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1、人工举升理论 第第1111讲讲 抽油井偏摩抽油井偏摩 吴晓东偏磨机理偏磨机理偏磨机理偏磨机理研究分析研究分析研究分析研究分析 建立数建立数建立数建立数学模型学模型学模型学模型修正数修正数修正数修正数学模型学模型学模型学模型偏磨偏磨偏磨偏磨诊断诊断诊断诊断措施措施措施措施优化优化优化优化室内试室内试室内试室内试验研究验研究验研究验研究现现 场场现现 场场试试 验验试试 验验优化方优化方优化方优化方案定型案定型案定型案定型 总体研究思路主要汇报内容抽油机井杆管偏磨机理研究抽油机井杆管偏磨机理研究 井眼弯曲的影响井眼弯曲的影响井眼弯曲的影响井眼弯曲的影响 上顶力影响上顶力影响上顶力影响上顶力影响 法
2、向力影响法向力影响法向力影响法向力影响 振动影响振动影响振动影响振动影响偏磨诊断及优化设计软件研究偏磨诊断及优化设计软件研究 摩阻计算摩阻计算摩阻计算摩阻计算 优化措施分布图优化措施分布图优化措施分布图优化措施分布图 加重砣设计加重砣设计加重砣设计加重砣设计 低摩阻泵设计低摩阻泵设计低摩阻泵设计低摩阻泵设计 扶正器间距设计扶正器间距设计扶正器间距设计扶正器间距设计井眼弯曲的影响井眼弯曲的影响井眼弯曲的影响上冲程上冲程上冲程上冲程摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力液柱重力液柱重力惯性力惯性力杆柱重力杆柱重力v拉力拉力下冲程下冲程下冲程下冲程摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力阀阻力阀阻力惯性力惯性力杆柱重力杆柱重力v
3、浮力浮力上顶力的影响摩擦力摩擦力液柱重力液柱重力惯性力惯性力杆柱重力杆柱重力v拉力拉力摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力液柱重力液柱重力惯性力惯性力杆柱重力杆柱重力v拉力拉力阀阻力阀阻力惯性力惯性力v浮力浮力摩擦力摩擦力阀阻力阀阻力惯性力惯性力v浮力浮力摩擦力摩擦力杆柱重力杆柱重力抽油泵柱塞与衬套之间的摩擦力抽油泵柱塞与衬套之间的摩擦力 二级泵上顶力的影响抽油泵柱塞与衬套之间的摩擦力抽油泵柱塞与衬套之间的摩擦力 三级泵上顶力的影响在不同介质中游动凡尔与球座的摩擦阻力计算在不同介质中游动凡尔与球座的摩擦阻力计算上顶力的影响井液与单位长度抽油杆之间的摩擦力井液与单位长度抽油杆之间的摩擦力 式中：式中：井液的
4、粘度井液的粘度 油管内径与抽油杆直径之比油管内径与抽油杆直径之比 抽油杆柱最大下行速度抽油杆柱最大下行速度 上顶力的影响抽抽油油杆杆上顶力上顶力屈曲失稳屈曲失稳正正弦弦屈屈曲曲螺螺旋旋屈屈曲曲超过临界载荷超过临界载荷上顶力影响杆管的正弦屈曲临界载荷杆管的正弦屈曲临界载荷其中：其中：E 为材料杨氏弹性模量，为材料杨氏弹性模量，Pa；I 为截面的惯性矩，为截面的惯性矩，m4；Lcr 为泵端抽油杆柱在临界载荷作用下中位点到为泵端抽油杆柱在临界载荷作用下中位点到泵端的距离，泵端的距离，m；q 为轴向分布力，为轴向分布力，N/m。上顶力影响杆管的正弦屈曲临界载荷杆管的正弦屈曲临界载荷上顶力影响正弦屈曲变
5、形形态正弦屈曲变形形态上顶力影响杆柱发生正弦屈曲时的接触力杆柱发生正弦屈曲时的接触力式中：式中：k为系数，为系数，k=1.1；x2为中位点到泵端的距离，无因次；为中位点到泵端的距离，无因次；xc为临界状态下中位点到泵端的距离，为临界状态下中位点到泵端的距离，xc=3.325；r为抽油杆接箍和油管内壁之间的视半径为抽油杆接箍和油管内壁之间的视半径 上顶力的影响杆管的螺旋屈曲临界载荷杆管的螺旋屈曲临界载荷其中：其中：E 为材料杨氏弹性模量，为材料杨氏弹性模量，Pa；I 为截面的惯性矩，为截面的惯性矩，m4；Lhel 为泵端抽油杆柱在临界载荷作用下中位点到为泵端抽油杆柱在临界载荷作用下中位点到泵端的
