人工举升理论第11讲抽油井偏磨.ppt

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1、人工举升理论,第11讲 抽油井偏摩,吴晓东,偏磨机理研究分析,建立数学模型,修正数学模型,偏磨诊断,措施优化,室内试验研究,现场试验,优化方案定型,总体研究思路,主要汇报内容,抽油机井杆管偏磨机理研究井眼弯曲的影响上顶力影响法向力影响振动影响,偏磨诊断及优化设计软件研究摩阻计算优化措施分布图加重砣设计低摩阻泵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,摩擦力,摩擦力,液柱重力,惯性力,杆柱重力,v,拉力,下冲程,摩擦力,摩擦力,阀阻力,惯性力,杆柱重力,v,浮力,上顶力的影响,摩擦力,液柱重力,惯性力,杆柱重力,v,拉力,摩擦力,摩擦力,液柱重力,惯性力,杆柱重

2、力,v,拉力,阀阻力,惯性力,v,浮力,摩擦力,阀阻力,惯性力,v,浮力,摩擦力,杆柱重力,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,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,上顶力的影响,井液与单位长度抽油杆之间的摩擦力,式中：井液的粘度 油管内径与抽油杆直径之比 抽油杆柱最大下行速度,上顶力的影响,抽油杆,上顶力,屈曲失稳,正弦屈曲,螺旋屈曲,超过临界载荷,上顶力影响,杆管的正弦屈曲临界载荷,其中：E 为材料杨氏弹性模量，Pa；I 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泵端的距离，m；q 为轴向分布

3、力，N/m。,上顶力影响,杆管的正弦屈曲临界载荷,上顶力影响,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,式中：k为系数，k=1.1；x2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，xc=3.325；r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,其中：E 为材料杨氏弹性模量，Pa；I 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泵端的距离，m；q 为轴向分布力，N/m。,上顶力影响,杆管的螺旋屈曲临界载荷,992.3,26.25,37.8,25,705.7,24.11,29.27,22,477.2,21

4、.86,21.83,19,301.7,19.49,15.48,16,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,式中：q为接触力，N/m；Fa为轴向载荷，N；r为抽油杆接箍和油管内壁之间的距离，m；E为抽油杆的弹性模量，Pa；I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,上顶力的影响,螺距由下式计算：,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。,上顶力的影响,25mm杆柱螺距随轴向力变化曲线,上顶

5、力的影响,油管,抽油杆,牛顿流体,非牛顿流体,上顶力的影响,法向力的计算模型 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速率模型及上随体maxwell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系。,法向力的影响,紊流状态下管壁处剪切速率模型：,剪切速率，；流体相对于抽油杆的速度，；流性指数，无因次；当量直径，；,其中：,法向力的影响,第一法向应力差 计算模型：,其中：,第一法向应力差，；松弛时间，；剪切速率，；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

6、，只与聚合物本身结构和性质有关。,零剪切速率特性粘度：,松弛时间的计算：,松弛时间，；Weissenberg数，；有效长度，；流体平均流速，。,法向力的影响,抽油杆管截面示意图,如图所示，由于偏心距的存在，抽油杆壁与油管内壁之间的距离（环空厚度）是一个处处变化的量,法向力的影响,如图2-2所示，在ABC中，偏心距e，抽油杆半径r,油管内径R已知，利用余弦定理得：,r2=e2+(R-)-2e(R-)cos(+90),法向力的影响,求解该方程得环空厚度为：,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：,松弛时间 零剪切速率特性粘度 抽油杆半径 油管内半径 相对流速 流性指数

7、，无因次 偏心距,法向力的影响,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,法向力的影响,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,n=3次/分理论法向力与实验法向力对比表,法向力的影响,与采研实测法向力的对比分析,n=4.5次/分理论法向力与实验法向力对比表,法向力的影响,与采研实测法向力的对比分析,n=9次/分理论法向力与实验法向力对比表,法向力的影响,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

8、在10%以内。,法向力的影响,实测振动载荷,振动随着井深的减小而增大,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：,振动的影响,抽油杆柱的振动载荷由上式对x求偏导数求得：,振动的影响,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,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，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，但由于轴向拉力

9、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的偏心距），因此上部法向力不大，即在上部，在影响偏磨的横向载荷中，振动力起主要作用。而在下部正好相反，法向力起主要作用。,振动的影响,优化措施分布图,上冲程,摩擦力,摩擦力,液柱重力,惯性力,杆柱重力,v,拉力,下冲程,摩擦力,摩擦力,阀阻力,惯性力,杆柱重力,v,浮力,抽油杆柱的中和点位置确定 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,扶正器安放间距的计算,扶正器安放间距的计算,聚驱井

10、中使用常规泵存在的问题 聚合物流体的粘弹性 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,与同样间隙大小的泵相比减小了漏失量。提高了泵效。,与同样漏失量的泵相比减小了柱塞与摩擦力。,低摩阻泵的设计的计算,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,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。,低摩阻泵的设计的计算,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,低摩阻泵的设计的计算,油井数据测试资料,受力分析,上托力,法向力,振动,加重锤,低摩阻泵,扶正器,偏磨分析,优化设计,预防偏磨综合配套技术,防偏磨措施优化图,软件的主要功能,下堂课再见 谢谢!,