（机械工程专业论文）注聚区抽油杆偏磨点位置及其接触载荷的确定.pdf

摘要 注聚区油井中由于含有聚合物，使井液性质发生改变，成为具有粘弹性的非牛顿流 体，增加了井液的粘度，导致与粘度相关的各项摩擦力增大，由于聚合物溶液的弹性还 会产生垂直于抽油杆轴线方向的侧向力，因此注聚区油井的抽油杆比常规油井的抽油杆 更容易发生偏磨失效，在研究注聚区抽油杆的偏磨问题时，需要将聚合物溶液的性质作 为影响偏磨的重要因素。 研究初期对某采油厂发生多轮次躺井1 9 3 次的3 4 口油井进行了现场调研，全面了 解目前油井的真实井况，使研究方向更加具有针对性，也使研究结果更加真实可靠。通 过调研发现，在实际生产中，就算是直井，也会普遍存在“直井不直”的现象，本文充 分了考虑了井斜的影响，基于纵横弯曲理论分析抽油杆的受力和变形建立了注聚区抽油 杆纵横弯曲连续梁模型。在研究抽油杆的弯曲变形问题时，首先采用简支梁模型初步计 算各跨梁柱的长度和轴向力，然后再用连续梁模型对变形情况进行修正，经反复校核计 算，可以求得较为准确的偏磨点位置、接触载荷以及扶正器间距。 为了方便快捷地完成注聚区抽油杆力学模型的求解，快速得到抽油杆偏磨点位置和 接触载荷的大小，本文在理论研究的基础上，运用v b 编程，编制了“注聚区抽油杆偏 磨分析软件”，设计了简单美观的软件计算界面，将基本数值计算与简支梁模型和连续 梁三弯矩方程模型整合到一起，对实际工程具有指导意义。并且运用所编制的软件对某 采油厂委托的2 2 口注聚偏磨井进行分析求解，明确抽油杆上容易发生偏磨的位置，为 下一步防治抽油杆偏磨提供理论依据，据油田反馈资料显示，该软件的计算结果收到了 良好的偏磨治理效果，提高了经济效益。 关键词：注聚区，抽油杆偏磨，纵横弯曲，接触载荷，v b 编程 t h e p o l y m e rf l o o d i n gd i s p l a c e m e n ts u c k e r r o de c c e n t r i c w e a r p o s i t i o na n d c o n t a c tl o a d st od e t e r m i n e y i nh u i m i n ( e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry ug u i j i ea n dp r o f e s s o rl iz o n g q i n g a b s t r a c t c o n t a i n i n gp o l y m e r si nt h ep o l y m e rf l o o d i n gd i s p l a c e m e n t ，c h a n g e dt h ew e l lf l u i di n t o v i s c o e l a s t i cn o n - n e w t o n i a nf l u i d ，i n c r e a s i n gw e l lf l u i d sv i s c o s i t y ，r e s u l t i n gi nt h ei n c r e a s eo f t h ef r i c t i o na n dv i s c o s i t y ；t h ef l e x i b i l i t yo ft h ep o l y m e rw i l l a l s op r o d u c eal a t e r a lf o r c e p e r p e n d i c u l a rt ot h es u c k e rr o da x i sd i r e c t i o n ，t h e nt h es u c k e rr o do ft h ep o l y m e rf l o o d i n g w e l l st h a nc o n v e n t i o n a lo i lw e l lm o r ep r o n et oe c c e n t r i cw e a rf a i l u r e ，s oi nt h es t u d yo f s u c k e rr o de c c e n t r i cw e a rp r o b l e m si np o l y m e rf l o o d i n ga r e a ，t h en a t u r eo ft h ep o l y m e r s o l u t i o na sa ni m p o r t a n tf a c t o r a tt h eb e g i n n i n go fs t u d y , t h r o u g ht h er e s e a r c ha b o u t3 4o i lw e l l sw h i c hh a d19 3 w o r k o v e rt i m e si ng u d o n go i lp r o d u c t i o np l a n t ，t h ew r i t e rc o m p r e h e n s i v e l yk n e wa b o u tt h e s i t u a t i o no fo i lw e l l s s ot h ew r i t