《人工举升理论》PPT课件.ppt

,有杆泵采油典型特点：,地面能量通过抽油杆、抽油泵传递给井下流体。,(1) 常规有杆泵采油：抽油机悬点的往复运动通 过抽油杆传递给井下柱塞泵。,(2) 地面驱动螺杆泵采油：井口驱动头的旋转运 动通过抽油杆传递给井下螺杆泵。,有杆泵采油分类：,常规有杆泵采油是目前我国最广泛应用的采油方 式，大约有60%以上的油井采油采用该举升方式。,抽油机井设备与工作原理 一、抽油装置 抽油机,抽油杆 抽油泵 其它附件,设 备 组 成,(一)抽油机,有杆深井泵采油的主要地面设备，它将电能转化为机械能，包括,游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种。,游梁式抽油机组成,游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置,工作时，动力机将高速旋转运动通过皮带和减速箱传给曲柄,轴，带动曲柄作低速旋转。曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆 动。挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动。,工作原理,游梁式抽油机分类,后置式和前置式,运动规律不同后置式,上、下冲程的时间基本相,等；前置式上冲程较下冲,程慢。,图3-2 后置式抽油机结构简图,图3-3,前置式气动平衡抽油机结构简图,不同点： 游梁和连杆的连接位置不同。 平衡方式不同后置式多采 用机械平衡；前置式多采用气 动平衡。,新型抽油机：为了节能和加大冲程。 异相型游梁式抽油机,节能 加大冲程,异形游梁式抽油机 双驴头游梁式抽油机 链条式抽油机 皮带传动抽油机 液压抽油机 塔架式摩擦换向抽油机,双驴头抽油机（平衡性好，节能）,调径变矩游梁抽油机,摆杆抽油机（胜利油田已用几十台）,皮带式抽油机,塔架式摩擦换向抽油机,电动机采用开关磁阻电机 用变频调速控制电机转速 减速器采用摆线针轮减速器 电机、减速器、摩擦轮用联轴器连接 摩擦轮上绕钢丝绳 钢丝绳一端连光杆,另一端连平衡配重 电动机由程序控制正反转 摩擦轮与钢丝绳通过表面摩擦力实现运动与 能量的传递,从而实现悬点上下往复直线运,动。,(2)抽油泵：机械能转化为流体压能的设备,工作筒(外筒和衬套)、柱塞及游动阀(排出阀)和固定阀(吸入阀),一般要求,按照抽油泵在油管中的固定方式可分为：管式泵和杆式泵,主要组成,分类,a.结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠； b.制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长； c.规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强； d.便于起下；,e.结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助设备。,A-管式泵,B-杆式泵,管式泵：外筒和衬套在地面组装好接在油管下 部先下入井内，然后投入固定阀，最后再把柱塞 接在抽油杆柱下端下入泵内。 杆式泵：整个泵在地面组装好后接在抽油杆柱的 下端整体通过油管下入井内，由预先装在油管预定 深度(下泵深度)上的卡簧固定在油管上，检泵时不 需要起油管。,管式泵特点：结构简单、成本低，排量大。但检泵时必须起出油管， 修井工作量大，故适用于下泵深度不很大，产量较高的油井。 杆式泵特点：结构复杂，制造成本高，排量小，修井工作量小。杆式 泵适用于下泵深度大、产量较小的油井。,(3)抽油杆：能量传递工具。,1-外螺纹接头； 2-卸荷槽；,3-推承面台肩； 4-扳手方径； 5-凸缘；,6-圆弧过渡区,二、泵的工作原理,(一)泵的抽汲过程,管内液柱压力和自重作用而关闭。,泵吸入的条件：,泵内压力(吸入压力)低于沉没压力。,1)上冲程 抽油杆柱带着柱塞向上运动，柱塞上的游动阀受,泵内压力降低，固定阀在环形空间液柱压力(沉没,压力)与泵内压力之差的作用下被打开。,泵内吸入液体、井口排出液体。,泵排出的条件：,泵内压力(排出压力)高于柱塞以上的液柱压力。 柱塞上下抽汲一次为一个冲程，在一个冲程内完成 进油与排油的过程。 光杆冲程：光杆从上死点到下死点的距离。,2)下冲程 柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭。 泵内压力增加，当泵内压力大于柱塞以上液柱压力,时，游动阀被顶开。,柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞上部，使泵排,出液体。,（二)泵的理论排量 泵的工作过程是由三个基本环节所组成，即柱塞在泵内让出 容积，井内液体进泵和从泵内排出井内液体。 在理想情况下，活塞上、下一次进入和排出的液体体积都等 于柱塞让出的体积： V = f p S,Vm = f p SN,每分钟的排量为：,Qt = 1440 f p SN = k p SN,每日排量:,主要内容,5常规有杆泵采油,（1）抽油机井设备与工作原理 （2）抽油机井生产系统行为预测,（3）抽油机井生产系统优化设计与故障诊断 （4）抽油机井生产系统效率分析,S B = r (1 cos ) = r (1 cos t ),抽油机井生产系统行为预测 一、抽油机悬点运动规律 (一)简化为简谐运动时悬点运动规律 假设条件：r/l0、r/b0 游梁和连杆的连接点B的运动可看做简 谐运动，即认为B点的运动规律和D点做圆运 动时在垂直中心线上的投影(C点)的运动规 律相同。