石油工程-畢業(yè)論文-抽油泵合理沉沒(méi)度的研究

抽油泵合理漂浮度的研究抽油泵合理漂浮度的研究摘要機(jī)抽井泵的漂浮度是影響泵效和系統(tǒng)效率的重要因素。通過(guò)分析有桿泵抽油系統(tǒng)的能耗，以機(jī)采系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)，確立了機(jī)采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，同時(shí)分析泵效對(duì)機(jī)采系統(tǒng)效率的影響以及影響泵效的因素，給出了漂浮度和其他抽汲參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。用結(jié)果說(shuō)明，以優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)確定泵的漂浮度，可明顯降低能耗，提高系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)效益，為油田生產(chǎn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。關(guān)鍵詞：漂浮度；系統(tǒng)效率；抽汲參數(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì) ABSTRACTThesubmergencedepthofoilwellpumpisanimportantparameterthataffectstherodpumpefficiencyandsystemefficiency.Energyconsumptionofthestaffrodpumpingsystemwasanalyzed.Regardingsystemefficiencyastheoptimalobject,theobjectfunctionandconstrainingconditionsofthesystemoptimaldesignwereestablished.Theeffectofthepumpefficiencyonsystemefficiencyandthefactorsaffectingthepumpefficiencywereanalyzed.Theoptimaldesignmethodsofsubmergencepumpdepthandotherswabbingparameterswerepresented.Theapplicationresultsshowthatthesystemefficiencyandtheeconomicbenefitareenhancedbythesubmergencedepthoptimaldesign.Keywords:submergencedepth;systemefficiency;swabbingparameter;optimizationdesign

目錄第一章引言 11.1漂浮度的定義 11.2漂浮度對(duì)油井生產(chǎn)的影響 11.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì) 31.4提高機(jī)采系統(tǒng)效率的對(duì)策分析 41.5研究?jī)?nèi)容及意義 4第二章泵效的影響因素 62.1柱塞沖程 62.1.1靜載荷作用下的柱塞沖程 72.1.2考慮慣性載荷的柱塞沖程 92.1.3抽油桿柱的振動(dòng)對(duì)柱塞沖程的影響 102.2泵的充滿程度 102.3泵漏失的影響 142.4提高泵效的措施 17第三章理論模型與計(jì)算方法研究 193.1合理漂浮度確定思路與主要設(shè)計(jì)方法 193.2IPR計(jì)算 193.2.1采液指數(shù)計(jì)算 193.2.2某產(chǎn)量下井底流壓的計(jì)算 203.3多相管流及物性參數(shù)計(jì)算 213.3.1物性參數(shù)計(jì)算 213.3.2多相管流壓降計(jì)算 253.4懸點(diǎn)載荷計(jì)算 253.4.1桿柱的重力 263.4.2液柱載荷 263.4.3泵口壓力對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響 273.4.4井口回壓對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響 273.4.5慣性載荷 273.4.6摩擦載荷 283.4.7振動(dòng)載荷 293.5桿柱的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原那么 293.6抽油機(jī)校核 31最大扭矩計(jì)算公式 31電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算 31第四章抽油泵合理漂浮度確實(shí)定 334.1系統(tǒng)效率分析 334.2建立最優(yōu)目標(biāo)函數(shù) 364.3求解數(shù)學(xué)模型 364.4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及結(jié)果分析 37第五章結(jié)論 41參考文獻(xiàn) 43第一章引言1.1漂浮度的定義泵下入動(dòng)液面以下的深度，泵深與動(dòng)液面的差值。漂浮度＝泵掛深度—?jiǎng)右好嫔疃绕《纫鶕?jù)油井的產(chǎn)量和動(dòng)液面來(lái)確定當(dāng)石油進(jìn)入到深井泵之前，要克服過(guò)濾器，錨、砂錨和幾爾〔閥〕的窄孔的阻力，就要求深井泵要下入到動(dòng)液面以下一定的深度，造成一個(gè)壓頭(壓頭是指動(dòng)液面與深井泵下入位置的差值的重力)。漂浮度過(guò)小，降低泵的充滿系數(shù)，沒(méi)度過(guò)大，會(huì)增加抽油機(jī)的負(fù)荷。通過(guò)實(shí)踐摸索即使油的粘度很大，服原油在井筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的全部阻力不超過(guò)一個(gè)大氣壓，以一般漂浮度為30~50米；重質(zhì)粘度大的井不少于50米；原油含氣大的井不少于80~100米；如不含氣的輕質(zhì)原油的井，沒(méi)度有20米即可。1.2漂浮度對(duì)油井生產(chǎn)的影響有桿抽油系統(tǒng)是世界石油工業(yè)傳統(tǒng)的采油方式之一，國(guó)內(nèi)外80%以上的油井采用有桿泵采油系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)。有桿泵抽油利用了一套連接井下泵和地面驅(qū)動(dòng)裝置的抽油桿柱，其主要類(lèi)型是游梁式抽油。這類(lèi)油井是本文的研究對(duì)象。正確地確定有桿抽油系統(tǒng)的抽汲參數(shù)制度〔沖程、沖次、泵徑和泵深〕可令設(shè)備在經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)充分滿足產(chǎn)液量需求并保證在平安生產(chǎn)的前提下提高設(shè)備利用率，到達(dá)節(jié)能的目的。影響有桿泵泵效及整個(gè)系統(tǒng)效率的因素很多。諸如：抽撮系統(tǒng)的生產(chǎn)能力與地層的供藏能力不匹配、油管滑失、固定閥和游動(dòng)閥漏失、抽油桿斷脫、抽油桿柱和油管彈性變形、氣體影響等。其中，正常生產(chǎn)中上、下沖程的交變載荷引起的沖程損失與抽油桿柱的長(zhǎng)度(泵掛深度)有直接的關(guān)系。