6、距离，泵端的距离，m；q 为轴向分布力，为轴向分布力，N/m。上顶力影响杆管的螺旋屈曲临界载荷杆管的螺旋屈曲临界载荷992.326.2537.825705.724.1129.2722477.221.8621.8319301.719.4915.4816螺旋屈曲临界载荷（N）中位点到泵临界长度(m)单位长度重量（N/m）直径（mm）上顶力的影响杆柱发生螺旋屈曲时的接触力杆柱发生螺旋屈曲时的接触力式中：式中：q为接触力，为接触力，N/m；F Fa a为轴向载荷，为轴向载荷，N N；r r为抽油杆接箍和油管内壁之间的距离，为抽油杆接箍和油管内壁之间的距离，m m；E为抽油杆的弹性模量，为抽油杆的弹性模
7、量，Pa；I为抽油杆的截面惯性矩，为抽油杆的截面惯性矩，m4。上顶力的影响轴线螺旋屈曲示意图轴线螺旋屈曲示意图 上顶力的影响螺距由下式计算：螺距由下式计算：轴向力越大时，螺距越小。轴向力越大时，螺距越小。在泵端杆柱受轴向压力最大，从泵端到中位在泵端杆柱受轴向压力最大，从泵端到中位点逐渐减小，所以在出现螺旋屈曲的情况下，点逐渐减小，所以在出现螺旋屈曲的情况下，下部螺旋较密，向上螺距逐渐增大。下部螺旋较密，向上螺距逐渐增大。上顶力的影响2525mmmm杆柱螺距随轴向力变化曲线杆柱螺距随轴向力变化曲线上顶力的影响油管抽油杆牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体上顶力的影响法向力的计算模型法向力的计算模
8、型 由于聚合物可看成是一种幂律流体，所由于聚合物可看成是一种幂律流体，所以应用紊流状态下，幂律流体管壁处剪切以应用紊流状态下，幂律流体管壁处剪切速率模型及上随体速率模型及上随体maxwell流体模型计算可流体模型计算可得出液体法向力与抽油杆偏心距之间的关得出液体法向力与抽油杆偏心距之间的关系。系。法向力的影响紊流状态下管壁处剪切速率模型紊流状态下管壁处剪切速率模型：剪切速率，剪切速率，；流体相对于抽油杆的速度，流体相对于抽油杆的速度，；流性指数，无因次；流性指数，无因次；当量直径，当量直径，；其中：其中：法向力的影响第一法向应力差第一法向应力差 计算模型计算模型：其中：其中：第一法向应力差，第
9、一法向应力差，；松弛时间，松弛时间，；剪切速率，剪切速率，；零剪切速率特性粘度，零剪切速率特性粘度，法向力的影响零剪切速率特性粘度是聚合物增稠能力的一种度零剪切速率特性粘度是聚合物增稠能力的一种度量，是聚合物浓度趋于零时在零剪切速率下聚合量，是聚合物浓度趋于零时在零剪切速率下聚合物溶液的比浓粘度；当温度一定时，只与聚合物物溶液的比浓粘度；当温度一定时，只与聚合物本身结构和性质有关。本身结构和性质有关。零剪切速率特性粘度：零剪切速率特性粘度：松弛时间的计算松弛时间的计算：松弛时间，松弛时间，；Weissenberg数，数，；有效长度，有效长度，；流体平均流速，流体平均流速，。法向力的影响 抽油杆
10、管截面示意图抽油杆管截面示意图如图所示，如图所示，由于偏心距由于偏心距的存在，抽的存在，抽油杆壁与油油杆壁与油管内壁之间管内壁之间的距离（环的距离（环空厚度）是空厚度）是一个处处变一个处处变化的量化的量 法向力的影响如如图图2-2所所示示，在在ABC中中，偏偏心心距距e，抽抽油油杆杆半半径径r,油油管管内内径径R已已知知，利利用用余余弦弦定定理得：理得：r2=e2+(R-)-2e(R-)cos(+90)法向力的影响求解该方程得环空厚度为：求解该方程得环空厚度为：于是，法向力可由下式积分计算得到：于是，法向力可由下式积分计算得到：法向力的影响法向力由下式计算：法向力由下式计算：松弛时间松弛时间