e rw o u l dm a k et h er e s e a r c hd i r e c t i o nm o r ep e r t i n e n ta n dt h e r e s u l tm o r er e l i a b l e v e r t i c a lw e l l sa l s oe x i s tt h ep h e n o m e n o nt h a tv e r t i c a lw e l l si sn o t s t r a i g h t c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fw e l ld e v i a t i o n ，t h ep a p e rb u i l d e dm o d e lo fc r o s s b a r b e n d i n gc o n t i n u o u sb e a mb a s e do nt h et h e o r yo fc r o s s b a rb e n d i n gc o n t i n u o u sb e a ma n df o r c e a n a l y s i so fp u m p i n gr o d i nt h er e s e a r c ho fb e n d i n gd e f o r m a t i o np r o b l e m so fs u c k e rr o d ， p r e m i e rt a k e nt h es i m p l eb e a mm o d e lt op a r s et h ed e f o r m a t i o na n dl o a do fs u c k e rr o d ，t h e n u s e dc o n t i n u o u sb e a mm o d e lt oc o r r e c tt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fs u c k e rr o d c o u l dm a k e t h ed e f o r m a t i o na n dl o a do fs u c k e rr o dm o r ee x a c t l ya f t e rt h er e p e a t e dc h e c kc a l c u l a t i o n i no r d e rt oc o m p l e t et h ep o l y m e rf l o o d i n gd i s p l a c e m e n tr o dm e c h a n i c sm o d e lf o r s o l v i n gq u i c k l ya n de a s i l y ，q u i c k l yg e tt h el o c a t i o no ft h ee c c e n t r i cw e a rp o i n ta n dt h ev a l u e o ft h ec o n t a c tl o a d so nt h es u c k e rr o d ，o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ls t u d i e s ，a p p l i e dv b p r o g r a m m i n gp r e p a r a t i o no ft h ep o l y m e rf l o o d i n gd i s p l a c e m e n tr o de c c e n t r i cw e a ra n a l y s i s s o f t w a r e ，d e s i g n e dt h es o f t w a r ei n t e r f a c eo ft h es i m p l ea n db e a u t i f u l ，i n t e g r a t e db a s i c n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw i t hs i m p l eb e a mm o d e la n dt h ec o n t i n u o u sb e a mt h r e em o m e n t e q u a t i o nm o d e li n t ot h ea c t u a lp r o j e c th a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c e t h e n ，a p p l i e dt h es o f t w a r e g u d o n go i le x t r a c t i o np l a n tc o m m i s s i o n e d2 2p o l y m e ri n j e c t i o ne c c e n t r i cw e a l w e l la n a l y z e d t os o l v e ，f o u n ds u c k e rr o dp r o n et