（机械工程专业论文）聚合物驱抽油机井杆柱力学试验研究.pdf

。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 大庆油田自聚合物驱开采以来，在采油工艺上暴漏出一个严重的问题：抽 油杆与油管偏磨比水驱时速度和程度加剧，主要原因是聚合物驱采出液比水驱 油井的粘度增加，导致与粘度有关的各种摩擦力增加，聚合物驱抽油机井见聚 后下行阻力较水驱时增大，使得抽油杆柱失稳产生纵向弯曲的变形波数增加， 同时由于聚合物溶液属于粘弹性流体，在抽油杆和油管环形空间流动时，对抽 油杆产生法向力。因此抽油杆在下行阻力和法向力双重作用下，与油管偏磨加 剧，杆断率增加，作业井次明显增加。影响聚合物驱油井生产；同时作业费用 增加，使得采油成本加大。 本文针对此问题，采用了理论分析与模型实验研究相结合的方法，采用编 程计算出抽油杆柱变形情况，并以此采取相应的防偏磨措施。具体研究方法： 首先分析了聚合物驱后采出液粘度变化情况；然后建立了抽油杆柱上、下冲程 受力的计算模型；进行了抽油杆在粘弹性流体中运动的阻力试验研究，分别建 立法向力试验装置、测试抽油泵阻力试验装置和抽油泵凡尔阻力试验装置，并 回归了抽油泵下行阻力的计算公式。其次根据抽油杆柱静力分析的基本方法， 利用了有限元研究此问题，编制了相应程序；建立了抽油杆柱受力变形的实验 装置用以验证理论分析的正确性。最后对现场的实际抽油杆柱进行计算，并根 据计算结果采取相应的防偏磨措施，有效减缓杆柱偏磨，延长了检泵周期，取 得良好的经济效益。 关键词：聚合物驱；抽油机井；抽油杆偏磨；有限元；试验 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a p r o b l e mh a sb e e np u tf o r w a r d t h a tr a t ea n d d e g r e eo f e c c e n t r i cw e a rb e t w e e n s u c k e rr o da n do i lt u b ea g g r a v a t e di np o l y m e rf l o o d i n gw e l l sw h i c hi nw a t e r f l o o d i n g w e l l ss i n c ep o l y m e rw e l t s p u ti n t op r o d u c t i o n i nd a q i n go i lf i e l d t h em a i n r e a s o ni st h a tt h ev i s c o s i t yo fp r o d u c el i q u i di n c r e a s e di np o l y m e rf l o o d i n gw e l l s t h a nw a t e r f l o o d i n g w e l l s i tm a k ef o ra i it h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c ei n c r e a s e d c o r r e s p o n d i n g l y , t h er e s u l ti sm a x i m a ll o a db e c o m el a g e rd u r i n gu p s t r o k ea n dt h e m i n i m u ml o a db e c o m es m a l l e r d u r i n g d o w n s t r o k et h a nw a t e r f l o o d i n g a f t e r p o l y m e ro u t p u tf r o mp o l y m e rf l o o d i n gw e l l ，f o r c es t a t u so f t h er o d t u r nt o ob a d ，a n d t h el e n g t h w a y sb u c k l i n gl o a di n c r e a s e di nd o w n s t r o k e ，m a k et h eb u c k l i n gn a m b e r b o u g h tb yl o s es t a b i l i t yo fs u c k e rr o db r o k e nb ei n c r e a s e do p e r a t i n gw e l lo b v i o u s a d dal o t ，s oi tm u s ti n f l u e n c et h ep o l y m e rf l o o d i n gw e l l w h i l eo p e r a t i n gc h a r g e i n c r e a s e ，a n d t h e p r o d u c t i o n c o s te n h a n c e da l s o t h i s p a p e ra i m e d a tt h e p r o b l e m ，a d o p t i n gt h e