抽油杆柱扶正器间距设计的新方法
稠油定向井加重杆及扶正器优化设计
稠油定向井加重杆及扶正器优化设计摘要定向井由于受到井身轨迹的影响，在实施有杆泵抽油时，会发生严重的偏磨现象。
合理的加重杆及扶正器设计，成为定向井防偏磨重要的手段。
基于对定向井抽油杆微元段受力分析、泵端受力分析，编制了定向井加重杆-扶正器间距设计程序。
对现场定向井进行了加重杆扶正器设计演算，能够确定最优加重杆长度，实现扶正器间距设计。
输出抽油杆轴向力及侧向力的分布结果，确定定向井偏磨多发的部位，表明该方法合理可靠，有现场应用价值。
关键词定向井；偏磨；加重杆；扶正器1 定向井抽油杆柱受力分析定向井抽油杆自下而上可以分成多个微元段，由于受到扶正器不同程度负载的影响，在传递动力过程中抽油杆和油管会发生偏磨。
从原点上冲过程中，柱塞和泵筒间的摩擦阻力、活塞上液体的重力以及沉没压力共同组成泵端处的轴向力。
在下冲过程中，柱塞和泵筒间的摩擦力、液体流动产生的阻力共同组成泵端处的合力。
除了泵端受力外还有杆柱受力，杆柱受力包括油杆对抽油管的支持力，杆柱和油管内壁的摩擦力，杆柱和液体之间的摩擦力以及微元段杆柱的惯性力与微元段浮重。
在计算抽向力和侧向力时先要计算确定泵端受力，然后从泵端出发计算各个微元段的受力，最后确定抽向力和侧向力的分布[1]。
2 加重杆设计原理在定向井中加加重杆是为了保证油杆下冲过程时能使油管和油杆之间尽量减少磨损，避免油管弯曲变形发生偏磨。
因此关于加重杆设计的原理应该符合以下条件：首先所加的加重杆必须是可以抵住加重杆自身产生的惯性力和所受的浮力的，其次，因為柱塞之间会产生半摩擦力，液体流动阀门时会产生阻力，上下柱塞之间会因为面积差而出现上顶力，液体之间的摩擦力等等。
对于加重杆设计而言，必须要充分考虑到这些可能会产生的力，然后在设计时满足抵住上述力的要求。
此外，如果是斜井的话，杆柱下端加的加重杆和油管之间可能会产生摩擦力，因此加重杆还需要克服摩擦力带来的影响[2]。
3 扶正器间距设计原理3.1 下冲过程时扶正器的间距设计关于扶正器的间距设计需要考虑到传递动力过程时下冲和上冲中所产生的抽向力，由于下冲过程时抽油泵的游动凡尔对液体的阻力、柱塞的摩擦阻力以及抽油杆在运动中和井液产生的摩擦力造成影响，所以会给抽油杆的下行造成压力，因而导致抽油杆下部发生弯曲变形，而油管则处于拉直中，因而油管和油杆会发生磨损。
抽油杆柱扶正器间距设计的新方法解析
抽油杆柱扶正器间距设计的新方法关键词:定向井抽油杆柱横向振动扶正器配置间距设计方法由于与连续梁模型相比简支梁模型得出的最大挠度值、最大应力值偏大,系统偏于安全,所以工程中较为普遍采用。
简支梁力学模型分析时仅考虑了抽油杆柱的静力分析,没有考虑动态因素[1]。
因为杆柱是随着悬点做上下往复运动,抽油泵的柱塞受到泵内液体变化压力的作用,抽油杆柱底端以及任意横截面都受到轴向激励力,因此必须考虑抽油杆柱的横向振动对扶正器布置的影响。
一、力学模型采用静力学法使用的纵横弯曲梁模型来研究抽油杆柱的横向振动,但考虑轴向载荷周期性变化对抽油杆柱横向振动的影响。
研究假设:梁各截面的中心主轴在同一平面内,且在此平面内作横向振动;梁的横截面尺寸与其长度之比较小,可以只考虑由弯曲引起的变形,而不计由剪切引起的变形及转动惯量对梁弯曲振动的影响,即简化为欧拉-伯努利梁;梁的横向振动符合小挠度平面弯曲的假设,即横向振动的振幅很小,在线形范围内。
从距离左端x处取一长度为dx的单元体,见图1。