在生產(chǎn)井具有穩(wěn)定動(dòng)液面的前提下，這種關(guān)系就表現(xiàn)為沖程損失與漂浮度的關(guān)系，同時(shí)在氣油比擬大的井中，由于氣體影響造成的泵效損失也不容無(wú)視。因而漂浮度的大小直接影響著泵的充滿系敷。由此可見(jiàn)，在抽汲混氣原油時(shí)，選擇合理的漂浮度是提高泵效的一個(gè)很重要的途徑，但是，有關(guān)的書(shū)籍和資料對(duì)這個(gè)問(wèn)題只是定性地提及，沒(méi)有定量的數(shù)據(jù)說(shuō)明和技術(shù)參考。有桿泵往復(fù)式抽油系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但其系統(tǒng)效率一般較低,抽汲參數(shù)是否匹配、抽油泵漂浮度是否合理對(duì)系統(tǒng)效率的影響相對(duì)較大。一般來(lái)說(shuō)，在抽油井中，抽油泵在井底所輸送的介質(zhì)是有、氣、水的混合物。其中，氣體的存在對(duì)泵工作性能的影響很大，因此，研究天然氣特別是自由氣對(duì)抽油泵排量系數(shù)的影響是提高有桿抽油設(shè)備工作有效性的一個(gè)重要問(wèn)題。為降低自由氣對(duì)抽油泵工作的影響，通常采用的方法是增加泵的漂浮深度，然而并非漂浮度越大越好。一般來(lái)說(shuō)，在抽油井中，抽油泵在井底輸送的介質(zhì)是油、氣、水的混合物，其中氣體的存在對(duì)泵的工作效率有很大的影響。因此，研究天然氣特別是自由氣對(duì)抽油泵排量系數(shù)的影響是提高有桿抽油設(shè)備工作有效性的一個(gè)重要問(wèn)題。為降低自由氣對(duì)泵的工作性能的影響，通常采用的方法是增加泵的漂浮深度。漂浮度增加，那么泵的入口壓力增加，減少了自由氣對(duì)泵工作性能的影響，使抽油泵的排量系數(shù)有所提高。但是，由于泵漂浮度的增大會(huì)引起抽油桿長(zhǎng)度的加長(zhǎng)，相應(yīng)的增加了抽油桿和油管的變形，這又會(huì)使抽油泵的排量系數(shù)有所降低。同時(shí)，改變了抽油桿的長(zhǎng)度也就改變了下泵深度，這樣也就改變了泵工作位置的溫度和油的粘度，后者也會(huì)改變泵的排量系數(shù)。另外，增加下泵深度也會(huì)消耗多余的油管及抽油桿，增大了抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)載荷和電機(jī)的容量，有時(shí)還增加了抽油桿的斷脫事故和維修本錢(qián)。因此，漂浮度過(guò)大，雖然泵的充滿系數(shù)較大，但是由于抽油桿彈性伸縮加大，泵效不一定提高，而且有可能降低。眾所周知，在中、高氣油比的抽油生產(chǎn)過(guò)程中，有多種方法來(lái)減小氣體的影響以提高泵效。例如：安裝氣錨、使用井下油氣別離器以及增加漂浮度(漂浮壓力)來(lái)減少泵入口的氣體別離量等。假設(shè)已經(jīng)使用了井下防氣工具，那么增加漂浮度，提高泵入口的漂浮壓力就成為增大泵效的主要途徑。單純地從這個(gè)角度來(lái)看，漂浮度越大，越有利于提高泵效。然而，在地層供液能力充足，生產(chǎn)井具有穩(wěn)定動(dòng)液面的情況下，增加漂浮度就意昧著增大泵掛深度。如前所述，這樣做有可能對(duì)泵效產(chǎn)生不良影響。因?yàn)樵龃蟊脪焐疃群?，使抽油桿長(zhǎng)度增加和上沖程時(shí)作用在活塞上的液柱載荷增加。而靜液柱載荷越大，抽油桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)，沖程損失就越嚴(yán)重，泵效就越低。這樣，單純從影響泵效的角度出發(fā)，就出現(xiàn)了矛盾的兩個(gè)方面：一方面是增大漂浮度可提高泵的充滿系數(shù)而增加泵效；另一方面，增加漂浮度、增大沖程損失而降低泵效。解決這一問(wèn)題的唯一途徑就是通過(guò)定量分析漂浮度對(duì)兩個(gè)方面的影響程度，選擇一個(gè)最正確的漂浮度值。在這個(gè)最正確漂浮度值下得到的泵效最大。從生產(chǎn)狀況看，大多數(shù)油井液面低、漂浮度小、氣體影響大、產(chǎn)量和系統(tǒng)效率低。要想充分發(fā)揮油層潛力，又要到達(dá)節(jié)能降耗的目的，必須將漂浮度控制在合理范圍內(nèi)。在油田生產(chǎn)的中晚期，生產(chǎn)氣油比下降、含水率大幅度上升。各采油廠原有的建立于油田生產(chǎn)初期的漂浮度/泵深確實(shí)定準(zhǔn)那么已不再適應(yīng)當(dāng)前的油井工況。研究當(dāng)前各油井漂浮度及泵深的合理選擇依據(jù)對(duì)于提高產(chǎn)液的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)我國(guó)各油田對(duì)于抽油泵漂浮度都有各自的推薦值或經(jīng)驗(yàn)值，雖然并非符合各種油田，但是仍有借鑒價(jià)值。目前確定下井抽油泵合理漂浮度的方法主要有三種：(1)以最大漂浮度及最小漂浮度確定合理的漂浮度。抽油機(jī)采油時(shí)，要求泵必須有一定的漂浮度。如果泵的漂浮度太小，那么泵的吸入壓力太低，流體充不滿泵筒，而使抽油效率降低。如果泵的漂浮度太大，那么油井可能帶噴，因抽油泵舉升，而使抽油效率也降低。因此，泵的合理漂浮度應(yīng)設(shè)在最小漂浮度與最大漂浮度之間。(2)以系統(tǒng)效率最高為依據(jù)來(lái)確定合理的漂浮度。系統(tǒng)效率是衡量抽油機(jī)井管理水平的綜合性指標(biāo)，合理的漂浮度有利于提高系統(tǒng)效率。在實(shí)際的下泵深度、動(dòng)液面高度、原油物性、油井的油壓套壓等參數(shù)的條件下，由井下和地面兩局部的效率得出總的系統(tǒng)效率，再以總的效率最高為依據(jù)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。(3)以經(jīng)濟(jì)效益最高為依據(jù)來(lái)確定合理的漂浮度。研究抽油井生產(chǎn)最大經(jīng)濟(jì)效益時(shí)的漂浮度就是研究產(chǎn)出油的經(jīng)濟(jì)效益與舉升流體的耗電費(fèi)、污水處理費(fèi)等投入費(fèi)用之差所得到的純經(jīng)濟(jì)效益最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的井底流壓，合理控我國(guó)各油田對(duì)于抽油泵漂浮度都有各自的推薦值或經(jīng)驗(yàn)值，雖然并非符合各種油田，但是仍有借鑒價(jià)值。目前確定下井抽油泵合理漂浮度的方法主要有三種：(1)以最大漂浮度及最小漂浮度確定合理的漂浮度。抽油機(jī)采油時(shí)，要求泵必須有一定的漂浮度。如果泵的漂浮度太小，那么泵的吸入壓力太低，流體充不滿泵筒，而使抽油效率降低。如果泵的漂浮度太大，那么油井可能帶噴，因抽油泵舉升，而使抽油效率也降低。因此，泵的合理漂浮度應(yīng)設(shè)在最小漂浮度與最大漂浮度之間。(2)以系統(tǒng)效率最高為依據(jù)來(lái)確定合理的漂浮度。系統(tǒng)效率是衡量抽油機(jī)井管理水平的綜合性指標(biāo)，合理的漂浮度有利于提高系統(tǒng)效率。在實(shí)際的下泵深度、動(dòng)液面高度、原油物性、油井的油壓套壓等參數(shù)的條件下，由井下和地面兩局部的效率得出總的系統(tǒng)效率，再以總的效率最高為依據(jù)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。