石油工程-毕业论文有杆抽油井工程诊断方法及程序

1、PAGE 西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文） PAGE Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET. 高等继续教教育毕业设计（论论文）题 目_有杆杆抽油井井工程诊诊断方法法及程序序 学 生_联系电话_指导教师_评 阅 人人_教学站点_专 业_完成日期_PAGE iv摘要有杆泵采油油是世界界石油工工业传统统的采油油方式之之一，也也是迄今今在采油油工程中中一直占占主导地地位的人人工举升升方式。及及时、准准确地掌掌握有杆杆抽油系系统的工工作状况况，诊断断油井所所存在的的问题，制制定合理理的技术术措施，

2、使使油井及及时恢复复正常生生产，提提高举升升效率和和油井产产量，对对提高油油田开发发的综合合经济效效益具有有十分重重要意义义。本文根据抽抽油机的的几何结结构，建建立了抽抽油机悬悬点位移移、速度度、加速速度等运运动参数数规律。在在有杆泵泵抽油装装置、泵泵的工作作原理的的基础上上针对不不同材质质的组合合抽油杆杆柱，对对抽油杆杆微元体体进行受受力分析析，并建建立了描描述抽油油杆柱动动力学特特性的波波动方程程。从而而建立诊诊断数学学模型，以以抽油机机的悬点点运动规规律并结结合悬点点实测示示功图作作为诊断断模型的的边界条条件，通通过有限限差分法法对模型型进行数数值求解解，利用用VB语语言编写写程序计计算

3、出抽抽油杆柱柱的位移移和载荷荷，绘出出示功图图。根据新疆油油田两口口生产井井资料，通通过所编编程序对对油井进进行实例例计算，从从实测悬悬点载荷荷、位移移求解出出抽油杆杆不同位位置在任任意时间间段的位位移和载载荷，并并绘出泵泵示功图图。实现现对抽油油系统工工况诊断断，验证证所编程程序。关键词：有有杆抽油油；示功功图；诊诊断；波波动方程程；有限限差分目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc381913064 第一章 绪绪论 PAGEREF _Toc381913064 h 1 HYPERLINK l _Toc381913065 1.1 研研究目的的和意义义 PAGEREF

4、 _Toc381913065 h 1 HYPERLINK l _Toc381913066 1.2 国国内外研研究现状状与发展展趋势 PAGEREF _Toc381913066 h 1 HYPERLINK l _Toc381913067 1.2.11 国外外发展概概况 PAGEREF _Toc381913067 h 1 HYPERLINK l _Toc381913068 1.2.22 国内内发展概概况 PAGEREF _Toc381913068 h 2 HYPERLINK l _Toc381913069 1.3 本本文的主主要工作作 PAGEREF _Toc381913069 h 3 HYPER

5、LINK l _Toc381913070 第二章 游游梁式抽抽油机动动力学特特性分析析 PAGEREF _Toc381913070 h 5 HYPERLINK l _Toc381913071 2.1 常常规游梁梁式抽油油机简介介 PAGEREF _Toc381913071 h 5 HYPERLINK l _Toc381913072 2.2 抽抽油机悬悬点运动动分析 PAGEREF _Toc381913072 h 6 HYPERLINK l _Toc381913073 2.2.11 简化化分析 PAGEREF _Toc381913073 h 6 HYPERLINK l _Toc381913074

6、 2.2.22 精确确分析 PAGEREF _Toc381913074 h 7 HYPERLINK l _Toc381913075 2.3 悬悬点运动动计算实实例 PAGEREF _Toc381913075 h 10 HYPERLINK l _Toc381913076 第三章 抽抽油机诊诊断模型型的建立立及求解解 PAGEREF _Toc381913076 h 12 HYPERLINK l _Toc381913077 3.1 杆杆柱动力力学分析析 PAGEREF _Toc381913077 h 12 HYPERLINK l _Toc381913078 3.1.11 抽油油杆微元元体受力力分析