o r ya n a l y s i sa n d t e s ts t u d y ，u s i n g p r o g r a m m i n g t oc a l c u l a t et h ep o l ed i s t o r t i o n ，a n da d o p t i n g c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e c o n c r e t es t u d yc o n t e n ta sf o l l o w s ：f i r s ta n a l y s i sv i s c o s i t yv a r i e t yo f o u t p u tl i q u i d t h e nb a s et h ep o l em e c h a n i c sm o d e lf o rt h eu p s 吐o k em a dd o w n - s t r o k e ；p u tu p e l i c i t i n go i lp o l er e s i s t a n c et e s ts t u d yi nt h ev i s c o s i t yl i q u i db u i l dt e s td e v i c et os t u d y v e r t i c a lf o r c ea n dt e s t e l i c i t i n go i lp u m pr e s i s t a n c e ，t h e nr e g r e s st h ec a l c u l a t e f o r m u l af o re l i c i f i n go i lp u m p r e s i s t a n c e s e c o n d l yb a s e o nt h eb a s i cm e t h o df o rp o l e s t a t i c sa n a l y s i s ，c h o o s ef i n i t yu n i tt os o l v et h i sp r o b l e m ，a n dg a i nt h e c o r r e s p o n d i n g p r o g r a m m e ；t h e nb u i l dt h e t e s td e v i c eo f e l i c i t i n go i ip o l ed i s t o r t i o nt ov a l i d a t et h e p r o g r a m m e l a s tc a l c u l a t et h er e a lp o l ea n db a s eo nt h er e s u l ta d o p tc o r r e s p o n d i n g m e a s u r e t h e p o l ew e a l i sl i g h t e n e de f f e c t i v e l y ，t h ec y c l eo fe x a m i n gt h ep u m pi s 哈尔滨上程大学硕十学位论文 p r o l o n g e d a n dt h eb e t t e re c o n o m yb e n e f i ti sg a i n e d k 呵w o r d s ：p o l y m e rf l o o d i n g ；s u c k e r r o d p u m p i n gw e l l ；p o l ew e a r ；f i n i t yu n i t ； 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个入或集体已经公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：堡二3 兰生 ，r 日期：2 ，面也年6 月够。日 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 在石油工业领域，油井依靠天然能量和补充人工能量开采原油，采出量 平均不到原始石油地质储量的5 0 ，即有一半左右的石油储量残留在地下。 在未发现既经济又丰富的石油替代物之的，要保持石油稳定供给，不仅需要 在石油勘探上做出更大的努力，同时还需要提高现有油藏采收率。 近年来，聚合物驱油技术作为油田稳产的重要手段，聚合物驱油主要是 在注水中加入一定浓度的水溶性高分子聚合物以增加溶液的粘度，减小油水 粘度差，改善流度比，扩大波及系数，以提高采收率，由于聚合物的粘度比 较大，驱替作用强，将孔隙中的残留原油驱替出来，大庆油田聚合物驱油年 产量超过9 0 0 万吨，占油田产量的五分之一以上，提高采收率1 2 ，因此聚 合物驱油在原油生产中起着不可替代的作用，但聚合物驱举升方式基本沿用 水驱时的技术，大部分油井仍然采用抽油机举升方式，这种采油工艺暴露出 一些严重的问题。 聚合物溶液属于粘弹性非牛顿液体，具有二种特性：1 、韦森堡效应，在 非牛顿粘弹性流体运动情形下，存在法向应力差；2 、聚合物溶液的增粘性， 聚合物溶液的溶解不同于低分子物质的溶解，由于聚合物一般具有较大的分 子量，在溶液中，水分子通过吸附或氢键作用而在高分子周围形成溶剂化层 或成为束缚水，同时因带电集团间的静电斥力而使聚合物分子更加舒展，无 规线团体积增大，这都使分子运动的内摩擦增大，流动阻力增大，从而增加 了溶液的粘度。 