,则B点经过t时间(曲柄转角)时位移为：,图3-7 抽油机四连杆机构简图,a b,a b,S A =,S B =,r (1 cos t ),以下死点为坐标零点，向上为坐 标正方向，则悬点A的位移为：,A点的速度为:,图3-7 抽油机四连杆机构简图,dS A a dt b A点的加速度为: dVA a 2 dt b 图3-8 简谐运动时悬点位移、 速度、加速度曲线,WA = = r (cos + cos 2 ),(二)简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律 假设条件：0r/l1/4 把B点绕游梁支点的弧线运动近似地看做直线 运动，则可把抽油机的运动简化为曲柄滑块运动。,A点加速度:,dVA 2 dt,A点位移：,a b,sin 2 ), 2,S A = r (1 cos +,A点速度:,a b,dS A dt,sin 2 ), 2,VA =,= r (sin +,a b 图3-9,曲柄滑块机构简图,图3-11 悬点加速度变化曲线 1-按简谐运动计算； 2-精确计算； 3-按曲柄滑块机构计算 图3-10 悬点速度变化曲线 1-按简谐运动计算； 2-精确计算； 3-按曲柄滑块机构计算,.,游梁式抽油机运动参数的精确解,参考文献：游梁式抽油机运动参数的精确解,假定曲柄由12点钟位置开始沿顺时针方,向做匀速圆周运动。在OBD 中, 根据,余弦定理,式中为任意时刻游梁摆角, 即游梁后,臂与Y 方向的夹角;为任意时刻J 和-,Y 方向的夹角;为曲柄转角, 它等于角,速度与时间t 的乘积。由式（1）得：,式(4) 即为游梁摆动方程。J 和都,只为的函数, 因此也只为的函,数。,设下死点时角为。，位移为0。,悬点的位移：X=a(- 。),二、抽油机悬点载荷计算,1.静载荷,(一)悬点所承受的载荷,包括：抽油杆柱自重载荷；作用在柱塞上的液柱载荷；沉没压力对悬 点载荷的影响；井口回压对悬点载荷的影响。,抽油杆柱载荷,r,q = qr ( s l ) / s = qr b,b = ( s l ) / s,r,上冲程： Wr = f r s gL = qr gL （即杆柱在空气中的重力） 下冲程： Wr = f r L( s l ) g = q Lg （即杆柱在液体中的重力）,Wl = ( f p f r ) Ll g,作用在柱塞上的液柱载荷,上冲程 游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为：,下冲程 游动阀打开，液柱载荷作用于油管，而不作用于悬点。,沉没压力(泵口压力)对悬点载荷的影响,上冲程 在沉没压力作用下，井内液体克服泵入口设备的阻力进入泵内， 此时液流所具有的压力即吸入压力。吸入压力作用在柱塞底部产生向上 的载荷:,下冲程 吸入阀关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响。,Wi = pi f p = ( pn pi ) f p,井口回压对悬点载荷的影响 液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压对悬点将产生附加的载荷。,Phu = ph ( f p f r ) Phd = ph f r,上冲程：增加悬点载荷: 下冲程：减小抽油杆柱载荷:,2.动载荷(惯性载荷、振动载荷) 惯性载荷(忽略杆液弹性影响) 抽油机运转时，驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，因而产生抽 油杆柱和液柱的惯性力。,Wr g,a A,I r =,抽油杆柱的惯性力：,Wl g,a A,I l =,液柱的惯性力：,f p fr ftf fr, =,为油管过流断面变化引 起液柱加速度变化的系数,上冲程:前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下，从而增,加悬点载荷；后半冲程中加速度为负，即加速度向下，则惯性力向,上，从而减小悬点载荷。,悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的。,下冲程:与上冲程相反，前半冲程惯性力向上，减小悬点载荷；后半冲程,惯性力向下，将增大悬点载荷。, (1 + ) =,Wr S N ,r ,1 + , (1 ) = Wr,SN r, (1 + ) = Wl,1 + ,抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷,I ru =,SN 2 r 1790 l ,2 1 + = Wr g 2 30 l ,Wr S 2 r g 2 l,上冲程：,SN 2 1432,I ru = Wr,取r/l=1/4时，,2,2 r l,(1 ) 1790 l, Wr S g 2,I rd =,下冲程：,液柱引起的悬点最大惯性载荷,I lu =,SN 2 r 1790 l ,Wl S 2 r g 2 l,上冲程：,下冲程中液柱不随悬点运动，没有液柱惯性载荷 悬点最大惯性载荷,I u = I ru + I lu I d = I rd,上冲程： 下冲程：,振动载荷,抽油杆柱本身为一弹性体，由于抽油杆柱作变速运动和液柱载荷周期性 地作用于抽油杆柱，从而引起抽油杆柱的弹性振动，它所产生的振动载荷亦 作用于悬点上。