用有限元法预测抽油杆柱与油管柱偏磨点位置

针对细长抽油杆上下往复运动时沿井深与井眼圆周方向产生摩擦接触的问题,根据振动理论,建立了抽油杆柱非线性动力学模型。根据非线性理论和有限元理论,采用接触单元,描述了抽油杆与油管的接触状态,并与空间梁单元结合,在考虑实际边界条件下提出了抽油杆柱参数的计算方法。对大庆油田10-6551井进行了模拟,通过计算,定量地描述了抽油杆与油管接触力的变化。根据接触力的分布状态,计算了扶正器的安装位置。用这种方法使接触力平均降低50.6N,减缓了抽油杆柱的偏磨。该方法已在大庆部分采油厂得到推广和应用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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     

直井抽油杆柱扶正器安装间距设计计算

为使直井抽油杆扶正器分布更加合理，首先进行了抽油杆柱受力分析，在抽油杆柱受力分析时综合考虑了直井抽油杆柱与液体之间的摩擦力、井液对抽油杆柱的浮力和油管内液柱作用在柱塞上下面的液体压力差，接着在抽油杆柱受力分析的基础上运用能量法推导出了相邻扶正器间距的计算公式，并利用Matlab和VB语言编制了计算软件，最后进行了实例计算分析。计算分析结果表明：抽油杆柱与液体之间的摩擦力和井液对抽油杆柱浮力这两者对扶正器的间距布置影响不大，实际应用中为简化计算可以忽略不计；但油管内液柱作用在柱塞上下面的液体压力差，对扶正器间距影响远远大于前两者，必须加以考虑。     

抽油杆柱振动对偏磨的影响

1.杆柱受力计算分析 抽油杆柱在运动过程中存在三方面振动：纵向振动、横向振动和扭转振动.通过计算可得到抽油杆柱在运动过程中任意时刻和任意位置的轴向力和屈曲状态,它综合反映了抽油杆柱的纵向振动、横向振动与扭转振动的耦合情况.通过抽油杆柱的轴向力可直观反映抽油杆柱在运动过程中纵向振动规律;通过抽油杆柱与油管柱的接触情况可直观反映抽油杆柱的横向振动规律.以地面示功图为基础对大庆油田X121-5现场油井进行分析计算,并与杆柱轴向力测试仪测试的抽油杆柱轴向力变化情况进行对比,经计算轴向力载荷与测试载荷比较发现：①计算误差不超过10%,计算结果可信;②抽油杆柱在上下冲程中都存在振动,振动在3～8次左右;③抽油杆柱底部与上部的振动规律相同,振动载荷幅值底端小,上端大;④上冲程振动幅值为5kN左右,下冲程振动幅值为10kN左右.     

抽油杆柱与油管偏磨机理及偏磨点位置预测

结合油田生产实际,对抽油杆柱与油管系统的磨损介质类型和磨损机理进行了分析,建立了抽油杆三维力学综合分析模型,利用VisualBasic6.0语言和Matlab6.0语言开发了相应的仿真分析软件系统,并进行了三维井眼轨迹对抽油杆柱受力变形的影响研究。利用该软件系统,可以确定抽油杆柱与油管严重偏磨点的位置。使用新型抗摩擦接箍,可使定向井抽油杆柱偏磨的程度大幅度下降,从而节省修井时间并提高油井寿命。     

小井眼钻柱瞬态动力学研究及应用

考虑小井眼细长钻柱沿井深和井眼圆周方向的随机接触碰撞,建立了钻柱瞬态动力学模型。运用动力间隙元不仅能合理描述钻柱与井壁的接触碰撞过程,还能考虑井壁变形和泥饼的能量吸收,并用Newmark法求解钻柱动力学平衡方程。通过钻井全尺寸模型装置上的钻柱动力学试验,对理论计算结果进行了验证,也为钻头干扰力确定提供了依据。经大庆油田14口小井眼井应用表明,由钻柱动力学分析所设计的钻柱结构没有发生井下断钻具事故,防斜性能也比较好,机械钻速得到明显提高。     

定向井有杆抽油系统扶正器可视化设置及仿真

合理设置定向井抽油杆柱的扶正器,可有效降低杆柱摩擦,延长检泵周期,提高系统效率和抽油杆寿命。首先解决了测井录入方位角不连续问题,采用三次样条插值对连续化后的井眼数据进行计算机模拟,生成定向井抽油杆柱空间轴线;开发了可视的扶正器设置和系统仿真软件,通过文件读取或键盘与鼠标输入(均匀分布输入、井深数据输入以及鼠标点击输入)等方法设置各类扶正器;采用摩擦力等效原则,运用等效摩擦系数计入扶正器对组合抽油杆柱的影响;经过对等效有杆抽油杆柱系统动态仿真,得到抽油杆柱摩擦力分布和摩擦耗能等特性参数,运用这些数据可以对扶正器设置进行评价并进一步改进设置方案,实现定向井有杆抽油系统扶正器可视化优化设置。     

基于转子动力学方法研究螺杆泵抽油杆柱扶正器的布置

随着螺杆泵采油技术的应用,抽油杆柱的偏磨现象日趋严重。分析了螺杆泵抽油杆柱的受力,建立了抽油杆柱的转子动力学模型,采用轴承单元和空间梁单元进行仿真。结合La10-2435井的井身结构和ANSYS分析结果给出了较合理的扶正器布置方案。计算结果表明,该方法能够预测出抽油杆柱由于横向位移过大引起的偏磨位置。     

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。     

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。     

油气井管柱冲击动力问题研究概况和发展趋势

钻采作业中经常遇到管柱冲击动力问题。具体工况包括：①射孔和爆炸松扣解卡时,炸药爆炸引发的管柱冲击振动;②用震击器解卡时,突然泄流和震击力引发的管柱冲击振动;③钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆柱断脱或刹车不灵或操作失误,导致管柱沿井筒向下滑落冲击井底或泵阀,以及管柱下放时突然遇阻的情况。对文献的相关研究进展进行了评述,并介绍了油气井管柱力学三原理、油气井管柱动力学基本方程、油气井管柱的屈曲和拉力扭矩分析、钻柱动力学、直杆和薄壁管在轴向冲击作用下的应力和变形、以及有限元力学仿真的研究进展;最后,对管柱冲击动力研究的力学模型、数学模型、求解方法和预期结果等提出了建议。     

玻璃钢杆与钢杆混合抽油杆柱动态模型的解析法研究

在一维波动方程的基础上，建立了玻璃钢杆与钢杆混合抽油杆柱的动力学模型。这种模型考虑了两种杆柱材料性质差别、钢接箍集中质量和液体粘滞阻力对玻璃钢杆柱的动力学影响，以及抽油泵边界条件中带有未知状态转换时间参数。针对这种含待定参数的定解条件，建立了求解数学模型的解析方法。实际计算表明，理论计算值和实测结果基本吻合。