因此，油田从常规水驱转为聚驱后，整个采油工程系统中的流体的组成 和流动特性发生了很大的变化，不但包括油、气、水，而且包括聚合物这种 哈尔滨工程_ 人学硕士学位论文 典型的高粘度非牛顿流体，使得系统中流体的流动规律与水- b r h 比差别很大， 且更加复杂。这种采出液性质的变化，造成了抽油杆与油管偏磨井数的增加， 导致抽油杆断脱、油管磨漏。其主要原因是聚驱油井比水驱油井的采出液粘 度增加，导致与粘度有关的各种摩擦力增加。聚合物驱抽油机井最大：晷点载 荷较水驱时大，悬点最小载荷较水驱时变小，抽油杆受力状况变坏，而且抽 油杆在下行程时纵向载荷增大，使得抽油杆柱失稳产生纵向弯曲的屈曲变形 波数增加。其次，由于聚合物的粘弹性作用，对抽油杆产生法向力，进一步 加剧抽油杆和油管的偏磨。因此大庆油田聚合物开采以来，抽油机井、杆与 管偏磨加重，致使抽油杆断脱和油管损坏，断杆率增大，检泵周期大大缩短， 检泵周期由水驱时的2 3 年降为不足3 0 0 天，作业维护井次明显增加，影响 聚合物驱抽油机井生产，作业费用增加，采油成本急剧增加。 油井检泵作业一方面直接影响油井产量，同时检泵作业费用也增加了油 井的运行费用。目前大庆油田见聚抽油机井约有2 0 0 0 多口，若通过解决杆柱 偏磨而解决作业影响生产时效的问题，使检泵周期延长一倍，则每年可节省 单作业施工费近3 0 0 0 万元，经济效益显著。因此本课题的研究具有重要的理 论意义和实际应用价值。 1 2 国内外研究现状 聚合物驱始于2 0 世纪5 0 年代末和6 0 年代初。美国于1 9 6 4 年进行了现 场试验“1 ，1 9 8 5 年以前进行了1 8 3 个聚合物驱油研究项目，有些项目已试验 完成并取得了成功，所有这一切在技术上取得的进展都促进了聚合物驱油在 世界各地的进一步推广和应用。但由于受市场经济的影响，目前国外如美国 等西方国家已基本上停止进行提高采收率试验研究，只存在少数的室内研究。 与国外聚合物驱发展趋势相反，由于国内的东部大多数油田已进入中高 含水期，为保持油田稳产，采取了相当多的提高采收率方法，如化学驱、油 哈尔滨工程大学硕士学位论文 水井增产增注方法等，聚合物驱油技术应用发展迅速，目前已从矿场试验阶 段发展到大规模的应用阶段。据中国石油天然气总公司组织的三次采油水平 调查报告表明，大庆油田萨、喇、杏”油层适合聚合物驱的地质储量达2 7 8 亿吨，如果提高采收率1 0 ，相当于大庆油田按目前的生产水平连续生产打 年，这充分说明聚合物驱在大庆油田具有广阔的应用前景。预讨在2 l 世纪， 我国聚合物驱油无论在技术上还是应用规模上都将走在世界的前列。 聚合物驱在大庆油阳工业化应用以来，抽油机井抽油杆受力状况变坏， 杆断率增大。在水驱时代，抽油机井偏磨井数很少，采用安装抽油杆扶正器 以及杆柱底部安装加重杆增加杆柱的稳定性，或者采用悬重柱塞泵的措施， 这些措施是根据现场情况，凭借经验来实施，这些措旎基本可以解决水驱时 的杆管偏磨问题，但是在聚合物驱油时代，这些措施不没有缓解抽油机井偏 磨问题，因此聚合物偏磨机理需要进一步研究。 自从五十年代初，a l u b i n s k i ”1 开始研究直井中杆柱受力变形后，人们 一直很重视钻采管柱力学研究。尤其是八十年代后，随着现代采油技术、计 算机技术和力学理论的进一步发展，国内外学者在管柱动静力学分析方面做 了大量的研究工作，取得了相当大的进展。特别是管柱静力学研究成果较多， 并在生产中发挥了重要的技术指导作用。然而目前国内外对聚驱抽油机井杆 管偏磨、杆柱断脱等现象的研究还是停留在水驱方法之上，用经典力学研究 此问题，只是在粘度方面进行了修正。井下静力分析的基本方法有：微分方 程法，纵横弯曲连续梁法，加权残数法，初参数法，间隙元法。 微分方程法：早在六十年代，a l u b i n s k i 就采用经典微分方程法系统地 研究了管柱在各种工况下的受力与变形情况。在油管螺旋弯曲分析中，它假 设油管自由悬挂在套管内，油管下端端面受轴向压力f 的作用，若由流体压 力引起的轴向压力f 大于临界载荷时，管柱就会发生弯曲，甚至形成螺旋弯 曲。为研究油管柱的弯曲形式，它根据最小势能原理、虎克定律及几何关系， 哈尔滨t 程大学硕士学位沧文 建立了油管柱的空间曲率k 。与螺距p 和轴向压力f 的关系。继a l u b i n s k i 之后，p a s l a y b o g y ”。研究了斜直井内钻杆的稳定情况，假设钻杆与井壁均匀 接触，只受重力、轴向压力和两端面上的扭矩作用，且两端不受约束，角位移 和曲率为零，忽略轴向压力引起的横向变形。他们利用钻杆任意截面上某一 质点在位移变化前后的总势能变化，根据能量守恒原理和稳定性准则，以总 势能最小为稳定平衡条件的充分必要条件，最后得出当转杆中心与井眼中心 间距较小时，杆柱在水平井中发生失稳弯曲的临界计算力。 八十年代初，d a w s o n 和p a s l a y 。1 等在p a s l a y b o g y 的钻杆弯曲理论的基 础上，将其推广到斜直井中。 三十多年来，专家学者们应用经典微分方程法研究管柱的受力和变形情 况。