11、零剪切速率特性粘度零剪切速率特性粘度 抽油杆半径抽油杆半径 油管内半径油管内半径 相对流速相对流速 流性指数，无因次流性指数，无因次 偏心距偏心距法向力的影响法向力与偏心距关系曲线法向力与偏心距关系曲线法向力的影响不同浓度下法向力随流速的变化曲线不同浓度下法向力随流速的变化曲线法向力的影响与采研实测法向力的对比分析与采研实测法向力的对比分析 法向力的影响与采研实测法向力的对比分析与采研实测法向力的对比分析 n=3次次/分理论法向力与实验法向力对比表分理论法向力与实验法向力对比表测点深测点深度度L（m）偏心距偏心距e（mm）实验法向实验法向力力（N/m）计算法向计算法向力力（N/m）误误 差差（
12、%）7260.0860.07893135130.2490.2442153170.5280.4917法向力的影响与采研实测法向力的对比分析与采研实测法向力的对比分析 n=4.5次次/分理论法向力与实验法向力对比表分理论法向力与实验法向力对比表 测点深测点深度度L（m）偏心距偏心距e（mm）实验法向实验法向力力（N/m）计算法计算法向力向力（N/m）误误 差差（%）7250.0720.0731413590.160.1565153160.4840.46442法向力的影响与采研实测法向力的对比分析与采研实测法向力的对比分析 n=9次次/分理论法向力与实验法向力对比表分理论法向力与实验法向力对比表 法向
13、力的影响与采油一厂实测结果对比分析与采油一厂实测结果对比分析法向力的影响法向力对比分析结果法向力随偏心距的增大而增大，随流速的增大而增大，随聚合物浓度的增大而增大；在数值上，理论法向力与实测法向力也基本一致，偏差在10%以内。法向力的影响实测振动载荷实测振动载荷 振动随着井深的减小振动随着井深的减小振动随着井深的减小振动随着井深的减小而增大而增大而增大而增大 振动的影响C 阻尼系数；单位长度抽油杆的质量，A抽油杆柱的横截面积；N抽油杆柱内的轴向力振动的影响抽油杆柱得振动位移响应抽油杆柱得振动位移响应：振动的影响抽油杆柱的振动载荷由上式对抽油杆柱的振动载荷由上式对x求偏导数求得：求偏导数求得：振
14、动的影响理论计算振动载荷理论计算振动载荷 振动的影响轴向拉力及横向振动力下的挠度沿井深分布轴向拉力及横向振动力下的挠度沿井深分布 振动的影响横向振动力作用下挠度变化曲线振动的影响振动载荷对比分析结果振动载荷随井深的增加而减小，即在振动载荷随井深的增加而减小，即在井口振动载荷最大，向下逐渐减小。井口振动载荷最大，向下逐渐减小。振动的影响 由以上分析可知，由以上分析可知，法向力随偏心距增大而增大，振动力随井深的增大而减小。在上部，横向振动载荷最大，但由于在上部，横向振动载荷最大，但由于轴向拉力也最大，所以产生的横向挠度并轴向拉力也最大，所以产生的横向挠度并不大（这个横向挠度即可作为引起法向力不大（
15、这个横向挠度即可作为引起法向力的偏心距），因此上部法向力不大，即的偏心距），因此上部法向力不大，即在上部，在影响偏磨的，在影响偏磨的横向载荷中，中，振动力起主要作用。而。而在下部正好相反，正好相反，法向力起主要作用。振动的影响优化措施分布图上冲程上冲程上冲程上冲程摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力液柱重力液柱重力惯性力惯性力杆柱重力杆柱重力v拉力拉力下冲程下冲程下冲程下冲程摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力阀阻力阀阻力惯性力惯性力杆柱重力杆柱重力v浮力浮力抽油杆柱的中和点位置确定抽油杆柱的中和点位置确定 加重砣长度的计算加重砣长度的计算 加重砣设计由泵功图推断其他原因产生的摩阻杆柱弯曲曲线的计算 在轴向拉力条件下
