研究抽油杆柱、油管柱与同时研究抽油杆柱、油管柱与 液柱的纵向振动；

27、液柱的纵向振动； 假设井筒内流体为油水两相或假设井筒内流体为油水两相或 油气水三相的均相流动；油气水三相的均相流动； 不考虑泵阀的动力因素；考虑不考虑泵阀的动力因素；考虑 泵阀开启状态对泵筒内液体压力泵阀开启状态对泵筒内液体压力 的影响。；的影响。； 考虑流体对抽油杆柱、油管柱考虑流体对抽油杆柱、油管柱 的液体摩擦力，即液体摩阻；的液体摩擦力，即液体摩阻； 考虑抽油杆柱与油管之间的刚考虑抽油杆柱与油管之间的刚 体摩擦力。体摩擦力。 杆管液柱纵向耦合振动仿真模型杆管液柱纵向耦合振动仿真模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan

28、University 考虑的因素与假设：考虑的因素与假设： 仅研究抽油杆柱空间振动；仅研究抽油杆柱空间振动； 不考虑泵阀的动力因素；不考虑泵阀的动力因素； 考虑泵阀开启状态对泵筒考虑泵阀开启状态对泵筒 内液体压力的影响；内液体压力的影响； 应用流体静力学或多相流应用流体静力学或多相流 模型计算泵沉没压力、排模型计算泵沉没压力、排 出压力；出压力； 考虑流体对杆柱的液体摩考虑流体对杆柱的液体摩 擦力，即液体摩阻；擦力，即液体摩阻； 考虑抽油杆柱与油管之间考虑抽油杆柱与油管之间 的刚体摩擦力。的刚体摩擦力。 抽油杆柱空间振动仿真模型抽油杆柱空间振动仿真模型 燕山大学机械工程学院 School of

29、 Mechanical Engineering, Yanshan University 考虑的因素与假设：考虑的因素与假设： 同时研究抽油杆柱与油管柱的同时研究抽油杆柱与油管柱的 空间振动；空间振动； 不考虑油液柱的振动；不考虑油液柱的振动； 不考虑泵阀的动力因素；考虑不考虑泵阀的动力因素；考虑 泵阀开启状态对泵筒内液体压力泵阀开启状态对泵筒内液体压力 的影响；的影响； 应用流体静力学或多相流模型应用流体静力学或多相流模型 计算泵沉没压力、排出压力；计算泵沉没压力、排出压力； 考虑流体对杆管柱的液体摩擦考虑流体对杆管柱的液体摩擦 力，即液体摩阻；力，即液体摩阻； 考虑抽油杆柱与油管之间的刚考虑

30、抽油杆柱与油管之间的刚 体摩擦力。体摩擦力。 杆柱与油管柱空间耦合振动仿真模型杆柱与油管柱空间耦合振动仿真模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 例如：杆管液柱纵向耦合振动模型例如：杆管液柱纵向耦合振动模型 x v AE t f vvAv dt du A dt ud A x f t v A r rr r frfrrrrrrrrr rr rr )( * 2 *2 x v AE t f vvAvvA x f t v A t tt t ftfttttttt tt tt 0 )( )( )( )( 1 * x

31、 p v x v p t p t u AA A t u dt du AA A v AA AA g x p x v v t v f f f f f ff t rtif t t tt r rtif rrrr f rtif ftttfrrrf f f f f 描述抽油杆柱纵向振动描述抽油杆柱纵向振动 的偏微分方程组的偏微分方程组 描述油管柱纵向振动的描述油管柱纵向振动的 偏微分方程组偏微分方程组 描述液柱纵向振动的偏描述液柱纵向振动的偏 微分方程组微分方程组 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 解决的技术难题

32、与关键技术解决的技术难题与关键技术 (1)(1)解决了系统数值仿真算法难题，实现了悬点示功图与泵示功解决了系统数值仿真算法难题，实现了悬点示功图与泵示功 图的智能快速仿真图的智能快速仿真 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 解决的技术难题与关键技术解决的技术难题与关键技术 (2)(2)考虑了抽油机井地面装置能量流向与动态特性，建立了系统考虑了抽油机井地面装置能量流向与动态特性，建立了系统 各节点力能参数的仿真模型各节点力能参数的仿真模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical E

33、ngineering, Yanshan University 抽油机载荷特性：抽油机载荷特性：上冲程，悬点同时提上冲程，悬点同时提 升抽油杆柱与油柱；下冲程，抽油杆柱升抽油杆柱与油柱；下冲程，抽油杆柱 靠自重下落并拖动抽油机悬点。虽然，靠自重下落并拖动抽油机悬点。虽然， 各种类型的抽油机都有平衡装置，但多各种类型的抽油机都有平衡装置，但多 数油井、特别是常规型抽油机井，电动数油井、特别是常规型抽油机井，电动 机输出轴都存在负扭矩，即电动机被拖机输出轴都存在负扭矩，即电动机被拖 动并运行于发电机状态。动并运行于发电机状态。 抽油机耗电理论：抽油机耗电理论：当电机处于发电机状当电机处于发电机状 态