(3)以經(jīng)濟(jì)效益最高為依據(jù)來(lái)確定合理的漂浮度。研究抽油井生產(chǎn)最大經(jīng)濟(jì)效益時(shí)的漂浮度就是研究產(chǎn)出油的經(jīng)濟(jì)效益與舉升流體的耗電費(fèi)、污水處理費(fèi)等投入費(fèi)用之差所得到的純經(jīng)濟(jì)效益最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的井底流壓，合理控制流動(dòng)壓力范圍，讓抽油機(jī)井處于較高的系統(tǒng)效率和產(chǎn)量狀態(tài)下才是最合理的。1.4提高機(jī)采系統(tǒng)效率的對(duì)策分析(1)優(yōu)化抽油機(jī)井參數(shù)提高系統(tǒng)效率。針對(duì)沖程、沖次、桿柱組合等生產(chǎn)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率的影響。(2)優(yōu)化抽油機(jī)型。抽油機(jī)型選擇應(yīng)考慮油井產(chǎn)能及長(zhǎng)期生產(chǎn)的要求，滿足油井最大產(chǎn)量需要，在一定抽汲參數(shù)下生產(chǎn)時(shí)，懸點(diǎn)載荷及減速箱輸出軸的扭矩不能超過(guò)許用值，盡量防止大機(jī)小用的情況。在低產(chǎn)量井上，如產(chǎn)液量與機(jī)型不匹配，會(huì)造成過(guò)多能量浪費(fèi)。因此在滿足低產(chǎn)井生產(chǎn)(產(chǎn)量)和技術(shù)(載荷)前提下，通過(guò)優(yōu)化機(jī)型可有效提上下產(chǎn)井系統(tǒng)效率。(3)高漂浮度井實(shí)施提液優(yōu)化漂浮度。針對(duì)局部井隨注采完善注水見(jiàn)效的情況，及時(shí)采取提液措施，保證抽油機(jī)井合理的漂浮度。(4)優(yōu)化采油方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。根據(jù)油井產(chǎn)能變化合理設(shè)計(jì)的采油方式是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的又一方法，隨著有桿泵深抽配套技術(shù)的日益完善，對(duì)產(chǎn)液量低的油井考慮用大泵深抽代替小排量電泵，提高機(jī)采井系統(tǒng)效率。(5)對(duì)深抽井配套油管錨定技術(shù)減少懸點(diǎn)載荷，降低能耗。(6)試驗(yàn)應(yīng)用碳纖維桿、減載泵等新技術(shù)減少懸點(diǎn)載荷，降低能耗。(7)在高氣油比井上應(yīng)用二級(jí)采油工藝。二級(jí)采油工藝是由井下開(kāi)式別離器和自動(dòng)配氣閥組成的，該別離器能夠使抽油泵根本不受氣體影響。自動(dòng)配氣閥用來(lái)實(shí)現(xiàn)天然氣自動(dòng)分級(jí)(一般為二級(jí))舉升，有效地利用了別離于油套環(huán)型空間的天然氣能量，使配氣閥以上油管內(nèi)的液體得到二次舉升，進(jìn)一步提高舉升能力，最終到達(dá)提高泵效的目的。(8)應(yīng)用節(jié)能地面設(shè)備。隨著技術(shù)的開(kāi)展，各種新型的節(jié)能抽油機(jī)相繼出現(xiàn)，包括旋轉(zhuǎn)驢頭抽油機(jī)、特型雙驢頭抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)和摩擦換向抽油機(jī)等。1.5研究?jī)?nèi)容及意義本課題在分析有關(guān)生產(chǎn)井油氣水含量、采出液物性及油井產(chǎn)能等參數(shù)的根底上，以泵效、抽油系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)效益等綜合參數(shù)為指標(biāo)，研究抽油井的合理漂浮度。根據(jù)有關(guān)生產(chǎn)井的相關(guān)資料，確定油井產(chǎn)量和動(dòng)液面高度及其變化規(guī)律；以生產(chǎn)井的產(chǎn)量、示功圖等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)資料確定測(cè)試井的最正確采用泵型及產(chǎn)液情況〔包括對(duì)出砂、結(jié)蠟或供液缺乏等的分析〕，并優(yōu)選出幾口試驗(yàn)井；研究分析生產(chǎn)井采出液物性，確定在采出條件下的油、氣、水含量及氣體含量對(duì)泵效的影響規(guī)律；分析套壓、油壓與泵效的直接關(guān)系及其對(duì)泵效的影響規(guī)律；綜合考慮抽油井系統(tǒng)實(shí)際情況〔包括電機(jī)功率、驢頭載荷、抽油桿伸縮及油管變形等綜合因素〕，結(jié)合氣體、漏失及沖程損失的影響，確定抽油泵的合理漂浮度；以經(jīng)濟(jì)效益作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在合理漂浮度范圍內(nèi)優(yōu)選出最正確漂浮度。并得出相應(yīng)的最正確漂浮度經(jīng)驗(yàn)公式；選取假設(shè)干口實(shí)驗(yàn)井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)所得出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核，確定其可用性并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)。漂浮度從多個(gè)不同的方面影響著油井的生產(chǎn)性能和開(kāi)采本錢(qián)。因此，合理的漂浮度不僅影響抽油泵的效率,而且影響整個(gè)抽油系統(tǒng)的效率，如何確定合理的抽油泵下潛深度，是提高機(jī)采系統(tǒng)效率的重要環(huán)節(jié)，也具有研究的重要意義。第二章泵效的影響因素抽油泵的泵效η，是實(shí)際產(chǎn)量Q和理論產(chǎn)量Qt的比值。即：。影響泵效的因素很多，從泵工作環(huán)節(jié)(柱塞讓出體積、液體進(jìn)泵和從泵內(nèi)排出液體)來(lái)看，可歸納為3個(gè)方面：抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮、氣體充不滿、漏失[2]。實(shí)際產(chǎn)液量可寫(xiě)為：〔2-1〕從上述三方面出發(fā)，泵效的一般表達(dá)式可寫(xiě)為：〔2-2〕式中——考慮抽油桿和油管柱彈性伸縮后的柱塞沖程與光桿沖程之比，表示桿、管彈性伸縮對(duì)泵效的影響；內(nèi)的液體體積與柱塞讓出的泵內(nèi)體積之比，表示泵的充滿程度；——泵漏失對(duì)泵效影響的漏失系數(shù)；——由于泵效是以地面產(chǎn)出液的體積計(jì)算，那么是考慮地面原油脫氣引起體積收縮對(duì)泵效計(jì)算的影響。為吸入條件下被抽汲液體的體積系數(shù)。2.1柱塞沖程抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮主要是減小了柱塞沖程，使其小于光桿沖程，從而使泵效小于1。當(dāng)彈性伸縮量越大，泵效就越低。然而抽油桿柱的彈性伸縮量的大小，和它受到的載荷有關(guān)。漂浮度的變化，使抽油桿和液柱的靜載荷、動(dòng)荷載都會(huì)發(fā)生變化，影響了抽油桿柱的彈性伸縮量，從而影響了泵效。