《人工舉升理論》PPT課件.ppt

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1、,有桿泵采油典型特點(diǎn)：,地面能量通過(guò)抽油桿、抽油泵傳遞給井下流體。,(1) 常規(guī)有桿泵采油：抽油機(jī)懸點(diǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通 過(guò)抽油桿傳遞給井下柱塞泵。,(2) 地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油：井口驅(qū)動(dòng)頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)通過(guò)抽油桿傳遞給井下螺桿泵。,有桿泵采油分類(lèi)：,常規(guī)有桿泵采油是目前我國(guó)最廣泛應(yīng)用的采油方 式，大約有60%以上的油井采油采用該舉升方式。,抽油機(jī)井設(shè)備與工作原理 一、抽油裝置 抽油機(jī),抽油桿 抽油泵 其它附件,設(shè) 備 組 成,(一)抽油機(jī),有桿深井泵采油的主要地面設(shè)備，它將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，包括,游梁式抽油機(jī)和無(wú)游梁式抽油機(jī)兩種。,游梁式抽油機(jī)組成,游梁-連桿-曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝置,工

2、作時(shí)，動(dòng)力機(jī)將高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)皮帶和減速箱傳給曲柄,軸，帶動(dòng)曲柄作低速旋轉(zhuǎn)。曲柄通過(guò)連桿經(jīng)橫梁帶動(dòng)游梁作上下擺 動(dòng)。掛在驢頭上的懸繩器便帶動(dòng)抽油桿柱作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。,工作原理,游梁式抽油機(jī)分類(lèi),后置式和前置式,運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同后置式,上、下沖程的時(shí)間基本相,等；前置式上沖程較下沖,程慢。,圖3-2 后置式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,圖3-3,前置式氣動(dòng)平衡抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,不同點(diǎn)： 游梁和連桿的連接位置不同。 平衡方式不同后置式多采 用機(jī)械平衡；前置式多采用氣 動(dòng)平衡。,新型抽油機(jī)：為了節(jié)能和加大沖程。 異相型游梁式抽油機(jī),節(jié)能 加大沖程,異形游梁式抽油機(jī) 雙驢頭游梁式抽油機(jī) 鏈條式抽油機(jī) 皮帶傳動(dòng)抽油機(jī) 液壓抽油

3、機(jī) 塔架式摩擦換向抽油機(jī),雙驢頭抽油機(jī)（平衡性好，節(jié)能）,調(diào)徑變矩游梁抽油機(jī),擺桿抽油機(jī)（勝利油田已用幾十臺(tái)）,皮帶式抽油機(jī),塔架式摩擦換向抽油機(jī),電動(dòng)機(jī)采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 用變頻調(diào)速控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 減速器采用擺線(xiàn)針輪減速器 電機(jī)、減速器、摩擦輪用聯(lián)軸器連接 摩擦輪上繞鋼絲繩 鋼絲繩一端連光桿,另一端連平衡配重 電動(dòng)機(jī)由程序控制正反轉(zhuǎn) 摩擦輪與鋼絲繩通過(guò)表面摩擦力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與 能量的傳遞,從而實(shí)現(xiàn)懸點(diǎn)上下往復(fù)直線(xiàn)運(yùn),動(dòng)。,(2)抽油泵：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體壓能的設(shè)備,工作筒(外筒和襯套)、柱塞及游動(dòng)閥(排出閥)和固定閥(吸入閥),一般要求,按照抽油泵在油管中的固定方式可分為：管式泵和桿式泵,主要組成,分

4、類(lèi),a.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，質(zhì)量好，連接部分密封可靠； b.制造材料耐磨和抗腐蝕性好，使用壽命長(zhǎng)； c.規(guī)格類(lèi)型能滿(mǎn)足油井排液量的需要，適應(yīng)性強(qiáng)； d.便于起下；,e.結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮防砂、防氣，并帶有必要的輔助設(shè)備。,A-管式泵,B-桿式泵,管式泵：外筒和襯套在地面組裝好接在油管下 部先下入井內(nèi)，然后投入固定閥，最后再把柱塞 接在抽油桿柱下端下入泵內(nèi)。 桿式泵：整個(gè)泵在地面組裝好后接在抽油桿柱的 下端整體通過(guò)油管下入井內(nèi)，由預(yù)先裝在油管預(yù)定 深度(下泵深度)上的卡簧固定在油管上，檢泵時(shí)不 需要起油管。,管式泵特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，排量大。但檢泵時(shí)必須起出油管， 修井工作量大，故適用于下泵深度不很

5、大，產(chǎn)量較高的油井。 桿式泵特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，排量小，修井工作量小。桿式 泵適用于下泵深度大、產(chǎn)量較小的油井。,(3)抽油桿：能量傳遞工具。,1-外螺紋接頭； 2-卸荷槽；,3-推承面臺(tái)肩； 4-扳手方徑； 5-凸緣；,6-圓弧過(guò)渡區(qū),二、泵的工作原理,(一)泵的抽汲過(guò)程,管內(nèi)液柱壓力和自重作用而關(guān)閉。,泵吸入的條件：,泵內(nèi)壓力(吸入壓力)低于沉沒(méi)壓力。,1)上沖程 抽油桿柱帶著柱塞向上運(yùn)動(dòng)，柱塞上的游動(dòng)閥受,泵內(nèi)壓力降低，固定閥在環(huán)形空間液柱壓力(沉沒(méi),壓力)與泵內(nèi)壓力之差的作用下被打開(kāi)。,泵內(nèi)吸入液體、井口排出液體。,泵排出的條件：,泵內(nèi)壓力(排出壓力)高于柱塞以上的液柱壓力。

6、柱塞上下抽汲一次為一個(gè)沖程，在一個(gè)沖程內(nèi)完成 進(jìn)油與排油的過(guò)程。 光桿沖程：光桿從上死點(diǎn)到下死點(diǎn)的距離。,2)下沖程 柱塞下行，固定閥在重力作用下關(guān)閉。 泵內(nèi)壓力增加，當(dāng)泵內(nèi)壓力大于柱塞以上液柱壓力,時(shí)，游動(dòng)閥被頂開(kāi)。,柱塞下部的液體通過(guò)游動(dòng)閥進(jìn)入柱塞上部，使泵排,出液體。,（二)泵的理論排量 泵的工作過(guò)程是由三個(gè)基本環(huán)節(jié)所組成，即柱塞在泵內(nèi)讓出 容積，井內(nèi)液體進(jìn)泵和從泵內(nèi)排出井內(nèi)液體。 在理想情況下，活塞上、下一次進(jìn)入和排出的液體體積都等 于柱塞讓出的體積： V = f p S,Vm = f p SN,每分鐘的排量為：,Qt = 1440 f p SN = k p SN,每日排量:,主要內(nèi)容

7、,5常規(guī)有桿泵采油,（1）抽油機(jī)井設(shè)備與工作原理 （2）抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)行為預(yù)測(cè),（3）抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與故障診斷 （4）抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)效率分析,S B = r (1 cos ) = r (1 cos t ),抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)行為預(yù)測(cè) 一、抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 (一)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 假設(shè)條件：r/l0、r/b0 游梁和連桿的連接點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)可看做簡(jiǎn) 諧運(yùn)動(dòng)，即認(rèn)為B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和D點(diǎn)做圓運(yùn) 動(dòng)時(shí)在垂直中心線(xiàn)上的投影(C點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)規(guī) 律相同。,則B點(diǎn)經(jīng)過(guò)t時(shí)間(曲柄轉(zhuǎn)角)時(shí)位移為：,圖3-7 抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,a b,a b,S A =,S B =,r (1 cos t