oe c c e n t r i cw e a ro ft h el o c a t i o n ，p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i s f o r f u r t h e rp r e v e n t i o no fs u c k e rr o de c c e n t r i cw e a r , a c c o r d i n gt ot h eo i l f i e l df e e d b a c k i n f o r m a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o n so ft h es o f t w a r er e c e i v e dg o o dt r e a t m e n te f f e e to fe c c e n t r i cw e a r , i m p r o v ee c o n o m i ce f f i c i e n c y k e y w o r d s ：p o l y m e rf l o o d i n gd i s p l a c e m e n t ，s u c k e rr o de c c e n t r i cw e a r ，v e r t i c a la n d h o r i z o n t a lb e n d i n g ，c o n t a c tl o a d ，v bp r o g r a m m i n g m 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 本文研究的目的和意义 第一章绪论弟一早三；百t 匕 聚合物驱是三次采油的新技术，可以更好地适应大部分油田已进入中高含水开发期 的实际情况。聚合物驱的主要机理是在水中加入化学物质，以提高水溶液的粘度，降低 水相渗透率、能够有效地调节水油两相的流度比，扩大驱替的波及体积，达到提高原油 采收率的目的。我国的聚合物驱研究经过近4 0 年的发展，共完成了三次大的飞跃， 先是在实验室中结合矿场现状进行研究，然后到工业性矿场进行试验，最终实现大范围 的工业化推广；形成了比较完备的配套技术，包括油藏工程、地面采油工程、采油工艺、 聚合物生产研制等各个方面。同时在工业化生产推广应用过程中不断实践，进一步发展 和完善了聚合物驱技术，保证了聚合物驱在现场应用中取得好效果n 3 。 油田采油过程中，从常规驱油转为聚合物驱油后，整个系统中流体的组分和流动特 性发生了很大的变化，采出液不但包括水、原油、天然气，而且包括聚合物( h p a m ) 这种典型的高粘度非牛顿流体，这种混合物使得系统中流体的流动规律与常规驱油相比 变得更为复杂。注聚区的油井在生产过程中，由于井液中含有聚合物的关系，使得产出 的原油粘度增大乜1 ，加剧了油水乳化，混合后的流体粘度增大，将会导致与粘度相关的 各项摩擦力增大，另外由于聚合物溶液的粘弹性还会对抽油杆产生侧向力作用；摩擦力 的增大会引起抽油机悬点的最小载荷增大，抽油杆向下运动时阻力加大，其受力情况变 差，从而引起杆柱弯曲变形过大，使杆管接触，油管与抽油杆之间产生偏磨，若偏磨严 重将会造成油管磨漏、抽油杆断裂或脱落的后果。为了延长油井免修期、降低抽油杆的 脱断率，研究注聚区采油井抽油杆变形具有重要的意义。 理论上，含聚采出液的流动通道是由抽油杆和油管所构成的同心环空，但在实际生 产中，井筒不可能是完全竖直的，抽油杆和油管由于制造工艺等的影响也不是绝对同心 的，因此，流动通道是置于倾斜井筒中的偏心环空内。那么在考虑井斜因素影响的情况 下，在抽油杆下行程过程中，不仅会受到自身重量和井液对抽油杆产生的浮力的横向均 布载荷的影响，在任意截面上还作用有内弯矩，使得抽油杆的受力状况变得非常复杂， 抽油杆会产生纵横弯曲现象，不仅仅是简单的纵向弯曲。为了便于研究，可以将抽油杆 的力学模型简化为连续梁，主要受纵横弯曲载荷的作用，并且要考虑聚合物粘弹性引起 的侧向力的影响：由于抽油杆的轴向载荷是随井深不断变化的量，所以抽油杆变形也随 第一章绪论 井深不同，使得抽油杆与油管间的偏磨不同1 。作为有杆抽油系统的主要组成部分，抽 油杆的轴向力和内弯矩必然会影响有杆抽油系统，因此研究抽油杆在井筒中的受力情况 有重要意义。 聚合物驱是目前各大油田增储稳产的重要手段，但是随之带来的一系列问题严重影 响了生产时效，拿某采油厂来说，在2 0 0 8 1 1 到2 0 1 0 1 2 1 期间，免修期小于1 0 0 天的 就占到2 9 8 ，对于提高油田采收率带来较大的不利影响。综合相关的文献资料可知， 目前的研究主要是关于抽油杆下行阶段的弯曲变形引起的偏磨，但是注聚区井液中的聚 合物有它独特的性质，井液粘弹性对于抽油杆偏磨的影响不可忽略。本文将在现有文献 的基础上，综合考虑注聚区油井的抽油杆偏磨问题，针对存在的问题进行研究，提出合 理的解决方案，为实际工程应用提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 聚合物驱油基础理论的研究现状 对聚合物驱油的研究最早是从上个世纪4 0 年代开始的。