靜載荷作用下的柱塞沖程由于作用在柱塞上的液柱載荷在上、下沖程中交替地分別由油管轉(zhuǎn)移到抽油桿柱和由抽油桿柱轉(zhuǎn)移到油管，從而引起桿柱和管柱交替地增載和減載，使桿柱和管柱發(fā)生交替伸長(zhǎng)和縮短。當(dāng)驢頭開(kāi)始上行時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，液柱載荷作用在柱塞上，使抽油桿柱彈性伸長(zhǎng)。因此，柱塞尚未發(fā)生移動(dòng)時(shí)，懸點(diǎn)已從下死點(diǎn)移到相對(duì)位移位置〔B〕，這一段距離幾位抽油桿柱的伸長(zhǎng)。當(dāng)懸點(diǎn)位置從B移至B’時(shí)，正是油管由于卸去載荷縮短一段距離的過(guò)程。此時(shí)，柱塞與泵筒之間沒(méi)有相對(duì)位移。這段縮短距離使懸點(diǎn)增加了一段無(wú)效位移。所以，吸入閥仍是關(guān)閉的。當(dāng)驢頭從位置B’位移到上死點(diǎn)，柱塞才開(kāi)始于泵筒發(fā)生相對(duì)位移，吸入閥開(kāi)始翻開(kāi)并吸入液體，移至到上死點(diǎn)。有此看出：柱塞有效移動(dòng)距離〔柱塞沖程〕s比光桿沖程s小λ，而。下沖程開(kāi)始時(shí)，吸入閥立即關(guān)閉，液柱荷載由抽油桿柱逐漸移到油管上，使抽油桿柱縮短，而油管伸長(zhǎng)。此時(shí)，只有驢頭下行距離后，柱塞才開(kāi)始與泵筒發(fā)生相對(duì)位移。因此，下沖程柱塞仍然比光桿沖程小λ值。抽油桿柱和油管柱的自重伸長(zhǎng)在泵工作的整個(gè)過(guò)程中式不變的，因此，它們不會(huì)影響柱塞沖程。由此，柱塞沖程：〔2-3〕式中——沖程損失。由于液柱荷載引起的沖程損失使泵效降低的數(shù)值為：〔2-4〕λ值可根據(jù)胡克定律來(lái)計(jì)算：〔2-5〕如果為多級(jí)抽油桿，那么：〔2-6〕式中λ——沖程損失，m；——考慮漂浮度影響后的液柱荷載，為上、下沖程中靜載荷之差，Ｎ；——泵的排出壓力，Pa；——泵的吸入壓力，Pa；、、——柱塞、抽油桿及油管金屬的橫截面積，m2；L——抽油桿柱總長(zhǎng)，m；——液體密度，kg/m3；E——鋼的彈性模量，2.061011Pa；L——?jiǎng)右好嫔疃?，m；——抽油桿柱級(jí)數(shù)；L——第級(jí)抽油桿柱的長(zhǎng)度，m；——第級(jí)抽油桿柱的截面積，m2。由式〔2-5〕和〔2-6〕可以看出：柱塞面積越大越大，泵下的越深，那么沖程損失越大。為了減小液柱載荷級(jí)沖程損失，提高泵效，通常不能選用過(guò)大的泵，特別是深井中選用直徑較小的泵?？紤]慣性載荷的柱塞沖程當(dāng)懸點(diǎn)上升到上死點(diǎn)時(shí)，速度趨于零，單抽油桿柱有向下的〔負(fù)的〕最大加速度和向上最大慣性載荷，使稠油桿柱減載而縮短。所以。懸點(diǎn)到上死點(diǎn)后，抽油桿在慣性力的作用下還會(huì)帶著柱塞繼續(xù)上行，使柱塞比靜載變形時(shí)間時(shí)向上多移動(dòng)一段距離。當(dāng)懸點(diǎn)下行到下死點(diǎn)后，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。因此，與只有靜載變形情況相比，慣性載荷作用使柱塞沖程增加：〔2-7〕式中——慣性載荷作用使柱塞沖程增加的數(shù)值。根據(jù)胡克定律：〔2-8〕〔2-9〕由于抽油桿柱上各點(diǎn)所承受的慣性力不同，計(jì)算中近似取平均值，取懸點(diǎn)慣性載荷的一半。將和代入式〔2-7〕中，得：〔2-10〕考慮靜荷載和慣性載荷后的柱塞沖程為：〔2-11〕式〔2-11〕亦可以寫(xiě)成：〔2-12〕式中盡管慣性載荷引起的抽油桿柱的變形使沖程增大，有利于提高泵效，單增加慣性荷載會(huì)使懸點(diǎn)最大荷載增大，最小荷載減小，使抽油桿柱受力條件變壞。所以，通常并不用增加慣性載荷的方法來(lái)增加柱塞沖程。抽油桿柱的振動(dòng)對(duì)柱塞沖程的影響根據(jù)前面的分析，液柱載荷周期性地作用在抽油桿柱上。在上沖程靜變形結(jié)束后，液柱開(kāi)始隨抽油桿柱做變速運(yùn)動(dòng)，于是引起抽油桿柱的振動(dòng)。在下沖程靜變形后，也會(huì)發(fā)生類(lèi)似現(xiàn)象。由于抽油桿柱本身振動(dòng)而產(chǎn)生的附加載荷，使抽油桿柱在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生周期性的伸長(zhǎng)和縮短，從而影響泵效。如果在上沖程末抽油桿柱本身的振動(dòng)恰好使抽油桿柱發(fā)生縮短，從而使柱塞有效沖程增加；相反，那么減小了柱塞有效沖程。抽油桿柱本身振動(dòng)越大，那么上述變化越明顯。根據(jù)理論分析和實(shí)踐證明：抽油桿柱本身的振動(dòng)的相位在上、下沖程中幾乎是對(duì)稱的，即如果上沖程末抽油桿柱伸長(zhǎng)，那么下沖程末抽油桿柱縮短；反之亦然。因此，無(wú)論是上沖程還是下沖程，抽油桿柱振動(dòng)引起的伸縮對(duì)柱塞沖程的影響都是一致的，即要增加都增加，要減小都減小。至于究竟是增加還是減小，將取決于抽油桿柱的沖程、沖數(shù)范圍內(nèi)，增加沖數(shù)時(shí)，由于振動(dòng)的影響，泵的排量增加不多，甚至不增加。這樣，對(duì)于一定范圍內(nèi)的深井，有一個(gè)配合的不利區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，由于抽油桿柱本身的振動(dòng)，將減小柱塞沖程。2.2泵的充滿程度泵在一定漂浮度條件下，高于飽和壓力時(shí)，氣體對(duì)泵的影響不大。但是，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)油井處于生產(chǎn)中后期，都是低于飽和壓力下生產(chǎn)。因此，在抽汲的是氣液混合物，氣體必然會(huì)減少入泵液體量，從而降低泵效。圖2-1有氣體影響的示功圖圖2-1有氣體影響的示功圖如圖2-1所示，由于在下沖程末余隙內(nèi)還殘存一定數(shù)量的溶解氣和壓縮氣，上沖程開(kāi)始后泵內(nèi)壓力因氣體的膨脹而不能很快降低，使吸入凡爾翻開(kāi)滯后(點(diǎn))，加載變慢。余隙越大，殘存的氣量越多，泵口壓力越低，那么吸入凡爾翻開(kāi)滯后得越多，即線越長(zhǎng)。下沖程時(shí)，氣體受壓縮，泵內(nèi)壓力不能迅速提高，使排出凡爾滯后翻開(kāi)(點(diǎn))，卸載變慢。泵的余隙越大，進(jìn)入泵內(nèi)的氣量越多，那么線越長(zhǎng)，示功圖的“刀把〞越明顯。通常采用充滿系數(shù)β來(lái)表示氣體的影響程度：〔2-13〕式中——上沖程活塞讓出的容積；——每沖程吸入泵內(nèi)的液體體積。充滿系數(shù)β表示了泵在工作過(guò)程中被液體充滿的程度。β越高，那么泵效越高。〔2-14〕式中、——活塞在上死點(diǎn)位置時(shí)，泵內(nèi)液、氣體積；——活塞讓出的體積；——活塞在下死點(diǎn)時(shí)，吸入閥與排出閥間的泵筒容積。用R表示泵內(nèi)氣液比，即，那么，那么：〔2-15〕即〔2-16〕〔2-17〕那么〔2-18〕式中——吸入泵內(nèi)的液體體積；將代入式〔2-13〕中，得：〔2-19〕令表示余隙比，那么：〔2-20〕分析式〔2-20〕可以得出如下結(jié)論：〔1〕K值越小，值就越大。因，所以，要減小K值，可使盡可能小和增大柱塞沖程以提高。因此，在保證柱塞不撞擊固定閥的情況下，盡量減小防沖距，以減小余隙。