地面驱动螺杆泵采油系统启动过程动力学研究

综合考虑地面驱动与传动系统的机械特性、杆柱扭转振动、杆柱所受的液体阻尼与负载扭矩,建立了地面驱动螺杆泵采油系统动力学分析的数学模型,该数学模型由描述转盘旋转的动力学常微分方程与描述杆柱扭转振动的波动方程组成,既可以分析螺杆泵采油系统启动过程的动力学特性,也可以分析其停车过程的动力学特性。建立了一种独立模块仿真算法,求解转盘旋转动力学常微分方程组与杆柱扭转振动波动方程所组成的耦合数学模型。开发了地面驱动螺杆泵采油系统动态参数的计算机仿真软件。仿真计算结果表明,对于机械特性较硬的Y系列电动机所驱动的螺杆泵采油系统,电动机在较短时间内就能达到其稳定工作转速,驱动头处有较大的动载扭矩,动载系数随工作转速的增加而增加。当工作转速增加至300r/min时,动载系数达1.3,在对采油杆柱进行强度计算时,有必要考虑动载系数的影响。     

螺杆泵抽油杆柱稳定器安装位置的确定

地面驱动螺杆泵采油系统的抽油杆柱，在传递扭矩过程中会产生较大的横向挠曲变形，使抽油杆柱与油管内壁发生摩擦。本文采用动力分析的有限元方法，求解螺杆泵的抽油杆柱在运动中产生的横向变形，确定在适当的位置安装稳定器，控制杆柱的变形，避免杆柱与油管内壁的摩擦。结合实例进行计算表明，在泵挂深度１２００米的井中，在杆柱适当位置安装１６个稳定器就可以使抽油杆柱的横向变形减小而不再与油管内壁接触。     

定向井杆管接触状态的有限元仿真模型

将定向井抽油杆柱离散为空间梁单元,通过在所有节点构造双向弹簧元模拟抽油杆柱与油管的接触状态,考虑双向弹簧元弹簧刚度系数对单元刚度矩阵与总刚度矩阵的影响,建立了抽油杆柱与油管接触状态的有限元仿真分析模型。仿真结果表明,弹簧元能够准确模拟杆管接触状态,确定杆柱与油管内壁接触状态、杆管接触压力以及扶正器与油管接触压力;抽油杆柱与油管柱接触受实际井眼轨道的影响,井眼造斜段、局部狗腿度较大的井段,杆管接触压力较大;在定向井抽油杆柱安装扶正器可以明显减小或消除杆体与油管的接触压力以及接箍与油管的接触压力。     

螺杆泵采油系统杆柱的扭转振动特性分析

对直井中用于驱动井下螺杆泵的旋转级次抽油杆柱建立了扭转振动分析模型,推导出了该级次抽油杆柱扭转振动频率的计算公式,建立了级次杆柱扭振固有基频与单级杆柱固有基频之间的关系。计算表明,泵深在700－1800m时,常用的二级抽油杆柱组合的扭振固有基频为22－58r/min,低于螺杆泵的工作转速区,这完全不同于有杆泵抽油系统。指出,由于螺杆泵采油系统的工作转速区高于其杆柱扭振固有基频,在选定螺杆泵采油系统的工作转速时,除考虑杆柱的基频外,还应考虑杆柱的扭振高次谐波频率,这样可以避免系统工作在高次谐波共振区,而且有利于避免系统工作转速在穿越高次谐波对应的转速时系统的失速;在设计螺杆泵采油系统杆柱组合时,应考虑组合杆柱扭振基频的提高,尤其要注意常用的二级杆柱组合时杆长比接近50％的情况。     