2 “，得到许多极限载荷的计算公式和有益的结论，这些成果加深了人们对 于井下管柱受力与变形情况的理解，对工程实际也有一定的指导意义。但是 在工程实际中，油管柱往往在极限载荷以下工作，井眼轴线不是理想直线， 管柱与井壁接触并不均匀，此时应用经典微分方程法得到的公式计算管柱的 受力与变形，必然存在较大误差，难以满足工程需要。 纵横弯曲连续梁法：纵横弯曲连续梁法是一种精确解法，它是将管柱视 为相互联系的纵横弯曲的连续梁，应用材料力学中的三弯矩方程建立一组非 线性代数方程，进而从中求得管柱的变形和内力。七十年代末，自家祉1 2 2 1 1 2 3 1 首先应用纵横弯曲连续梁法对下部钻具组合作一维分析。他以带有n 个稳定 器的下部钻具组合为分析对象，钻头、n 个稳定器和上切点把下部钻具组合 分为n + 1 跨受纵横弯曲载荷的简支梁柱，每个稳定器处的内弯矩和上切点位 置为未知量。他根据纵横弯曲连续梁理论的变形迭加原理，由相邻两跨简支 梁在稳定器处的连续条件和上切点处边界条件推得如下三弯矩方程组，此 后，自家祉教授由将这一方法发展为二维分析和三维分析。在自家祉教授之 后，苏义脑口m 5 1 将纵横弯曲连续梁法发展到对弯接头一井下动力钻具组合的 4 哈尔滨工程大学硕二e 学位论文 一、二、三维分析，朱小平【2 6 】将该方法用于抽油杆下部杆柱的一维分析。该 方法物理概念清楚，计算简单，速度较快，在一般微机上即可完成。但该方 法的力学知识局部模型，无法分析管柱的整体受力变形情况，并且在分析复 杂下部钻具结构时( 多螺旋稳定器或多个弯接头) ，计算公式变得复杂。另外， 这种方法要用两个独立的平面问题来模拟钻具的三维力学问题，力学模型简 化太多，忽略力和变形的耦合问题，使管柱的受力变形很难得到准确描述。 加权残数法：加权残数法。7 3 是一种数学方法，它可以直接从微分方程式 中求得近似的解。该方法须先假设一个称为试函数的近似函数，代入微分方 程及边界条件，由于近似函数不能精确地满足方程而出现误差，称为残数。 然后再选择一定的权函数与残数相乘，要求他们于解域内加以消灭，于是得 到了微分方程的近似解。 唐俊才和窦益华。”首先将加权残数法用于管柱的受力变形分析。他们以 斜直井眼中带有一个扶正器的下部钻具组合为例，根据小挠度直梁弯曲理论 推导了其控制微分方程、边界条件和平衡条件，确定挠度函数后，还须验算， 以确定扶正器与钻头间的钻柱是否与并壁接触。 加权残数法是一种较为成熟的数学方法，它不依赖于变分原理。该方法 的力学模型为局部模型，无法分析管柱的整体受力变形情况，而且难以描述 管柱与井壁之间的随机多相接触。 初参数法( 传递矩阵法) ：初参数法又叫传递矩阵法，是将管柱视为多跨 连续梁，建立相邻节点处力和弯矩的递推关系，从而由已知的边界条件推得 整个管柱节点处的受力情况。d a r e i n g a h l e r s 。”建立了大曲率井眼中受拉油 管的多跨连续梁模型，并用传递矩阵法求出了节点的弯矩和转角。徐骏和侯 大方。”建立了斜井抽油杆空间拟静态模型，并采用初参数法求解。他们认为 斜井中抽油杆柱轴线是一条空间曲线，杆柱与油管内壁没有固定的接触线， 其接触线是断断续续的， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 初参数法采用整体模型，它的物理概念清楚，计算简单，但模型简化太 多，没有考虑杆柱的纵向弯曲以及扶正器与井壁之间的间隙，难以描述杆丰 与油管的随机多相接触问题。 有限差分法：有限差分法是一种近似方法，它是通过对管柱进行力学分 析得到其微分方程式，在通过差分转换把位移控制方程转化为差分方程的形 式求解。 七十年代，b r a d l e yw b “和f i s c h e rf j ”1 分别以钻柱的横向位移作 为基本未知量，第一次应用有限差分法研究了在直井和定向井中钻柱的二维 受力分析情况。九十年代初，杨妹。”等人研究了定向井钻柱摩阻问题。他们 采用连续接触模型，建立了该问题的非线性微分方程，并采用有限差分法求 解。 有限差分法是一种成熟的数学方法，应用该方法分析管柱的受力变形情 况时，由于差分方程中的系数是可变的，因此可容易地考虑非线性的影响； 同时由于差分区间小，可较容易地考虑井眼的约束。但是，要得到较精确的 解答，差分区间必须取得很小，这样就使得矩阵的维数增加，降低了计算速 度。此外，力学模型是否准确也是分析成败的关键。d a r e i n g a h l e r s 已经指 出，当井眼曲率变化比较大时或管柱刚度比较高时，此模型就不再适用了。 而且管柱与井壁之间的连续接触模型也不尽合理，如扶正器的两侧必然存在 间断区( 不接触区) 。 有限元法：有限元法就是伴随着电子计算机技术的进步而发展起来的一 种新兴数值分析方法。它的数学逻辑严谨，物理概念清晰，易于理解和掌握， 应用范围广泛，能够灵活地处理和求解各种复杂问题，特别是它采用矩阵形 式表达基本公式，便于运用计算机编程运算。这些优点赋予了有限元法强大 的生命力。 有限单元法从5 0 年代至今，经过几十年的发展，有限单元法的应用范围 哈尔滨工程大学硕l ? 学位论文 和应用水平得到了迅速的扩展和提高，在许多领域中已成为进行科学研究和 工程分析的重要方法与手段。其范围已由杆件结构问题扩展到了弹性力学乃 至塑性力学问题，由平面问题扩展到空间问题，由静力学问题扩展到动力学 问题。