8、),以下死點(diǎn)為坐標(biāo)零點(diǎn)，向上為坐 標(biāo)正方向，則懸點(diǎn)A的位移為：,A點(diǎn)的速度為:,圖3-7 抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,dS A a dt b A點(diǎn)的加速度為: dVA a 2 dt b 圖3-8 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)懸點(diǎn)位移、 速度、加速度曲線(xiàn),WA = = r (cos + cos 2 ),(二)簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 假設(shè)條件：0r/l1/4 把B點(diǎn)繞游梁支點(diǎn)的弧線(xiàn)運(yùn)動(dòng)近似地看做直線(xiàn) 運(yùn)動(dòng)，則可把抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)。,A點(diǎn)加速度:,dVA 2 dt,A點(diǎn)位移：,a b,sin 2 ), 2,S A = r (1 cos +,A點(diǎn)速度:,a b,dS A dt,sin 2 ), 2,V

9、A =,= r (sin +,a b 圖3-9,曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,圖3-11 懸點(diǎn)加速度變化曲線(xiàn) 1-按簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)計(jì)算； 2-精確計(jì)算； 3-按曲柄滑塊機(jī)構(gòu)計(jì)算 圖3-10 懸點(diǎn)速度變化曲線(xiàn) 1-按簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)計(jì)算； 2-精確計(jì)算； 3-按曲柄滑塊機(jī)構(gòu)計(jì)算,.,游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的精確解,參考文獻(xiàn)：游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的精確解,假定曲柄由12點(diǎn)鐘位置開(kāi)始沿順時(shí)針?lè)?向做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。在OBD 中, 根據(jù),余弦定理,式中為任意時(shí)刻游梁擺角, 即游梁后,臂與Y 方向的夾角;為任意時(shí)刻J 和-,Y 方向的夾角;為曲柄轉(zhuǎn)角, 它等于角,速度與時(shí)間t 的乘積。由式（1）得：,式(4) 即為游梁擺動(dòng)方程。J

10、和都,只為的函數(shù), 因此也只為的函,數(shù)。,設(shè)下死點(diǎn)時(shí)角為。，位移為0。,懸點(diǎn)的位移：X=a(- 。),二、抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算,1.靜載荷,(一)懸點(diǎn)所承受的載荷,包括：抽油桿柱自重載荷；作用在柱塞上的液柱載荷；沉沒(méi)壓力對(duì)懸 點(diǎn)載荷的影響；井口回壓對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響。,抽油桿柱載荷,r,q = qr ( s l ) / s = qr b,b = ( s l ) / s,r,上沖程： Wr = f r s gL = qr gL （即桿柱在空氣中的重力） 下沖程： Wr = f r L( s l ) g = q Lg （即桿柱在液體中的重力）,Wl = ( f p f r ) Ll g,作用在柱塞上的

11、液柱載荷,上沖程 游動(dòng)閥關(guān)閉，作用在柱塞上的液柱載荷為：,下沖程 游動(dòng)閥打開(kāi)，液柱載荷作用于油管，而不作用于懸點(diǎn)。,沉沒(méi)壓力(泵口壓力)對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響,上沖程 在沉沒(méi)壓力作用下，井內(nèi)液體克服泵入口設(shè)備的阻力進(jìn)入泵內(nèi)， 此時(shí)液流所具有的壓力即吸入壓力。吸入壓力作用在柱塞底部產(chǎn)生向上 的載荷:,下沖程 吸入閥關(guān)閉，沉沒(méi)壓力對(duì)懸點(diǎn)載荷沒(méi)有影響。,Wi = pi f p = ( pn pi ) f p,井口回壓對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響 液流在地面管線(xiàn)中的流動(dòng)阻力所造成的井口回壓對(duì)懸點(diǎn)將產(chǎn)生附加的載荷。,Phu = ph ( f p f r ) Phd = ph f r,上沖程：增加懸點(diǎn)載荷: 下沖程：減小抽

12、油桿柱載荷:,2.動(dòng)載荷(慣性載荷、振動(dòng)載荷) 慣性載荷(忽略桿液彈性影響) 抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驢頭帶著抽油桿柱和液柱做變速運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生抽 油桿柱和液柱的慣性力。,Wr g,a A,I r =,抽油桿柱的慣性力：,Wl g,a A,I l =,液柱的慣性力：,f p fr ftf fr, =,為油管過(guò)流斷面變化引 起液柱加速度變化的系數(shù),上沖程:前半沖程加速度為正，即加速度向上，則慣性力向下，從而增,加懸點(diǎn)載荷；后半沖程中加速度為負(fù)，即加速度向下，則慣性力向,上，從而減小懸點(diǎn)載荷。,懸點(diǎn)加速度在上、下沖程中大小和方向是變化的。,下沖程:與上沖程相反，前半沖程慣性力向上，減小懸點(diǎn)載荷；后半沖程,慣

13、性力向下，將增大懸點(diǎn)載荷。, (1 + ) =,Wr S N ,r ,1 + , (1 ) = Wr,SN r, (1 + ) = Wl,1 + ,抽油桿柱引起的懸點(diǎn)最大慣性載荷,I ru =,SN 2 r 1790 l ,2 1 + = Wr g 2 30 l ,Wr S 2 r g 2 l,上沖程：,SN 2 1432,I ru = Wr,取r/l=1/4時(shí)，,2,2 r l,(1 ) 1790 l, Wr S g 2,I rd =,下沖程：,液柱引起的懸點(diǎn)最大慣性載荷,I lu =,SN 2 r 1790 l ,Wl S 2 r g 2 l,上沖程：,下沖程中液柱不隨懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有液柱慣

14、性載荷 懸點(diǎn)最大慣性載荷,I u = I ru + I lu I d = I rd,上沖程： 下沖程：,振動(dòng)載荷,抽油桿柱本身為一彈性體，由于抽油桿柱作變速運(yùn)動(dòng)和液柱載荷周期性 地作用于抽油桿柱，從而引起抽油桿柱的彈性振動(dòng)，它所產(chǎn)生的振動(dòng)載荷亦 作用于懸點(diǎn)上。其數(shù)值與抽油桿柱的長(zhǎng)度、載荷變化周期及抽油機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。 (在考慮抽油桿柱彈性時(shí)最大載荷計(jì)算時(shí)介紹),3. 摩擦載荷,(1)抽油桿柱與油管的摩擦力 (2)柱塞與襯套之間的摩擦力 (3)液柱與抽油桿柱之間的摩擦力 (4)液柱與油管之間的摩擦力 (5)液體通過(guò)游動(dòng)閥的摩擦力,（桿管） （柱塞與襯套） （桿液） （管液） （閥阻力）,上沖程主要受

15、(1)、(2)、(4)影響，增加懸點(diǎn)載荷 下沖程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影響，減小懸點(diǎn)載荷,(m + 1) ln m (m 1), =,S SN 2 60, max =,抽油桿柱與液柱之間的摩擦力 抽油桿柱與液柱間的摩擦發(fā)生在下沖程，摩擦力方向向上。阻力的 大小隨抽油桿柱的下行速度而變化，最大值為：,把懸點(diǎn)看做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，則,主要決定因素：液體粘度和抽油桿的運(yùn)動(dòng)速度。 液柱與油管間的摩擦力 上沖程時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，油管內(nèi)的液柱隨抽油桿柱和柱塞上行，液 柱與油管間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的摩擦力的方向向下，故增大懸點(diǎn)載荷。,Frl 1.3,Ftl =,2 2, max,m 2 1,Frl =