螺杆泵采油井扶正器位置设计动力学研究

对地面驱动单螺杆泵杆柱进行受力研究,利用有限单元法建立了螺杆泵杆柱运动动力学模型。该模型模拟了螺杆泵生产时杆柱的实际运动状况,考虑了抽油杆柱横向运动的影响,通过描述杆柱运动时6个方向的位移,得到杆柱在任意时刻、任意位置的轴向力、侧向力、扭矩以及杆管间的接触程度。通过对杆柱接触严重程度的判断,得到杆柱需要扶正的具体位置。该模型不仅适用于直井,也适用于斜井。在华北二连油田投入使用后,使螺杆泵井检泵周期平均延长了4个月。     

螺杆泵采油杆柱扭转振动固有频率的计算方法

考虑地面驱动与传动系统转动惯量对铅垂直井螺杆泵采油杆柱扭转振动的影响,建立了顶端具有等能转动惯量Je的自由转动圆盘、下端自由的多级组合杆柱扭转振动的力学模型,给出了单级、二级与三级组合杆柱自由扭转振动固有频率的计算公式。分析结果表明,等效圆盘的转动惯量与采油杆柱转动惯量的比值Je/J0对杆柱扭转振动的固有频率有一定影响,当Je/J0=5和Je/J0=25时,基频相差7.38%。当Je/J0≥5时,固有频率随Je/J0的增加而增加,并趋近于将螺杆泵采油杆柱顶端简化成固定端时的固有频率。当Je/J0≥10时,将螺杆泵采油杆柱顶端简化成固定端所产生的基频计算误差为5%左右。对于目前实际应用的螺杆泵采油系统,采油杆柱第1阶与第2阶扭转振动的固有频率一般处于螺杆泵常用的工作转速范围内,因此应合理选择螺杆泵的工作转速或合理设计下泵深度与杆柱组合,以避免系统在基频或二次谐波共振区工作。     

潜油直驱螺杆泵

潜油直驱螺杆泵采油技术利用动力电缆将电力传送给井下潜油电机,电机通过柔性联轴器直接驱动螺杆泵转子转动,井液经过螺杆泵增压后,被举升到地面。潜油直驱螺杆泵采油技术解决了有杆泵的杆管偏磨问题。现场试验表明,潜油直驱螺杆泵系统安全可靠,运行平稳,结构简单,操作方便,具有广泛的推广应用前景。     

关于地面驱动螺杆泵杆管的纵向弯曲问题

俄罗斯科研人员通过多个公式的计算推导和对比分析后得出,在指定工作条件下,地面驱动螺杆泵即使在垂直井段中,泵上的杆管也存在失稳现象,并产生弯曲。由于油管内外的压差,地面驱动螺杆泵的装置中杆管失稳状况要比抽油泵明显。在用地面驱动螺杆泵采油时,必须采用减少杆管纵向弯曲的技术措施,其中包括应用杆管钻铤、斜井段安装杆管扶正器,以及应用不仅能够防止油管柱下部转动、而且可以防止其向上轴向移动的油管锚。     

水泥环对套管强度影响的理论和试验研究

造成螺杆泵采油井抽油杆杆柱断裂、脱扣和撸扣的主要原因有杆体外径选择偏小 ,杆体制造或使用过程中产生缺陷 ,堵塞扭矩过大 ,反扭矩大于螺纹联接扭矩以及抽油杆螺纹牙受剪应力过大等。针对上述原因 ,制定了合理选配管柱 ,加强检测 ,应用无油管采油技术 ,安装防反转装置 ,设置过载保护系统、抽汲参数匹配以及加强现场施工管理、高压热洗等技术对策 ,提高了抽油杆柱的可靠性 ,有效地避免了杆柱断脱事故的发生螺杆泵井杆柱断脱机理及其对策@盛国富     

聚驱螺杆泵井偏心环空流体流动仿真研究

螺杆泵主要用于聚驱井和稠油井,由于转子偏心以及井口不对中等原因,螺杆泵井杆管环空中流体可能呈现偏心流动.针对目前多数研究将该流动考虑为牛顿流体同心环空轴向流动的情况,对此流动系统进行运动和受力分析,建立螺杆泵井幂律流体杆管偏心环空螺旋流仿真数学模型.运用线性迭代的方法进行求解.通过计算可知,螺杆泵井杆管偏心环空螺旋流角速度随转速增加而增加,窄间隙处角速度径向梯度比宽间隙处大.轴向速度随转速的增加而增加,且增加幅度较大.仿真数学模型中螺杆泵杆管环空流体的流动状态符合实际工作状况,完善了螺杆泵举升工艺理论.     