有限元法也是埽十近似计算方法，它的基本思想是把管柱离散化成有 限个“空间梁单元”，然后以梁单元为研究对象，根据变位法建立其单元的平 衡方程，在经过所有单元坐标变换和“对号入座”拼装过程，可得到杆柱的 平衡方程。求解该方程即得到杆柱节点处的位移和单元内力。 1 9 7 8 年，m i l l h e i mk k ”4 3 “等人就丌始用有限元法求解下部钻具组合的 受力和变形。m 订l b e i m k k 在有限元计算中，没有设定上切点，而是从钻头 开始向上取，一般取1 5 0 4 0 0 英尺的钻柱长度作为计算对象来划分单元。他 选用空间梁单元，对3 0 0 英尺的下部钻具组合取2 8 5 1 个单元，用来描述钻 柱与井壁的接触状态。m i l l h e i mk k 假设稳定器与井壁无间隙，即始终处于 接触状态，因此在稳定器处加一个横向固定支座。 在计算中，m i l l h e i mk k 把外载荷一点点地加到结构上，每次都计算间 隙的大小，以判断是否达到了应变转折点，从而决定是否改变刚度，直到全 部载荷加完为止。 有限元法是一种成熟的数学方法，它的物理概念简单、清楚，适用性强， 不限制管柱的材料和几何形状，而且对单元的尺寸也无严格的要求，收敛性 好。 应用经典微分方程法得到的公式计算管柱的受力与变形，必然存在较大 误差。纵横弯曲连续梁法力学模型简化太多，忽略力和变形的耦合问题，使 管柱的受力变形很难得到准确描述。加权残数法的力学模型为局部模型，无 法分析管柱的整体受力变形情况，而且难以描述管柱与井壁之间的随机多相 接触。初参数法模型简化太多，没有考虑杆柱的纵向弯曲以及扶正器与井壁 之间的间隙，也难以描述杆柱与油管的随机多相接触问题。有限差分法应用 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 于当井眼曲率变化比较大时或管柱刚度比较高时，管柱与井壁之间的连续接 触模型也不尽合理。 有限元法是一种成熟的数学方法，它的物理概念简单、清楚，适用性强， 不限制管柱的材料和几何形状，而且对单元的尺寸也无严格的要求，收敛性 好。 1 3 本文研究的主要内容 为了降低杆断作业率，延长检泵周期，必须对聚合物驱抽油机井采出液 的性质进行研究，在此基础上，依据非牛顿流体力学理论和采油工艺理论， 建立聚合物驱抽油机井抽油杆受力模型及抽油杆屈曲变形的试验模型，利用 实测数据进行计算，对聚合物驱抽油机井生产过程中抽油杆柱的受力状况进 行分析，查明造成偏磨杆断的主要原因，从而有针对性地实施防治措施，保 证聚合物驱抽油机井的顺利实施。因此，本文的研究内容有： 1 、理论分析聚合物驱抽油机井抽油杆柱上、下冲程的载荷计算 2 、试验研究抽油杆柱在粘弹性流体中运动的阻力 建立测量法向应力和抽油泵下行阻力的试验装置，试验测量抽油杆在油 管中具有一定偏心的时候，法向力的大小和聚合物浓度的关系以及抽油泵下 行阻力及抽油泵凡尔的局部阻力和聚合物浓度的关系测试。 3 、杆柱变形的有限元计算 用有限元法进行抽油杆柱的力学分析，并且进行试验验证。 4 、提出防偏措施，延长检泵周期 对现场的抽油杆柱进行计算，并要根据计算结果采取相应的防偏措施。 哈尔滨t 程大学硕k 学位论文 第2 章聚驱抽油机井抽油杆柱受力分析 有杆抽油系统是应用最多的一种人工举升方式，在有杆抽油系统中，抽 油杆是有杆抽油设备的重要组成部分，抽油杆在油管中的运动情况非常复杂。 从大体上看，抽油杆在油管内作上、下往复运动，在运动过程中承受交变载 荷。要分析抽油杆柱弯曲偏磨的原因，就要对抽油杆柱的受力进行分析计算， 明确抽油杆柱的受力组成”1 ，抽油杆受力及抽油机悬点载荷的大小与抽油机 的运动过程有关。因此，我们在进行载荷计算时，将抽油机的运动分为下冲 程和上冲程两种情况来分析。 2 1 聚合物油井产出液粘度计算 油井采出液中包括两种液相：油相和水相。水驱时，油井采出液即为原 油和水的混合物。聚驱时，油井采出液也包括油相和水相这两相，但其中水 相已经不是纯水，而是聚合物溶液。聚合物是一种典型的高粘度非牛顿流体， 它的存在，使得水相粘度明显增大。同时我们注意到，水驱时油井产出液的 含水率较高，一般达到9 0 以上；聚驱油井见效后，产出液中含水率明显下 降。综合上述变化的结果，聚合物驱抽油机井产出液的粘度较水驱油井采出 液的粘度明显增大。 油井产出液粘度的增大，将导致油井生产过程中的与粘度有关的各种摩 擦阻力增加，从而造成上冲程最大载荷增大，下冲程最小载荷减小，使抽油 杆柱上、下冲程受力相差较大，抽油杆柱受力状况变差，疲劳加剧；同时， 抽油杆柱下行阻力增加，使得抽油杆柱弯曲变形，造成偏磨。而要想对抽油 杆柱受力状况进行分析，尤其是抽油杆柱下行阻力的计算分析，必须准确计 算各个部分的摩擦阻力，而进行摩擦阻力的计算，油井采出液的粘度的计算 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是必要的。 混合液粘度通常采用按含水率加权平均的方法来计算。油井产出液粘度 计算公式为： 化= 胁( 1 一厶) + 。兀 ( 2 - 1 ) 式中 。一油井产出液混合液粘度，p a s ；p 。广_ 原油粘度，p a s ：f 。一 含水率，；u 厂水的粘度，p a s ；水驱时，u 。是1p a s ，f 。为9 2 ；聚 驱时u 。是2 0 3 0p a s ，f 。