地面驱动螺杆泵抽油杆柱动力学分析技术及其应用

地面驱动螺杆泵抽油杆柱动力学分析是杆柱设计、失效机理分析的关键技术.针对细长抽油杆柱旋转运动时沿井深和井眼圆周方向与油管内壁产生碰撞接触的问题,建立了抽油杆柱非线性动力学模型.利用构造动力间隙元来描述旋转抽油杆与油管的随机碰撞接触状态,并与空间梁单元相结合,建立了旋转抽油杆柱动力学分析方法.在大庆油田B2-6-41等井的应用结果表明,井口扭矩计算平均值与实际测试值的相对误差为1.5%.根据求得的时域内抽油杆柱受力变形值以及与油管柱碰撞接触力,计算了抽油杆柱动强度和扶正器安放位置.利用该方法设计的抽油杆柱能够安全可靠地运行,使检泵周期超过550d.     

抽油机斜直井杆管接触与磨损力学模型

斜直井中抽油杆在上下往复运动过程中,轴向力周期性地拉压变化:受拉时,抽油杆在扶正器限制下被拉直,不与油管发生接触;受压时,当抽油杆所受的压力大于临界压力值,将发生失稳,失稳过大会与油管接触并伴有接触力。接触力的存在对抽油杆柱与油管的安全生产极为不利,特别是高含水油井,抽油杆与油管间发生水性研磨,将增加抽油杆的断脱几率或加快油管磨穿速度。从杆管接触理论关系出发,利用力矩原理,计算杆管接触力的大小;结合现场井下作业油管创口形态,建立理论示功图条件下的油管柱创口模型,预测油管磨穿时间,并利用缝隙流理论预测了漏失量。通过该方法计算得到的油管磨损理论创口形态与现场实际较为接近,针对复杂示功图可用近似标准示功图代替。     

三维井眼抽油杆工作行为仿真研究

针对造成抽油杆、管偏磨的原因及目前理论研究的不足,采用计算机仿真技术,应用有限元软件ANSYS对抽油杆柱变形、接触及受力状态进行分析,找出了定向井、水平井中容易发生偏磨的部位及接触力。建模时采用Pipe16单元模拟抽油杆和活塞,采用Contac176和Target170单元来模拟柔性抽油杆与刚性油管的接触。仿真结果表明,抽油杆在上下行程中将产生很大的屈曲并和油管壁发生激烈的碰撞,下行程的屈曲状态较上行程更为严重;抽油杆底部接箍和光杆均可能与油管壁发生接触碰撞,但接箍部位的接触力更大,更易磨损,而上部的抽油杆则摆动幅度较小。     

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。     

定向井抽油杆柱横向振动仿真模型及扶正器布点优化

将定向井抽油杆柱在井筒内横向振动的力学模型简化为具有初弯曲的纵横弯曲梁在井筒约束条件下的横向振动模型。在模型中考虑了交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励,并提出了弯曲井筒是轴向运动抽油杆柱横向振动的一项主要激励。综合考虑弯曲井筒对轴向往复运动抽油杆柱横向振动的激励以及交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励,应用弹性碰撞理论描述井筒对抽油杆柱横向振动的约束,并基于弹性体振动理论建立了具有初弯曲的抽油杆柱在井筒约束条件下横向振动仿真的数学模型。基于定向井抽油杆柱横向振动仿真模型,建立了扶正器布点优化的数学模型。采用龙格库塔法实现了定向井抽油杆柱横向振动的仿真计算;通过循环迭代方法实现了扶正器的布点优化。研究结果表明：⑥仿真结果与油田实际情况相符,验证了模型的适用性;②杆管偏磨的危险点为井眼的造斜段与杆柱受压段。井眼造斜段杆管接触力较大,杆柱受压段杆管碰撞剧烈;③优化扶正器配置后,杆体、接箍不与油管接触,扶正器的最大杆管接触力均在许用接触应力以内,保证了抽油杆柱的工作寿命。     

水平井抽油杆载荷计算

按水平井抽油杆柱与油管不同接触状态，给出了在造斜井段、稳斜（斜直）井段抽油杆轴向力和抽油杆柱底端载荷的计算公式。对某井造斜井段的实例计算结果表明，抽油杆与油管间挤压力绝对值随轴向力绝对值增加而增加，上冲程时，造斜井段上部的抽油杆与油管间的磨损最严重。     

