学科前沿讲座（抽油机井动态参数计算机仿真技术）课件

系统：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。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。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；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：实体、属性、活动。实体：确定了系统构成，也就确定了系统的边界；属性：也称为描述变量，描述每个实体的特征；活动：定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。3.1计算机仿真技术简介3抽油机井动态参数计算机仿真系统：由相互关联、相互制约、相互影响的元素所组成的整体。3.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。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；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：

(1)当系统处于设计阶段时，真实系统尚未建立；(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，风险大、损失大；(3)当需要进行多次试验时，难以保证每次试验的条件相同，因而无法准确判断试验结果的准确性；(4)试验时间太长、费用昂贵。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、令模仿真：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。系统是研究的对象；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。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机仿真。系统仿真三个要素：系统、模型、计算机(包括硬件和软件)；系统仿真三个基本活动：即系统建模；仿真建模和仿真实验。仿真计算机仿真三要素与三个基本活动仿真：是一种基于模型的活动。仿真计算机仿真三要素与三个基本活系统仿真类型系统仿真类型系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤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。控制工程、系统工程、管理工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，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。仿真技术的发展几个阶段：

(1)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了模拟仿真技术的发展。上世纪50年代末期至60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。仿真技术的发展历程现代仿真技术的发展与控制工程、系统工程、管理工程、计(2)仿真技术的发展阶段上世纪70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、交通运输、通讯、核能等各个领域。

(3)仿真技术发展的成熟阶段近20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程领域。仿真技术的发展历程(2)仿真技术的发展阶段仿真技术的发展历程优化设计是上世纪60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。优化设计方法的研究内容：(1)设计变量(2)目标函数(3)约束条件(4)数学模型(5)优化算法优化设计方法优化设计是上世纪60年代初期发展起来的一门新兴学科，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，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，优化系统组成与运行参数，达到节能降耗、提高系统经济效益的目的。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系统组成：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、液柱、抽油泵、地层。电网：供电电压、供电频率；电动机：转子定轴转动；皮带传动装置：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；减速箱传动装置：轮系存在扭转振动与横向振动；换向机构：各构件作定轴转动或平面运动，存在弹性与振动；3.2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；抽油泵：由柱塞、泵筒、泵阀与流体组成；泵阀作复杂空间运动；流体为多相不稳定流动；地层：多相流体在地层内流动——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。系统描述：系统组成：电网、电动机、皮带传动、减速箱传动、换向机构、抽油边界与假设：(1)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，即电动机的机械特性已知；(2)假设油井稳定生产时，油套环空内流体动液面已知；不研究流体在地层内的流动规律。——简化为确定性的机械动力学系统。边界与假设边界与假设：边界与假设力学模型地面装置力学模型力学模型井下装置力学模型单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离散连续混合系统模型纵向振动力学模型三维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管液耦合纵向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管液三维耦合振动力学模型力学模型地面装置力学模型力学模型井下装置力学模型单自由度系统(1)地面装置仿真模型——单自由度模型有杆抽油系统示意图地面装置力学模型(1)地面装置仿真模型——单自由度模型有杆抽油系统示意图地曲柄运动微分方程：式中：