为7 9 。 当uo = 1 2p a - s 时，水驱ul = 1 0 5 3p a s ，聚驱ul = 2 2 2 7 p a s 。由此 可见，聚驱时采出液粘度是水驱时的2 倍以卜。 2 抽油杆柱的受力分析计算 2 2 1 聚驱抽油机井上冲程抽油杆柱受力计算 抽油机在上冲程过程中固定凡尔打开，游动凡尔关闭，悬点( 抽油杆柱) 承受的载荷包括：抽油杆柱自身重力、液柱重力、杆柱和液柱的惯性载荷、 抽油泵柱塞与泵筒间的摩擦力、油管外一定沉没度的油柱对柱塞下表面产生 的压力、振动载荷等( 图21 ) 。 1 、抽油杆柱的重力 对于多级杆而言，抽油杆柱的重力为： 咯= 厶l 。p ，g ( 2 2 ) 式中f ，。一第i 级抽油杆柱横截面积，m 2 ：l ，。一第i 级抽油杆柱长度，m ； p ，一抽油秆柱密度，k g m 3 ：i 一抽油杆的级数；g 一重力加速度，m s 2 。 2 、抽油杆柱所受浮力 在抽油机下冲程过程中，抽油杆柱在油管内的液体中向下运动，受到油 哈尔滨工程大学硕士学位论文 管内液体的浮力作用。抽油杆柱所受浮力为： p 浮= 厶l 。p 油g 式中p 。一井筒中混合液密度，k g m 3 。 因此抽油杆柱在液体中的重力为： 噜= p 杆一 3 、油柱的重力 p p 1rp 。f p l p # p i 幺s ， p - 一 - 抽油杆 柱塞 游动凡尔 泵筒 固定凡尔 图2 - 1 抽油杆柱受力简图 式中f 一泵柱塞横截面积，m 2 4 、上冲程惯性载荷 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 民= z p 油g ( f 一兀) k ( 2 5 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当将悬点的运动规律简化为简谐运动时，悬点的加速度为： 口：兰月o y 2 c o s 0 ( 2 6 ) 式中m 一曲柄匀速转动的角速度，t a d s ；r 一曲柄半径，【l ：c 一游梁后臂长 度，m ；游梁前臂长度，m ；0 一曲柄转角，0 = 耐。 抽油杆柱惯性载荷为： 略惯= 轩a 。 ( 2 - 7 ) 油柱惯性载荷： p 油惯= 聊油口。 ( 2 8 ) 式中m # 一抽油杆的质量，k g ；m 一油柱的质量，k g 。 5 、油管外一定沉没度的油柱对柱塞下表面产生的压力 嗉= 氏g h 沉f ( 2 - 9 ) 式中p 一混合液的密度，n m 3 ；h 一泵的沉没度，m ：f 一抽油泵横截面积， i n 2 。 6 、上冲程的摩擦阻力 上冲程时，抽油杆向上，摩擦力的作用方向向下，摩擦力增加了悬点载 荷，这时产生的摩擦力有下列两项组成：柱塞和泵筒间的半干摩擦力，油柱 和油管间的液体摩擦力。 1 ) 抽油泵柱塞与泵简间的摩擦力，其经验计算公式为： 嚷一9 4 詈_ 1 4 。( 2 - 1 0 ) 式中：d 一抽油泵直径，m ；6 一在柱塞衬套副半径上的间隙，m ； 2 ) 先求出雷诺数r e ： m ：土立；s h ( 2 - 1 1 ) 1 9 v 漓五 。 哈尔滨上程火学硕士学位论文 式中r e 一雷诺数；d 。一游动阀阀座孔的直径，1 1 1 1 ”m 一采出液体的运动粘 度，c l n 2 s ；f 一泵柱塞全面积，r a 2 ；f 。游动阀阀座孑l 的断面积，m 2 ；s ，n 一抽 油泵的冲程和冲次； 求出摩阻系数 五：竺( 2 1 2 ) r e 式中五一摩阻系数； 液体流经油管产生的摩阻为： 珞爿等譬v 2 1 2 ) 式中p 疆一液体流过油管产生的摩擦力，n ；l * 一油管的长度，m ；v 。一液体的 平均流速，m s ；d * 一油管内径，m ； 2 ，2 2 聚驱井下冲程抽油杆柱受力分析 抽油机在正常工作时，下冲程过程中悬点所承受的载荷根据其性质可分 为静载荷和动载荷。静载荷通常是指抽油杆柱的重力和液柱对抽油杆柱的浮 力所产生的悬点载荷：动载荷是指由于抽油杆柱运动时的振动、惯性以及摩 擦所产生的悬点载荷。其中抽油杆柱的重力、惯性载荷和浮力与上冲程相同， 且当抽油杆下行过程中，柱塞和泵筒间的半干摩擦力及油流通过泵游动阀的 液体摩擦阻力致使杆柱发生弯曲，与油管接触，所以在此要给出抽油杆柱( 或 接箍) 和油管间的摩擦力及油流过阀时产生的摩擦力的计算公式。 1 、井液流过游动阀时产生的液体摩擦力： 根据 = f ( r e ) 试验啦线确定u ； 堕堡堕三翌奎堂堡圭堂焦堡墨 ：蔷争学孚饥 式中： n k - 一抽油泵柱塞上游动阀的数目；见一采出液体的重度，n m 3 ； 2 、抽油杆与油管接触的半干摩擦力： p 拄磨= f x n ( 2 - 1 4 ) 式中f 为抽油杆与油管间的摩擦系数，取f = 0 1 ；n 为抽油杆与油管的接触 正压力。 3 、液体与抽油杆相对运动时的摩阻： 杆爿舞譬v 。2 ( 2 - 1 5 ) 式中1 # 一抽油杆柱的总长度，即噜= l 。：d ”一抽油杆柱的直径，m ； 从上面可以看出，由于聚驱井比水驱井产出液粘度增加，导致与粘度有 关的各种摩擦力增加，结果是聚合物驱抽油机井见聚后悬点最大载荷较水驱 时变大，悬点的最小载荷较水驱时变小，抽油杆柱受力状况变坏，因而抽油 杆柱与油管的偏磨速度与程度较水驱时加重。 