其数值与抽油杆柱的长度、载荷变化周期及抽油机结构有关。 (在考虑抽油杆柱弹性时最大载荷计算时介绍),3. 摩擦载荷,(1)抽油杆柱与油管的摩擦力 (2)柱塞与衬套之间的摩擦力 (3)液柱与抽油杆柱之间的摩擦力 (4)液柱与油管之间的摩擦力 (5)液体通过游动阀的摩擦力,（杆管） （柱塞与衬套） （杆液） （管液） （阀阻力）,上冲程主要受(1)、(2)、(4)影响，增加悬点载荷 下冲程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影响，减小悬点载荷,(m + 1) ln m (m 1), =,S SN 2 60, max =,抽油杆柱与液柱之间的摩擦力 抽油杆柱与液柱间的摩擦发生在下冲程，摩擦力方向向上。阻力的 大小随抽油杆柱的下行速度而变化，最大值为：,把悬点看做简谐运动，则,主要决定因素：液体粘度和抽油杆的运动速度。 液柱与油管间的摩擦力 上冲程时，游动阀关闭，油管内的液柱随抽油杆柱和柱塞上行，液 柱与油管间发生相对运动而引起的摩擦力的方向向下，故增大悬点载荷。,Frl 1.3,Ftl =,2 2, max,m 2 1,Frl = 2L,d t d r,m =,7.2910 fo,Frt = f N,杆管摩擦力：,液体通过游动阀产生的阻力：,2,3 2 (SN ),1 l f p 2 2,Fv = l hf p g =,抽油杆柱载荷、液柱载荷及惯性载荷是构成悬点载荷的三项基本载 荷。稠油井内存在摩擦载荷及大沉没度的井沉没压力产生的载荷；在低 沉没度井内，由于泵的充满程度差，会发生柱塞与泵内液面的撞击，将 产生较大冲击载荷，从而影响悬点载荷。, 140,0.94d p de,Fp =,柱塞与衬套之间的摩擦力：,小于1717N,Wr SN r,(1 + ),SN r,(1 ),2,1790 l,Pmax,(1 + ),= Wr + Wl + I ru = qr L + ( f p f r ) Ll g +,(二)悬点最大和最小载荷 1.计算悬点最大载荷和最小载荷的一般公式 最大载荷发生在上冲程，最小载荷发生在下冲程，其值为：,在下泵深度及沉没度不很大，井口回压及冲数不高的稀油直井内，在计算最大,和最小载荷时，通常可以忽略Pv、Fu、Pd、Pi、Ph及液柱惯性载荷，则：,Wr = (qr L f r L l ) g Wl = f p L l g,令：,r l,则： Pmax,Wr SN 2 1790,= Wr + Wl +,2,1790 l,Pmin =Wr+ I rd = qr Lg Wr,v i,v,Pmax = Wr + Wl + I u + Phu + Fu + P P Pmin = Wr + I d Phd Fd P,3-29 3-30,除了液柱和抽油杆柱产生的静载荷之外，液柱的加载还会在抽油杆柱上引,起振动载荷。,初变形期末抽油杆柱运动，液柱加载引起的纵振产生的振,2.考虑抽油杆柱弹性时悬点最大载荷的计算 初变形期：从上冲程开始到液柱载荷加载完毕的过程。 初变形期之后，抽油杆柱带着活塞随悬点做变速运动。在此过程中，,动 载 荷,动载荷 抽油杆柱做变速运动所产生的惯性载荷 忽略液柱对抽油杆柱动载荷的影响, t,2 u,2 x 2, 2u 2,= a,抽油杆柱自由纵振产生的振动载荷 在初变形期末激发起的抽油杆的纵向振动微分方程为:,= 0;,x =0,u,= 0,x = L,u x,边界条件,u t =0 = 0;,x L, u t,= ,t = 0,初始条件,抽油杆柱的自由纵振在悬点上引起的振动载荷为:,2,8Ef rV 2 a,u x,sin(2n + 1) 0 t,(1) n (2n + 1),=,Fv = Ef r, n =0,x =0,用分离变量法求解为：,2n + 1 x 2 L,sin( 2n + 1 )0t sin,( 1 )n ( 2n + 1 )3, 8V 0 2,u( x ,t ) =, n =0,坐标原点选在悬点,振动载荷是,的周期函数。, 0 t,v,Ef r a,Fv max =,上式悬点的振动载荷绘图如下:,2,8Ef rV 2 a,u x,sin(2n + 1) 0 t,(1) n (2n + 1),=,Fv = Ef r, n =0,x =0, 5 最大振动载荷发生在 2 2 尼，振动将会随时间衰减，故最大振动载荷发生在 处， 2 即： tm = = a,振动时，dx微元段的轴向伸长 。,x,该微元段的应变为 x,，对应的轴向,式(4)带入式(2),令 a = ,2 u,杆的纵向振动 假设杆的长度为L，密度为，横截面积为S，弹性模量为E， 设杆的横截面在纵向振动中始终保持干面，略去杆的纵向伸缩而 引起的横向变形。设杆上距原点x处在时刻t的纵向位移为u(x,t), u dx 模型见图。从弹性体上提取一微元段dx，该微元段的振动方程为：,P x,= P +, 2u t 2,Sdx,ma = F,P x,=, 2u t 2,S,内力为：,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,牛顿第二定律,dx P (1),(3),(2),(4),(5), 2 cos (t ),S 2, 2 cos t,a0 =,简谐运动时，悬点加速度为：,x a,S 2,ax =,抽油杆柱距悬点x处的加速度为：,抽油杆柱的惯性载荷 初变形期之后抽油杆柱随悬点做变速运动，必然会由于强迫运动而在 抽油杆柱内产生附加的动载荷。