〔2〕R越小，就越大，為了降低進(jìn)入泵內(nèi)的氣液比，可增加泵的漂浮度，使原油中的自由氣更多的溶于油中；也可以使用氣錨，使氣體在泵外別離。以防止和減少氣體進(jìn)入泵。如圖2-2所示，充不滿的圖形特點(diǎn)是下沖程中懸點(diǎn)載荷不能立即減小，只有當(dāng)柱塞遇到液面時(shí)，那么迅速卸載。所以，卸載線較氣體影響的卸載線陡而直。有時(shí)，當(dāng)柱塞碰到液面時(shí)，因振動(dòng)載荷線會(huì)出現(xiàn)波浪?？焖俪榧硶r(shí)往往因撞擊液面而發(fā)生較大的沖擊載荷使圖形變形得很厲害。圖圖2-2充不滿的示功圖如果忽略余隙，即，那么K=0，那么公式〔20〕變?yōu)椋骸?-21〕〔2-22〕式中——地面生產(chǎn)汽油比；——泵內(nèi)溶解氣油比，；a——溶解系數(shù)；——漂浮壓力，MPa；——體積含水率,%。假設(shè)油層能量低或原油粘度大使泵吸入時(shí)阻力很大，那么往往使活塞移動(dòng)快，供油跟不上，油未來(lái)得及充滿泵筒，活塞就已開(kāi)始下行，出現(xiàn)所謂充不滿現(xiàn)象，從而降低泵效。對(duì)于這種情況，一般可以加深泵掛增大漂浮度，或選擇合理的抽汲參數(shù)，以適應(yīng)油層的供油能力。2.3泵漏失的影響影響泵效的漏失因素包括：排出局部漏失。柱塞與襯套的間隙漏失、游動(dòng)閥漏失，都會(huì)減少?gòu)谋脙?nèi)排出的液量。吸入局部漏失。固定閥漏失會(huì)減少進(jìn)入泵內(nèi)的液量。其他局部的漏失。盡管泵正常工作，由于油管絲扣、泵的鏈接局部及泄油器密封不嚴(yán)，都會(huì)因漏失而降低泵效。如圖2-3所示，上沖程時(shí)，泵內(nèi)壓力降低，柱塞兩端產(chǎn)生壓差，使柱塞上面的液體經(jīng)排出局部的不嚴(yán)密處漏到柱塞下部的工作筒內(nèi)，漏失速度隨柱塞下面壓力的減小而增大。由于漏失到柱塞下面的液體有向上的“頂托〞作用，所以懸點(diǎn)載荷不能及時(shí)上升到最大值，使加載緩慢。隨著懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加快，“頂托〞作用相對(duì)減小，直到柱塞上行速度大于漏失速度的瞬間，懸點(diǎn)載荷到達(dá)最大靜載荷。當(dāng)柱塞繼續(xù)上行到后半沖程時(shí)，因活塞上行速度又逐漸減慢。在柱塞速度小于漏失速度瞬間C'，又出現(xiàn)了漏失液體的“頂托〞作用，使懸點(diǎn)負(fù)荷提前卸載。到上死點(diǎn)時(shí)懸點(diǎn)載荷已降至C"點(diǎn)。圖圖2-3泵排出局部漏失的示功圖如圖2-4所示，下沖程開(kāi)始后，由于吸入凡爾漏失使泵內(nèi)壓力不能及時(shí)提高，而延緩了卸載過(guò)程。同時(shí)，也使排出凡爾不能及時(shí)翻開(kāi)。當(dāng)柱塞速度大于漏失速度后，泵內(nèi)壓力提高到大于液柱壓力，將排出凡爾翻開(kāi)而卸去液柱載荷。下沖程后半沖程中因柱塞速度減小，當(dāng)小于漏失速度時(shí)，泵內(nèi)壓力降低使排出凡爾提前關(guān)閉(A'點(diǎn))，懸點(diǎn)提前加載。到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)，懸點(diǎn)載荷已增加到A"。由于磨損、砂卡、蠟卡及腐蝕所產(chǎn)生的漏失很難計(jì)算，可根據(jù)示工圖來(lái)分析漏失的嚴(yán)重程度。新泵正常工作時(shí)的漏失量，一般可根據(jù)試泵時(shí)所測(cè)的漏失量來(lái)估算，亦可根據(jù)下面方法來(lái)計(jì)算和分析漏失量和抽汲參數(shù)之間的關(guān)系。圖圖2-4吸入凡爾漏失的示功圖靜止條件下：〔2-23〕式中——靜止條件下的間隙漏失量，m3/s；D——泵直徑，m；——液體運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；——柱塞長(zhǎng)度，m；——柱塞兩端的液柱壓差，m；g——重力加速度，m2/s；e——柱塞與泵筒的徑向間隙，m。當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)往上帶的液量：〔2-24〕式中——柱塞運(yùn)動(dòng)向上帶的液量，m3/s；——柱塞運(yùn)動(dòng)速度，m/s。柱塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的漏失量q為：〔2-25〕因柱塞下行，柱塞與襯套間不存在漏失，故在整個(gè)沖程中的總漏失量為q/2。由公式〔2-25〕可以看出：低粘度深井中的漏失量最大；提高泵的配合等級(jí)可減少漏失量；快速抽汲可減少漏失量。在抽汲過(guò)程中，因?yàn)槟p，間隙e是個(gè)變值，是時(shí)間函數(shù)，故漏失量將隨時(shí)間而增加。如果只考慮柱塞間隙漏失，那么漏失系數(shù)：〔2-26〕利用活塞沖程、滿系數(shù)、和漏失量q的計(jì)算公式，就可以建立泵效與抽油桿長(zhǎng)度、桿徑、泵徑、沖數(shù)、汽油比、含水、液體密度、溶解系數(shù)、漂浮壓力等參數(shù)的理論關(guān)系式，它不僅可以用于抽油技術(shù)設(shè)計(jì)，而且可以用于研究不同條件下抽汲參數(shù)對(duì)泵效的影響。2.4提高泵效的措施泵效的上下是反映抽油設(shè)備利用效率和管理水平的一個(gè)重要指標(biāo)。前面只就泵本身的工作情況進(jìn)行了分析，談到了相應(yīng)的措施。實(shí)際上泵效同油層條件有相當(dāng)密切的關(guān)系。因此，提高泵效的一個(gè)重要方面是要從油層著手，保證油層有足夠的供液能力。綜合分析，影響泵效的因素又可以歸結(jié)為以下三個(gè)主要方面的眾多因素：〔1〕環(huán)境因素：井深及井身結(jié)構(gòu)、供液能力、流體物性〔汽油比、飽和壓力、含水、粘度和流體密度、含砂量、含蠟量、腐蝕性介質(zhì)等〕?！?〕機(jī)械因素〔硬件〕：泵〔結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、材料、安裝、泵隙、抗腐性介質(zhì)等〕。〔3〕工作方式〔軟件〕：泵深、抽汲參數(shù)〔D、S、n〕、套壓控制等。實(shí)踐證明：對(duì)于注水開(kāi)發(fā)而采用抽油開(kāi)采分油田，加強(qiáng)注水時(shí)保證油井高產(chǎn)量、高泵效生產(chǎn)的根本措施；在一定的油層條件下，使泵的工作同油層條件相適應(yīng)是保證高效的前提。為了提高泵效，在舉升方面一般采取以下措施：〔1〕選擇合理的工作方式①選用大沖程、小沖次，減小氣體影響，降低懸點(diǎn)載荷，特別是稠油的井；②連噴帶抽井選用大沖數(shù)快速抽汲，以增強(qiáng)誘噴作用；③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〕確定合理漂浮度可以降低泵口氣液比，減少進(jìn)泵氣量，從而提高泵的充滿程度。(3)改善泵的結(jié)構(gòu)提高泵的抗磨、抗腐蝕性能，采取防砂、防腐蝕、防臘及定期檢查。(4)合理利用氣體能量及減少氣體影響氣體對(duì)泵效的影響程度因井而異。對(duì)剛由自噴井轉(zhuǎn)抽井，初期尚有一定的自噴能力。可合理控制套管氣，利用氣體能量舉液，使油井連噴帶抽，提高產(chǎn)量和泵效。實(shí)踐證明：對(duì)于一些不帶噴的井合理控制套管氣，可起到穩(wěn)定液面和產(chǎn)量的作用，并可減少因脫氣而引起的原油粘度的增高。