16、2L,d t d r,m =,7.2910 fo,Frt = f N,桿管摩擦力：,液體通過(guò)游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力：,2,3 2 (SN ),1 l f p 2 2,Fv = l hf p g =,抽油桿柱載荷、液柱載荷及慣性載荷是構(gòu)成懸點(diǎn)載荷的三項(xiàng)基本載 荷。稠油井內(nèi)存在摩擦載荷及大沉沒(méi)度的井沉沒(méi)壓力產(chǎn)生的載荷；在低 沉沒(méi)度井內(nèi)，由于泵的充滿(mǎn)程度差，會(huì)發(fā)生柱塞與泵內(nèi)液面的撞擊，將 產(chǎn)生較大沖擊載荷，從而影響懸點(diǎn)載荷。, 140,0.94d p de,Fp =,柱塞與襯套之間的摩擦力：,小于1717N,Wr SN r,(1 + ),SN r,(1 ),2,1790 l,Pmax,(1 + ),= W

17、r + Wl + I ru = qr L + ( f p f r ) Ll g +,(二)懸點(diǎn)最大和最小載荷 1.計(jì)算懸點(diǎn)最大載荷和最小載荷的一般公式 最大載荷發(fā)生在上沖程，最小載荷發(fā)生在下沖程，其值為：,在下泵深度及沉沒(méi)度不很大，井口回壓及沖數(shù)不高的稀油直井內(nèi)，在計(jì)算最大,和最小載荷時(shí)，通?？梢院雎訮v、Fu、Pd、Pi、Ph及液柱慣性載荷，則：,Wr = (qr L f r L l ) g Wl = f p L l g,令：,r l,則： Pmax,Wr SN 2 1790,= Wr + Wl +,2,1790 l,Pmin =Wr+ I rd = qr Lg Wr,v i,v,Pmax

18、= Wr + Wl + I u + Phu + Fu + P P Pmin = Wr + I d Phd Fd P,3-29 3-30,除了液柱和抽油桿柱產(chǎn)生的靜載荷之外，液柱的加載還會(huì)在抽油桿柱上引,起振動(dòng)載荷。,初變形期末抽油桿柱運(yùn)動(dòng)，液柱加載引起的縱振產(chǎn)生的振,2.考慮抽油桿柱彈性時(shí)懸點(diǎn)最大載荷的計(jì)算 初變形期：從上沖程開(kāi)始到液柱載荷加載完畢的過(guò)程。 初變形期之后，抽油桿柱帶著活塞隨懸點(diǎn)做變速運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程中，,動(dòng) 載 荷,動(dòng)載荷 抽油桿柱做變速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性載荷 忽略液柱對(duì)抽油桿柱動(dòng)載荷的影響, t,2 u,2 x 2, 2u 2,= a,抽油桿柱自由縱振產(chǎn)生的振動(dòng)載荷 在初變形期末

19、激發(fā)起的抽油桿的縱向振動(dòng)微分方程為:,= 0;,x =0,u,= 0,x = L,u x,邊界條件,u t =0 = 0;,x L, u t,= ,t = 0,初始條件,抽油桿柱的自由縱振在懸點(diǎn)上引起的振動(dòng)載荷為:,2,8Ef rV 2 a,u x,sin(2n + 1) 0 t,(1) n (2n + 1),=,Fv = Ef r, n =0,x =0,用分離變量法求解為：,2n + 1 x 2 L,sin( 2n + 1 )0t sin,( 1 )n ( 2n + 1 )3, 8V 0 2,u( x ,t ) =, n =0,坐標(biāo)原點(diǎn)選在懸點(diǎn),振動(dòng)載荷是,的周期函數(shù)。, 0 t,v,Ef

20、r a,Fv max =,上式懸點(diǎn)的振動(dòng)載荷繪圖如下:,2,8Ef rV 2 a,u x,sin(2n + 1) 0 t,(1) n (2n + 1),=,Fv = Ef r, n =0,x =0, 5 最大振動(dòng)載荷發(fā)生在 2 2 尼，振動(dòng)將會(huì)隨時(shí)間衰減，故最大振動(dòng)載荷發(fā)生在 處， 2 即： tm = = a,振動(dòng)時(shí)，dx微元段的軸向伸長(zhǎng) 。,x,該微元段的應(yīng)變?yōu)?x,，對(duì)應(yīng)的軸向,式(4)帶入式(2),令 a = ,2 u,桿的縱向振動(dòng) 假設(shè)桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，密度為，橫截面積為S，彈性模量為E， 設(shè)桿的橫截面在縱向振動(dòng)中始終保持干面，略去桿的縱向伸縮而 引起的橫向變形。設(shè)桿上距原點(diǎn)x處在時(shí)刻t的

21、縱向位移為u(x,t), u dx 模型見(jiàn)圖。從彈性體上提取一微元段dx，該微元段的振動(dòng)方程為：,P x,= P +, 2u t 2,Sdx,ma = F,P x,=, 2u t 2,S,內(nèi)力為：,dx,u,u x,P(x ) = SE (x ) = SE,u, 2u x 2,= SE, u x x,= SE,P x,2 2 x,= a, 2u t 2,E,牛頓第二定律,dx P (1),(3),(2),(4),(5), 2 cos (t ),S 2, 2 cos t,a0 =,簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸點(diǎn)加速度為：,x a,S 2,ax =,抽油桿柱距懸點(diǎn)x處的加速度為：,抽油桿柱的慣性載荷 初變形期之

22、后抽油桿柱隨懸點(diǎn)做變速運(yùn)動(dòng)，必然會(huì)由于強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)而在 抽油桿柱內(nèi)產(chǎn)生附加的動(dòng)載荷。為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，把強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載 荷只考慮為抽油桿柱隨懸點(diǎn)做加速度運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性載荷。 慣性載荷的大小取決于抽油桿柱的質(zhì)量、懸點(diǎn)加速度及其在桿柱上的 分布。懸點(diǎn)加速度的變化規(guī)律決定于抽油機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)。, 2 cos (t )dx,Fi = ,t )dx =,cos (, sin t sin t ,x a,qr S g 2,dFi =,x a,Ef r s L ,L 0,a 2 a ,qr S 2 2 g,在x處單元體上的慣性力將為：,積分后可得任一時(shí)間作用在整個(gè)抽油桿柱L上的總慣性力：,=n 0 (2n +

23、1) 2 sin(2n + 1)0t,a,(t0 + t ) sin t0 + t L ,sin ,+, + sin (t0 + ) sin t0 ,a 2 a ,= Wr + Wl+,8Ef r (1) n 2,Ef r S L a 2 a,Ef r a,Pmax = Wr + Wl+,懸點(diǎn)最大載荷 初變形期后，懸點(diǎn)載荷P是抽油桿柱載荷、液柱載荷、振動(dòng)和慣性載 荷疊加而成，即: ,Ef r S t0為初變形期經(jīng)歷的時(shí)間,取最大振動(dòng)載荷出現(xiàn)的時(shí)間為懸點(diǎn)出現(xiàn)最大載荷的時(shí)間,則得到計(jì) 算懸點(diǎn)最大載荷的公式：,L a,t m =,=, 2 0, = . = sin ,sin( +,) (1 ) si