Med——转化到曲柄轴处的系统等效驱动力矩，N·m；Mef——转化到曲柄轴处的系统等效阻力矩，N·m；Je——等能转动惯量，kg·m2；θ——时刻t曲柄相对于悬点下死点时曲柄位置的转角，rad；ω0′——在θ=θ0时，曲柄转动的角速度，1/s。地面装置仿真模型——单自由度模型曲柄运动微分方程：式中：地面装置仿真模型——单自由度模型仅考虑皮带的弹性，并将皮带简化为无质量弹簧，力学模型：地面装置仿真模型——两自由度模型数学模型：仅考虑皮带的弹性，并将皮带简化为无质量弹簧，力学模型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：地面装置仿真模型——多自由度模型综合考虑抽油机地面装置各传动件弹性，多自由系统振动的数学模型：地面装置仿真模型——多自由度模型数学模型：地面装置仿真模型——多自由度模型(2)井下杆管液柱耦合振动数学模型研究目的：(1)仿真抽油机悬点示功图、泵示功图与杆柱任意截面示功图；(2)仿真油管柱任意截面内力、位移随时间的变化规律；(3)仿真抽油泵吸入口、排出口流体压力变化规律；(4)仿真抽油泵泵阀运动规律、流体在泵内流动规律。(2)井下杆管液柱耦合振动数学模型研究目的：考虑的因素与假设：①仅研究抽油杆柱纵向振动；②不考虑油管柱、液柱的振动；③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响；④考虑流体对杆柱的液体摩擦力，即液体摩阻；⑤考虑抽油杆柱与油管之间的刚体摩擦力。抽油杆柱纵向振动仿真模型考虑的因素与假设：抽油杆柱纵向振动仿真模型考虑的因素与假设：①同时研究抽油杆柱与液柱纵向振动；②不考虑油管柱的振动；③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响；④考虑流体对杆柱的液体摩擦力，即液体摩阻；⑤考虑抽油杆柱与油管之间的刚体摩擦力。抽油杆柱与液柱纵向耦合振动仿真模型考虑的因素与假设：抽油杆柱与液柱纵向耦合振动仿真模型考虑的因素与假设：①同时研究抽油杆柱、油管柱与液柱的纵向振动；②假设井筒内流体为油水两相或油气水三相的均相流动；③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响。；④考虑流体对抽油杆柱、油管柱的液体摩擦力，即液体摩阻；⑤考虑抽油杆柱与油管之间的刚体摩擦力。杆管液柱纵向耦合振动仿真模型考虑的因素与假设：杆管液柱纵向耦合振动仿真模型考虑的因素与假设：①仅研究抽油杆柱空间振动；②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响；③应用流体静力学或多相流模型计算泵沉没压力、排出压力；④考虑流体对杆柱的液体摩擦力，即液体摩阻；⑤考虑抽油杆柱与油管之间的刚体摩擦力。抽油杆柱空间振动仿真模型考虑的因素与假设：抽油杆柱空间振动仿真模型考虑的因素与假设：①同时研究抽油杆柱与油管柱的空间振动；②不考虑油液柱的振动；③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响；④应用流体静力学或多相流模型计算泵沉没压力、排出压力；⑤考虑流体对杆管柱的液体摩擦力，即液体摩阻；⑥考虑抽油杆柱与油管之间的刚体摩擦力。杆柱与油管柱空间耦合振动仿真模型考虑的因素与假设：杆柱与油管柱空间耦合振动仿真模型

例如：杆管液柱纵向耦合振动模型

描述抽油杆柱纵向振动的偏微分方程组描述油管柱纵向振动的偏微分方程组描述液柱纵向振动的偏微分方程组

例如：杆管液柱纵向耦合振动模型描述抽油杆柱纵向振动的偏解决的技术难题与关键技术(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图的智能快速仿真解决的技术难题与关键技术(1)解决了系统数值仿真算法难题，实解决的技术难题与关键技术(2)考虑了抽油机井地面装置能量流向与动态特性，建立了系统各节点力能参数的仿真模型解决的技术难题与关键技术(2)考虑了抽油机井地面装置能量流向

抽油机载荷特性：上冲程，悬点同时提升抽油杆柱与油柱；下冲程，抽油杆柱靠自重下落并拖动抽油机悬点。虽然，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。抽油机耗电理论：当电机处于发电机状态运行时，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，负功率应该是按代数和迭加计算。电动机瞬时与平均输入功率：系统输入功率抽油机载荷特性：上冲程，悬点同时提升抽石油行业标准计算方法缺点与不足：(1)假设井筒内为油水两相混合液，没有考虑气相的影响；(2)没有考虑流体在油管内流动的沿程水头损失。sddsHdLH0解决的技术难题与关键技术(3)基于多相管流，建立了有效功率仿真模型石油行业标准计算方法缺点与不足：sddsHdLH0解决的技术