對(duì)于正常抽油的井，提高泵的充滿系數(shù)的有效途徑是盡可能降低進(jìn)泵氣液比和泵的余隙容積。其措施是改善泵的結(jié)構(gòu)，確定合理的防沖距和漂浮度。因?yàn)樵龃笃《?，一方面可以減少泵的吸入口處的自由氣量，另一方面會(huì)增加下泵深度，增大懸點(diǎn)載荷和系統(tǒng)能耗及柱塞的沖程損失?！?〕使用必要的井下器具①油管錨。用于固定油管下端，以消除油管變形油管下端，以消除油管變形，減少?zèng)_程損失。一般認(rèn)為對(duì)深井還可以消除內(nèi)壓引起的油管彎曲，防止因此而產(chǎn)生的柱塞沖程損失。②氣砂錨。具有別離、阻止氣體和擋住砂粒進(jìn)入抽油泵的雙重作用。在汽油比和含砂較高的油井中，泵下安裝氣砂錨可提高泵效和延長(zhǎng)抽油泵工作壽命。③砂錨。用于含砂較高的油井。④氣錨或井下氣液別離器。用于汽油比擬高的油井。第三章理論模型與計(jì)算方法研究3.1合理漂浮度確定思路與主要設(shè)計(jì)方法合理漂浮度確定方法主要分為兩步：(1)抽汲參數(shù)〔泵徑、沖程、沖次〕的優(yōu)選和抽油設(shè)備〔主要指桿柱結(jié)構(gòu)〕的選擇。本研究基于定產(chǎn)量設(shè)計(jì)出發(fā)，確保設(shè)計(jì)出得抽油系統(tǒng)產(chǎn)量不低于并接近原產(chǎn)量。以此為主線，求出不同泵深下最優(yōu)的抽汲參數(shù)及對(duì)應(yīng)的漂浮度和泵效。通過(guò)計(jì)算當(dāng)前抽汲參數(shù)下的經(jīng)濟(jì)效益，利用權(quán)重把兩者結(jié)合起來(lái)作為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況設(shè)置不同的權(quán)重就可以設(shè)計(jì)出兼顧兩者或有所側(cè)重的方案來(lái)。由于目前計(jì)算機(jī)的主頻和內(nèi)存容量的提高，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來(lái)越快，在抽汲參數(shù)和下泵深度的組合上采用了枚舉法，保證不喪失方案。(2)求出目標(biāo)區(qū)塊所有油井的漂浮度、下泵深度之后，求出最大和最小漂浮度，作為今后該區(qū)塊確定泵深和漂浮度的參考標(biāo)準(zhǔn)。本課題按照等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。3.2IPR計(jì)算油井流入動(dòng)態(tài)是指油井產(chǎn)量與井底流壓的關(guān)系，反映了油藏向該油井的供液能力，油井流入動(dòng)態(tài)常采用IPR曲線表示。從單井來(lái)講，IPR曲線反映了油藏的工作特性。因而，它既是確定油井合理的工作制度的依據(jù)，也是分析油井動(dòng)態(tài)的根底。提出了計(jì)算綜合IPR曲線的方法，本軟件采用了這一方法。其根本思路是：根據(jù)油藏平均壓力和一個(gè)油井產(chǎn)量與流壓對(duì)應(yīng)關(guān)系的測(cè)試點(diǎn)求采液指數(shù)；油層采液指數(shù)預(yù)測(cè)產(chǎn)量或流壓。3.2.1采液指數(shù)計(jì)算一個(gè)測(cè)試點(diǎn)：、和Pr、，假設(shè)(1)測(cè)試點(diǎn)的井底流壓大于飽和壓力>(3-1)式中J——油井采液指數(shù)，m3/d/Pa；——測(cè)試點(diǎn)的產(chǎn)液量，m3/d；Pr——目前平均地層壓力，Pa；——測(cè)試點(diǎn)的井底流壓，Pa。(2)測(cè)試點(diǎn)井底流壓小于飽和壓力(<)(3-2)式中；——含水率，小數(shù)；——飽和壓力，Pa。(3)當(dāng)油層壓力低于飽和壓力時(shí)(Pr<)當(dāng)油層壓力低于飽和壓力時(shí)，令Pr=，代入上式可計(jì)算采液指數(shù)。下面的計(jì)算可按同樣的方法處理。3.2.2某產(chǎn)量下井底流壓的計(jì)算先求出IPR曲線上幾個(gè)點(diǎn)的值：(3-3)(3-4)(3-5)式中——飽和壓力下的產(chǎn)液量，m3/d；——油井最大產(chǎn)油量，m3/d；qtmax——油井最大產(chǎn)液量，m3/d。(1)0<qt<(3-6)式中——對(duì)應(yīng)產(chǎn)液量的井底流壓，kPa；qt——產(chǎn)液量，m3/d。(2)<qt<(3-7)(3)<qt<qtmax該情況下，曲線主要受含水率的影響，所以綜合IPR曲線斜率不變。(3-8)3.3多相管流及物性參數(shù)計(jì)算3.3.1物性參數(shù)計(jì)算物性參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算是保證計(jì)算結(jié)果正確的必要條件。由于物性參數(shù)與壓降相互關(guān)聯(lián)，計(jì)算中必須采用分布迭代的方法進(jìn)行處理。(1)原油密度(3-9)式中——在壓力P和溫度T下的原油密度，kg/m3；——地面原油的相對(duì)密度；——地面天然氣的相對(duì)密度，kg/m3；——原油的體積系數(shù)，kg/m3；Rs——在壓力P和溫度T下的溶解氣油比。(2)溶解氣油比(3-10)其中API>30c1=56.06，c2=1.187，c3=10.393API≤30式中Rs——在壓力P和溫度T下的溶解氣油比；P——壓力，Pa；T——溫度，K；API——原油的API重度；——地面天然氣的相對(duì)密度。(3)壓縮系數(shù)(3-11)式中——原油的壓縮系數(shù)；——溶解氣油比；T——溫度，K；——地面天然氣的相對(duì)密度；API——原油的API重度；P——壓力，Pa。(4)體積系數(shù)(3-12)其中API>30c1=4.67×10-4，c2=1.1×10-5，c3=1.337×10-9 API≤30 c1=4.667×10-4，=1.751×10-5，c3=-1.8106×10-9式中——“死油〞的體積系數(shù)；——原油的體積系數(shù)；——原油的飽和壓力，Pa；P——壓力，Pa。(5)原油粘度①“死油〞〔脫氣油〕粘度 (3-13)其中式中——“死油〞〔脫氣油〕粘度，PaS；②“活油〞粘度(3-14)其中式中——“活油〞粘度，PaS。(6)水的粘度 (3-15)式中——水的粘度，PaS；T——溫度，K。(7)油水混合物物性按照混合物的體積含水率加權(quán)平均。(8)天然氣粘度(3-16)(3-17)(3-18)(3-19)(3-20)式中M——天然氣分子量。(9)天然氣的壓縮因子Z(3-21)其中式中T、——溫度和臨界溫度，K；P、Pc——壓力和臨界壓力，Pa。3.2多相管流壓降計(jì)算本文采用得到廣泛應(yīng)用、精度較高的方法進(jìn)行壓降計(jì)算。該方法計(jì)算中首先要判斷流動(dòng)型態(tài)，劃分界限如表下所示。流動(dòng)型態(tài)泡流段塞流過(guò)渡流霧流界限根據(jù)摩阻系數(shù)和管壁的粗糙度，結(jié)合滑脫速度，可以求出截面含氣率和摩阻壓降梯度。最后求出總壓降：(3-22)3.4懸點(diǎn)載荷計(jì)算懸點(diǎn)最大最小載荷的計(jì)算公式如下：(3-23)(3-24)3.4.1①抽油桿在空氣中重量：(3-25)式中——抽油桿柱的重力，N；G——重力加速度，m/s2；——抽油桿截面積，m2；——抽油桿材料〔鋼〕的密度，；——抽油桿柱長(zhǎng)度，m；——每米抽油桿的重量，kg/m。