该微段上除作用在两个截面上的弯矩M、剪力Q和分布外载荷q(x,t)外,还有假设的惯性力dfI(x)=fI(x)dx,其中fI(x)为单位长度上的分布惯性力,其大小等于分布质量m与运动加速度(x,t)的乘积,则列出单元体横向振动微分方程为:EI P(t) m=q(x,t),(1);y(x,t)=yn(t)sin,(n=1,2,…N) ,(2);(t)=-[EI()4-P(t)()2]y(t),(3)式中:E—弹性模量,Pa;I—截面对对称轴的惯性矩,m4;m—梁单位长度质量,kg/m;P(t)——轴向激励力,N;q(x,t)——简支梁上的横向分布激励力,N对于抽油杆柱的各个跨上的简支梁来讲,轴向激励力为其振动提供了动力源,而由于梁的初弯曲和其在液体中的重力构成了梁的初挠度,即成为了简支梁做横向振动的初始条件,而其边界条件正是梁振动的两端铰支座。
使用分离变量法将简支梁的横向振动位移y(x,t)表示成振型的级数形式(2)。
大庆地区L4-283井抽油杆扶正器布置优化设计
２抽油杆柱动力学模 型 建立抽油杆柱转子 动力 学模型的时候 ， 应 依据有限元理论和抽油杆柱的结构 。沿抽油杆 柱轴线将其离散为若干个空间梁单元 ，在扶正 器安放位置处建轴承单元 ， 两个扶正器 间的抽 油杆柱绕扶正器的两点连线旋转㈣ 。为 了模拟 抽油杆柱工作时匀速转动 ，将井 口边界简化为 角速度为 已知边界 ， 它均为 固定边界。 其 同时将 井底边界处理成线位移弹性约束 ，来模拟单螺 杆泵横向的往复运动。 应用转子动力学分析时 ，
Ⅳ ＝
经化简得细长梁非线性瞬态动力学分析的单
元运动方 程 ：
Ｍ ｆ ｃ （ （ ｆ 】 ＋ ） Ｉ ）ｌ ＋ ） ｆ ￣ｔ ｒ ｔ５ 《 ＋ ）－ １ 】 （＋ｅ Ｘ ） 雕 Ｋ （＝ ） ｄ
（） 考 虑抽油杆柱在 自身重力 、 浮力 、 ４ 液体 螺杆泵 产 磨位 置大致 吻合 。 根据此种算法 ， 以杆柱的侧 向
一
式 中： 、Ｋ 、Ｋ 和 分别为单元 、Ｅ 的线性刚度矩阵、 大位移刚度矩阵、 几何刚度矩阵、 动力间隙元刚度矩阵 、 等效节点力向量和动力间隙 元附加力 向量 （ 和阻力矩 ） 。 将离散后的所有单元 向整体坐标系转化 ， 经 拼装可得细长梁非线性瞬态动力学分析的总体动 力 学方程 ：
方 程为 ：
ｄｔ
表 １Ｌ — ８ ４ ２ ３井基本参数
扶正 器布 置方案
共 １７根抽油杆 ，光杆 一根 ，短接 一根； ０ 转子上 １ ５根 、其 余每 ３根 １ 扶正器扶 正器 ； 个
抽油杆助抽扶正器
应用技术抽油杆助抽扶正器祝明华龚险峰 户贵华 廖泽文 张寿根 吝拥军(中原油田分公司第三采油厂)摘要 抽油杆助抽扶正器是一种新型井下采油辅助工具,它位于抽油泵上部,安装在抽油杆与抽油杆接箍间的连接处。
下冲程时,上活动阀在液流冲击力和油管壁摩擦力的作用下沿轴杆上移,打开液流通道;上冲程时,上活动阀在油压和油管壁摩擦力的作用下沿轴杆下移,压紧下固定阀相互密封对方液流通道,同时随抽油杆柱提升上部液柱,分担部分抽油泵承受的液柱载荷。
现场试验27口井,有效率77 8%,平均泵效提高4 5%。
应用结果证明,这种助抽扶正器能提高泵效,可起扶正抽油杆柱并防偏磨的作用,在油田提液措施中有一定的推广应用价值。
关键词 抽油杆 扶正器 泵效 防偏磨 抽油机井采油过程中,抽油泵位于生产管柱的下部,包括油管内液柱在内的所有抽油载荷都由抽油泵的活塞承担,所以往往使活塞过载,造成泵漏失,从而降低泵效。
如果将直接作用在活塞上的整个液柱分段举升,将一部分液柱载荷由抽油杆柱承担,就可以减少活塞所承受的载荷。