16、抽油杆扶正器安放间距计算在轴向拉力条件下抽油杆扶正器安放间距计算 在轴向压力条件下抽油杆扶正器安放间距计算在轴向压力条件下抽油杆扶正器安放间距计算 扶正器安放间距的计算Lc2Lc2/2Lc3Lc3/2Lc4Lc4/2S2=(Lc2+Lc3)/2S3=(Lc3+Lc4)/2Lc1Lc1/2S1=(Lc1+Lc2)/2Fa1Fa2Fa3Fa4F5FN1FN2FN3FN4FN5扶正器安放间距的计算 扶正器安放间距的计算 聚驱井中使用常规泵存在的问题聚驱井中使用常规泵存在的问题 聚合物流体的粘弹性聚合物流体的粘弹性 聚驱井中常规泵漏失量的计算聚驱井中常规泵漏失量的计算 低摩阻泵漏失量的计算低摩阻泵漏失
17、量的计算 低摩阻泵柱塞与泵筒摩擦力的计算低摩阻泵柱塞与泵筒摩擦力的计算 低摩阻泵的设计的计算聚驱井中使用常规泵存在的问题聚驱井中使用常规泵存在的问题 聚合物浓度增加聚合物浓度增加聚合物浓度增加聚合物浓度增加柱塞泵筒间摩擦增大柱塞泵筒间摩擦增大柱塞泵筒间摩擦增大柱塞泵筒间摩擦增大上顶力增大上顶力增大上顶力增大上顶力增大杆柱偏磨杆柱偏磨杆柱偏磨杆柱偏磨加大泵的间隙加大泵的间隙加大泵的间隙加大泵的间隙摩擦力减小摩擦力减小摩擦力减小摩擦力减小漏失量增加漏失量增加漏失量增加漏失量增加泵效降低泵效降低泵效降低泵效降低应用低摩阻泵应用低摩阻泵应用低摩阻泵应用低摩阻泵 与同样间隙大小的与同样间隙大小的与同样间
18、隙大小的与同样间隙大小的泵相比减小了漏失泵相比减小了漏失泵相比减小了漏失泵相比减小了漏失量。提高了泵效。量。提高了泵效。量。提高了泵效。量。提高了泵效。与同样漏失量的泵与同样漏失量的泵与同样漏失量的泵与同样漏失量的泵相比减小了柱塞与相比减小了柱塞与相比减小了柱塞与相比减小了柱塞与摩擦力。摩擦力。摩擦力。摩擦力。低摩阻泵的设计的计算 聚合物流体的粘弹性聚合物流体的粘弹性 低摩阻泵的设计的计算 聚驱井中常规泵漏失量的计算聚驱井中常规泵漏失量的计算 假设液体为不可压缩的，液体在缝隙中流动的水力假设液体为不可压缩的，液体在缝隙中流动的水力半径很小，呈层流流动，柱塞在每一位置的瞬间，流动半径很小，呈层流
19、流动，柱塞在每一位置的瞬间，流动做定常流处理，建立了泵筒与柱塞同心和偏心两种情况做定常流处理，建立了泵筒与柱塞同心和偏心两种情况下运动方程和边界条件，引入无量纲坐标、无量纲速度下运动方程和边界条件，引入无量纲坐标、无量纲速度和柱塞与泵筒偏心配合时的缝隙高度，并给出缝隙流流和柱塞与泵筒偏心配合时的缝隙高度，并给出缝隙流流速、流量的解析解。速、流量的解析解。低摩阻泵的设计的计算 低摩阻泵漏失量的计算低摩阻泵漏失量的计算 D泵径 偏心度 泵间隙 泵两端压差 有效粘度 柱塞长度 柱塞运行速度低摩阻泵的设计的计算 低摩阻泵柱塞与泵筒摩擦力的计算低摩阻泵柱塞与泵筒摩擦力的计算 低摩阻泵的设计的计算油井油井油井油井数据数据数据数据测试测试测试测试资料资料资料资料 受受受受力力力力分分分分析析析析上托力上托力上托力上托力法向力法向力法向力法向力振动振动振动振动加重锤加重锤加重锤加重锤低摩阻泵低摩阻泵低摩阻泵低摩阻泵扶正器扶正器扶正器扶正器偏磨分析偏磨分析优化设计优化设计预防预防预防预防偏磨偏磨偏磨偏磨综合综合综合综合配套配套配套配套技术技术技术技术 防防防防偏偏偏偏磨磨磨磨措措措措施施施施优优优优化化化化图图图图软件的主要功能下堂课再见 谢谢!