24、n ,),Ef r S a 2,L a, sin( r +,Pmax = Wr + Wl+,a.油管下端固定 在油管下端固定的情況下，初變形期末柱塞對(duì)懸點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 等于懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，即 s s 2 2 油管下端固定時(shí)懸點(diǎn)最大載荷為：,b.油管下端未固定,初變形期末懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度：, sin ,S 2, =,初變形期末柱塞對(duì)懸點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度將小于懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速,度，并且：,S 2, ,L a,Ef r S a 2 ,Pmax = Wr + Wl +,油管下端未固定時(shí)懸點(diǎn)最大載荷為：,SN r,Pmax = (Wr l)1 +,+ W,P,P,P,P,= (Wr l)1 +,+ W,SN 2 ,

25、1790 ,3.計(jì)算懸點(diǎn)最大載荷的其它公式,SN 137 ,I , ,II max,2 1790 l,III max,(1 + ),= Wl + Wr b +,),SN 2 1790,IV max,= Wl + Wr (1 +,),SN 2 1790,V max,= (Wr + Wl )(1 +,一般井深及低沖數(shù)油井,簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、桿柱和液柱慣性載荷,簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、桿柱慣性載荷,簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、桿柱和液柱慣性載荷,二、曲柄軸扭矩計(jì)算及分析 (一)計(jì)算扭矩的基本公式 抽油過(guò)程中減速箱輸出軸(曲柄軸)的扭矩M等于曲柄半徑與作用在曲柄,銷(xiāo)處的切線(xiàn)力T的乘積，即：,M = rT,圖3-17,抽油機(jī)幾何尺寸與曲銷(xiāo)受力

26、圖,M com = P Wb (cos ,M wb = P Wb (cos ,),r sin sin ,a c b b,c a A a g, Wc r sin ,復(fù)合平衡抽油機(jī)：,r sin sin ,P,a b, Wcr sin ,M cr =,曲柄平衡抽油機(jī)：,),r sin sin ,a c b b,c a A a g,游梁平衡抽油機(jī)：,不同平衡方式的抽油機(jī)扭矩精確計(jì)算相關(guān)式,作業(yè)題：上述公式的詳細(xì)推導(dǎo)。,提示：參考相關(guān)論文。,圖3-17,抽油機(jī)幾何尺寸與曲銷(xiāo)受力圖,M com = TF P ( B + Wb ) M c max sin ,M wb = TF P ( B + Wb ),T

27、F = =,b sin ,a sin r,Mp P,c a M cr = TF ( P B) M c max sin c a,復(fù)合平衡抽油機(jī): 曲柄平衡抽油機(jī)： 游梁平衡抽油機(jī)：,扭矩因數(shù)：懸點(diǎn)載荷在曲柄軸上造成的扭矩與懸點(diǎn)載荷的比值。,抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡值B：等于連桿與曲柄銷(xiāo)脫開(kāi)時(shí)，為了保持游梁處于水平,位置而需要加在光桿上的力。(方向向下為正),不同平衡方式的抽油機(jī)扭矩簡(jiǎn)化計(jì)算相關(guān)式 簡(jiǎn)化條件：忽略游梁擺角和游梁平衡重慣性力矩的影響。,TF = =,b sin ,(二)扭矩因數(shù)計(jì)算,a sin r,Mp P,圖3-17,抽油機(jī)幾何尺寸與曲銷(xiāo)受力圖,b 2 + L2 k 2 r 2 + 2kr

28、 cos( + 0 ) 2bL, = cos1, = 360 + + ( + 0 ),扭矩曲線(xiàn), b 驢頭在下死點(diǎn)位置時(shí)的 角, t驢頭在上死點(diǎn)位置時(shí)的 角 隨角而變的b和K之間的夾角, b b t,PR =,沖程百分?jǐn)?shù)：,實(shí)測(cè)示功圖,(三)懸點(diǎn)位移與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系 抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 懸點(diǎn)載荷與曲柄,轉(zhuǎn)角的關(guān)系 扭矩因素與曲柄 轉(zhuǎn)角的關(guān)系,圖3-18 濮1-3井扭矩曲線(xiàn),1.凈扭矩；2.油井負(fù)荷扭矩；3.曲柄平衡扭矩,(四)扭矩曲線(xiàn)的應(yīng)用 1.檢查是否超扭矩及判斷是否發(fā)生“背面沖突”,平衡條件： M u max = M d max N ( ) = M ( ),2.判斷及計(jì)算平衡 3.功率分析 減

29、速箱輸出的瞬時(shí)功率:,2 0,2 0,1 2,1 2,M ( )d,N ( )d =,N r =,減速箱的平均輸出功率：,電動(dòng)機(jī)輸出的平均功率： 電動(dòng)機(jī)輸入的平均功率：,Nr cyj Nmo m,N mo = N mi =,4.效率分析,電機(jī)、皮帶傳動(dòng)、減速箱的效率分析。,Ce = B + Wb +,S 4,S 2,M max I =,( Pmax Ce ) =,( Pmax Pmin ),(1) 抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) (2) 忽略抽油機(jī)系統(tǒng)的慣性和游梁擺角的影響 (3) 最大峰值扭矩發(fā)生在曲柄轉(zhuǎn)角為90時(shí),簡(jiǎn)化條件：,有效平衡值 Ce ：抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡重及平衡重在懸點(diǎn)產(chǎn)生的平衡力。

30、它 表示了被實(shí)際平衡掉的懸點(diǎn)載荷值。,在平衡條件下：,( Pmax + Pmin ) 2,Ce =,b a,c a,(Wcb R + Wc Rc ) / r,(五)最大扭矩計(jì)算公式 1.根據(jù)扭矩曲線(xiàn)計(jì)算最大扭矩 2.計(jì)算最大扭矩的近似公式,HPH = =,QLg 86400,Ql l Lg 86400,WlSn 60 1000,HPPR =,(3) 光桿功率計(jì)算的近似計(jì)算：,（二）抽油效率計(jì)算 水力功率：在一定時(shí)間內(nèi)將一定量的液體提升一定距離所需要的功 率。,光桿功率：通過(guò)光桿來(lái)提升液體和克服井下?lián)p耗所需要的功率。,Asnc 100 l 60 1000,HPPR =,(1) 根據(jù)實(shí)測(cè)示功圖準(zhǔn)確

31、計(jì)算：,(2) 根據(jù)示功圖準(zhǔn)確計(jì)算光桿平均功率。,HPPR N m,=,地面,地面效率：,電動(dòng)機(jī)效率,皮帶和減速箱效率,四連桿機(jī)構(gòu)效率 盤(pán)根盒效率,抽油桿效率 抽油泵效率,管柱效率,HPH HPPR,井下 =,井下效率：,HPH N m,=,抽油 = 地面 井下,抽油效率：,1,人工舉升理論,人工舉升理論 講課：王海文 單位：中國(guó)石油大學(xué)（華東） 石油工程學(xué)院 郵件： 辦公：工科樓B座414室 地點(diǎn)：石油大學(xué)青島校區(qū) 時(shí)間：2009年3-4月,碩士研究生課程,（續(xù)）,2, = Q / Qt,人工舉升理論 第四節(jié) 泵效計(jì)算 泵效：在抽油井生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值。,影響泵效的因素,(