②抽油桿在液體中重量為：(3-26)(3-27)式中——下沖程作用在懸點(diǎn)上的抽油桿載荷，N；——考慮抽油桿受液體浮力的失重系數(shù)；——抽汲液體的密度，kg/m3。3.4.2液柱載荷(3-28)式中——作用在柱塞上的液柱載荷，N；——活塞截面積，m2。3.4.3泵口壓力對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響(3-29)式中Pi——吸入壓力pi作用在活塞上產(chǎn)生的載荷，N；pi——吸入壓力，Pa；——活塞截面積，m2；——漂浮壓力，Pa；△pi——液流通過(guò)吸入閥產(chǎn)生的阻力。3.4.4井口回壓對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響(3-30)(3-31)式中——井口回壓在上沖程中造成的懸點(diǎn)載荷，N；——井口回壓在下沖程中造成的懸點(diǎn)載荷，N；ph——井口回壓，Pa。3.4.5慣性載荷(3-32)(3-33)式中——上沖程懸點(diǎn)最大慣性載荷，N；Id——下沖程懸點(diǎn)最大慣性載荷，N；——上沖程抽油桿柱引起的懸點(diǎn)最大慣性載荷，N；Ilu——上沖程液柱引起的懸點(diǎn)最大慣性載荷，N；——下沖程抽油桿柱引起的懸點(diǎn)最大慣性載荷，N；S——沖程，m；N——沖次，1/min；r——抽油桿徑，m；l——抽油桿長(zhǎng)，m；——考慮油管過(guò)流斷面變化引起的液柱加速度變化的系數(shù)，其中，為油管的流通斷面面積，m2。3.4.6摩擦載荷①抽油桿柱與液柱之間的摩擦力：(3-34)(3-35)式中——抽油桿柱與液柱之間的摩擦力，N；L——抽油桿柱長(zhǎng)度，m；μ——井筒內(nèi)液體粘度，PaS；m——油管內(nèi)徑與抽油桿直徑比，；——抽油桿柱最大下行速度，m/s。②液柱與油管間的摩擦力：(3-36)③液體通過(guò)游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力：(3-37)〔〕(3-38)〔〕(3-39)(3-40)式中Fv——液體通過(guò)游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力，N；——液體密度，kg/m3；——閥孔截面積，m2；ξ——閥流量系數(shù)；——雷諾數(shù)；——閥孔直徑，m；——液流速度，m/s；——液體運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。3.4.7振動(dòng)載荷由于振動(dòng)載荷的方向不好確定，本研究中認(rèn)為其大小為0。3.5桿柱的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原那么抽油桿柱設(shè)計(jì)主要是確定抽油桿柱長(zhǎng)度、直徑、組合及材料。抽油桿柱工作時(shí)承受著交變載荷，因此，在抽油桿內(nèi)產(chǎn)生了由到的不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力。在交變載荷作用下，抽油桿往往由于疲勞而發(fā)生破壞，而不是在最大拉應(yīng)力下破壞，因此，抽油桿柱設(shè)計(jì)必須根據(jù)疲勞強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。本系統(tǒng)中采用了修正古德曼圖進(jìn)行抽油桿強(qiáng)度校核和桿柱設(shè)計(jì)。修正古德曼圖的縱坐標(biāo)為抽油桿柱的最大應(yīng)力，橫坐標(biāo)為最小應(yīng)力。圖中的陰影區(qū)為疲勞平安區(qū)，抽油桿柱的應(yīng)力點(diǎn)落在該區(qū)內(nèi)時(shí)，抽油桿柱將不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。根據(jù)修正古德曼圖，抽油桿柱的許用最大應(yīng)力的計(jì)算公式為：(3-41)式中——抽油桿許用最大應(yīng)力，N/mm2；——抽油桿最小抗張強(qiáng)度，N/mm2；——使用系數(shù)。圖3-1修正古德曼圖取平安系數(shù)為4時(shí)抽油桿等疲勞壽命曲線取平安系數(shù)為4時(shí)抽油桿等疲勞壽命曲線要保證抽油桿拄不發(fā)生疲勞破壞，抽油桿的最大許用應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)許用最大應(yīng)力，即：(3-42)從上式可以看出，抽油桿的許用應(yīng)力不僅與桿和流體性質(zhì)有關(guān)，而且與所受的最小應(yīng)力有關(guān)，也就是說(shuō)，修正古德曼圖給出的是許用應(yīng)力范圍，在抽油桿柱設(shè)計(jì)中采用應(yīng)力范圍比，即：(3-43)合理的抽油桿柱組合比例不僅應(yīng)保證各級(jí)抽油桿的，而且各級(jí)桿的值應(yīng)比擬接近。同時(shí)，為了有效地使用抽油桿，還應(yīng)保持較高的數(shù)值。等強(qiáng)度設(shè)計(jì)就是使得各級(jí)桿的值比擬接近，提高平安性。桿柱設(shè)計(jì)時(shí)還有一個(gè)可以預(yù)設(shè)的量就是最大強(qiáng)度差，可以通過(guò)調(diào)整此值到達(dá)設(shè)計(jì)最輕桿柱的目的〔把此值設(shè)為100%〕。3.6抽油機(jī)校核3.6.1最大扭矩計(jì)算公式(3-44)3.6.2電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算(3-45)式中——抽油機(jī)最大負(fù)荷扭矩，N；Nr——需要得電機(jī)額定功率，kW；——懸點(diǎn)最大載荷，N；——懸點(diǎn)最小載荷，N；——沖程，m；——沖次，1/min。如果計(jì)算的最大扭矩超過(guò)減速箱允許的最大扭矩或計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定功率，那么須改變抽油參數(shù)，重新設(shè)計(jì)。第四章抽油泵合理漂浮度確實(shí)定4.1系統(tǒng)效率分析由于能量在轉(zhuǎn)換與傳遞過(guò)程中，總會(huì)發(fā)生不可防止的損失，所以有效功率ΔP1小于輸入功率P1。根據(jù)能量守恒定律，輸入功率應(yīng)當(dāng)?shù)扔谳敵龉β?有效功率)與損失功率ΔP之和，即：(4-1)系統(tǒng)的有效功率為系統(tǒng)在舉升產(chǎn)出液過(guò)程中消耗的功率，可表示為：(4-2)式中ρ——油井產(chǎn)出液密度，kg/m3；H——產(chǎn)出液舉升的有效揚(yáng)程，m；Q——油井產(chǎn)液量，m3/d。因此，有桿抽油系統(tǒng)效率又可表示為：〔4-3〕由式(4-3)可知，有桿抽油系統(tǒng)效率值取決于損失功率與輸入功率之比，即在輸入功率一定的條件下，損失功率越大，有桿抽油系統(tǒng)效率越低，反之系統(tǒng)效率就越高。根據(jù)有桿抽油系統(tǒng)組成情況，可以把有桿抽油系統(tǒng)的功率損失分為8局部，分別用～表示，因此有：〔4-4〕式中——電機(jī)損失，包括電機(jī)熱損失和機(jī)械損失，kW；——皮帶損失，主要是皮帶傳動(dòng)中的摩擦損失，kW；——減速箱損失，主要是減速箱傳動(dòng)中的摩擦損失，kW；——四連桿損失，主要是軸承摩擦損失和鋼絲繩變形損失，kW；——盤(pán)根盒損失，主要是盤(pán)根盒的摩擦損失，kW；——抽油桿損失，主要是抽油桿摩擦損失和抽油桿彈性伸縮損失，kW；——抽油泵損失，包括抽油泵的機(jī)械損失、容積損失與水力損失，kW；——管柱損失，主要為管柱的水力損失，kW。