7、PAGEREF _Toc381913078 h 12 HYPERLINK l _Toc381913079 3.2 诊诊断数学学模型波波动方程程的建立立与求解解 PAGEREF _Toc381913079 h 14 HYPERLINK l _Toc381913080 3.2.11 诊断断数学模模型的建建立 PAGEREF _Toc381913080 h 15 HYPERLINK l _Toc381913081 3.2.22 诊断断模型的的有限差差分法 PAGEREF _Toc381913081 h 16 HYPERLINK l _Toc381913082 3.2.33 诊断断模型的的求解 PAG

8、EREF _Toc381913082 h 18 HYPERLINK l _Toc381913083 3.3 节节点载荷荷及位移移计算 PAGEREF _Toc381913083 h 20 HYPERLINK l _Toc381913084 3.4 阻阻尼系数数的确定定 PAGEREF _Toc381913084 h 22 HYPERLINK l _Toc381913085 3.4.11 多级级杆阻尼尼系数的的计算 PAGEREF _Toc381913085 h 23 HYPERLINK l _Toc381913086 第四章 计计算机诊诊断技术术的应用用 PAGEREF _Toc3819130

9、86 h 25 HYPERLINK l _Toc381913087 4.1 井井下抽油油泵工况况分析 PAGEREF _Toc381913087 h 25 HYPERLINK l _Toc381913088 4.2 示示功图故故障分类类 PAGEREF _Toc381913088 h 25 HYPERLINK l _Toc381913089 第五章 有有杆抽油油井诊断断实例 PAGEREF _Toc381913089 h 28 HYPERLINK l _Toc381913090 5.1 诊诊断程序序界面 PAGEREF _Toc381913090 h 28 HYPERLINK l _Toc38

10、1913091 5.2 油油井工况况诊断分分析 PAGEREF _Toc381913091 h 28 HYPERLINK l _Toc381913092 第六章 结结论 PAGEREF _Toc381913092 h 34 HYPERLINK l _Toc381913093 参考文献 PAGEREF _Toc381913093 h 35 HYPERLINK l _Toc381913094 致谢 PAGEREF _Toc381913094 h 366 HYPERLINK l _Toc381913095 附录1 诊诊断模型型求解程程序代码码 PAGEREF _Toc381913095 h 37 H

11、YPERLINK l _Toc381913096 附录2 例例1实测悬悬点载荷荷数据 PAGEREF _Toc381913096 h 40 HYPERLINK l _Toc381913097 附录3 例例2实测悬悬点载荷荷数据 PAGEREF _Toc381913097 h 41 西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文） PAGE 57第一章 绪绪论1.1 研研究目的的和意义义有杆泵采油油是世界界石油工工业传统统的采油油方式之之一，也也是迄今今在采油油工程中中一直占占主导地地位的人人工举升升方式。在在我国，采采油生产产井中大大约有990%采采用有杆杆抽油技技术，全全国各油油田产液液量的660%

12、，产产液量的的75%是靠有有杆抽油油技术采采出的1。然然而由于于抽油泵泵是在近近千米到到数千米米的井下下，工况况十分复复杂，工工作环境境极其恶恶劣，不不但受“机、杆杆、泵”抽油设设备的影影响，而而且直接接受到“砂、蜡蜡、气、水水”的影响响，故障障发生率率很高，119988年的统统计结果果表明：我国平平均每口口有杆抽抽油井年年作业11.255次，严严重影响响油田的的正常生生产。因因此，及及时、准准确地掌掌握有杆杆抽油系系统井下下设备的的工作状状况，诊诊断油井井所存在在的故障障问题，制制定合理理的技术术措施，使使油井及及时恢复复正常生生产，最最大限度度的提高高原油产产量、降降低生产产成本和和提高抽

13、抽油效率率，对石石油工业业的发展展和提高高经济效效益都具具有非常常重大的的理论意意义和现现实意义义1。石油工业的的发展对对抽油丼丼故障诊诊断技术术的研究究提出强强烈要求求。几十十年来，抽抽油丼故故障诊断断技术一一直是国国内外采采油工程程技术人人员的一一个重要要研究课课题，经经过长期期的研究究与实践践，抽油油丼故障障诊断技技术取得得了相当当大的发发展。1.2 国国内外研研究现状状与发展展趋势自从有杆泵泵在油田田服役以以来，有有杆抽油油井的故故障诊断断先后经经历了从从靠感觉觉分析到到靠仪器器测量分分析，从从仪器测测量分析析到计算算机处理理分析，并并向智能能化诊断断不断迈迈进的发发展过程程。近几几十