2 3 中性点位置的确定 在下冲程时，抽油杆柱受向下的重力和向上的阻力和浮力作用，所以在 柱塞上方某一点，杆柱所受向上的力与向下的力相抵消，该点即为抽油杆柱 的中性点。中性点上部杆柱始终受拉，而中性点下部杆柱在下冲程时处于受 压状态，又因杆件为细长杆件，当所受压力大于临界压力时，杆柱即发生失 稳，造成杆柱与油管的接触摩擦，久而久之，杆柱很容易磨断。 在分析抽油杆下行阻力，判断抽油杆弯曲偏磨时，必须首先计算出抽油 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 杆的中性点位置。利用中性点处即不受拉也不受压的这一性质，将杆重力与 杆下行阻力相平衡，由此求出中性点的位置。 n：生垒(21 6 ) 珞 式中n 一从泵柱塞到中性点的距离：p * 一单位长度杆柱的重量( 含接箍) ； p 。一杆柱所受液体的浮力； ps 一抽油杆柱所受的各种摩擦力之和，即咯= 尸柱磨+ & 磨+ p 凡尔+ 尸渡； 2 4 本章小结 1 、实验证明了随着聚合物溶液浓度的增加，聚合物溶液的粘度增大，且 随着剪切速率的增加，高浓度的聚合物溶液的粘度减小。 2 、凡尔的下行阻力经验计算公式和液体在油管内流动的摩阻公式可以看 出，这两项力的大小与粘度有关，且随着聚合物溶液粘度的增大，摩擦阻力 要增加，即聚合物驱抽油机井的下行阻力增大。 3 、油井见聚后，采出液中由于含有聚合物溶液，所以粘度增大，导致抽 油泵凡尔的阻力和液体的摩阻相应增大，中和点位置上移。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章抽油杆在粘弹性流体中运动的阻力试验 油井见到聚合物以后，采出液包含的内容和性质发生了变化，即有油、气、 水又有聚合物使采出液具有粘弹性质。粘弹性流体在油管和抽油杆环形空间及 抽油泵流动过程中，对抽油杆产生许多附加力，需从流动机理上进行深入的研 究探索。聚合物驱抽油机井工况下，见聚后油井产出液是粘弹性流体，由于粘 弹性流体的复杂性，很难建立准确描述其井筒中运动规律的相关方程式而得出 解析解。因此有必要采用理论研究与实验研究相结合的方法，开展抽油机井筒 内粘弹性流体运动的阻力试验研究。 3 1 偏心度对法向力影响的试验 偏心度的大小直接决定了流场的非对称程度，从而决定了法向应力合力的 大小。偏心度越大流场的非对称性就越强，抽油杆所受的法向力也就越大。反 之亦然。因此，一旦出现抽油杆轻微偏心的情况，法向力的作用结果使得偏心 度加大，偏心度加大后法向力也随之进一步加大，从而使偏心度加剧。最终会 在下行阻力等外力的联合作用下使抽油杆与油管接触造成偏磨。为了能更具体 的研究偏心度和法向力的关系，以不同浓度的聚合物溶液在偏心环空以不同流 速流动时，来测量法向力的大小和抽油杆偏心程度的关系。 试验装置如图3 1 ，法向应力实验步骤： ( i ) 配置阻力实验中使用的不同浓度的聚合物水溶液； ( 2 ) 调整好一个稳定的流量后测量流量，温度，密度，粘度， 抽油杆偏心距离。 ( 3 ) 打开测量口，测定法向力； ( 4 ) 关闭测量口，重复实验步骤( 2 ) 、( 3 ) ，直到完成不同条件下的实验。 哈尔滨j 一程大学硕士学位论文 图3 - 1 法向应力试验装置 用标尺测量抽油杆偏心距离，用拉力传感器来测量法向力的大小，将图3 一l 所示实验装置中的抽油杆分别调整为0 3 0 、0 4 4 的不同偏心度，按照上述试 验步骤，其试验液体分别为0 、1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 、6 0 0 p p m 的聚合物水溶液，实 验结果见表3 - 1 和图3 2 3 3 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 - 2在不同聚合物浓度条件下，偏心度和法向应力实验数据 器 0 p p m1 0 0 p p m 2 0 0 p p m4 0 0 p p m6 0 0 p p m 流速法向& 功氍谴法向应力流速法向应山流速 法向f 避力流速法向应力 ( m s )( n 佃)( m s )0 q h )( m s )( n m )( m s ) c n h )( a s )( h m l ) 1 _ 5 200 0 014 700 6 8 14 800 7 71 4 90 1 1 1 14 50 1 3 6 12 900 0 0 l3 000 5 9l3 200 6 81 3 50 1 1 113 20 1 | 9 11 500 0 0l | 1 80 0 5 1 11 700 5 911 50 1 0 2l2 00 1 0 2 03 l0 20 0 0 01 0 20 0 4 3 10 30 0 5 l1 0 400 9 410 300 8 5 0 8 70 0 0 008 900 3 40 6 40 ，0 3 408 90 0 8 508 800 7 7 0 7 30 0 0 007 40 0 2 60 7 30 0 3 403 70 0 6 80 7 40 0 5 9 05 70 0 0 0o 5 800 2 605 800 2 60 5 80 0 4 305 70 0 5 l 0 4 20 0 0 00 4 50 0 1 704 30 0 1 70 4 400 3 404 30 0 4 3 02 80 0 0 002 800 0 902 80 