美国于1 9 6 4 年进行了现场 试验h 1 ，到1 9 8 5 年已经进行了1 8 3 个聚合物驱油研究项目，部分项目已试验完成并取 得了成功，在技术上取得的进展促进了聚合物驱油在世界各地的进一步推广和应用。目 前，人们对聚合物驱油基础理论的研究主要集中在以下几个方面瞄3 。 ( 1 ) 聚合物溶液对宏观波及效率的影响 自从1 9 4 4 年d e t l i n g 申请可将添加剂用于粘性水驱油的专利以后，相继有其他一些 专利详细介绍了水溶性聚合物和粘性水驱所适合的油藏条件。经过大量的研究，人们发 现聚合物提高采收率的原理主要是通过改善流度比，调整吸水剖面，从而达到扩大波及 体积，提高波及系数的目的。 在上个世纪4 0 一6 0 年代，人们主要是从怎样提高经济效益的方向出发，围绕聚合 物溶液如何提高油藏的宏观波及系数以及聚合物驱油所适合的油藏条件还有驱油效果 等方面来进行研究。 ( 2 ) 聚合物溶液的粘弹性 在进行聚合物驱油的模拟工作时，一般都假设聚合物溶液是牛顿或假塑性流体，在 研究中发现，出现粘弹效应的临界流量与聚合物溶液的浓度、分子量、水解度、矿化度、 岩心的渗透率、温度等诸多因素相关。 由于聚合物溶液在多孔介质中具有粘弹性，1 9 6 7 年，m a s h a l l 和m e t z n e r 提出使用 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 德博拉数( ) 来表征流体的粘弹效应的观点，并给出与地层结构和流体参数之 间的关系式。此后，在1 9 8 1 年h a s s 和d u r s t 给出可确定的半经验公式；1 9 8 8 年， 韩显卿用粘弹性效应系数对滞留在孔隙中的聚合物分子进行了定义，并且采用慢速降压 和升压的方法对其进行了研究；1 9 8 9 年，d m j o n e s 和k w a l t e r 定义t r o u t o n 比描述流 体的弹性，认为无弹性流体在所有的拉伸速率下，t r o u t o n 比都等于3 ，任何偏离这个 值的流体都可以认为是粘弹性流体；1 9 9 4 年，l e h r s t u h ll e h r s t u h lf i i rs t r 5 m u n g s m e c h a n i k 采用m a x w e l l 流体模型来研究聚合物溶液在多孔介质中的流动，得出聚合物溶液粘度增 加主要是受聚合物分子的拉伸影响的结论，并且将其在多孔介质中阻力的增加用阻力系 数来表示。 ( 3 ) 聚合物溶液的渗流模型 自上世纪7 0 年代以来，国内外不少研究人员从流变学的理论出发，对达西定律进 行了修正，出现了一系列的流变模型，对渗流问题的研究取得了许多重大进步。比较成 熟的有修正的b l a k e k o z e n y 模型，这个模型能够对无弹性非牛顿流体的流动阻力特性 做出较为准确的描述，但是却不能用它来描述粘弹性流体在多孔介质中的渗流阻力特 性，会产生较大的偏差。为解决这个问题，一些学者又建立了粘弹性流体的流变模型， 如k e l v e n 模型、r o u s e b u e c h e 模型，这些模型将地层中的一些参数考虑进来，能较为 准确的解释聚合物溶液在多孔介质中的阻力特性。 ( 4 ) 聚合物驱油机理的研究 早期关于聚合物驱油机理的研究主要是以毛管数和分流方程为基础，用物理模拟和 数值模拟方法研究聚合物溶液对宏观驱替效率的影响。 目前国内外存在一种普遍观点，认为聚合物驱油只能提高波及效率，而对微观驱油 效率没有影响。实际上，这是由于人们对聚合物溶液在地下驱油过程中的渗流特性的认 识还不够完善，对其微观物理化学的渗流规律，尚且需要进一步的深入了解。 1 9 9 0 年，郭尚平、黄延章利用微观渗流模型对聚合物驱油微观机理进行了研究， 认为聚合物能提高驱油效率的原因是由于聚合物溶液与油的剪切应力大于水与油的剪 切应力。 2 0 0 0 年，王德民等开始初步探索聚合物溶液的粘弹性对微观驱油效率的影响。从 一些微观驱油的实验中对比发现，用粘弹性流体和粘性流体在同样实验条件下驱替水驱 后的残余油，前者的驱油量大大超过后者的驱油量；同时王德民院士还提出了粘弹性流 3 第一章绪论 体中法向力的概念，但是没有进行量化。 在采用聚合物驱油的地区，抽油杆偏磨严重，因此需要深入了解聚合物溶液的性质 对抽油杆受力及变形的影响。 1 2 2 抽油杆偏磨机理的研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 上个世纪5 0 年代，美国、前苏联等国家的石油公司就开始对抽油机井中的抽油杆 偏磨现象进行研究，国外的油井一般较浅，且含水率较低，与国内油井井况相比状况要 好得多。 a l u b i n s k i 哺1 在1 9 5 0 年对杆柱的受力变形情况进行研究，针对不同井况分别讨论， 首先根据钻杆进行垂直井作业时会产生平面( 正弦) 屈曲的现象，研究分析了垂直井眼 中钻柱的变形和受力情况，在此基础上推导出了钻柱的屈曲方程，同时利用边界条件， 求解了抽油杆发生弯曲时的临界屈曲载荷。 磐+ d y + 1 ：0 x c0( 1 1 ) + = ll 1 ) 出出 然后，a l u b i n s k i 与w o o d 口1 在后续的论文中，放弃了竖直油井井筒的假设，将钻具 组合的分析置于一种符合实际的基础之上，他们一起对斜井中的管柱做了屈曲实验模拟， 实验结果显示管柱在斜井中会发生螺旋状的屈曲，并得知井斜角的大小是影响管柱临界 屈曲载荷的重要因素，因为在实际生产中，油井都会存在不同程度的井斜，哪怕是钻直 井，由于诸多因素的影响，钻头在钻井眼时往往会偏离预先设计好的轨道，从而产生井 斜角。 