为了使问题简化，把强迫运动产生的动载 荷只考虑为抽油杆柱随悬点做加速度运动而产生的惯性载荷。 惯性载荷的大小取决于抽油杆柱的质量、悬点加速度及其在杆柱上的 分布。悬点加速度的变化规律决定于抽油机的几何结构。, 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处单元体上的惯性力将为：,积分后可得任一时间作用在整个抽油杆柱L上的总惯性力：,=n 0 (2n + 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+,悬点最大载荷 初变形期后，悬点载荷P是抽油杆柱载荷、液柱载荷、振动和惯性载 荷叠加而成，即: ,Ef r S t0为初变形期经历的时间,取最大振动载荷出现的时间为悬点出现最大载荷的时间,则得到计 算悬点最大载荷的公式：,L a,t m =,=, 2 0, = . = sin ,sin( +,) (1 ) sin ,),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况下，初变形期末柱塞对悬点的相对运动速度 等于悬点运动速度，即 s s 2 2 油管下端固定时悬点最大载荷为：,b.油管下端未固定,初变形期末悬点运动速度：, sin ,S 2, =,初变形期末柱塞对悬点的相对运动速度将小于悬点运动速,度，并且：,S 2, ,L a,Ef r S a 2 ,Pmax = Wr + Wl +,油管下端未固定时悬点最大载荷为：,SN r,Pmax = (Wr l)1 +,+ W,P,P,P,P,= (Wr l)1 +,+ W,SN 2 ,1790 ,3.计算悬点最大载荷的其它公式,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 +,一般井深及低冲数油井,简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷,简谐运动、杆柱惯性载荷,简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷,二、曲柄轴扭矩计算及分析 (一)计算扭矩的基本公式 抽油过程中减速箱输出轴(曲柄轴)的扭矩M等于曲柄半径与作用在曲柄,销处的切线力T的乘积，即：,M = rT,图3-17,抽油机几何尺寸与曲销受力图,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 ,复合平衡抽油机：,r sin sin ,P,a b, Wcr sin ,M cr =,曲柄平衡抽油机：,),r sin sin ,a c b b,c a A a g,游梁平衡抽油机：,不同平衡方式的抽油机扭矩精确计算相关式,作业题：上述公式的详细推导。,提示：参考相关论文。,图3-17,抽油机几何尺寸与曲销受力图,M com = TF P ( B + Wb ) M c max sin ,M wb = TF P ( B + Wb ),TF = =,b sin ,a sin r,Mp P,c a M cr = TF ( P B) M c max sin c a,复合平衡抽油机: 曲柄平衡抽油机： 游梁平衡抽油机：,扭矩因数：悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩与悬点载荷的比值。,抽油机结构不平衡值B：等于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁处于水平,位置而需要加在光杆上的力。(方向向下为正),不同平衡方式的抽油机扭矩简化计算相关式 简化条件：忽略游梁摆角和游梁平衡重惯性力矩的影响。,TF = =,b sin ,(二)扭矩因数计算,a sin r,Mp P,图3-17,抽油机几何尺寸与曲销受力图,b 2 + L2 k 2 r 2 + 2kr cos( + 0 ) 2bL, = cos1, = 360 + + ( + 0 ),扭矩曲线, b 驴头在下死点位置时的 角, t驴头在上死点位置时的 角 随角而变的b和K之间的夹角, b b t,PR =,冲程百分数：,实测示功图,(三)悬点位移与曲柄转角的关系 抽油机运动规律 悬点载荷与曲柄,转角的关系 扭矩因素与曲柄 转角的关系,图3-18 濮1-3井扭矩曲线,1.净扭矩；2.油井负荷扭矩；3.曲柄平衡扭矩,(四)扭矩曲线的应用 1.检查是否超扭矩及判断是否发生“背面冲突”,平衡条件： M u max = M d max N ( ) = M ( ),2.判断及计算平衡 3.功率分析 减速箱输出的瞬时功率:,2 0,2 0,1 2,1 2,M ( )d,N ( )d =,N r =,减速箱的平均输出功率：,电动机输出的平均功率： 电动机输入的平均功率：,Nr cyj Nmo m,N mo = N mi =,4.效率分析,电机、皮带传动、减速箱的效率分析。,Ce = B + Wb +,S 4,S 2,M max I =,( Pmax Ce ) =,( Pmax Pmin ),(1) 抽油机悬点运动简化为简谐运动 (2) 忽略抽油机系统的惯性和游梁摆角的影响 (3) 最大峰值扭矩发生在曲柄转角为90时,简化条件：,有效平衡值 Ce ：抽油机结构不平衡重及平衡重在悬点产生的平衡力。它 表示了被实际平衡掉的悬点载荷值。