抽油杆助抽扶正器就是这样一种新型井下采油辅助工具,既能分担抽油泵载荷,提高抽油泵工作效率,又可起到扶正抽油杆柱并防偏磨的作用。
技 术 分 析1 结构扶正器主要由可拆卸上接箍、主体(轴杆、下固定接箍)和密封阀(上活动阀、下固定阀)等3部分组成,其结构示意图见图1。
接箍有 25、 22和 19mm 3种规格,可以联接在相应尺寸的抽油杆上。
主体的轴杆是正六边形柱体,上活动阀可以沿其上下滑动。
密封阀是有3条呈120 角均匀分布凹槽的碳纤维圆柱体,其下固定阀采用紧密配合加石油专用胶牢固地固定在轴杆的下固定接箍处。
2 工作原理助抽扶正器位于抽油泵上部,安装在抽油杆与抽油杆接箍间的连接处。
下冲程时,上活动阀在相对运动产生的液流冲击力和油管壁摩擦力的作用下沿轴杆上移,打开液流通道;上冲程时,上活动阀在油压和油管壁摩擦力的作用下沿轴杆下移,压紧下固定阀,并以60 角互相密封对方液流通道,同时随抽油杆柱提升上部液柱,分担部分抽油泵承受的液柱载荷,达到提高泵效和增加液量的目的。
防止抽油管、杆偏磨新工艺研究
２ ．主要功能特点及其应用
２ ． １ 主 要 功 能 特 点
（ １ ）扶正抽油杆 ，减轻抽油杆与抽油管 的偏磨
在抽油杆 柱 中接入合理 数量的抽油杆助抽扶 正器 。可 以达 到很好的抽
２ ． ２ 适 应 范 围
ｌ 高强度 、 耐磨损 、耐腐蚀 、与抽 油管摩擦系数小的塑料，它具有三个扶正条，
ｉ 由中心杆 的台肩实现轴 向固定 ，圆周 方向可 以转动 。上 扶正体 ３的材料 与
汴 扶正 体相 同；套装在 中心杆上 ，可 以沿中心杆上下滑 动；它具有三个 与
ｉ
（ １ ）适用于抽油泵径小于抽油管 内径的抽油杆柱 中。 （ ２ ）在井液粘度大于 ５ ０ ０ ｍ Ｐ ａ・ Ｓ ，小于 ３ ０ ０ ０ ｍ Ｐ ａ・ Ｓ时助抽效果明显 ２ ． ３抽油杆助抽扶正器技术参数 （ １ ）公称杆径 与之相配的抽油杆的公称直径，用 衄 为单位表示 。
提油 。抽 油杆助抽扶 正器随抽 油杆 一起上行 。由于抽油杆助抽扶 正器 的外 径大 于抽油泵柱 塞的直径 ，油 管中的部分 原油 要下返到助抽 器 以下 。上扶 正体 ３也 是在与 油管之间的摩擦力 和水力冲击 的作用下 ，滑 到下死 点，扶 正爪将下扶 正体 ２的通道堵死 ， 抽油杆助抽扶正器成为一个不严密 的柱塞 ， 原油 下返时形成 很大的压差 ，从 而减小 了作用在 抽油泵柱塞上 的压差 ，即 分担 了部分柱塞 的工作压差 ，帮助抽油泵抽油 ，达到提高泵效 、减轻磨损 、
目前 ，有杆泵采油仍 然是油 田应用最广 泛的采油形式之一 。而抽油杆
的偏磨始终是有 杆泵采油 设备故障发生 的主 要原因之一 。如何 减轻 以致避
定向井的抽油杆优化设计与应用
定向井的抽油杆优化设计与应用X齐 申(大庆油田第九采油厂,黑龙江大庆 163318) 摘 要:从计算抽油系统效率入手,分析影响系统效率的因素,依据采油参数对系统效率的敏感性,选择出最优的机-泵工作参数;并结合定向井井身轨迹特点,建立定向井三维井眼中杆柱轴向载荷计算数学模型,确定出合理的杆柱组合;分析抽油杆的变形和失稳,给出加重杆、扶正器间距和防脱器安放位置的计算方法;最后通过具体实例,阐述定向井抽油系统优化设计流程,并对优化设计的结果进行详细分析,得出相关结论,该结论可以对定向井抽油系统设计起到十分重要的指导意义,其设计结果能够有效地减少杆柱偏磨达到提高效率之目的。