b l e n k a m 与a l u b i n s k i 于1 9 5 7 年研究了油井中油管的屈曲，他们主要研究分析并 液作用力对油管屈曲产生的影响，指出油管发生屈曲后会对抽油井效率产生不利影响。 提出了油管屈曲的“虚构力的概念，最终给出了提高泵效的措施。 a l u b i n s k i ，l o g a n 陋3 等人在1 9 6 2 年又对带有封隔器的管柱的屈曲进行了研究，考 虑了温度变化、内外压力变化及螺旋屈曲、活塞效应对管柱长度的影响，分析了多种因 素共同作用下的管柱受力和变形情况。就管柱在封隔器中沿轴向自由运动、只沿一个方 向( 有限) 运动以及不能运动这三种不同的约束情况，对管柱的变形、管柱与封隔器之间 机械作用力的大小、应力的分布以及屈曲行为进行了讨论，得到以下结论： 螺距与管柱轴力压力之间的关系： 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 脚厄厚 管柱长度改变( 螺旋屈曲引起) 的计算公式： 址= ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) p a s l a y ，b o g y 等人阳3 于1 9 6 4 年研究了斜直井内钻杆的稳定问题。他们假设钻杆两 端自由不受约束限制，不考虑角位移和曲率的影响，也不考虑轴向压力引起的横向变形， 钻杆上只承受自身重力、轴向力和两端面的扭矩作用，与井壁均匀接触，得到了钻柱在 斜直井眼中产生正弦屈曲时，临界载荷的计算公式： c = 丽( 1 - v 丽) 2e 1 1 - v ) ( 1 - 2 v ( 卦2 + 丢k 堂e i r o ( 训 ( ，川 钿() l 三l n l 、三l uv p a s l a y 和d a w s o n n 们等人于1 9 8 2 年研究了恰好能使井下数千米长的管柱发生正弦 屈曲时的轴向载荷公式，通过极值求解，给出了在斜直井中，管柱发生正弦屈曲的极小 值计算公式，即无限长管柱屈曲的临界载荷计算公式： e 2 r 丝业 0 5 ( 1 - 5 ) c h e a t h a m 1 等人于1 9 8 4 年，假设抽油杆不受自身重量的影响，用能量法分析了管 柱在其他轴向压力的作用下，发生螺旋屈曲的构形。 y u c h ec h e r t 、c h e a t h a m n 2 1 等人于1 9 9 0 年研究了水平井中管柱的正弦及螺旋屈曲，并 应用能量法，导出了水平井管柱临界载荷的计算公式。 j i a n g w u ，j u v k a m - w o l d n 3 3 于1 9 9 3 年根据实验的结果，得出这样的结论：摩擦力对 水平井中管柱的影响在发生屈曲之前是微不足道的，但是在管柱屈曲之后，摩擦力会成 倍增加，摩擦力的作用就不能再被忽略，如果增大到一定程度，管柱还会发生自锁现象。 接着，他们又研究分析了斜井中管柱的屈曲及自锁的行为。 k y l l i n g t a d 、x i a o j t mh e n 们通过对比分析得出：管柱发生屈曲变形时，管柱与井壁接 触，从而产生接触力法向支反力，他们认为该作用力对管柱的临界载荷会产生重要 的影响。 s u t y a n a r a y a n a 及m c c a n n n 踟于1 9 9 4 年通过实验研究和信号分析，了解到在定向井井 第一章绪论 眼中受到井壁约束和摩擦力双重作用的钻具组合会发生屈曲，还从分析研究中得知，摩 擦阻力能够推迟屈曲开始的时间，对钻具的屈曲能起到明显的滞后作用。 w e i y o n gq i u h 町于1 9 9 8 年利用“拉格朗日算子逼近法 ，得出了计算管柱屈曲接触 反力的方法，这是通过研究斜井、直井、连续井眼中的井壁对油管的作用力得出的。同 时，w e i y o n gq i u 还运用能量法分析了钻柱( 即挠性管) 在连续弯曲井眼中的屈曲行为， 得出管柱在刚要发生屈曲时载荷的表达式： 开始屈曲临界载荷计算公式： 只= 等j h1 w s i n a r r 2 i m 6 ， 正弦屈曲临界载荷计算公式： ，= 半+ 等i m 7 ， 艘 i 3 5 2 日i ” 螺旋屈曲临界载荷计算公式： e = 等l h1 w s i n a r r 2 i ( 1 - 8 ， ( 2 ) 国内研究现状 国内对抽油杆偏磨的研究起步较晚，7 0 年代后期才开始研究偏磨防治技术，起步 相对较慢，因此可以参考的文献资料并不多。 白家祉n 7 1 教授对井下钻具平面和空间中的受力和变形进行了大量的研究，给出有关 纵横弯曲变形的迭加原理，对管柱的屈曲分析提供了极为重要的理论基础，而且自家祉 教授提出了纵横弯曲连续梁的理论，在此基础上建立了适用于计算纵横弯曲连续梁内力 的数学模型，也就是三弯矩方程组： 邶+ 2 m 卜) + y k t ) 筹卜z ( 丝厶i i + l il1 l + j 一下q i l i 2 刖一华筹弛。) + 等产 一掣，( i - 1 n ) 厶l q7 n + l - i 。