定向井抽油杆柱横向振动仿真模型及扶正器布点优化

将定向井抽油杆柱在井筒内横向振动的力学模型简化为具有初弯曲的纵横弯曲梁在井筒约束条件下的横向振动模型。在模型中考虑了交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励,并提出了弯曲井筒是轴向运动抽油杆柱横向振动的一项主要激励。综合考虑弯曲井筒对轴向往复运动抽油杆柱横向振动的激励以及交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励,应用弹性碰撞理论描述井筒对抽油杆柱横向振动的约束,并基于弹性体振动理论建立了具有初弯曲的抽油杆柱在井筒约束条件下横向振动仿真的数学模型。基于定向井抽油杆柱横向振动仿真模型,建立了扶正器布点优化的数学模型。采用龙格库塔法实现了定向井抽油杆柱横向振动的仿真计算;通过循环迭代方法实现了扶正器的布点优化。研究结果表明:(1)仿真结果与油田实际情况相符,验证了模型的适用性;(2)杆管偏磨的危险点为井眼的造斜段与杆柱受压段。井眼造斜段杆管接触力较大,杆柱受压段杆管碰撞剧烈;(3)优化扶正器配置后,杆体、接箍不与油管接触,扶正器的最大杆管接触力均在许用接触应力以内,保证了抽油杆柱的工作寿命。     

三维定向井抽油杆柱力学特性有限元分析新方法

结合定向井井眼轨迹的三维空间特征和超细长杆柱在井眼中的双重非线性（接触非线性和几何非线性）特征,同时考虑Rayleigh阻尼及液体摩擦影响,建立了抽油杆柱三维动态有限元方程。利用Newmark法对抽油杆柱运动过程进行时间域离散,采用结点迭代的循环求解方法对三维动态有限元方程进行了数值求解,并用直接约束法对杆/管接触问题进行了处理,得到了抽油杆柱每一结点6个自由度方向的变形和载荷。以实测井底泵功图为边界条件,求出了抽油杆柱与油管的动态接触位置,并获得了地面示功图,将预测结果与实测地面示功图进行了对比。结果表明,结点迭代法可以避免大型矩阵的数值计算问题,与Newmark法相结合,能够较准确地求解出井下抽油杆柱的三维受力及运动状态。     

螺杆泵抽油杆柱的动态受力分析与工艺设计

对螺杆泵抽油杆运动轨迹进行描述，通过受力分析对抽油杆柱进行载荷计算与强度设计，应用抽油杆柱瞬态动力学分析的有限单元法，建立抽油杆柱瞬态动力学分析模型和抽油杆柱的动力学方程，应用设计软件对抽油杆进行优选、强度设计和较核，并对抽油杆柱扶正器安放位置进行优化。     

用于定向井的标准抽油杆

随着定向井的普及和大斜度井的增多，由于井身结构限制，抽油杆柱与油管之间存在接触力（正压力），造成抽油杆和油管之间发生磨损现象，     

三维井眼全井钻柱系统动力学模型研究

依据Hamilton原理,利用有限元法建立了综合考虑钻柱纵向横向扭转耦合振动、钻柱与井壁的碰撞及摩擦、钻井液对钻柱的黏滞阻尼、钻柱内钻井液对运动钻柱的弯曲效应、环空钻井液对运动钻柱的压差效应、地层压差效应、屈曲对摩阻的增益、钻头与岩石相互作用等因素的三维井眼全井钻柱系统动力学模型。研究了具有不确定性和动态边界的大型非线性系统的求解方法,开发了钻柱系统动力学特性仿真软件。该软件可以计算任意钻井参数、钻具组合、钻井液参数及地层参数下任意钻柱单元的动力学特性参数(包括位移、速度、加速度、载荷等)。     

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本文根据接触非线性理论,设计了“多向接触摩擦间隙元”,并编制了相应的计算机程序。运用该程序结果表明:间隙元法能准确、方便地描述出钻柱与井壁的接触状态。能计算出钻头处的变井斜力、变方位力以及钻柱的受力变形。为钻柱受力变形分析提供了一种行之有效的计算方法。     

基于振动力学的抽油杆柱传动效率数值仿真研究

抽油杆柱是抽油机井井下系统的主要组成之一,其传动效率一直被人们所忽视。由于抽油杆柱的细长结构,在传动载荷过程中引起较大的振动而消耗能量。根据振动理论,在考虑抽油杆柱初始几何缺陷条件下,建立抽油杆柱动态失稳的力学模型,采用间隙元理论,建立抽油杆与油管的动态碰撞接触边界,应用数值求解技术对抽油杆柱三维振动进行模拟,获得抽油杆柱的传动效率。将计算结果与试验井测试结果进行对比,两者具有较好的一致性,同时分析了杆柱传动效率与相关参数的关系,定量给出了对杆柱传动的效率影响,为提高井下效率奠定了理论基础。     