关键词:定向井;系统效率;采油参数;抽油杆柱;优化设计 中图分类号:T E933+.2 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)08—0005—03 因地质和环境因素的需要,目前各大油田定向井占有越来越大的比例,而定向井特殊的井身结构,使得井筒中杆管受力状况、泵工作环境都要比直井复杂得多,抽油系统设计难以符合现场,常常引起管杆偏磨、断杆、断脱现象,造成抽油系统效率低下,生产成本增加[5]。
为此,本文以提高定向井抽油系统效率为目标,优化采油参数,展开杆柱组合、扶正器间距、加重杆和防脱器设计方法研究,将可以使系统安全有效的工作,达到提高效率的目的。
1 抽油系统效率计算抽油机系统效率分为两部分,即地面效率和井下效率[1]。
以光杆悬绳器为界,悬绳器以上的机械传动效率和电机运行效率的乘积为地面效率;悬绳器以下到抽油泵为井下效率,即:G=G地×G井=P水P光×P光P入(1)水力功率是指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,可用下式计算:P水=QLg86400=Q t Q1Lg86400G p(2)光杆功率就是通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率。
P光=W1sn60×1000(3)输入功率与电动机型号有关,电动机根据负荷电流或扭矩的变化规律,按均方根求出等值电流或等值扭矩来计算,国内学者根据油井扭矩曲线的峰值,建立了最小输入功率经验公式:P入=n[1800s+0.202s(P max-P min)]14338(4)从(1)-(4)式可以看出,影响系统效率的参数较多,与泵径、泵深、冲程和冲次息息相关,因此只要优化这些采油参数就可以达到提高系统效率的目的。
竖直井油管扶正器的安装间距研究
竖直井油管扶正器的安装间距研究 冯 定 (江汉石油学院机械工程系,湖北荆州434102)赵志超 (中原石油勘探局采油四厂,河南濮阳457001)张传立 (江汉石油学院机械工程系,湖北荆州434102)王江顺 李现东 王永平 (中原石油勘探局采油四厂,河南濮阳457001) 摘 要 建立了竖直井安装扶正器的油管力学模型,给出了油管任意横截面轴力的计算方法,导出了相邻扶正器之间油管失稳的临界状态方程。
以油管不发生失稳为条件,确立了从泵端向上安装扶正器的间距的计算方法,并以中原油田卫115井为例进行了计算。
主题词 直井;油管;油管扶正器;间距分类号 T E 831107 文献标识码 A 文章编号 10009752(1999)01006402防止油管发生弯曲变形的有效措施是使用油管扶正器。
为使扶正器发挥其应有的作用,必须合理地确定扶正器的安放间距。
文献[1,2]分别对直井和斜井中抽油杆扶正器的合理间距进行了研究。
但关于油管上扶正器的布置间距见诸报道的很少,文献[3]给出了油管变形的计算公式,却未给出扶正器的间距计算,并且忽略了油管内外压力对油管变形的影响。
笔者在考虑了油管内外压力作用的前提下,对竖直井油管上扶正器的合理布置进行了研究。
1 力学模型图1 油管受截图 图2 油管力学模型从底部向上截取一段油管,其受载情况如图1所示。
图中,q 为油管单位长度的自重,q =A 1Χ1(A 1为油管的横截面积,m 2;Χ1为油管的重度,kg m 3);P i 和P e 分别为油管内、外压力,M Pa;F a为底部液体的压力,F a =P e A 1;F p 为泵与柱塞的摩擦力[4],F p =01922D ∆-1-13712(D 为油管的外径,mm ;∆为油管壁厚,mm );F 为泵以下尾管的自重,F =A 2Χ2L (A 2为尾管的横截面积,m 2;Χ2为尾管的重度,kgm ;L 为尾管的长度,m )。