32、1) 抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮,S p S,入 =,(2) 氣體和充不滿(mǎn)的影響 (3) 漏失影響,V液 V活, =,(4) 體積系數(shù)的影響,1 Bl,B =,地面產(chǎn)液量,3,人工舉升理論 一、柱塞沖程 交變載荷作用 抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮 柱塞沖程小于光桿沖程 泵效小于1 (一)靜載荷作用下的柱塞沖程 液柱載荷交替地由油管轉(zhuǎn)移到抽油桿柱和由抽油桿 柱轉(zhuǎn)移到油管，使桿柱和管柱發(fā)生交替地伸長(zhǎng)和縮短。 抽油桿柱和油管柱的自重伸長(zhǎng)在泵工作的整個(gè)過(guò)程,中是不變的，它們不會(huì)影響柱塞沖程。,WLL 1 1,4,),( +,( + E f r tf,) =,f p l L f g L L E f r f

33、t, =,沖程損失計(jì)算式：,人工舉升理論 沖程損失： = r + t 柱塞沖程： S p = S (r + t ) = S ,Li,+ ,人工舉升理論,(,),m i=1 fri,f p l Lf g L E ft,多級(jí)抽油桿的沖程損失： =,沖程損失的影響因素分析： (1) 油層供液狀況和生產(chǎn)流體的性質(zhì)； (2) 抽油桿和油管的性質(zhì)、組合； (3) 下泵深度； (4) 抽油泵的規(guī)格。 5,6,人工舉升理論 (二)考慮慣性載荷后柱塞沖程的計(jì)算 當(dāng)懸點(diǎn)上升到上死點(diǎn)時(shí)，抽油桿柱有向下的(負(fù)的)最大 加速度和向上的最大慣性載荷，抽油桿在慣性載荷的作用下 還會(huì)帶著柱塞繼續(xù)上行 。 當(dāng)懸點(diǎn)下行到下死點(diǎn)后

34、，抽油桿的慣性力向下，使抽油 桿柱伸長(zhǎng)，柱塞又比靜載變形時(shí)向下多移動(dòng)一段距離 。, i = + ,柱塞沖程增加量：,上沖程： = =,W r SN L,下沖程： = =,W r SN L,Wr SN L,Wr N L,7,2 1790 f r E,i =,) ,2 1790 f r E,S p = S + i = S (1 +,由于抽油桿柱上各點(diǎn)所承受的慣性力不同，計(jì)算中近似,取其平均值，即：,人工舉升理論 根據(jù)虎克定律，慣性載荷引起的柱塞沖程增量為：,因此，考慮靜載荷和慣性載荷后的柱塞沖程為：,) ),r l r l,I rd L 2 f r E I rd L 2 f r E,(1 (1 +

35、,2 2 1790 f r E 2 2 1790 f r E,人工舉升理論 (三)抽油桿柱的振動(dòng)對(duì)柱塞沖程的影響 液柱載荷交變作用,抽油桿柱變速運(yùn)動(dòng) 理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明：抽油桿柱本身振動(dòng)的相位在上 下沖程中幾乎是對(duì)稱(chēng)的，即如果上沖程末抽油桿柱伸長(zhǎng)，則下 沖程末抽油桿柱縮短。因此，抽油桿振動(dòng)引起的伸縮對(duì)柱塞沖 程的影響是一致 ，即要增加都增加，要減小都減小。其增減 情況取決于抽油桿柱自由振動(dòng)與懸點(diǎn)擺動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)的相 位配合。 8,抽油桿柱振動(dòng),抽油桿柱變形,9,人工舉升理論,因此，抽油桿 柱振動(dòng)對(duì)柱塞沖程,的影響存在著沖次、 沖程配合的有利與 不利區(qū)域。,超沖程現(xiàn)象, = =,10,法打

36、開(kāi)，出現(xiàn)抽不出油的現(xiàn)象。,余隙比： K = Vs / V p 氣鎖：抽汲時(shí)由于氣體在泵內(nèi)壓縮和膨脹，吸入和排出閥無(wú), K =,1 KR 1 + R,1 + K 1 + R,Vl V p,b,人工舉升理論 二、泵的充滿(mǎn)程度 條件： Pin P 充滿(mǎn)系數(shù)：, K =,1 KR 1 + R,1 + K 1 + R, =,人工舉升理論 泵充滿(mǎn)程度的影響因素分析：,泵吸入口 壓力,(1) 生產(chǎn)流體的性質(zhì)氣液比 R愈小，就越大。增加泵的沉沒(méi)深度或使用氣錨。 下死點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài)下柱塞 與泵吸入口的距離 (2) 防沖距 K值越小，值就越大。盡量減小防沖距，以減小余隙。 11,人工舉升理論 三、泵的漏失,(1) 排

37、出部分漏失 (2) 吸入部分漏失 (3) 其它部分漏失,影響 泵效 漏失,如油管絲扣、泵的連接部分及泄油器不嚴(yán)等 漏失很難計(jì)算，除了新泵可根據(jù)試泵實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié) 果和相關(guān)式估算外，泵由于磨損、砂蠟卡和腐蝕所產(chǎn) 生的漏失以及油管絲扣、泵的連接部分和泄油器不嚴(yán) 等所產(chǎn)生的漏失很難計(jì)算。 12,De g H,De g H,12, De p,2,13,人工舉升理論 柱塞與襯套間隙漏失計(jì)算,3 12 l,靜止條件下的漏失量：q1 =,q 86400 B Qt,L = 1 ,1,l,1 2,.,3,總漏失量為：q = q1 q2 =,所以只考慮柱塞間隙漏失時(shí)，漏失系數(shù)為：,14,人工舉升理論,四、提高泵效的措

38、施,(1)選擇合理的工作方式,選用長(zhǎng)沖程、慢沖次，減小氣體影響，降低懸點(diǎn)載 荷，特別是稠油的井。,連噴帶抽井選用大沖數(shù)快速抽汲，以增強(qiáng)誘噴作用。,深井抽汲時(shí)，S和N的選擇一定要避開(kāi)不利配合區(qū)。,(2)確定合理沉沒(méi)度。,(3)改善泵的結(jié)構(gòu)，提高泵的抗磨、抗腐蝕性能。 (4)使用油管錨減少?zèng)_程損失,(5)合理利用氣體能量及減少氣體影響,15,人工舉升理論,1 2 3,a,簡(jiǎn)單氣錨,1孔眼； 2吸入管； 3外筒,4 5 6 7,b,井下分離器,4中心管； 5外筒； 6套管；,氣,7封隔器 油,重 力 式 氣 錨,分,離 原,理,16,人工舉升理論,旋流分離器,利用離心力原理分離氣液（固）體。,氣液（

39、固）混合物由切線(xiàn)方向進(jìn)入分,離器后，沿分離器筒體旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力。 離心力與液（固）體顆粒的密度成正比。 液（固）體顆粒的密度比氣體大得多，于 是液（固）體顆粒就被拋到外圈（靠近器 壁），較輕的氣體則在內(nèi)圈。被拋在外圈 的液（固）體顆粒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并向下沉 淀，最后到達(dá)錐形管聚集后從下部出口放 出，內(nèi)圈的氣體則從上部出口放出。,人工舉升理論,Pmax f r,=, max,Pmin f r,=, min,第五節(jié),有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì),一、抽油桿強(qiáng)度計(jì)算及桿柱設(shè)計(jì) 抽油桿設(shè)計(jì)：抽油桿柱的長(zhǎng)度、直徑、組合及材料。 抽油桿柱工作時(shí)承受著交變負(fù)荷所產(chǎn)生的非對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng) 力作用。,在交變負(fù)荷作用下，抽油桿柱往往