34、运行时，发电功率能够反馈回电网，态运行时，发电功率能够反馈回电网， 并被利用。在计算电机平均输入功率时，并被利用。在计算电机平均输入功率时， 负功率应该是按代数和迭加计算。负功率应该是按代数和迭加计算。 2 00 0 11 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 MNN N T M M NPPPP N Nd t T 电动机瞬时与平均输入功率：电动机瞬时与平均输入功率： 系统输入功率系统输入功率 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 石油行业标准计算方法石油行业标准计算方法 缺点与不足：缺点与不足： (1)

35、假设井筒内为油水两相混合液，没假设井筒内为油水两相混合液，没 有考虑气相的影响；有考虑气相的影响； (2)没有考虑流体在油管内流动的沿程没有考虑流体在油管内流动的沿程 水头损失。水头损失。 86400 gQH N m e g pp HH m co d )(10 3 owww nn)1 ( s dd s H d L H0 解决的技术难题与关键技术解决的技术难题与关键技术 (3)(3)基于多相管流，建立了有效功率仿真模型基于多相管流，建立了有效功率仿真模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 多相流有效功率

36、计算模型多相流有效功率计算模型 (1) 86400 nms e QR Hg N 22 1 22 () ()() 1 ln()()() ()2 () 1 ()()1 1 ()() 2 elds lgsmslgsms gss d dsds lgsmss n n n gss ldsd n lgsmslgsmss dsds NQ pp QQgQQg Q p p ZZvv QQgpg H Q p Q pppn H QQgQQg np ZZvv g 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 系统效率定义系统效率定义: :

37、 e sd M N N sMBGC 地面效率分解：地面效率分解： dXRP 井下效率分解：井下效率分解： 抽油机类型、运动件结构参数、机构尺寸、平衡装置参数 抽油设备类型 电动机类型、特性参数 冲程、冲次、泵径、下泵深度 抽汲参数 装机功率、抽油杆柱组合 含水率、原油粘度、气油比、油压、套压 系统效率 ：油井参数 动液面、产液量（油井最大产能）、油层中深 影响因素 油井静压、饱和压力、油层温度 皮带传动效率、减速箱传动效率、换向机构传动效率 管理参数 盘根预紧压力、平衡度 斜角、方位 井身结构 角 井斜角变化率、方位角变化率 (4) (4) 建立了系统效率与分效率仿真模型建立了系统效率与分效率

38、仿真模型 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 参数输入界面：参数输入界面： (5) (5) 开发了系统仿真优化设计系统软件开发了系统仿真优化设计系统软件 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 动态参数仿真结果：动态参数仿真结果： 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 运动规律仿真结果：运动规律仿真结果： 燕山大学机械工程学院

39、School of Mechanical Engineering, Yanshan University 示功图仿真结果：示功图仿真结果： 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 曲柄扭矩仿真结果：曲柄扭矩仿真结果： 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 电动机输入功率仿真结果：电动机输入功率仿真结果： 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan Unive

40、rsity 4 4 提高系统效率的仿真优化技术提高系统效率的仿真优化技术 机构尺寸 抽油机类型 平衡参数 抽油设备类型 额定功率、空耗功率、额定效率 电动机类型 同步转速、额定转速、过载系数 冲程、冲次、泵径、下泵深度 抽汲参数 装机功率、抽油杆柱组合 油层中深、油井静压、饱和压力、原油粘度、气油比 系统效率 ：油井参数 油井最大产能、流入特性 影响因素 动液面、含水率、油压、套压 皮带传动效率、减速箱传动效率、换向机构传动效率 管理参数 盘根预紧压力 、平衡度 井斜角、方位角 井身结构 井斜角变化率、方位角变化率 4.1 4.1 系统效率影响因素的敏感性分析系统效率影响因素的敏感性分析 应用

41、系统应用系统 效率仿真效率仿真 模型，可模型，可 以实现各以实现各 种因素对种因素对 系统效率系统效率 影响因素影响因素 的敏感性的敏感性 分析，认分析，认 识影响系识影响系 统效率的统效率的 主要因素。主要因素。 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 例如，含水率对系统效率影响的敏感性：例如，含水率对系统效率影响的敏感性： 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 再如，气油比对系统效率影响的敏感性：再如，气油比对系统