0 0 903 00 0 1 7o 5 60 0 4 3 0 1 20 0 0 00 1 30 0 0 00 1 200 0 00 1 3 0 0 1 70 1 200 3 4 l _ 4 60 2 2l4 60 2 4i 5 003 014 50 3 3 13 20 2 013 00 2 213 4o 2 812 80 ，3 0 l1 70 1 5l1 30 2 01 1 702 41 1 902 8 0 4 4 10 30 1 3l | 0 10 1 7 l0 30 2 210 20 2 6 0 8 80 1 008 70 1 508 80 1 7o 8 802 2 0 7 300 907 20 1 307 20 1 307 3o2 0 05 900 605 90 l l0 5 70 0 605 80 1 5 0 4 4o 0 504 4 00 90 4 40 0 404 400 9 0 2 80 0 40 2 800 60 2 80 0 2 0 2 800 4 0 1 300 40 1 300 60 1 300 20 1 300 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 ( 1 l6 0l4 012 i 一 一 。o0 8 崔 量0 。0 6 ( ) 【1 4 0 【j2 清水 2 0 0 l0 0p p l ” 40 0 x 6 0 0 n p m 一乘# ( 6 0 0 dd m ) ；项“ ( 4 0 0p pm ) 一$ 式 ( 10 0p 口m 】 一；式 ( 2 0 【) p 日m ) 一多项式( 清水 图3 - 2 抽油杆偏心度为0 3 0 的法向应力实验曲线 图3 - 3 抽油杆偏心度为0 4 4 的法向应力实验曲线 由不同浓度的聚合物实验曲线可以看出，聚合物溶液的浓度越大，抽油杆 柱所受的法向力也越大，随着聚合物流速和偏心度的增加，法向力也增加。 1 9 。 。 。 。 一 0 r 倒坦燃 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 2 抽油泵下行阻力试验 抽油泵在抽汲含聚合物井液时下行的阻力大小还不被人们所知，为此我们 建立了抽油泵模拟实验装置( 见图3 4 ) 。抽油泵模拟实验装置，套管直径为 o 1 4 m 高1 0 m ，油管直径为0 0 7 6 m ，最大冲程为3 m 。冲次任意可调。可完全模 拟油井中抽油泵的工况。 图3 - 4 抽油泵模拟试验装置示意图 载荷位移传感器测量抽油泵运动的瞬时载荷n 和瞬时位移w ，抽油杆柱和 泵柱塞在液体中的重量为g ，液体重量为g ，抽油泵的下行阻力为f ( 包括抽 油泵柱塞与泵筒的摩擦力) ，则抽油泵的下行阻力为：厂= n ( g + g 。) 在测试过程中，抽油杆直径中2 5 m m ，泵的直径巾7 0 r a m ( 分别为i 、i i i 级衬套 泵) ，柱塞长度1 2 米，冲程为3 m ，冲次分别为3 、6 、9m i n ，聚合物浓度分 别为0 、1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 、6 0 0 p p m ，测量悬点载荷n 。图3 - 6 、图3 7 分别是巾 2 0 z o 崔 驰 是 k 图3 6 巾7 。i 级泵不同聚合物浓度下冲程平均阻力与s n 速度关系曲线 图3 7 由7 。m 级抽油泵单游动凡尔下冲程平均阻力与s n 关系曲线 阻力兰器蓑警回归帅7 0 的嘲衬套泵的聚合物的浓度和抽油泵下行 阻力之间的关系式为： 一。”惟熳开“稠稠象f 行 式中 3 5 5 锄2 咖m 堋岍。蛳删彻。4 i ( 油泵受到的下行阻力； 节聚合物浓度瑚油泵下行运动 哈尔滨工程火学硕士学位论文 的冲程和冲次。 由图3 7 的曲线1 _ 亘| 归出审7 0 1 1 1 级抽油泵行阻力和聚合物的浓度之间的关系 式为： ， p = 1 0 7 9 s n 2 15 1 7 2 s n + o 0 0 1 r 2 0 3 i l r 一0 0 3 8 3 s nh + 3 4 5 0 3 5( 3 2 ) 式中：p 一抽油泵受到的下行阻力；叩一聚合物浓度；s n 一抽油泵下行运动 的冲程和冲次。 由曲线可以看出，随着聚合物溶液浓度的增加，下冲程平均载荷减少，冲 次越大，下冲程平均载荷越小，既下冲程阻力越大，抽油泵的下行阻力也是随 着聚合物的浓度和冲次的增加而增加。 3 3 聚合物溶液对抽油泵凡尔的局部阻力试验 抽油泵凡尔阻力规律的试验装置见图3 8 。 图3 - 8 抽油泵凡尔阻力试验装置 哈尔滨工程大学硕十学位论文 以下各图分别给出聚合物溶液单独流经抽油泵上凡尔，下凡尔和同时流过 二、下儿尔时的阻力试验曲线。 3 3 1 抽油泵上凡尔的局部阻力 不同浓度聚合物溶液流过抽油泵上凡尔时局部阻力试验曲线为 。 曼 枷 出 图3 - 9 抽油泵上凡尔局部阻力关系曲线 3 3 2 抽油泵下凡尔的局部阻力 不同浓度聚合物溶液流过抽油泵下凡尔时的局部阻力试验曲线为 图3 一1 0 抽油泵下凡尔局部阻力关系曲线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 。3 3 抽油泵凡尔的总局部阻力 不同浓度聚合物溶液流过抽油泵l 、下凡尔时的总局部阻力试验曲线为 图3 -