40、是由于疲勞而發(fā)生 破壞，而不是在最大拉應(yīng)力下破壞。因此，抽油桿柱必須 根據(jù)疲勞強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行計(jì)算 17,18,人工舉升理論, 1 K, 1 =, c = a max,Pmax Pmin 2 f r,=, max min 2, a =,強(qiáng)度條件：, c 1 ,(一)抽油桿強(qiáng)度計(jì)算方法 1.奧金格公式,折算應(yīng)力=許用應(yīng)力,許用應(yīng)力幅,對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限應(yīng)力/安全系數(shù),循環(huán)應(yīng)力幅,圖3-29,修正古德曼圖,安全區(qū),人工舉升理論 2.修正古德曼圖 T 4 強(qiáng)度條件： max all,100% 19, max min all min,PL =,應(yīng)力范圍比：,抽油泵 套管,PL1 = PL 2 = . 20,人

41、工舉升理論 (二)抽油桿柱設(shè)計(jì)步驟 (1) 不等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法 PLi 100% 油管,(2) 等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法 PLi 100%,21,人工舉升理論,二、有桿抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì),有桿抽油系統(tǒng)組成：(1) 油層,有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容：,(2) 井筒,(3) 采油設(shè)備(機(jī)、桿、泵等) (4) 地面出油管線(xiàn),(1) 油井流入動(dòng)態(tài)計(jì)算；,(2) 采油設(shè)備(機(jī)、桿、泵等)選擇；,(3) 抽汲參數(shù)(沖程、沖次、泵徑和下泵深度等)確定； (4) 工況指標(biāo)預(yù)測(cè)。,有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)： 經(jīng)濟(jì)、有效地舉升原油。,22,人工舉升理論,(1) 油井和油層數(shù)據(jù)；,(2) 流體物性參數(shù)；,(3) 油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)。,有桿抽油

42、系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)：節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析方法,有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：,有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)： 油藏供液能力,人工舉升理論,Pwf,hf,有桿抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路： Pc Pt P、T,Pin,hpump h qi q,Pout Pwfi,(1) IPR計(jì)算 (2) qi Pwfi (3) 溫度場(chǎng)計(jì)算,(4) Pwfi,Pin,0,(5) hf 計(jì)算 (6) Pt Pout (7) 抽油桿柱設(shè)計(jì) (8) 泵效分析 (9) 產(chǎn)量迭代計(jì)算 (10) 工況指標(biāo)計(jì)算 23,24,人工舉升理論,抽油機(jī)井生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析,1.抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)的組成,(1)油氣層子系統(tǒng),(2)井筒子系統(tǒng),(3)地面集輸子系統(tǒng),(

43、4)采油設(shè)備子系統(tǒng),穩(wěn)定工作條件：協(xié)調(diào),25,人工舉升理論 2.節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析方法 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析法：應(yīng)用系統(tǒng)工程原理，把整個(gè)油 井生產(chǎn)系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，研究各子系統(tǒng)間的相互 關(guān)系及其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作的影響，為系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行及 參數(shù)調(diào)控提供依據(jù)。 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析實(shí)質(zhì)：協(xié)調(diào)理論在采油應(yīng)用方面的發(fā)展,協(xié) 調(diào) 條,件,質(zhì)量守恒 能量(壓力)守恒,熱量守恒,26,2,1,4 3,5,人工舉升理論 3.抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置 6,分離器 7 求解點(diǎn)：為使問(wèn)題獲得解決的節(jié)點(diǎn)。 求解點(diǎn)的選擇：下泵處。,27,人工舉升理論 4.優(yōu)化設(shè)計(jì)思路 利用數(shù)值模擬（仿真）的思路，對(duì)油井生產(chǎn)設(shè)備和 技術(shù)可行的各種生產(chǎn)配置的可

44、能性進(jìn)行全面計(jì)算分析， 使得優(yōu)化結(jié)果具有很強(qiáng)的可操作性，同時(shí)具有敏感性分 析作用。,四點(diǎn)條件：,油井流入動(dòng)態(tài) 抽油設(shè)備 抽汲參數(shù) 優(yōu)化目標(biāo),28,開(kāi),始,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 油井產(chǎn)能（IPR 曲線(xiàn)）計(jì)算 抽油設(shè)備使用范圍及規(guī)格的確定,i=0 設(shè)計(jì)方案的落實(shí)（n 個(gè)方案）,井筒中流體壓力、溫度及物性分布計(jì)算,抽油桿柱設(shè)計(jì) 抽油泵泵效組成分析 抽油工況指標(biāo)預(yù)測(cè),i=n,設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定 i=i+1 數(shù)據(jù)結(jié)果存儲(chǔ)與輸出,結(jié),束,N,Y,人工舉升理論 5.有桿抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖,人工舉升理論,三、鋼桿-玻璃鋼桿組合桿柱抽油技術(shù),玻璃鋼桿優(yōu)點(diǎn),(1) 重量輕，可減少設(shè)備投資，節(jié)省能源和增加下泵深度。,(2)

45、 彈性好，可以實(shí)現(xiàn)超沖程。,(3) 耐腐蝕，可減少斷脫事故。,玻璃鋼桿缺點(diǎn),(1) 價(jià)格貴：是鋼質(zhì)抽油桿的1.61.8倍。,(2) 不能承受軸向壓縮載荷，使用溫度不能超過(guò)93.3。,(3) 報(bào)廢桿不能溶化回收利用。,目前鋼玻璃鋼組合桿柱設(shè)計(jì)理論與普通全鋼桿設(shè)計(jì)相同29。,30,人工舉升理論,第六節(jié) 有桿抽油系統(tǒng)工況分析,(1) 了解油層生產(chǎn)能力及工作狀況，分析是否已發(fā)揮了油層潛 力，分析、判斷油層不正常工作的原因；,(2) 了解設(shè)備能力及工作狀況，分析設(shè)備是否適應(yīng)油層生產(chǎn)能 力，了解設(shè)備潛力，分析判斷設(shè)備不正常的原因；,(3) 分析檢查措施效果。,分析目的：油層與抽油設(shè)備協(xié)調(diào)，油井高效生產(chǎn)。,

46、分析內(nèi)容：,31,人工舉升理論,一、抽油井液面測(cè)試與分析,相對(duì)應(yīng)的壓力差。,（一）動(dòng)液面、靜液面及采油指數(shù) 靜液面（Ls或Hs）：對(duì)應(yīng)于油藏壓力。 動(dòng)液面（Lf或Hf）：對(duì)應(yīng)于井底壓力 流壓 沉沒(méi)度hs：根據(jù)氣油比和原油進(jìn)泵壓 力損失而定。 生產(chǎn)壓差：與靜液面和動(dòng)液面之差,圖3-25,靜液面與動(dòng)液面的位置,=,32,Q Q L f Ls H s H f,K =,采油指數(shù)：,人工舉升理論 折算液面：把在一定套壓下測(cè)得的液面折算成套管壓力為 零時(shí)的液面，即： pc o g,L = L1,人工舉升理論,(二)液面位置的測(cè)量,測(cè)量?jī)x器：回聲儀 測(cè)量原理：利用聲波在環(huán)形空間流體介質(zhì)中的傳播速度 和測(cè)得的