42、效率影响的敏感性： 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 4.2 基于系统效率最高的参数优化设计基于系统效率最高的参数优化设计 冲程、冲次、泵径、下泵深度 抽汲参数 装机功率、抽油杆 机构尺寸 抽油机类型 平衡参数 抽油设备类型 额定功率、空耗功率、额定效率 电动机类型 同步转速、额定转速、过载系数 油层中深、油井静压、饱和压力、原油粘度、气油比 系统 油井参数 油井最大产能、流入特性 效率 动液面、含水率、油压、套压 皮带传动效率、减速箱传动效率、换向机构传动效率 管理参数 盘根预紧压 柱组合 力、平衡

43、度 斜角、方位角 井身结构 井斜角变化率、方位角变化率 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 抽汲参数优化设计实例：抽汲参数优化设计实例： 结论：优化抽汲参数可以显著提高系统效率。结论：优化抽汲参数可以显著提高系统效率。 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 4.3 4.3 基于系统效率最高的合理流压研究基于系统效率最高的合理流压研究 确定采油井合理流压不仅是油藏工程，也是采油工程的重要确定采油井合理流压不仅是油藏工

44、程，也是采油工程的重要 研究内容。建立了以系统效率最高为评价指标的抽油机井合理流研究内容。建立了以系统效率最高为评价指标的抽油机井合理流 压优化方法。压优化方法。 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 常规型抽油机 异相曲柄平衡抽油机 抽油机类型 双驴头抽油机 塔架式长冲程抽油机 4.4.1 应用节能型抽油机应用节能型抽油机 应 用 节 能 型 技 术 装 备 提 高 系 统 优 化 机 杆 泵 系 统 效 率 途 径 加 强 科 学 管 理 4.4 4.4 提高系统效率的措施提高系统效率的措施 燕山大学

45、机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 超高转差电机与超高转差电机与Y Y系列电机系统系列电机系统 效率对比：效率对比： (1)(1)当当Y Y系列电机功率利用率较低时，超高转系列电机功率利用率较低时，超高转 差电机替代差电机替代Y Y系列电机具有一定的节能效果；系列电机具有一定的节能效果； 当当Y Y系列电动机功率利用率超过系列电动机功率利用率超过25%30% 时时，应用超高转差电机替代时时，应用超高转差电机替代Y Y系列电机不系列电机不 仅不节电，反而多耗电。仅不节电，反而多耗电。 (2)(2)仅从电机本身来说

46、，超高转差电机不属仅从电机本身来说，超高转差电机不属 于节能电机，属于高能耗电机。但由于游梁于节能电机，属于高能耗电机。但由于游梁 式抽油机载荷波动大、启动扭矩大的特点，式抽油机载荷波动大、启动扭矩大的特点， 超高转差电机的软特性可以降低装机功率，超高转差电机的软特性可以降低装机功率， 从而提高了电机运行效率，在轻载情况下具从而提高了电机运行效率，在轻载情况下具 有一定节能效果。有一定节能效果。 4.4.3 4.4.3 应用节能控制设备应用节能控制设备 大马拉小车油井，应用节能控制箱。大马拉小车油井，应用节能控制箱。 供液不足油井，应用变频器实现低冲次。供液不足油井，应用变频器实现低冲次。 4

47、.4.2 应用节能型电动机应用节能型电动机 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 4.4.4 应用气锚提高气影响油的统效率应用气锚提高气影响油的统效率 系统效率随含水率的变化规律系统效率随含水率的变化规律 冲程冲程3m3m 冲次冲次6min6min-1 -1 泵径泵径70mm70mm 气油比气油比50m50m3 3/m/m3 3 下泵深度下泵深度1000m1000m 含水率对系统效率的影响含水率对系统效率的影响 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Ya

48、nshan University 系统效率随气油比的变化规律系统效率随气油比的变化规律 冲程冲程3m3m 冲次冲次6min6min-1 -1 泵径泵径70mm70mm 动液面动液面700m700m 下泵深度下泵深度 1000m1000m 气油比对系统效率的影响气油比对系统效率的影响: : 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 含水率含水率30%30% 含水率含水率90%90% 含水率对示功图与效率的影响含水率对示功图与效率的影响: : 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Eng

49、ineering, Yanshan University 气油比气油比30m3/m3气油比气油比100m3/m3 气油比对示功图与效率的影响气油比对示功图与效率的影响: : 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 结论：结论：含水率与气油比对系统效率有显著影响。含水率与气油比对系统效率有显著影响。 含水率与气油比影响系统效率的实质：含水率与气油比影响系统效率的实质：决定了气体对泵的影决定了气体对泵的影 响程度。响程度。 减少气体对泵的影响可以显著提高系统效率，因此在气油比减少气体对泵的影响可以显著提高系统效

50、率，因此在气油比 较大的油井中应用气锚，提高泵的充满系数，可以获得显著较大的油井中应用气锚，提高泵的充满系数，可以获得显著 的节能效果。的节能效果。 气锚的合理使用气锚的合理使用: :优化参数，保持合理沉没度。优化参数，保持合理沉没度。 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 2.52.5 9 9 5656 2 2 6 6 8383 2.52.5 5.665.66 8383 3 3 4.664.66 7070 系系 统统 效效 率率 29.34% 35.33% 33.41% 32.70% 4.4.5 优化抽