螺杆泵采油油管柱弯曲对抽油杆柱的影响

抽油杆柱断脱是螺杆泵采油最棘手的问题之一。为此, 就螺杆泵采油时油管柱弯曲对抽油杆柱的影响做了分析。通过分析, 给出了油管柱轴向压力与弯曲变形计算式, 着重讨论了油管柱弯曲对抽油杆柱的弯曲角度、弯曲产生的附加弯矩和附加应力的影响。认为螺杆泵正常工作以后, 因温度的影响, 油管的弯曲增加, 抽油杆柱产生与油管相同的弯曲。最后对某油田的某一螺杆泵井作了实例计算。     

地面驱动螺杆泵采油管柱弯曲机理研究

随着地面驱动螺杆泵的广泛应用，抽油杆的断脱与偏磨现象越来越严重，大多文献将其主要原因只归结为抽油杆弯曲以及井眼曲率，却忽视了油管弯曲这一重要因素。从油管的变形分析入手，给出了活塞效应、鼓胀效应、温度效应以及油管弯曲等原因造成的变形量，并在此基础上利用管柱稳定计算原理提出了弯曲个数、弯曲段长度等关键参数的计算方法和计算公式，以期对防止偏磨提供一定的参考。     

双河油田有杆泵井管杆偏磨的综合防治

根据双河油田部分油井油管和抽油杆易偏磨 ,造成管杆断脱、管柱漏失及频繁作业的生产实际 ,对管杆偏磨的原因进行了分析 ,认为造成管杆偏磨的因素主要有井身结构弯曲、油管螺旋弯曲、抽油杆螺旋弯曲以及工作参数不合理、产出液的高含水特性等。为此 ,结合生产实际提出了有效的防治措施 :(1)简化井下生产管柱 ;(2 )优化组合油管、抽油杆柱 ;(3)选择合适的井下工具 ;(4 )确定合理的生产参数。上述综合防治措施在现场应用 ,大大减缓了管杆偏磨 ,延长了油井检泵周期 ,取得了良好的防偏磨效果     

螺杆泵专用锚的研制与应用

针对螺杆泵在采油过程中经常出现油管倒扣和脱扣的问题,研制了螺杆泵专用锚。该螺杆泵专用锚靠连接体上端的凸轮面可实现自行锚定,螺杆泵不工作时,在弹簧力的作用下又可以自动缩回解锚,减轻了油管柱的载荷,不易造成油管柱弯曲变形,有利于减轻杆管偏磨,提高机械效率,延长杆管寿命。现场5口井的应用中,除GD1-15X522井因地层出砂导致开抽不出液外,其余4口井全部一次性开抽成功,生产正常,液量平稳,未发生油管及抽油杆脱扣等事故。该工具完全能满足螺杆泵生产防倒转的要求。     

含水与沉没度对杆管偏磨的影响研究

通过对抽油机井最小载荷随含水和沉没度变化规律及杆管摩擦磨损规律的实验研究,找出了含水、沉没度对杆管偏磨的影响规律。高含水抽油机井在低沉没度条件下运行时,抽油泵因严重供液不足而产生液击,会加剧抽油杆柱振动,降低抽油机悬点最小载荷,从而减少抽油杆柱的轴向分布力与杆管产生偏磨的临界轴向压力,加大了下冲程时抽油杆柱下部受压段的长度,容易造成抽油杆柱屈曲而导致杆管偏磨。高含水是导致杆管偏磨速度加快的主要原因。     