47、反射時(shí)間來(lái)計(jì)算其位置： L = Vt / 2 1.有音標(biāo)的井,圖3-26,聲波反射曲線(xiàn),L1 t1 / 2,V =,圖3-25,t t1 33 靜液面與動(dòng)液面的位置,34,KP ,V =,ZRT,m ,PV =,ZK,T go,V = 16.95,人工舉升理論 2.無(wú)音標(biāo)井 根據(jù)波動(dòng)理論和聲學(xué)原理，聲波在氣體中的傳播速度為：,利用氣體狀態(tài)方程確定氣體密度： P 因?yàn)椋?= m/V 則： = ZRT ZRTK 聲波速度為： V = ,簡(jiǎn)化為：,35,人工舉升理論 (三)含水井油水界面及工作制度與含水的關(guān)系 含水井正常抽油時(shí)，油水界面穩(wěn)定在泵的吸入口處。 低氣油比含水油井：在泵下加深尾 管來(lái)降低流

48、壓，提高產(chǎn)量。 低含水高氣油比井(除帶噴者外)： 加深尾管會(huì)降低泵的充滿(mǎn)系數(shù)， 因?yàn)檫M(jìn)入尾管后從油中分出的氣 體將全部進(jìn)入泵內(nèi)。,圖3-27,含水井的油水界面,思考題：上述說(shuō)法的理由？,36,人工舉升理論,抽油井工作制度與含水的變化關(guān)系,當(dāng)油層和水層壓力相同(或油水同層)時(shí)，油井含水不隨工作 制度而改變；,當(dāng)出油層壓力高于出水層壓力時(shí)，增大總采液量(降流壓)， 將引起油井含水量的上升；,當(dāng)水層壓力高于油層壓力時(shí)，加大總采液量，將使油井含 水量下降。,確定含水井工作制度時(shí)：對(duì)油水層壓力相同及水層壓力 高于油層壓力的井，把產(chǎn)液量增大到設(shè)備允許的抽汲量是 合理的。利用油井在不同工作制度下產(chǎn)液量與含水

49、的變 化情況來(lái)判斷油水層的壓力關(guān)系。,37,人工舉升理論,二、地面示功圖分析,示功圖：載荷隨位移的變化關(guān)系曲線(xiàn)所構(gòu)成的封閉曲線(xiàn)圖。 地面示功圖或光桿示功圖：懸點(diǎn)載荷與位移關(guān)系的示功圖。 (一)理論示功圖及其分析 1.靜載荷作用下的理論示功圖 循環(huán)過(guò)程： 下死點(diǎn)A 加載完成B 上死點(diǎn)C 卸載完成D 下死點(diǎn)A,圖3-28,靜載理論示功圖,38,人工舉升理論,圖3-28,靜載理論示功圖,二、地面示功圖分析 (一)理論示功圖及其分析 1.靜載荷作用下的理論示功圖 ABC為上沖程靜載荷變 化線(xiàn)。 AB為加載過(guò)程，加載過(guò) 程中，游動(dòng)凡爾和固定 凡爾處于關(guān)閉狀態(tài)；在 B點(diǎn)加載完畢，變形結(jié) 束，柱塞與泵筒開(kāi)始

50、發(fā) 生相對(duì)位移，固定凡爾 打開(kāi)而吸入液體。,BC為吸入過(guò)程（BC=Sp 為泵的沖程），游動(dòng)凡 爾處于關(guān)閉狀態(tài)。,39,人工舉升理論,圖3-28,靜載理論示功圖,二、地面示功圖分析 (一)理論示功圖及其分析 1.靜載荷作用下的理論示功圖 CDA為下沖程靜載荷變 化線(xiàn)。 CD為卸載過(guò)程，游動(dòng)凡 爾和固定凡爾處于關(guān)閉 狀態(tài)；在D點(diǎn)卸載完 畢，變形結(jié)束，柱塞與 泵筒發(fā)生向下相對(duì)位 移，游動(dòng)凡爾被頂開(kāi)、 排出液體。,DA為排出過(guò)程，固定凡 爾處于關(guān)閉狀態(tài)。,40,人工舉升理論 2.考慮慣性載荷后的理論示功圖,圖3-29,考慮慣性和振動(dòng)后的理論示功圖 S/2,41,人工舉升理論 (二)典型示功圖分析 典型

51、示功圖：某一因素的影響十分明顯，其形狀代表了該 因素影響下的基本特征的示功圖。 1.氣體和充不滿(mǎn)對(duì)示功圖的影響,圖3-30 有氣體影響的示功圖,氣體影響示功圖,D D S, g =,AD AD, =,充滿(mǎn)系數(shù)：,氣鎖,42,起抽油設(shè)備受力急劇變化的現(xiàn)象。,人工舉升理論 充不滿(mǎn)影響的示功圖 充不滿(mǎn)現(xiàn)象：地層產(chǎn)液在上沖程末未充滿(mǎn)泵筒的現(xiàn)象。 圖3-31 充不滿(mǎn)的示功圖 液擊現(xiàn)象：泵充不滿(mǎn)生產(chǎn)時(shí)，柱塞與泵內(nèi)液面撞擊引,43,人工舉升理論,2.漏失對(duì)示功圖的影響, 排出部分的漏失,圖3-32 泵排出部分漏失,S pu = B C ,柱塞的有效吸入行程：, = BC / S,泵效：,44,人工舉升理論,

52、 吸入部分漏失,圖3-33 吸入凡爾漏失,S ped = DA,柱塞的有效吸入行程：, = DA / S,泵效：,45,人工舉升理論,圖3-34,吸入凡爾嚴(yán)重漏失,46,人工舉升理論,吸入部分和排出部分同時(shí)漏失,圖3-35 吸入凡爾和排出凡爾同時(shí)漏失,47,人工舉升理論,3.柱塞遇卡的示功圖,柱塞在泵筒內(nèi)被卡死在某一位置時(shí)，在抽汲過(guò)程中柱塞無(wú)法 移動(dòng)而只有抽油桿的伸縮變形，圖形形狀與被卡位置有關(guān)。,圖3-36 活塞卡在泵筒中部,48,人工舉升理論 4.帶噴井的示功圖 在抽汲過(guò)程中，游動(dòng)閥和固定閥處于同時(shí)打開(kāi)狀態(tài)，液 柱載荷基本加不到懸點(diǎn)。示功圖的位置和載荷變化的大小取 決于噴勢(shì)的強(qiáng)弱及抽汲液體

53、的粘度。,圖3-37 噴勢(shì)強(qiáng)、油稀帶噴,圖3-38 噴勢(shì)弱、油稠帶噴,49,hC b q r g,L =,位置取決于斷脫點(diǎn)的位置。,人工舉升理論 5.抽油桿斷脫 抽油桿柱的斷脫位置可 根據(jù)下式來(lái)估算：,圖3-39 抽油桿斷脫 抽油桿斷脫后的懸點(diǎn)載荷實(shí)際上是斷脫點(diǎn)以上的抽油桿 柱重量，只是由于摩擦力，才使上下載荷線(xiàn)不重合。圖形的,圖3-42 管式泵活塞脫出工作筒,人工舉升理論 圖3-40 出砂井 50,6.其它情況 圖3-43 防沖距過(guò)小活塞碰 固定凡爾的示功圖 圖3-41 結(jié)蠟井,人工舉升理論 三、抽油機(jī)井工況診斷技術(shù) 抽油機(jī)井工況診斷技術(shù)：,抽油井計(jì)算機(jī)診斷的內(nèi)容： 計(jì)算抽油桿柱斷面上的應(yīng)力