每項(xiàng)損失又可以表示為：〔4-5〕〔4-5〕〔4-6〕〔4-7〕(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)其中；；。式中——電機(jī)的額定效率，kW；P——電機(jī)輸出功率，kW；——皮帶傳動(dòng)的彎曲損失，kW；——皮帶傳動(dòng)傳動(dòng)的彈性滑動(dòng)損失，kW；——減速箱的軸承損失，kW；——減速箱的齒輪損失，kW；——四連桿機(jī)構(gòu)軸承損失，kW；——四連桿機(jī)構(gòu)的鋼絲繩變形損失，kW；F——盤(pán)根盒與光桿出的摩擦力，N；v——光桿運(yùn)動(dòng)速度，m/s；L——抽油桿的總長(zhǎng)度，m；t——時(shí)間，s；——抽油桿不同斷面不同時(shí)間的位移，m；T——抽汲循環(huán)周期，s；x——抽油桿長(zhǎng)度，m；——液體動(dòng)力粘度，mPaS；m、、——系數(shù)；——抽油桿半徑，m；——油管半徑，m；——抽油機(jī)的機(jī)械摩擦損失功率，kW；——抽油泵的水利損失功率，kW；——抽油泵的容積損失功率，kW；——由于油管漏失引起的管柱容積功率損失，kW；——原油沿油管流動(dòng)引起的水利功率損失，kW。4.2建立最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)在實(shí)際的下泵深度、動(dòng)液面高度、原油物性、油井的油壓等參數(shù)的條件下，由油井系統(tǒng)的效率，選擇機(jī)、桿、泵的運(yùn)行參數(shù)，從而使整個(gè)系統(tǒng)到達(dá)最優(yōu)。有桿抽油設(shè)計(jì)是一個(gè)混合離散變量最優(yōu)化問(wèn)題，變量有漂浮度、泵徑、沖程s、沖次n等，其中漂浮度為連續(xù)變量，泵徑、沖程、沖次為離散變量。建立如下優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：〔4-12〕4.3求解數(shù)學(xué)模型〔1)用IPR曲線，由給定的產(chǎn)量Q計(jì)算流壓；〔2〕按Q由流壓沿井筒向上計(jì)算管流壓降，得到不同深度處的壓力分布；〔3〕初選管、桿直徑，按Q由井口向下進(jìn)行桿、管環(huán)空壓力分布計(jì)算，得到不同深度處的壓力分布；〔4〕初選管、桿直徑，按Q由井口向下進(jìn)行桿、管環(huán)空壓力分布計(jì)算，得到不同深度處的壓力分布；〔5〕對(duì)某一抽汲參數(shù)組合：泵徑、沖程、沖次、泵漂浮度，求其產(chǎn)量。首先可可根據(jù)充滿系數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的泵下壓力分布；設(shè)計(jì)抽油油桿；計(jì)算泵效率；從而計(jì)算出產(chǎn)量；〔6〕判斷||<是否成立。假設(shè)不成立，那么換另一組抽汲參數(shù)，轉(zhuǎn)步驟〔5〕；假設(shè)成立，按新桿、管尺寸，一般返回步驟〔4〕三次。超過(guò)三次，那么求目標(biāo)函數(shù)，轉(zhuǎn)步驟〔7〕；〔7〕通過(guò)計(jì)算多組抽汲參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，比擬后得到最正確函數(shù)的抽汲參數(shù)及相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。4.4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及結(jié)果分析對(duì)8口檢泵井的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化〔見(jiàn)表4-1、續(xù)表4-1〕，主要在泵徑、沖程、沖次和漂浮度方面采取優(yōu)化措施，這些井的平均系統(tǒng)效率有作業(yè)前的30.2%提高到43.5%，降低了生產(chǎn)本錢(qián)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。表4-1優(yōu)化前后結(jié)果比照井號(hào)狀態(tài)泵徑?jīng)_程沖次n/液量Q/含水率動(dòng)液面/泵深h/漂浮度泵效η/提高效率ΔηDp/mms/mm次/minm/df/%mmS/m%/%1#優(yōu)化前954.24.514595.550599248775.210.0優(yōu)化后954.24.515295.352289737578.72#優(yōu)化前563.7436.692.91192149730569.89.9優(yōu)化后564.5333.195.51186149230669.03#優(yōu)化前564.25.552.995775119842364.713.8優(yōu)化后704.2349.990.9931122929871.5續(xù)表4-1井號(hào)狀態(tài)泵徑?jīng)_程沖次n/液量Q/含水率動(dòng)液面/泵深h/漂浮度泵效η/提高效率ΔηDp/mms/mm次/minm/df/%mmS/m%/%4#優(yōu)化前446639.183.8916159267677.47.5優(yōu)化后564.54.547.782.21111139728683.45#優(yōu)化前566.36.354.595.754599745281.56.2優(yōu)化后704.84.866.895.662699937383.76#優(yōu)化前565555.292.6855121836374.311.8優(yōu)化后704481.492.2992125025887.57#優(yōu)化前565556.892.857399942676.411.1優(yōu)化后703.53.565.692.565680414880.68#優(yōu)化前566626.590.151995143241.627.6優(yōu)化后706671.590.151495043671.7當(dāng)漂浮度變化時(shí)，抽油泵的充滿系數(shù)將發(fā)生變化，氣泵效和系統(tǒng)效率也將變化。由圖4-1、4-2可看出，隨漂浮度增加，抽油泵的泵效現(xiàn)增加后減小，系統(tǒng)效率也存在類(lèi)似的情況，但是，其增大和減小的程度隨漂浮度的不同而變化。最高泵效出現(xiàn)在漂浮度為335m圖4-1泵效與漂浮度的關(guān)系圖4-2系統(tǒng)效率與漂浮度的關(guān)系圖4-3不同產(chǎn)液量下的最優(yōu)漂浮度和泵效圖4-3表示在滿足優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(系統(tǒng)效率最高)條件下，不同產(chǎn)液量與漂浮度、泵效的關(guān)系。隨著地層供液能力的增強(qiáng)，下泵的深度先有所增大，然后減?。槐眯У淖兓泊嬖陬?lèi)似的情況?？梢缘玫?當(dāng)油井供液能力很強(qiáng)時(shí)，可適當(dāng)?shù)臏p小漂浮度來(lái)提高系統(tǒng)的效率。第五章結(jié)論通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得到如下結(jié)論：(1)如果為提高泵效而增加抽油泵的漂浮度，無(wú)限制地加大泵掛深度，只能使抽油泵的泵效提高很小或幾乎不提高，而且還將消耗大量的抽油桿和油管，使井下抽