有杆泵抽油系统设计

第三章 有杆泵采油第六节 有杆抽油系统工况分析一、教学目的了解动、静液面的测试原理以及液面深度与压力的相互关系；能够利用回声仪计算下泵深度和液面位置； 明确理论示功图的各项意义，掌握影响泵况主要因素的典型示功图特征。二、教学重点、难点教学重点：1、抽油井的流动方程；2、典型示功图分析。教学难点：1、气体和充不满对示功图的影响；2、漏失对示功图的影响。三、教法说明课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的图形和动画。四、教学内容本节主要介绍三个方面的问题：抽油井液面测试与分析.地面示功图分析.抽油井工况诊断技术—井下示功图分析.（一）抽油井液面测试与分析了解油层生产能力及工作状况，分析是否已发挥了油层潜力，分析、判断油层不正常工作的原因；第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油了解设备能力及工作状况，分析设备是否适应油层生产能力，了解设备潜力，分析判断设备不正常的原因；分析检查措施效果。目的：油层与抽油设备协调，油井高效生产。1、动液面、静液面及采油指数静液面（Ls或Hs）：对应于油藏压力。动液面（Lf或Hf）：对应于井底压力流压。沉没度hs：根据气油比和原油进泵压力损失而定。生产压差：与静液面和动液面之差相对应的压力差。折算液面：把在一定套压下测得的液面折算成套管压力为零时的液面，即：pc106LfcLfogQQ采油指数：KHfLfLsHs2、液面位置的测量测量仪器：回声仪测量原理：利用声波在环形空间流体介质中的传播速度和测得的反射时间来计算其位置。第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油L vt/2（1）有音标的井v L1t1/2L L1

tt12）无音标井根据波动理论和声学原理，声波在气体中的传播速度为：vKPm利用气体状态方程确定气体密度：PVZRT因为：m/V则：PZRTZRTK声波速度为：v简化为：v 16.95 T ZKgo3、含水井油水界面及工作制度与含水的关系①含水井正常抽油时，油水界面稳定在泵的吸入口处。第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油低气油比含水油井：在泵下加深尾管来降低流压，提高产量。低含水高气油比井(除带喷者外)：加深尾管会降低泵的充满系数，因为进入尾管后从油中分出的气体将全部进入泵内。②抽油井工作制度与含水的变化关系当油层和水层压力相同(或油水同层)时，油井含水不随工作制度而改变；当出油层压力高于出水层压力时，增大总采液量(降流压)，将引起油井含水量的上升；当水层压力高于油层压力时， 加大总采液量，将使油井含水量下降。确定含水井工作制度时：①对油水层压力相同及水层压力高于油层压力的井， 把产液量增大到设备允许的抽汲量是合理的。②利用油井在不同工作制度下产液量与含水的变化情况来判断油水层的压力关系。（二）地面示功图分析示功图：载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图。地面示功图或光杆示功图：悬点载荷与位移关系的示功图。1、理论示功图及其分析（1）静载荷作用下的理论示功图第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油ABC为上冲程静载荷变化线。AB为加载过程，加载过程中，游动凡尔和固定凡尔处于关闭状态；在 B点加载完毕，变形结束，柱塞与泵筒开始发生相对位移，固定凡尔打开而吸入液体。BC为吸入过程（BC=sP为泵的冲程），游动凡尔处于关闭状态。CDA为下冲程静载荷变化线。CD为卸载过程，游动凡尔和固定凡尔处于关闭状态；在D点卸载完毕，变形结束，柱塞与泵筒发生向下相对位移，游动凡尔被顶开、排出液体。DA为排出过程，固定凡尔处于关闭状态。