54、分布和示功圖； 估算泵口壓力； 判斷油井潛能； 計(jì)算活塞沖程和泵效； 檢驗(yàn)泵及油管錨的機(jī)械狀況； 計(jì)算和繪制扭矩曲線(xiàn)，并進(jìn)行平衡和功率的計(jì)算與分析。 51,光桿示 功圖,數(shù)學(xué)模型 計(jì)算機(jī),井下示 功圖,抽油設(shè) 備工況,52,抽油桿 抽油泵,井下動(dòng)態(tài)信 號(hào)的傳導(dǎo)線(xiàn) 信號(hào)發(fā)送器,力 波 設(shè)備工況,人工舉升理論 (一)診斷技術(shù)的理論基礎(chǔ) 示功儀 信號(hào)接收器 信號(hào)記錄 應(yīng), t, x,+ ( n cos nt + n sin nt ),+ ( n cos n t + n sin n t ),53, U ( x , t ) t,U ( x , t ) 2,2,2 , 2 U ( x , t ) 2, c

55、,= a,人工舉升理論 應(yīng)力波在抽油桿柱中傳播過(guò)程可用帶阻尼的波動(dòng)方程描述：,用以截尾傅立葉級(jí)數(shù)表示的懸點(diǎn)動(dòng)負(fù)荷函數(shù)D(T)及光桿 位移函數(shù)U(t)作為邊界條件：,n n =1 n n =1,D(t ) = U (t ) =, o 2 0 2,0 D(t ) cos ntdt,0 D(t ) sin ntdt,0 U (t ) cos ntdt,0 U (t ) sin ntdt, ,x + + (O ( x) cos nt + P ( x) sin nt ),2EA,2,+ (,54,人工舉升理論 n = 0,1,2L n n = 1,2,L n n = 0,1,2,L n n = 1,2,

56、L n, T T T T , n = n = n = n =,用分離變量法，可得抽油桿柱任意深度 x 斷面的位移隨,時(shí)間的變化：,n n,n r n =1,0 0,U ( x, t ) =,根據(jù)虎克定律：,U ( x, t ) x,F ( x, t ) = EAr,抽油桿柱任意深度斷面上的動(dòng)負(fù)荷函數(shù)隨時(shí)間的變化為：,sin nt ),Pn ( x) x, 0 2EAr,On ( x) x,cos nt +,F ( x, t ) = EAr ,n n =1,+ (,1 + 1 + ( ), 1 + 1 + ( ) 2,( + ,EAr n n ),55,2 2,C 2 n C n,n a 2 n

57、 a 2, n n n n EAr ( n + n ),n =, n n + n n 2 2,K n =, n = n =,人工舉升理論 抽油桿柱任意深度斷面上的動(dòng)負(fù)荷函數(shù)隨時(shí)間的變化為：,sin nt ),Pn ( x) x, 0 2 EAr,On ( x) x,cos nt +,F ( x, t ) = EAr ,n n =1,式中：On ( x) = ( K n ch n x + n sh n x) sin n x + (n sh n x + n ch n x) cos n x Pn ( x) = ( K n sh n x + n ch n x) cos n x (n ch n x +

58、n sh n x) sin n x,56,人工舉升理論,抽油桿柱系統(tǒng)的阻尼力：粘滯阻尼力、非粘滯阻尼力。,粘滯阻尼力：(1) 桿、接箍與液體之間的粘滯摩擦力；,非粘滯阻尼力：(1) 桿、接箍與油管之間的非粘滯性摩擦力；,阻尼系數(shù)確定,(2) 泵閥的流體壓力損失等。,(2) 光桿與盤(pán)根之間的摩擦力；,(3) 泵柱塞與泵筒之間的摩擦損失等。,2 1 4, r r ln m B2,m 1,57,人工舉升理論,L,A, a,2 L 1 a sin L a,+ cos, +,( B1 + 1) B1 +,C =,Dt Dr,m =,1,2 2lnm,B1 =,(m2 1)2 lnm,B2 = m4 1,

59、真實(shí) 阻尼,每一個(gè)循環(huán)中系統(tǒng)消除等值阻尼力時(shí) 的能量與消除真實(shí)阻尼時(shí)的能量相同,等值 阻尼,58,人工舉升理論,(二)診斷技術(shù)的應(yīng)用,1.判斷泵的工作狀況及計(jì)算泵排量,2.計(jì)算各級(jí)桿柱的應(yīng)力和分析桿柱組合的合理性,3. 計(jì)算和分析抽油機(jī)扭矩、平衡及功率,4.估算泵口壓力及預(yù)測(cè)油井產(chǎn)量,5.判斷油管錨或封隔器固定油管的有效性,59,人工舉升理論 (三)診斷技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r (1) Gibbs S G.一維帶阻尼的波動(dòng)方程(1966年） 主要特點(diǎn)：考慮了抽油桿的慣性，而忽略了液柱的慣性； 目前計(jì)算機(jī)診斷技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 (2) Doty D R. & Smith Z.二維預(yù)測(cè)模型(1981年) 主要

60、特點(diǎn)：同時(shí)考慮了抽油桿和液柱的慣性。 (3) 余國(guó)安等三維振動(dòng)預(yù)測(cè)模型(1989年) 主要特點(diǎn)：同時(shí)考慮了桿、液、管的慣性與振動(dòng)。 (4) 示功圖識(shí)別技術(shù)的發(fā)展 人工智能(AI)技術(shù)。使用模式識(shí)別技術(shù)、專(zhuān)家系統(tǒng)及神,經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)判斷泵的工作狀況。,60,人工舉升理論,附錄A：API RP 11L 方法,計(jì)算內(nèi)容：(1)柱塞沖程；(2)泵排量； (3)光桿最大載荷；,(4)光桿最小載荷；(5)最大扭矩；(6)光桿馬力；,(7)有效平衡值。,特點(diǎn)：(1) 經(jīng)API專(zhuān)家組推薦，于1967年公開(kāi)發(fā)表；,(3) 由以無(wú)因次量表示的一系列圖表和簡(jiǎn)單計(jì)算公 式所組成；,(2) 歸納和總結(jié)了電模擬研究成果；,

61、(4) 以公報(bào)形式發(fā)表了1100多張以無(wú)因次量表示的模 擬示功圖，可用類(lèi)比分析。,61,人工舉升理論,一、基本假設(shè),(1) 普通型游梁式抽油機(jī)； (2) 低滑差，即轉(zhuǎn)數(shù)隨負(fù)載變化很小的硬特性電動(dòng)機(jī)； (3) 模擬的是上粗下細(xì)的級(jí)次桿； (4) 泵完全充滿(mǎn)(沒(méi)有氣體影響)； (5) 井下摩擦正常； (6) 油管錨定； (7) 抽油機(jī)完全平衡，且傳動(dòng)效率為100%； (8) 未考慮具體抽油機(jī)的幾何特性； (9) 計(jì)算最大扭矩時(shí)，認(rèn)為最大、最小載荷發(fā)生在曲,柄位于75和285 處。,二、基本示功圖,最大載荷,人工舉升理論 考慮動(dòng)載的 示功圖,靜載示功圖 最小載荷 最大載荷系數(shù) 最小載荷系數(shù) 62,63,人工舉升理論,三、自學(xué)要求,(1) 基本示功圖上各符號(hào)的意義；,(2) 桿、管彈性常數(shù)和彈簧常數(shù)的物理意義；,(3) 五個(gè)無(wú)因次變量的物理意義； (4) 圖3-52圖3-57的特征。,例如：圖3-52和圖3-53(p174175),