多相流有效功率计算模型

多相流有效功率计算模型

系统效率定义:地面效率分解：井下效率分解：(4)建立了系统效率与分效率仿真模型系统效率定义:地面效率分解：井下效率分解：(4)建立了系统参数输入界面：(5)开发了系统仿真优化设计系统软件参数输入界面：(5)开发了系统仿真优化设计系统软件动态参数仿真结果：动态参数仿真结果：运动规律仿真结果：运动规律仿真结果：示功图仿真结果：示功图仿真结果：曲柄扭矩仿真结果：曲柄扭矩仿真结果：电动机输入功率仿真结果：电动机输入功率仿真结果：4提高系统效率的仿真优化技术4.1系统效率影响因素的敏感性分析应用系统效率仿真模型，可以实现各种因素对系统效率影响因素的敏感性分析，认识影响系统效率的主要因素。4提高系统效率的仿真优化技术4.1系统效率影响因素的敏感例如，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：再如，气油比对系统效率影响的敏感性：再如，气油比对系统效率影响的敏感性：4.2基于系统效率最高的参数优化设计4.2基于系统效率最高的参数优化设计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。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4.3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。

4.3基于系统效率最高的合理流压研究确定采油井合理

4.4.1应用节能型抽油机4.4提高系统效率的措施4.4.1应用节能型抽油机4.4提高系超高转差电机与Y系列电机系统效率对比：(1)当Y系列电机功率利用率较低时，超高转差电机替代Y系列电机具有一定的节能效果；当Y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Y系列电机不仅不节电，反而多耗电。(2)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，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。4.4.3应用节能控制设备

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。4.4.2应用节能型电动机超高转差电机与Y系列电机系统效率对比：(1)当Y系列电机功率4.4.4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冲程3m冲次6min-1泵径70mm气油比50m3/m3下泵深度1000m含水率对系统效率的影响4.4.4应用气锚提高气影响油的统效率系统效率随含水率的变系统效率随气油比的变化规律冲程3m冲次6min-1泵径70mm动液面700m下泵深度1000m气油比对系统效率的影响:系统效率随气油比的变化规律冲程3m气油比对系统效率的影响:含水率30%含水率90%含水率对示功图与效率的影响:含水率30%含水率90%含水率对示功图与效率的影响:气油比30m3/m3气油比100m3/m3气油比对示功图与效率的影响:气油比30m3/m3气油比100m3/m3气油比对示功图与效结论：含水率与气油比对系统效率有显著影响。

含水率与气油比影响系统效率的实质：决定了气体对泵的影响程度。

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。

气锚的合理使用:优化参数，保持合理沉没度。结论：含水率与气油比对系统效率有显著影响。

含水率与气油比影2.595626832.55.668334.6670系统效率

29.34%35.33%33.41%32.70%4.4.5优化抽汲参数提高系统效率例:在产量不变条件下,不同参数组合对系统效率的影响:2.522.53系统效率29.34%35.33%33.41抽汲参数优化设计实例：抽汲参数优化设计实例：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。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系统效率24.4426.3628.0325.43优化抽油杆柱组合结论：在满足强度要求条件下，选择轻的杆柱组合可以提高系统效率。系统效率24.4426.3628.0325.43优化抽油杆柱先进的设计方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。

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，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。

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。先进的优化设计方法提高系统效率先进的设计方法可以进一步挖掘抽油机井节能潜力

——基于区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理的设计结果：(1)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：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；(2)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。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控制参数的仿真优化理论体系。区块整体仿真优化方法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12.55.6532900764.17.19.68.922.7635.4023.04.28321000698.680.013.902.783.6934.5532.53.0044137812276.410.429.754.2435.2042.53.60321026845.46.86.586.132.3134.5351.82.79561200709.56.410.8810.182.9535.5362.53.00441060707.975.013.853.463.6235.5872.52.8938900585.550.010.365.182.9532.28

合计(平均值)75.5946.5722.5234.72单井优化设计结果整体优化设计结果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12.54.4232900696.47.19.408.732.4433.9222.03.78321378229.880.08.141.632.1323.2933.04.44321000798.96.410.389.723.0936.6842.54.4032900770.66.86.606.152.2733.5151.83.59561102988.66.414.6713.734.1343.2961.8