,在平衡条件下：,( Pmax + Pmin ) 2,Ce =,b a,c a,(Wcb R + Wc Rc ) / r,(五)最大扭矩计算公式 1.根据扭矩曲线计算最大扭矩 2.计算最大扭矩的近似公式,HPH = =,QLg 86400,Ql l Lg 86400,WlSn 60 1000,HPPR =,(3) 光杆功率计算的近似计算：,（二）抽油效率计算 水力功率：在一定时间内将一定量的液体提升一定距离所需要的功 率。,光杆功率：通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率。,Asnc 100 l 60 1000,HPPR =,(1) 根据实测示功图准确计算：,(2) 根据示功图准确计算光杆平均功率。,HPPR N m,=,地面,地面效率：,电动机效率,皮带和减速箱效率,四连杆机构效率 盘根盒效率,抽油杆效率 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,人工举升理论,人工举升理论 讲课：王海文 单位：中国石油大学（华东） 石油工程学院 邮件： 办公：工科楼B座414室 地点：石油大学青岛校区 时间：2009年3-4月,硕士研究生课程,（续）,2, = Q / Qt,人工举升理论 第四节 泵效计算 泵效：在抽油井生产过程中，实际产量与理论产量的比值。,影响泵效的因素,(1) 抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩,S p S,入 =,(2) 气体和充不满的影响 (3) 漏失影响,V液 V活, =,(4) 体积系数的影响,1 Bl,B =,地面产液量,3,人工举升理论 一、柱塞冲程 交变载荷作用 抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩 柱塞冲程小于光杆冲程 泵效小于1 (一)静载荷作用下的柱塞冲程 液柱载荷交替地由油管转移到抽油杆柱和由抽油杆 柱转移到油管，使杆柱和管柱发生交替地伸长和缩短。 抽油杆柱和油管柱的自重伸长在泵工作的整个过程,中是不变的，它们不会影响柱塞冲程。,WLL 1 1,4,),( +,( + E f r tf,) =,f p l L f g L L E f r ft, =,冲程损失计算式：,人工举升理论 冲程损失： = r + t 柱塞冲程： S p = S (r + t ) = S ,Li,+ ,人工举升理论,(,),m i=1 fri,f p l Lf g L E ft,多级抽油杆的冲程损失： =,冲程损失的影响因素分析： (1) 油层供液状况和生产流体的性质； (2) 抽油杆和油管的性质、组合； (3) 下泵深度； (4) 抽油泵的规格。 5,6,人工举升理论 (二)考虑惯性载荷后柱塞冲程的计算 当悬点上升到上死点时，抽油杆柱有向下的(负的)最大 加速度和向上的最大惯性载荷，抽油杆在惯性载荷的作用下 还会带着柱塞继续上行 。 当悬点下行到下死点后，抽油杆的惯性力向下，使抽油 杆柱伸长，柱塞又比静载变形时向下多移动一段距离 。, i = + ,柱塞冲程增加量：,上冲程： = =,W r SN L,下冲程： = =,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 +,由于抽油杆柱上各点所承受的惯性力不同，计算中近似,取其平均值，即：,人工举升理论 根据虎克定律，惯性载荷引起的柱塞冲程增量为：,因此，考虑静载荷和惯性载荷后的柱塞冲程为：,) ),r l r l,I rd L 2 f r E I rd L 2 f r E,(1 (1 +,2 2 1790 f r E 2 2 1790 f r E,人工举升理论 (三)抽油杆柱的振动对柱塞冲程的影响 液柱载荷交变作用,抽油杆柱变速运动 理论分析和实验研究表明：抽油杆柱本身振动的相位在上 下冲程中几乎是对称的，即如果上冲程末抽油杆柱伸长，则下 冲程末抽油杆柱缩短。因此，抽油杆振动引起的伸缩对柱塞冲 程的影响是一致 ，即要增加都增加，要减小都减小。其增减 情况取决于抽油杆柱自由振动与悬点摆动引起的强迫振动的相 位配合。 8,抽油杆柱振动,抽油杆柱变形,9,人工举升理论,因此，抽油杆 柱振动对柱塞冲程,的影响存在着冲次、 冲程配合的有利与 不利区域。,超冲程现象, = =,10,法打开，出现抽不出油的现象。,余隙比： K = Vs / V p 气锁：抽汲时由于气体在泵内压缩和膨胀，吸入和排出阀无, K =,1 KR 1 + R,1 + K 1 + R,Vl V p,b,人工举升理论 二、泵的充满程度 条件： Pin P 充满系数：, K =,1 KR 1 + R,1 + K 1 + R, =,人工举升理论 泵充满程度的影响因素分析：,泵吸入口 压力,(1) 生产流体的性质气液比 R愈小，就越大。增加泵的沉没深度或使用气锚。 下死点静止状态下柱塞 与泵吸入口的距离 (2) 防冲距 K值越小，值就越大。尽量减小防冲距，以减小余隙。 11,人工举升理论 三、泵的漏失,(1) 排出部分漏失 (2) 吸入部分漏失 (3) 其它部分漏失,影响 泵效 漏失,如油管丝扣、泵的连接部分及泄油器不严等 漏失很难计算，除了新泵可根据试泵实验测试结 果和相关式估算外，泵由于磨损、砂蜡卡和腐蚀所产 生的漏失以及油管丝扣、泵的连接部分和泄油器不严 等所产生的漏失很难计算。 