丽4 m n z 两( u n + 1 ) 骆貉( ”气) ( 1 - 9 ) 苏义脑n 8 q 通过系统研究多种不同类型的井底钻具，把纵横弯曲理论加以完善和扩 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 展，在充分考虑不同工艺和井深的情况下，研究钻具在一维、二维和三维条件下的受力 和变形，对不同类型井下动力钻具和弯接头的组合进行研究，得出的结论可以用于计算 其受力和变形情况。 窦益华和唐俊才啪1 通过“加权残值法”幢n 对钻柱的变形和受力情况进行了研究分析， 根据小挠度变形理论，得出了设计弯接头钻具组合的依据，使计算过程不再繁琐，同时 还得到了管柱屈曲控制方程的微分形式和发生屈曲时的边界条件，其表达式为： 碧= t + z 窘+ 老一r 参 m u _ = l + z = + 一k = - l l ij 出4出2出出。 、 叱，p 乳，一o ，乱= 。 叱= o d 舷：u l ：爿= o , u l ：菩 7 i l 一如一呜+ ，= o ，r = 刀+ ， 1 2 ， ( 1 - 1 2 ) h , z - 吃( 卜五) 一r p + p l + 号一砒= o 朱小平瞳2 1 于1 9 9 0 年应用“纵横弯曲理论”分析了抽油杆在一维条件下的变形和受 力状况。 自1 9 9 4 年以来，高国华瞳蝴1 教授较为系统地研究了井眼中管柱的屈曲行为。在分 析微元体受力的基础上，通过变形几何方程、静力平衡方程和物理方程推导出了弯曲井 眼中管柱的三维屈曲方程： 万d 4 0 + 啦一6 ( 绷斗扣= 。 该方程为具有不同形式的三种解，分别与管柱三种平衡形式相对应。零解与管柱的 稳定平衡状态相对应，线性化方程的解与管柱的正弦屈曲状态相对应，非线性化方程的 非周期解( 螺旋线解) 与管柱的螺旋屈曲状态相对应。 张竞雄、黄锦滨等心7 3 对油田抽油杆偏磨的理论分析和现场测试数据进行研究，总结 出了抽油杆偏磨的规律，分析了杆管产生偏磨的原因，推导出油井杆柱受力的中和点， 为治理提供依据，但是忽略了抽油杆的屈曲问题。 迟世华、吴峰等啪1 从抽油机采油工艺原理、采油工艺特性入手，并结合工程力学理 7 第一章绪论 论对偏磨进行了探讨，但是未涉及注聚区这一特定条件的抽油杆偏磨问题。 常方瑞、黄煦啪1 从泵径、油井结蜡、沉没度、含水等方面对某采油厂稠油井进行了 调查研究，针对性地采取了加降粘剂、管底部加油管锚、安装旋转或抗扭矩装置，安装 扶正器、采用低冲程，低冲次生产参数等措施，取得了较好的防偏磨效果。 李建红、蔡建中、张学斌町认为抽油杆偏磨严重是由于抽油杆在井下运动时，井下 杆管的受力不可能达到理想状况，造成抽油杆与油管不同心，与油管壁发生接触，从而 出现偏磨。 1 2 3 偏磨点位置的研究现状 国内有不少关于扶正器配置间距的计算方法，杨超13 指出，对扶正器间距求和，即 为抽油杆上的原始偏磨高度，因此关于扶正器间距的计算都可以作为求解偏磨点位置的 依据。 杨敏嘉m 1 和赵洪激b 羽采用材料力学中的挠曲线方程，利用0 6 1 8 法求得扶正器间距方 程的根，得到了抽油杆上扶正器的配置间距，但是在计算时忽略了惯性力和摩擦力对间 距的影响。 董世民旧钔采用三角级数的形式表述抽油杆失稳弯曲的挠曲线方程，采用位移变分原 理来计算扶正器的配置间距，并考虑了抽油杆接箍的影响，指出轴向力、井斜角等因素 对扶正器间距影响较大。 对于采用聚合物驱油的油井，分析抽油杆上偏磨点的位置时，重点应放在聚合物溶 液粘度升高以后对下冲程抽油杆的摩擦力的影响和粘度引起的侧向力的计算，并且应该 充分考虑摩擦力和侧向力对抽油杆偏磨的影响。 1 3 本文主要研究内容 通过对国内外文献资料的分析研究后认为，需要解决的问题主要有： ( 1 ) 在抽油杆偏磨的基础理论方面，现有文献提出的观点主要包括：纠正抽油杆偏 磨是由井斜造成的传统观念，从杆柱稳定性角度来分析产生抽油杆偏磨的原因；从现场 测试的数据中总结规律，并利用力学分析，推导出偏磨点的位置，并制定治理的方案； 研究杆柱所受交变载荷以及产出液本身的腐蚀性对抽油杆偏磨的影响程度，以及抽油杆 弯曲形状和失稳、共振对抽油杆偏磨、断脱的影响。但是将聚合物驱的影响考虑在内的研 究还比较少，缺乏系统的分析研究。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 2 ) 在注聚区油井抽油杆偏磨原因方面，现有文献提出的观点主要有：井身结构的 约束引起的杆管变形造成偏磨；下行阻力过大造成杆管失稳变形，形成偏磨；采出液中本身 的腐蚀性造成的抽油杆偏磨，但是关于聚合物粘度增加引起各项摩擦力增加造成抽油杆偏 磨的研究尚不完善。 ( 3 ) 在注聚区抽油杆的偏磨位置方面，国内外的研究提出抽油杆的中和点位置附近 是偏磨最严重的部位，但是对于偏磨点具体位置的确定，尚缺少系统的分析。 因此针对以上问题，本文主要对以下几个方面进行研究： ( 一) 对抽油杆失稳弯曲进行理论推导 ( 1 ) 对注聚区偏磨井进行运动分析，明确机械采油过程中抽油杆上的载荷变化以 及偏磨点位置的变化，推出各项载荷的具体计算式，并建立研究抽油杆弯曲变形的纵横 弯曲连续梁模型； ( 2 ) 研究抽油杆在下冲程过程中受压段( 中和点以下抽油杆) 的变形规律，建立 力学模型，形成有针对性的理论分析方法，为确定抽油杆接触载荷和偏磨位置奠定理论 基础； ( 3 ) 将抽油杆简支梁模型和连续梁模型结合起来，先用简支梁模型初步计算，再 用连续梁模型进行验证校核，实现对抽油杆力学模型的求解，同时还可以求得三弯矩方 程组的解析解。 ( 二) 设计计算程序并分析实例结果 ( 1 ) 在理论分析的基础上，利用v i s u a lb a s i c6 0 语言编制“注聚区油井抽油杆偏 磨分析软件”，将理论分析与数值模拟相结合，以充分实现理论分析工程化； ( 2 ) 对软件计算得到的数据结果利用o r i g i l l 绘图软件进行处理，并对结果进行进 一步的分析对比； ( 3 ) 结合实例进行分析计算，以验证本文研究方法的正确性和可行性；分析油井 井况及各项载荷等不同的影响因素对抽油杆偏磨位置和接触载荷大小的影响； ( 三) 进行现场实际应用 根据某采油厂注聚区2 2 口偏磨井的现场调研参数利用软件进行分析计算： ( 1 ) 抽油杆下行程时中和点附近最容易发生偏磨，应用软件可以快速求得各抽油 杆上中和点的位置和受力情况，结合相邻两偏磨点的最大挠度的值，可以绘出抽油杆变 形曲线，有针对性的采取偏磨防治措施； 9 第一章绪论 ( 2 ) 由软件计算可以求得接触点和接触载荷的分布规律，结合各跨抽油杆中点的 最大挠度得到扶正器的合理安装位置，为防治抽油杆偏磨提供理论依据，对于提高油田 经济效益具有现实意义。 1 4 本文的创新性 ( 1 ) 充分考虑聚合物溶液的性质，将聚合物溶液的粘弹性引起的侧向力和与粘度 有关的摩擦力作为引起接触偏磨的重要因素，首先利用简支梁模型初步计算各跨杆柱的 长度和轴向力；再用连续梁模型基于纵横弯曲理论进行修正和分析；最后利用计算程序 校核计算，根据各跨杆柱中点的最大挠度进行判断，得到抽油杆上偏磨点的位置和接触 载荷，求出合理的扶正器安放间距，以满足实际需要； ( 2 ) 结合理论分析，利用v i s u a lb a s i c6 0 编制能方便预测偏磨位置的软件，该软 件操作简单易行，界面简洁明了。将理论分析和数值模拟相结合，可定量计算接触载荷 的大小；确定偏磨点的位置；设计抽油杆柱组合、扶正器的最优布置等，具有实际工程 应用的价值。 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章注聚区抽油杆偏磨机理 各大油田现在普遍采用聚合物驱油，其原理是在水中加入高分子聚合物使水溶液 的粘度升高，以改善油水流度比从而使波及体积增加，提高驱油效率。但是在使用过程 中发现，采用聚合物驱油油井的抽油杆偏磨程度较常规驱油时严重，躺井次数增加，因 此需要研究聚合物的性质，以及聚合物驱条件下的抽油杆偏磨机理。 2 1 聚驱采出液的特性 2 1 1 聚驱采出液的流变性 聚驱采出液中除了原油、水以外，还含有聚合物溶液，这种混合溶液属于非牛顿流 体，其流变行为可以用幂律流体定律来描述呤酊： j l = y 驴1 ( 2 - 1 ) 式中，以为聚合物溶液的粘度m p a s ；k 为稠度系数，m p a s “；n 为流变指数，无因 次；，为流体通过柱塞与泵筒之间的剪切速率，s - 1 ，= 2 s 1 n 丽( 2 n 万+ 一1 ) 。 聚合物溶液的流变性曲线如图2 1 所示：从图中可以看出，流变性曲线包括牛顿段、 假塑段、极限牛顿段、粘弹段和降解段；粘度与剪切速率有直接关系，当剪切速率比较 小时，聚合物溶液的粘度不会随着剪切速率的变化而变化，液体流动对聚合物分子结构 不会产生影响，称为牛顿段；当剪切速率比较大时，高分子构象在切应力的作用下发生 变化，使得长链分子与平衡构象发生偏离，分子链和聚合物解缠彼此分离，降低了运动 时的相对阻力，所以当剪切速率增大时，聚合物溶液的浓度会减小( 即假塑段) ；然而 当剪切速率增大到一定程度后，大分子取向会到达极限状态，聚合物溶液粘度不再随着 剪切速率的变化而变化，这时遵守牛顿流动定律( 即极限牛顿段) ；如果剪切速率再增 加，主链上的相邻键会错位，产生弹性恢复力，这时流体表现出粘弹性，使溶液的粘度 增加；当剪切速率增大到足以使高分子链断裂时，会使聚合物降解，降低聚合物溶液的 粘度，此段为降解段。 聚合物溶液m 3 在孔隙介质中流动的时候会同时受到拉伸力以及剪切力的作用，因此 存在拉伸流动和剪切流动7 侧。 ( 1 ) 剪切流动 剪切流动指水在毛管或者管道中作层流运动。同一断面上的水分子在外界压差的作 第二章注聚区抽油杆偏磨机理 用下流动速度呈线状分布。假设半径为r 的液面在压力梯度为d p d l 的管道中，受到大 小为石r 2 d p 的静压力，液柱长度为d l ，在管道中承受2 z r r d l 的剪切力。当受力平衡时 可有： 一2zrrdl=zr2dp(2-2) 其剪切应力可表示为： 似一等 ( 2 - 3 ) 上式表明，剪切应力与液柱半径之间呈线性关系，距离管壁越近的地方，剪切应力 越大，液层在剪切应力的作用下会以不同的速度流动。假设两液层之间的流动速度差为 dv ，两液层的间距为d h ，可定义剪切速率为r = dv d h ；剪切速率会随着切应力的增 大而增大，所以距离管壁越近，剪切速率增大。通过大量的实验显示，聚合物溶液处于 剪切流动状态时，其流动性可通过“拟塑性流体的幂律模式”来表示。 ( 2 ) 拉伸流动 当聚合物溶液流过先收缩后发散的喉道时，在孔喉附近的聚合物溶液会受到拉伸力 的作用，从而使得横向上的流动单元变细，轴向方向上伸长，从而形成拉伸流动。