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国内对水平井进行分流压裂施工尚属首次，压裂管柱设计及力学分析是压裂施工的关键技术问题之一。水平井压裂管柱在井眼曲率作用下随井身产生初始弯曲，弯曲后的压裂管柱在温度、自重、内外压力和局部集中力的综合作用下再次产生变形，变形后的压裂管柱必将与套管内壁产生接触，这种接触状态随井深和井眼圆周方向随机分布，是一种随机的多向接触摩擦非线性问题。文中将运用“多向接触摩擦间隙元法”对这一问题求解，并结合大庆油田水平井分流压裂管柱工程实例，进行了受力变形计算，给出了不同工作状况下压裂管柱与套管内壁的接触摩擦状态、管柱下端变形、井口载荷以及管柱任一截面处的内力和应力，为压裂管柱的设计和施工提供了可靠的理论依据。经现场试验表明，井口载荷的理论计算值与实测值的相对误差均在１３％以内，完全满足于工程的需要，并在水平井中成功地实施了大型分流压裂作业。     

整体钻柱力学接触有限元分析

考虑钻柱的扭转效应和接触摩擦,用有限元法建立了整体钻受力分析的三维准静力学模型和空间多向接触摩擦间隙元.用修正的牛顿迭代法进行迭代运算和用近似梯度增量法修改载荷增量,并对钻柱与井壁的接触摩擦和钻柱变形进行了分析计算.现场实验证明本文提出的理论和模型用于井眼轨迹跟踪预测结果与钻后实测结果符合很好,可作为定向井钻柱受力分析以及井眼轨迹设计和预测的一种基础理论和实用方法.     

长宁超长水平井钻井摩阻数值模拟分析

CN-H21-5井是四川长宁页岩气区块一口超长水平段水平井,存在高摩阻、高扭矩和钻柱屈曲变形等一系列页岩气水平井典型技术难题急需解决。为了控制钻柱屈曲变形和接触摩阻扭矩,基于Hamilton原理建立全井钻柱动力学模型并采用 ＨＨＴ-α法对模型求解,分析了造斜段造斜率和水平段钻具组合对摩阻扭矩的影响规律。通过数值模拟表明：增加造斜段的造斜率能够降低造斜段的接触摩阻总值,同时也能降低全井段的接触摩阻;小尺寸钻杆传递较大轴向力时会发生严重屈曲变形,导致接触摩阻不降反增;在水平段采用“大 ＋小”的钻具组合,既能减小钻柱发生严重屈曲变形的概率,也能降低水平段接触摩阻。结论认为,减少造斜段长度并提高水平段前半段钻柱尺寸能够有效降低全井的接触摩阻,该结论能为长宁页岩气超长水平井的降摩减阻提供理论支撑。     

三维弯曲井眼钻柱接触非线性问题求解方法

目前研究钻柱与井壁多向接触问题普遍采用罚函数法、间隙元法、形式刚度法和放松约束法等,其计算速度慢,难以满足工程应用要求。通过建立三维弯曲井眼钻柱有限元模型和钻柱与井壁接触碰撞的定解条件,利用元胞自动机的基本理论,提出了一种基于元胞自动机的钻柱多向接触非线性有限元方程的求解方法。该方法具有编程简单、收敛速度快等优点,能够较好地解决钻柱在三维弯曲井眼中与井壁接触碰撞的复杂边界条件问题,适用于三维弯曲井眼钻柱接触非线性问题的求解。     

水平井压裂管柱受力变形分析的间隙元法

考虑压裂管柱的接触摩擦和弯曲效应,用多向接触间隙元(简称间隙元)和空间梁单元对压裂管柱的接触非线性问题进行了求解。该间隙元能正确方便地描述出压裂管柱与井壁(套管内壁)的接触状态、接触反力及相应的摩擦阻力,使压裂管柱计算力学模型简化少、受力变形分析值更准确。算例表明:用于压裂管柱井口负荷计算的结果与实验测试值符合很好,误差均小于10%;为水平井压裂管柱的受力变形分析提供了一种实用方法。