14、年来来诊断技技术得到到了飞速速的发展展，特别别是计算算机诊断断技术的的出现，使使有杆抽抽油系统统故障诊诊断技术术进入了了一个崭崭新的阶阶段，即即从定性性分析到到部分定定量分析析、从人人工到初初级智能能。具体体发展历历程如下下：1.2.11 国外外发展概概况早期的油井井故障诊诊断仅靠靠手感，工工作人员员用手握握住光杆杆，上下下运动几几个冲程程，凭感感觉来判判断抽油油泵的某某些故障障，这种种方法只只适用于于浅井，并并且误差差比较大大3。到了二十年年代，119277年发明明地面光光杆动力力仪，利利用光杆杆动力仪仪绘制光光杆载荷荷与位移移的关系系曲线，即即光杆示示功图，然然后对光光杆示功功图进行行解释

15、，以以判断油油井与设设备故障障，几十十年来，许许多国家家进行了了大量的的研究工工作：一一方面，不不断改进进动力仪仪，提高高检测精精度；另另一方面面，不断断改进示示功图的的解释方方法，扩扩大解释释范围4。1936年年美国的的Gillberrt和SSurggentt发明井井下动力力仪。这这种方法法是将井井下动力力仪随同同抽油泵泵一起下下入丼内内，用其其直接测测量泵示示功图，因因这种方方法耗资资甚巨，工工艺也较较复杂，没没有得到到推广应应用55。1966年年美国壳壳牌石油油公司的的Gibbbs建建立了带带阻尼的的波动方方程作为为描述应应力波在在抽油杆杆柱中过过程的基基本微分分方程，通通过求解解方程，

16、可可以得到到抽油杆杆柱任意意截面及及泵处的的示功图图，随后后很多人人在模型型完善及及求解方方面做了了大量的的工作1。20世纪770年代代末期，SSchaaferr和Jeenniingss在使用用有限差差分求解解波动方方程时，使使用等步步长差分分形式，在在抽油杆杆截面积积和性质质发生变变化时，采采用了等等效值的的概念，解解决了多多级杆及及混合杆杆的波动动方程求求解问题题。随后后Nikkea采采用有限限元计算算求解波波动方程程，取得得了较好好的效果果177。1969年年8月，美美国有杆杆泵研究究股份公公司与中中西部研研究所经经美国石石油学会会采油设设备标准准委员会会批准，发发表APPI标准准示功图

17、图。1981年年美国塔塔尔萨大大学的DDotyy和Scchmiidt建建立了考考虑液柱柱振动的的二维预预测数学学模型。1988年年Daeek等在在走访许许多著名名专家后后研制处处有杆抽抽油井故故障诊断断专家系系统，它它是将地地面实测测的示功功图转换换成井下下示功图图，然后后与标准准示功图图进行比比较以判判断故障障类型。同年，Svvinoos等，推推出了一一种由BBasiic语言言编译的的有杆泵泵诊断专专家系统统，该系系统有55个模块块，用产产生式法法则建立立规则库库，运用用反向推推理机建建立了一一个可以以识别典典型示功功图并计计算出有有关数据据的专家家系统，然然后利用用这些数数据诊断断有杆抽抽

18、油系统统的故障障。随后出现了了各种诊诊断系统统。美国国Arcc油气公公司（DDES）委委内瑞拉拉Corrpovven公公司和CCenttrall dee Veenezzuella（有有杆泵抽抽油专家家系统）。1.2.22 国内内发展概概况1989年年西安石石油学院院的余国国安和乌乌亦炯建建立了综综合考虑虑抽油杆杆柱、液液柱和油油管振动动的三维维数学模模型，并并进行了了求解。这这种三维维振动的的数学模模型比起起前两种种数学模模型来，在在理论上上显然更更加符合合实际一一些33。1990年年，石油油大学用用专家系系统建造造工具MM.1开开发有杆杆泵抽油油丼故障障诊断专专家系统统ESRROFDD。19