循环过程：下死点 A 加载完成 B 上死点C 卸载完成 D 下死点A（2）考虑惯性载荷后的理论示功图第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油2、典型示功图分析典型示功图：某一因素的影响十分明显，其形状代表了该因素影响下的基本特征的示功图。1）气体和充不满对示功图的影响①气体影响示功图DDgSAD充满系数：AD②充不满影响的示功图充不满现象：地层产液在上冲程末未充满泵筒的现象。液击现象：泵充不满生产时，柱塞与泵内液面撞击引起抽油设备受力急剧变化的现象。2）漏失对示功图的影响排出部分的漏失柱塞的有效吸入行程：Spu BC第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油泵效：BC/S②吸入部分漏失柱塞的有效吸入行程：Sped DA泵效：DA/S③吸入部分和排出部分同时漏失（3）柱塞遇卡的示功图第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油柱塞在泵筒内被卡死在某一位置时， 在抽汲过程中柱塞无法移动而只有抽油杆的伸缩变形，图形形状与被卡位置有关。（4）带喷井的示功图在抽汲过程中，游动阀和固定阀处于同时打开状态，液柱载荷基本加不到悬点。示功图的位置和载荷变化的大小取决于喷势的强弱及抽汲液体的粘度。（5）抽油杆断脱抽油杆柱的断脱位置可根据下式来估算：L

hCbqrg抽油杆断脱后的悬点载荷实际上是断脱点以上的抽油杆柱重量，第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油只是由于摩擦力，才使上下载荷线不重合。图形的位置取决于断脱点的位置。（6）其它情况（三）抽油井工况诊断技术——井下示功图分析目前，计算机诊断技术在美国、加拿大、委内瑞拉、哥伦比亚、中国等国，已作为检测抽油系统二次不可缺少的手段之一。计算机诊断技术的应用，标志着示功图的解释工作由高度取决于分析人员的技巧和经验的定性分析阶段发展到了科学的定量分析阶段。判断抽油系统工况的发展过程：第一阶段：“五指法”人们用手握柱光杆，跟随光杆上下几个行程，以手掌的感觉来判第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油断抽油设备的某些故障，是最古老、原始的方法，只用能在浅井上，这种方法早已被淘汰。第二阶段：“光杆动力仪”或“地面示功仪”这种方法利用光杆动力仪绘制出光杆载荷——位移关系曲线（地面示功图），然后对其进行解释，以判断油井与设备故障。该方法具有操作简单、使用方便等优点，至今还有许多国家广泛使用。但该方法所得的井下工作状况的结果是定性的，而且由于井下情况的复杂性和人为因素，有时免不了会出现判断错误或无法解释的现象。第三阶段：“井下动力仪”将井下动力仪随同深井泵一起下入井内，测得泵处的示功图，以获得第一手资料，消除抽油杆等不定因素的影响。但此方法存在着必须将泵和抽油杆提出，以安装井下动力仪，操作不方便，且工作量大，因而没得到推广使用。第四阶段：“计算机诊断技术”60年代初由美国壳牌开发公司的gillz的美国壳牌石油公司neely所提出的，属科学定量解释分析方法。由于它消除了抽油杆的动载对示功图的影响，因而得到的泵功图较为规则，很容易解释。目前该技术已发展到计算机解释示功图，直接输出解释结果。其基本原理是：通过地面示功仪（载荷传感器、位移传感器）在光杆处接收的载荷和位移信号，通过屏闭电缆传递到诊断仪，经放大、滤波和 A/D（analogtodigital （模拟）/（数字））转换后，输入到计算机，计算机按一定的要求采样（如每冲次采集 128点），采样第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油完毕后，同油井基本数据（杆长、截面积等）一起提供给计算机，通过计算机求解波动方程，从而得到抽油杆柱任意深度处的载荷－位移，乃主泵功图。载荷传感器 载荷信号光杆处 屏闭电缆位移传感器 位移信号采样求解波动方程 杆柱油井数据抽油机井工况诊断技术：抽油井计算机诊断的内容：①计算抽油杆柱断面上的应力分布和示功图；②估算泵口压力；③判断油井潜能；④计算活塞冲程和泵效；⑤检验泵及油管锚的机械状况；⑥计算和绘制扭矩曲线，并进行平衡和功率的计算与分析。