取两扶正器之间的任意一段油管,把两端点简化成铰支座(图2(a )),分布轴力对压杆屈曲的影响S ′i 可以用分布轴力总载荷S i 的5216%作用于杆端来代替[5](图2(b )),即 S ′i =S i -01526qL f (1)式中,L f 为两扶正器之间的间距,m 。
3-2 抽油混合杆柱的设计方法
抽油混合杆柱的设计方法中国石油大学（北京）石油天然气工程学院 檀朝东应用抽油混合杆柱的目的在于尽可能地提高有效冲程进而提高泵效，因此设计中采用由多级抽油杆组成的混合抽油杆柱，并增大它在整个混合杆柱中所占的比例，各级钢丝绳抽油杆仍采用等强度设计原则，而在钢丝绳和常规杆（加重杆部分）间不采用此原则设计杆柱长度，但必须满足强度要求。
1 混合抽油杆上行程的力学分析[1-2]在上行程时混合抽油杆柱的受力主要有以下几部分： 1）柱塞上的静液柱载荷上冲程中，游动凡尔关闭，液柱作用在柱塞上的载荷：())(j r l j z zl L L g A A F +-=ρ （1）2）柱塞的重量和惯性力 )(z z Z zg a g A L F ±= （2）3）柱塞和衬套间的摩擦力当井液的含水不超过50％时，一般认为柱塞和衬套间为边界润滑，其摩擦力由下式计算 ：⎪⎪⎭⎫⎝⎛+∆=δηδπzz z z d V L p d L F 2 （3） 当含水超过50％时，认为柱塞和衬套之间可能发生干摩擦，此时产生的摩擦力由下式计算：14094.0-=δz d dF （4）4）杆柱与液体之间的摩擦力① 钢丝绳杆段与液体之间的摩擦力[3]钢丝绳杆段与液体之间的摩擦力为V m f L F r r wr )(2πη=.ϕ （5）()()mmm m m m m m f r ln 11ln ln 21ln 2222++-+-+-=（6）ϕ为钢丝绳杆的表面特性的无量纲修正系数，一般由实验确定。
② 加重杆段与液体之间的摩擦力V m f L F j j wj )(2πη= （7）()()1ln 11)(222--+-=m m mm m f j所以总摩擦力()V m f L m f L F F F j j r r wj wr w )().(2+=+=ϕπη （8） 5）流体的惯性力[]max )()(a L A A L A A F j j t r r t l la -+-=ρ （9）6）液体与油管之间的摩擦阻力在上冲程，流体与油管之间的摩擦阻力作用在柱塞上，其最大值可由下式确定：()()p tl L V m m m m F max 2221ln 113.12⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+-=πη （10）7）抽油杆在液体中的重量()()r r r r l j j jjl fg L A L AF ρρρρρρ-+-=18.918.9 （11）8）惯性载荷()max a L A L A F j j j r r r a ρρ+= （12）9）纵振在悬点上引起的振动载荷杆柱自由纵振在悬点上引起的振动载荷v F 为：()()()∑∞=++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=002212sin 1218n nj j j r rr v t n n a A E a A E V F ωπ （13） 0ω—自由振动圆频率，La20πω= 最大振动载荷发生在20πω=t 、5π…处，实际上由于存在阻尼，振动将会随时间快速衰减，故最大值是在20πω=t 处。