12,De g H,De g H,12, De p,2,13,人工举升理论 柱塞与衬套间隙漏失计算,3 12 l,静止条件下的漏失量：q1 =,q 86400 B Qt,L = 1 ,1,l,1 2,.,3,总漏失量为：q = q1 q2 =,所以只考虑柱塞间隙漏失时，漏失系数为：,14,人工举升理论,四、提高泵效的措施,(1)选择合理的工作方式,选用长冲程、慢冲次，减小气体影响，降低悬点载 荷，特别是稠油的井。,连喷带抽井选用大冲数快速抽汲，以增强诱喷作用。,深井抽汲时，S和N的选择一定要避开不利配合区。,(2)确定合理沉没度。,(3)改善泵的结构，提高泵的抗磨、抗腐蚀性能。 (4)使用油管锚减少冲程损失,(5)合理利用气体能量及减少气体影响,15,人工举升理论,1 2 3,a,简单气锚,1孔眼； 2吸入管； 3外筒,4 5 6 7,b,井下分离器,4中心管； 5外筒； 6套管；,气,7封隔器 油,重 力 式 气 锚,分,离 原,理,16,人工举升理论,旋流分离器,利用离心力原理分离气液（固）体。,气液（固）混合物由切线方向进入分,离器后，沿分离器筒体旋转，产生离心力。 离心力与液（固）体颗粒的密度成正比。 液（固）体颗粒的密度比气体大得多，于 是液（固）体颗粒就被抛到外圈（靠近器 壁），较轻的气体则在内圈。被抛在外圈 的液（固）体颗粒继续旋转，并向下沉 淀，最后到达锥形管聚集后从下部出口放 出，内圈的气体则从上部出口放出。,人工举升理论,Pmax f r,=, max,Pmin f r,=, min,第五节,有杆抽油系统设计,一、抽油杆强度计算及杆柱设计 抽油杆设计：抽油杆柱的长度、直径、组合及材料。 抽油杆柱工作时承受着交变负荷所产生的非对称循环应 力作用。,在交变负荷作用下，抽油杆柱往往是由于疲劳而发生 破坏，而不是在最大拉应力下破坏。因此，抽油杆柱必须 根据疲劳强度来进行计算 17,18,人工举升理论, 1 K, 1 =, c = a max,Pmax Pmin 2 f r,=, max min 2, a =,强度条件：, c 1 ,(一)抽油杆强度计算方法 1.奥金格公式,折算应力=许用应力,许用应力幅,对称循环疲劳极限应力/安全系数,循环应力幅,图3-29,修正古德曼图,安全区,人工举升理论 2.修正古德曼图 T 4 强度条件： max all,100% 19, max min all min,PL =,应力范围比：,抽油泵 套管,PL1 = PL 2 = . 20,人工举升理论 (二)抽油杆柱设计步骤 (1) 不等强度设计方法 PLi 100% 油管,(2) 等强度设计方法 PLi 100%,21,人工举升理论,二、有杆抽油井生产系统设计,有杆抽油系统组成：(1) 油层,有杆抽油系统设计内容：,(2) 井筒,(3) 采油设备(机、杆、泵等) (4) 地面出油管线,(1) 油井流入动态计算；,(2) 采油设备(机、杆、泵等)选择；,(3) 抽汲参数(冲程、冲次、泵径和下泵深度等)确定； (4) 工况指标预测。,有杆抽油系统设计目标： 经济、有效地举升原油。,22,人工举升理论,(1) 油井和油层数据；,(2) 流体物性参数；,(3) 油井生产数据。,有杆抽油系统设计理论基础：节点系统分析方法,有杆抽油系统设计基础数据：,有杆抽油系统设计依据： 油藏供液能力,人工举升理论,Pwf,hf,有杆抽油井生产系统设计思路： Pc Pt P、T,Pin,hpump h qi q,Pout Pwfi,(1) IPR计算 (2) qi Pwfi (3) 温度场计算,(4) Pwfi,Pin,0,(5) hf 计算 (6) Pt Pout (7) 抽油杆柱设计 (8) 泵效分析 (9) 产量迭代计算 (10) 工况指标计算 23,24,人工举升理论,抽油机井生产节点系统分析,1.抽油机井生产系统的组成,(1)油气层子系统,(2)井筒子系统,(3)地面集输子系统,(4)采油设备子系统,稳定工作条件：协调,25,人工举升理论 2.节点系统分析方法 节点系统分析法：应用系统工程原理，把整个油 井生产系统分成若干子系统，研究各子系统间的相互 关系及其对整个系统工作的影响，为系统优化运行及 参数调控提供依据。 节点系统分析实质：协调理论在采油应用方面的发展,协 调 条,件,质量守恒 能量(压力)守恒,热量守恒,26,2,1,4 3,5,人工举升理论 3.抽油机井生产系统节点的设置 6,分离器 7 求解点：为使问题获得解决的节点。 求解点的选择：下泵处。,27,人工举升理论 4.优化设计思路 利用数值模拟（仿真）的思路，对油井生产设备和 技术可行的各种生产配置的可能性进行全面计算分析， 使得优化结果具有很强的可操作性，同时具有敏感性分 析作用。,四点条件：,油井流入动态 抽油设备 抽汲参数 优化目标,28,开,始,基础数据准备 油井产能（IPR 曲线）计算 抽油设备使用范围及规格的确定,i=0 设计方案的落实（n 个方案）,井筒中流体压力、温度及物性分布计算,抽油杆柱设计 抽油泵泵效组成分析 抽油工况指标预测,i=n,设计目标的确定 i=i+1 数据结果存储与输出,结,束,N,Y,人工举升理论 5.有杆抽油井生产系统设计框图,人工举升理论,三、钢杆-玻璃钢杆组合杆柱抽油技术,玻璃钢杆优点,(1) 重量轻，可减少设备投资，节省能源和增加下泵深度。,(2) 弹性好，可以实现超冲程。,(3) 耐腐蚀，可减少断脱事故。,玻璃钢杆缺点,(1) 价格贵：是钢质抽油杆的1.61.8倍。,(2) 不能承受轴向压缩载荷，使用温度不能超过93.3。,(3) 报废杆不能溶化回收利用。,目前钢玻璃钢组合杆柱设计理论与普通全钢杆设计相同29。