由于 孔喉收缩，使得孔喉附近液体流速比孔喉前后的流速要大，在孔喉处形成了速度差dv ， 定义为拉伸速率，dv l 定义为单位长度速度差，l 为形成速度差的管长。在拉伸流动 的过程中，速度梯度和流动方向保持一致，另外小分子溶液在经过收缩孔喉时不会形成 拉伸流动。 图2 - l 聚合物溶液流变性曲线 l 强9 2 - lt h ep o l y m e rs o l u t i o no f f l o we n a t u r e dc a r v e 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 1 2 聚驱采出液粘度的影响因素 研究表明，聚驱采出液的粘度与分子量，浓度，水解度，温度，矿化度等都有直接 或间接的关系，下面分析各种因素对粘度的影响。 ( 1 ) 在相同条件下，随分子量增加，聚合物溶液粘度增加，见图2 2 ； ( 2 ) 在相同条件下，聚合物浓度越高，其溶液的粘度越大，并且增加的幅度也会 越来越大，见图2 3 、2 - 4 ； ( 3 ) 在相同条件下，在一定范围内，水解度越高，聚合物溶液的粘度越大，当超 过这个范围，粘度增加会变得非常迟缓，见图2 5 ； ( 4 ) 在相同条件下，随温度升高，聚合物溶液的粘度降低，但是如果温度降回原 来温度，粘度还会恢复到原来值，见图2 6 ； ( 5 ) 在相同条件下，聚合物溶液的粘度随水中矿化度程度的升高而降低，见图2 7 。 c m f y l 圈2 - 2 分子量对粘度的影响 f i 9 2 - 2m o l e c u l a rw e i g h te f f e c t o i lt h ev i s c o s i t y l o o o 詈l o o 山 二 捌 襄l o 1 o 111 0l o o1 0 0 0 翦切率刚 图2 4 聚合物溶液流变性曲线 n g “t h ep o l y m e rs o l u t i o no ff l o w e u t a r e dc u l v t l 哩 a 冬 c 柏 型 0 ， 拳# 揪 ； j # 罄 裂 2 0 04 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 聚合物浓度，m g f ，l 图2 - 3 聚合物增粘性 f i 9 2 - 3t h ei n c r e m ev i s c o s i t y o fp o l y m e r 0 l o2 0 3 0 水解度 图2 - 5 水解度对粘度的影响 f i l l 2 - ! ；d 删o fh y d r o l y s i s e f f e c to bt h ev i s c o s i t y 第二章注聚区抽油杆偏磨机理 6 罡5 c 捌 主4 ) 2 03 04 05 06 0 温度， 图2 6 温度对粘度的影响 m t e m p e r a t u r ee f f e c to nt h ev i s e o s i t ，r 2 1 3 聚驱采出液产生的侧向力 8 6 c 力 为 厶 4 酋吖 瞩 o0 0 40 0 80 1 20 1 6 盐的浓度，m o l l 图2 - 7 矿化度对粘度的影响 f i 9 2 - 7s a l i n i t ye f f e c t 佃t h ev i 0 嘲i 锣 聚驱采出液在外力作用下流动时，粘性和弹性两种行为共存，属于粘弹性流体。在 流动过程中，由于抽油杆与油管不同心，聚驱采出液流体由于微观性质的原因表现出各 向异性，在偏心环空中产生垂直于杆柱轴向的力，称之为侧向力，侧向力作用于抽油杆 上，加剧抽油杆偏磨，导致侧向力产生的原因除了杆柱内的偏一i i , 环空影响外，还与聚驱 采出液的粘弹性有直接关系m 1 。 由幂律流体本构方程可以知道：偏应力与速度变化率有关系，因此应先确定偏心环 空的速度场，再计算侧向力，假定偏心环空内的速度场已充分发展，即： u ，= u y = 0 ，u ：= u ( x ，y ，t ) ( 2 - 4 ) 对于粘弹性流体，偏应力为： f 。；2 p 鲁= 。矿( 劳+ 鲁) = 。，= 2 p 等= 。 c 2 剐 根据运动方程，得： 罢：0 ，_ o p ：0 ( 2 剐 说明流体在垂直于流体方向的截面内压力是保持不变的，在杆管环空中的偏应力可 表示为“： 啦= ( 一p + f ，：) 力，+ f ，力，+ t x z j z ie d 9 ( 2 7 ) 将上式沿杆柱表面积分，可得聚驱采出液沿抽油杆柱作用的侧向力的合力： 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 在抽油杆表面有： 乞= r 1 ( 一j d + t ，) 力，+ t ，q + r , z n z r i d q ， ( 2 8 ) 以= 一三器，乃= 一器 c 2 9 a ， t a n 伊：二兰竺黑，a r 伊：一兰垒主l 曼三旦二l (29b)1 t c h 芎ic o snj ? t h e 一c o s 啊 、。u 。 将式( 2 9 ) 代入式( 2 8 ) 中，可得双极坐标系中流体作用于抽油杆柱表面的侧向 力为： 览= r 。尚 ( 一p + t