51、汲参数提高系统效率优化抽汲参数提高系统效率 例例: :在产量不变条件下在产量不变条件下, , 不同参数组合对系统效率的影响不同参数组合对系统效率的影响: : 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University抽汲参数优化设计实例：抽汲参数优化设计实例： 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 优化流压与参数可以显著提高系统效率：优化流压与参数可以显著提高系统效率： 结论：优化抽汲参数可以显著提高系统效率。结论：优化抽汲参数可以显著提

52、高系统效率。 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 系系 统统 效效 率率 24.4424.44 26.3626.36 28.0328.03 25.4325.43 优化抽油杆柱组合优化抽油杆柱组合 结论：结论：在满足强度要求条件下，选择轻的杆柱组合可以提高系在满足强度要求条件下，选择轻的杆柱组合可以提高系 统效率。统效率。 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 先进的设计方法可以进一步挖掘抽油机井节能潜力先进的设计方

53、法可以进一步挖掘抽油机井节能潜力 基于区块能耗最低的抽油机井整体仿真优化方法基于区块能耗最低的抽油机井整体仿真优化方法 目前抽油机井优化设计都是以单井为研究对象的，其核心是目前抽油机井优化设计都是以单井为研究对象的，其核心是 单井配产约束值的确定。目前单井配产的确定方法是：根据油单井配产约束值的确定。目前单井配产的确定方法是：根据油 田原油计划的实际完成情况以及单井产量调整潜力，对单井配田原油计划的实际完成情况以及单井产量调整潜力，对单井配 产进行升降。产进行升降。 单井运行优化方法的缺陷是：能够实现单井在给定配产条件单井运行优化方法的缺陷是：能够实现单井在给定配产条件 下的运行评价指标最优，

54、但无法保证在完成区块原油生产计划下的运行评价指标最优，但无法保证在完成区块原油生产计划 的前提下，使整体区块总能耗最低。的前提下，使整体区块总能耗最低。 以系统效率最高的优化方法为例，说明导致上述缺陷的主要以系统效率最高的优化方法为例，说明导致上述缺陷的主要 原因。原因。 先进的优化设计方法提高系统效率先进的优化设计方法提高系统效率 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 我国油田一般都是按年计划原油产量进行生产运行的。在一个我国油田一般都是按年计划原油产量进行生产运行的。在一个 区块内，由于井网不同，开发

55、层位不同，导致各口油井供液能力、区块内，由于井网不同，开发层位不同，导致各口油井供液能力、 含水率差异很大，目前的单井优化设计方法会导致如下极端不合含水率差异很大，目前的单井优化设计方法会导致如下极端不合 理的设计结果：理的设计结果：(1)(1)对于高产液量、高含水率油井，单井优化结果对于高产液量、高含水率油井，单井优化结果 一般是低流压、大液量、高系统效率。优化结果不合理之处在于：一般是低流压、大液量、高系统效率。优化结果不合理之处在于： 尽管产液量很高，但原油产量相对较低；尽管系统效率较高，但尽管产液量很高，但原油产量相对较低；尽管系统效率较高，但 由于抽汲参数大，实际耗电量仍很大；由于抽

56、汲参数大，实际耗电量仍很大；(2)(2)对于低产液量、低含水对于低产液量、低含水 率油井，单井优化结果一般为较高流压、较低产液量与较低系统率油井，单井优化结果一般为较高流压、较低产液量与较低系统 效率。尽管这类油井系统效率较低，但由于生产参数小，实际耗效率。尽管这类油井系统效率较低，但由于生产参数小，实际耗 电量却较低，原油产量相对较高。优化结果不合理之处在于：没电量却较低，原油产量相对较高。优化结果不合理之处在于：没 有充分发挥油井的原油产能，尚具有较大的增产潜力。有充分发挥油井的原油产能，尚具有较大的增产潜力。 显然，单井运行优化无法实现区块抽油机井的整体运行优化。显然，单井运行优化无法实

57、现区块抽油机井的整体运行优化。 近年来，我们初步研究了整体区块抽油机井运行优化的仿真方法，近年来，我们初步研究了整体区块抽油机井运行优化的仿真方法， 即以整体区块计划原油产量为约束，建立区块各油井合理配产与即以整体区块计划原油产量为约束，建立区块各油井合理配产与 控制参数的仿真优化理论体系。控制参数的仿真优化理论体系。 区块整体仿真优化方法区块整体仿真优化方法 燕山大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering, Yanshan University 井号冲程冲次泵径泵深动液面含水率产液产油输入功率系统效率 12.55.653290078.922.7635.40 23.04.28321000698.680.013.9