,30,人工举升理论,第六节 有杆抽油系统工况分析,(1) 了解油层生产能力及工作状况，分析是否已发挥了油层潜 力，分析、判断油层不正常工作的原因；,(2) 了解设备能力及工作状况，分析设备是否适应油层生产能 力，了解设备潜力，分析判断设备不正常的原因；,(3) 分析检查措施效果。,分析目的：油层与抽油设备协调，油井高效生产。,分析内容：,31,人工举升理论,一、抽油井液面测试与分析,相对应的压力差。,（一）动液面、静液面及采油指数 静液面（Ls或Hs）：对应于油藏压力。 动液面（Lf或Hf）：对应于井底压力 流压 沉没度hs：根据气油比和原油进泵压 力损失而定。 生产压差：与静液面和动液面之差,图3-25,静液面与动液面的位置,=,32,Q Q L f Ls H s H f,K =,采油指数：,人工举升理论 折算液面：把在一定套压下测得的液面折算成套管压力为 零时的液面，即： pc o g,L = L1,人工举升理论,(二)液面位置的测量,测量仪器：回声仪 测量原理：利用声波在环形空间流体介质中的传播速度 和测得的反射时间来计算其位置： L = Vt / 2 1.有音标的井,图3-26,声波反射曲线,L1 t1 / 2,V =,图3-25,t t1 33 静液面与动液面的位置,34,KP ,V =,ZRT,m ,PV =,ZK,T go,V = 16.95,人工举升理论 2.无音标井 根据波动理论和声学原理，声波在气体中的传播速度为：,利用气体状态方程确定气体密度： P 因为： = m/V 则： = ZRT ZRTK 声波速度为： V = ,简化为：,35,人工举升理论 (三)含水井油水界面及工作制度与含水的关系 含水井正常抽油时，油水界面稳定在泵的吸入口处。 低气油比含水油井：在泵下加深尾 管来降低流压，提高产量。 低含水高气油比井(除带喷者外)： 加深尾管会降低泵的充满系数， 因为进入尾管后从油中分出的气 体将全部进入泵内。,图3-27,含水井的油水界面,思考题：上述说法的理由？,36,人工举升理论,抽油井工作制度与含水的变化关系,当油层和水层压力相同(或油水同层)时，油井含水不随工作 制度而改变；,当出油层压力高于出水层压力时，增大总采液量(降流压)， 将引起油井含水量的上升；,当水层压力高于油层压力时，加大总采液量，将使油井含 水量下降。,确定含水井工作制度时：对油水层压力相同及水层压力 高于油层压力的井，把产液量增大到设备允许的抽汲量是 合理的。利用油井在不同工作制度下产液量与含水的变 化情况来判断油水层的压力关系。,37,人工举升理论,二、地面示功图分析,示功图：载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图。 地面示功图或光杆示功图：悬点载荷与位移关系的示功图。 (一)理论示功图及其分析 1.静载荷作用下的理论示功图 循环过程： 下死点A 加载完成B 上死点C 卸载完成D 下死点A,图3-28,静载理论示功图,38,人工举升理论,图3-28,静载理论示功图,二、地面示功图分析 (一)理论示功图及其分析 1.静载荷作用下的理论示功图 ABC为上冲程静载荷变 化线。 AB为加载过程，加载过 程中，游动凡尔和固定 凡尔处于关闭状态；在 B点加载完毕，变形结 束，柱塞与泵筒开始发 生相对位移，固定凡尔 打开而吸入液体。,BC为吸入过程（BC=Sp 为泵的冲程），游动凡 尔处于关闭状态。,39,人工举升理论,图3-28,静载理论示功图,二、地面示功图分析 (一)理论示功图及其分析 1.静载荷作用下的理论示功图 CDA为下冲程静载荷变 化线。 CD为卸载过程，游动凡 尔和固定凡尔处于关闭 状态；在D点卸载完 毕，变形结束，柱塞与 泵筒发生向下相对位 移，游动凡尔被顶开、 排出液体。,DA为排出过程，固定凡 尔处于关闭状态。,40,人工举升理论 2.考虑惯性载荷后的理论示功图,图3-29,考虑惯性和振动后的理论示功图 S/2,41,人工举升理论 (二)典型示功图分析 典型示功图：某一因素的影响十分明显，其形状代表了该 因素影响下的基本特征的示功图。 1.气体和充不满对示功图的影响,图3-30 有气体影响的示功图,气体影响示功图,D D S, g =,AD AD, =,充满系数：,气锁,42,起抽油设备受力急剧变化的现象。,人工举升理论 充不满影响的示功图 充不满现象：地层产液在上冲程末未充满泵筒的现象。 图3-31 充不满的示功图 液击现象：泵充不满生产时，柱塞与泵内液面撞击引,43,人工举升理论,2.漏失对示功图的影响, 排出部分的漏失,图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,人工举升理论, 吸入部分漏失,图3-33 吸入凡尔漏失,S ped = DA,柱塞的有效吸入行程：, = DA / S,泵效：,45,人工举升理论,图3-34,吸入凡尔严重漏失,46,人工举升理论,吸入部分和排出部分同时漏失,图3-35 吸入凡尔和排出凡尔同时漏失,47,人工举升理论,3.柱塞遇卡的示功图,柱塞在泵筒内被卡死在某一位置时，在抽汲过程中柱塞无法 移动而只有抽油杆的伸缩变形，图形形状与被卡位置有关。,图3-36 活塞卡在泵筒中部,48,人工举升理论 4.带喷井的示功图 在抽汲过程中，游动阀和固定阀处于同时打开状态，液 柱载荷基本加不到悬点。示功图的位置和载荷变化的大小取 决于喷势的强弱及抽汲液体的粘度。