油管旋转器的研制与应用

在有杆抽油系统中 ,为了防止油管偏磨及抽油杆断脱 ,研制了油管旋转器。它是借助游梁动力 ,利用蜗杆、蜗轮和棘轮等部件 ,驱使油管管柱做近似匀速转动 ,抽油杆接箍与油管内壁的接触面积扩大 ,使油管磨损均匀 ,因而在管内壁上也就不易磨出沟槽 ,以达到防止油管局部偏磨延长免修期的目的 ,同时延长了抽油泵的使用寿命 ,减少了油管结蜡。 5 0口井的应用情况表明 ,这种油管旋转器的防偏磨效果好 ,延长了生产周期 ,且经济效益显著     

螺杆泵配小直径油管采油技术研究及应用

为了降低稠油出砂井的冷采成本 ,在对螺杆泵生产井杆管的受力、扭矩、应力及强度计算和分析的基础上 ,提出了采用 63 5mm小直径油管和 2 5 4mm抽油杆配PJG2 5—Ⅱ型接箍技术。在 1 5口施工井中 ,采用小直径油管井 8口 ,成功率 1 0 0 %,年增油 2 1 3 5t。现场试验表明 ,螺杆泵配小直径油管采油技术对稠油出砂井具有较强的适应性 ,可满足螺杆泵采油工艺要求 ,为改善稠油出砂井的生产现状提供了新的途径。     

装有扶正器的斜直井抽油杆柱摩阻力的理论研究

从斜直井的特点出发,推导出装有扶正器的抽油杆柱所受液体粘滞阻力及与油管摩擦力的计算公式。计算实例表明,抽油杆柱与油管的摩擦力是杆柱自重的5.01％;所受液体粘滞阻力相当于稠油竖直井的阻力。指明斜直井用抽油机除采用长冲程、低冲次外,还应具有下冲程比上冲程慢的特点。     

基于电参数的螺杆泵杆管偏磨预判研究

针对螺杆泵采油中存在的杆管偏磨问题,建立了基于电参数的抽油杆偏磨分析模型。通过模型分析发现:抽油杆扭矩和轴向力的变化都能反映工况的变化;抽油杆扭矩与沉没度正相关,与油管半径负相关;当扭矩和轴向力发生变化时,抽油杆的偏磨程度就会发生变化,该变化会在电流和有功功率参数中反映出来。结合现场故障井数据分析得出:有功功率对工况变化的敏感性强,尤其对中小驱动装置或电机轻载情况,比电流具有更强的反映工况变化的能力;当抽油杆磨断时,电流会有一定程度降低,而有功功率则产生明显突变;含蜡量、转速和沉没度偏高所引起的杆管偏磨监测曲线的变化趋势与基于电参数的抽油杆偏磨模型的分析结果一致。根据研究结果,提出用自动调速功能控制沉没度波动;通过控制系统自动调整螺杆泵转速的方法改变液面深度,使杆管磨损程度大幅度降低;应用自动连续监测方法确定螺杆泵井的合理热洗周期,从而预防含蜡量偏高所引起的杆管偏磨。      

连续抽油杆导向扶正装置

针对钢质连续抽油杆在部分高矿化度、高含水油井与油管间的偏磨现象突出,而采用普通抽油杆连接抗磨幅防偏磨技术又无法适应连续抽油杆无接箍和螺纹设计的问题,研制出连续抽油杆导向扶正装置。该装置通过上、下接头连接在偏磨井段的油管柱上,使钢质连续抽油杆与导向扶正装置内导向轮接触,将杆管间的滑动摩擦变为抽油杆与导向轮之间的滚动摩擦,避免抽油杆与油管之间直接接触发生相对运动,达到扶正杆柱和延长钢质连续抽油杆使用寿命的目的。160余口井的试验应用情况表明,该装置下井施工成功率100%,平均检泵周期延长180d,悬点载荷减少12.5%,经济效益和社会效益显著。