1、诊断技术的理论基础第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油应力波在抽油杆柱中传播过程可用带阻尼的波动方程描述：2U(x,t)a22(x,t)cU(x,t)t2x2t用以截尾傅立叶级数表示的悬点动负荷函数 D(T)及光杆位移函数U(T)作为边界条件：onD(t)(ncosntnsinnt)2n10nU(t)(ncosntnsinnt)2n1Ttdtn=0,1,2nn0D(t)cosnTD(t)sinntdtn=1,2,nn0TU(t)cosntdtn=0,1,2,nn0TU(t)sinntdtn=1,2,nn0第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油用分离变量法，可得抽油杆柱任意深度 X断面的位移随时间的变化：nU(x,t)0x0(O(x)cosntP(x)sinnt)2EAr2nnn1F(x,t)U(x,t)EAr根据虎克定律：x抽油杆柱任意深度断面上的动负荷函数随时间的变化为：n(On(x)cosntPn(x)sinnt)]F(x,t)EA[0r2EArn1xx在t时间，x断面上的总载荷F(x,t)等于加上断面以下的抽油杆柱的重量为：On(x) (Knchnx nshnx)sin nx ( nshnx nchnx)cosnxPn(x) (Knshnx nchnx)cosnx ( nchnx nshnx)sin nxnn

n211(C)2ann211(C)2anKnnnnn,nnnnnEA(22)EA(22)rnnrnn阻尼系数确定抽油杆柱系统的阻尼力：粘滞阻尼力、非粘滞阻尼力。第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油粘滞阻尼力：(1) 杆、接箍与液体之间的粘滞摩擦力；泵阀的流体压力损失等。非粘滞阻尼力：(1) 杆、接箍与油管之间的非粘滞性摩擦力；光杆与盘根之间的摩擦力；泵柱塞与泵筒之间的摩擦损失等。C2{14(B1)[B2]}rAr11L1lnmB2LcosLasinaamDtB1m21Bm41(m21)21Dr2lnm2lnm2、诊断技术的应用①判断泵的工作状况及计算泵排量②计算各级杆柱的应力和分析杆柱组合的合理性③计算和分析抽油机扭矩、平衡及功率④估算泵口压力及预测油井产量⑤判断油管锚或封隔器固定油管的有效性3、诊断技术的发展状况GibbsSG.一维带阻尼的波动方程(1966年）主要特点：考虑了抽油杆的惯性，而忽略了液柱的惯性；目前计算机诊断技术的理论基础。(2)DotyDR.&SmithZ. 二维预测模型(1981年)主要特点：同时考虑了抽油杆和液柱的惯性。第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油余国安等三维振动预测模型(1989年)主要特点：同时考虑了杆、液、管的惯性与振动。示功图识别技术的发展人工智能(AI)技术。使用模式识别技术、专家系统及神经网络技术来判断泵的工作状况。附录A：APIRP11L方法特点：(1) 经API专门组推荐，于 1967年公开发表；归纳和总结了电模拟研究成果；由以无因次量表示的一系列图表和简单计算公式所组成；以公报形式发表了1100多张以无因次量表示的模拟示功图，可用类比分析。计算内容：(1)柱塞冲程；泵排量；光杆最大载荷；光杆最小载荷；最大扭矩；光杆马力；有效平衡值。1）基本假设普通型游梁式抽油机；低滑差，即转数随负载变化很小的硬特性电动机；模拟的是上粗下细的级次杆；第六节有杆抽油系统工况分析第三章 有杆泵采油泵完全充满(没有气体影响)；井下摩擦正常；油管锚定；抽油机完全平衡，且传动效率为100%；未考虑具体抽油机的几何特性；计算最大扭矩时，认为最大、最小载荷发生在曲柄位于75和285处。2）基本示功图五、教学后记通过本节的学习，绝大多数同学都了解了动、静液面的测试原理以及液面深度与压力的相互关系；能够利用回声仪计