,图3-37 喷势强、油稀带喷,图3-38 喷势弱、油稠带喷,49,hC b q r g,L =,位置取决于断脱点的位置。,人工举升理论 5.抽油杆断脱 抽油杆柱的断脱位置可 根据下式来估算：,图3-39 抽油杆断脱 抽油杆断脱后的悬点载荷实际上是断脱点以上的抽油杆 柱重量，只是由于摩擦力，才使上下载荷线不重合。图形的,图3-42 管式泵活塞脱出工作筒,人工举升理论 图3-40 出砂井 50,6.其它情况 图3-43 防冲距过小活塞碰 固定凡尔的示功图 图3-41 结蜡井,人工举升理论 三、抽油机井工况诊断技术 抽油机井工况诊断技术：,抽油井计算机诊断的内容： 计算抽油杆柱断面上的应力分布和示功图； 估算泵口压力； 判断油井潜能； 计算活塞冲程和泵效； 检验泵及油管锚的机械状况； 计算和绘制扭矩曲线，并进行平衡和功率的计算与分析。 51,光杆示 功图,数学模型 计算机,井下示 功图,抽油设 备工况,52,抽油杆 抽油泵,井下动态信 号的传导线 信号发送器,力 波 设备工况,人工举升理论 (一)诊断技术的理论基础 示功仪 信号接收器 信号记录 应, 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,= a,人工举升理论 应力波在抽油杆柱中传播过程可用带阻尼的波动方程描述：,用以截尾傅立叶级数表示的悬点动负荷函数D(T)及光杆 位移函数U(t)作为边界条件：,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,人工举升理论 n = 0,1,2L n n = 1,2,L n n = 0,1,2,L n n = 1,2,L n, T T T T , n = n = n = n =,用分离变量法，可得抽油杆柱任意深度 x 断面的位移随,时间的变化：,n n,n r n =1,0 0,U ( x, t ) =,根据虎克定律：,U ( x, t ) x,F ( x, t ) = EAr,抽油杆柱任意深度断面上的动负荷函数随时间的变化为：,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 a 2, n n n n EAr ( n + n ),n =, n n + n n 2 2,K n =, n = n =,人工举升理论 抽油杆柱任意深度断面上的动负荷函数随时间的变化为：,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 + n sh n x) sin n x,56,人工举升理论,抽油杆柱系统的阻尼力：粘滞阻尼力、非粘滞阻尼力。,粘滞阻尼力：(1) 杆、接箍与液体之间的粘滞摩擦力；,非粘滞阻尼力：(1) 杆、接箍与油管之间的非粘滞性摩擦力；,阻尼系数确定,(2) 泵阀的流体压力损失等。,(2) 光杆与盘根之间的摩擦力；,(3) 泵柱塞与泵筒之间的摩擦损失等。,2 1 4, r r ln m B2,m 1,57,人工举升理论,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,真实 阻尼,每一个循环中系统消除等值阻尼力时 的能量与消除真实阻尼时的能量相同,等值 阻尼,58,人工举升理论,(二)诊断技术的应用,1.判断泵的工作状况及计算泵排量,2.计算各级杆柱的应力和分析杆柱组合的合理性,3. 计算和分析抽油机扭矩、平衡及功率,4.估算泵口压力及预测油井产量,5.判断油管锚或封隔器固定油管的有效性,59,人工举升理论 (三)诊断技术的发展状况 (1) Gibbs S G.一维带阻尼的波动方程(1966年） 主要特点：考虑了抽油杆的惯性，而忽略了液柱的惯性； 目前计算机诊断技术的理论基础。 (2) Doty D R. & Smith Z.二维预测模型(1981年) 主要特点：同时考虑了抽油杆和液柱的惯性。 (3) 余国安等三维振动预测模型(1989年) 主要特点：同时考虑了杆、液、管的惯性与振动。 (4) 示功图识别技术的发展 人工智能(AI)技术。使用模式识别技术、专家系统及神,经网络技术来判断泵的工作状况。,60,人工举升理论,附录A：API RP 11L 方法,计算内容：(1)柱塞冲程；(2)泵排量； (3)光杆最大载荷；,(4)光杆最小载荷；(5)最大扭矩；(6)光杆马力；,(7)有效平衡值。,特点：(1) 经API专家组推荐，于1967年公开发表；,(3) 由以无因次量表示的一系列图表和简单计算公 式所组成；,(2) 归纳和总结了电模拟研究成果；,(4) 以公报形式发表了1100多张以无因次量表示的模 拟示功图，可用类比分析。,61,人工举升理论,一、基本假设,(1) 普通型游梁式抽油机； (2) 低滑差，即转数随负载变化很小的硬特性电动机； (3) 模拟的是上粗下细的级次杆； (4) 泵完全充满(没有气体影响)； (5) 井下摩擦正常； (6) 油管锚定； (7) 抽油机完全平衡，且传动效率为100%； (8) 未考虑具体抽油机的几何特性； (9) 计算最大扭矩时，认为最大、最小载荷发生在曲,柄位于75和285 处。,二、基本示功图,最大载荷,人工举升理论 考虑动载的 示功图,静载示功图 最小载荷 最大载荷系数 最小载荷系数 62,63,人工举升理论,三、自学要求,(1) 基本示功图上各符号的意义；,(2) 杆、管弹性常数和弹簧常数的物理意义；,(3) 五个无因次变量的物理意义； (4) 图3-52图3-57的特征。,例如：图3-52和图3-53(p174175),