19、91年年，张润润伟运用用故障树树分析技技术也建建立了一一个有杆杆泵抽油油诊断专专家系统统5。1993年年，天津津大学与与大港油油田共同同开发了了抽油机机井集成成化智能能诊断，它它集成多多种诊断断方法进进行综合合诊断（但但不是多多种方法法的有机机融合，而而是几种种方法的的简单堆堆砌）。该该系统中中的元系系统由CC语言写写成，子子系统均均用建造造工具MM.1专专家系统统外壳建建立55。上述研究成成果有力力地推进进了有杆杆抽油系系统故障障诊断技技术的进进一步发发展，但但是，由由于抽油油泵工况况诊断极极其复杂杂，我国国油田的的抽油丼丼故障诊诊断还没没有实现现智能化化，还处处在人工工诊断阶阶段，有有待于

20、进进一步深深入研究究5。近年来我国国学者的的研究与与各石油油单位联联合，都都具有一一定的针针对性，主主要集中中在：（11）有杆杆抽油系系统预测测和数值值模拟的的动力学学模型建建立；（22）预测测和数值值模拟数数学模型型的计算算求解方方法；（33）井下下工况诊诊断；（44）地面面设备的的仿真；（5）有有杆抽油油系统的的优化设设计44。1.3 本本文的主主要工作作本设计以有有杆抽油油丼抽油油杆柱力力学行为为分析为为基础，以以有杆抽抽油机的的诊断为为研究对对象，建建立了基基于波动动方程的的诊断数数学模型型，并仔仔细推导导了波动动方程的的数值解解法。本文主要完完成了以以下几方方面的工工作：分析抽油机机

21、的运动动特性，建建立常规规型抽油油机的运运动规律律模型，得得出了抽抽油机悬悬点位移移、速度度、加速速度的运运动规律律曲线图图；分析抽油杆杆柱的动动力学特特性，根根据描述述抽油杆杆动态特特性的波波动方程程，有限限差分求求解波动动方程；利用Vissuall Baasicc语言根根据上述述理论建建立的模模型编写写程序，实实现有杆杆抽油系系统工况况的计算算机诊断断；根据所编程程序对实实际生产产井进行行实例计计算，绘绘出井下下泵功图图，诊断断油井工工况。第二章 游游梁式抽抽油机动动力学特特性分析析游梁式抽油油机可以以分为常常规型、前前置型、异异相型等等几种类类型。抽抽油机作作为主要要动力传传输单元元是最

22、重重要的地地面设备备之一，其其悬点运运动规律律是有杆杆抽油系系统诊断断数学模模型的边边界条件件，其运运行状况况直接影影响有杆杆抽油系系统效率率的高低低，本文文针对常常规游梁梁抽油机机运动特特性的研研究，建建立了悬悬点运动动规律数数学模型型，并通通过模型型使用VVB程序序来绘出出悬点的的位移、速速度、加加速度曲曲线图2。2.1 常常规游梁梁式抽油油机简介介抽油机是有有杆抽油油的地面面驱动设设备。按按其基本本结构，抽抽油机可可分为游游梁式和和无游梁梁式，目目前我国国应用最最为广泛泛的是游游梁式抽抽油机。游游梁式抽抽油机主主要由游游梁连杆曲柄机机构、减减速机构构、动力力设备和和辅助装装置等四四部分组

23、组成，游游梁式抽抽油机工工作时，电电动机通通过传动动皮带将将高速旋旋转运动动传递给给减速器器的输出出轴，经经减速后后由低速速旋转的的曲柄通通过四连连杆机构构带动游游梁作上上下往复复摆动。游游梁前端端圆弧状状的驴头头经悬绳绳器带动动抽油杆杆作上下下往复直直线运动动。图2-1常常规型游游梁式抽抽油机结结构1刹车装装置；22电动车车；3减速器器皮带轮轮；4减速器器；5输入轴轴；6中间轴轴；7输出轴轴；8曲柄；9连杆轴轴；100支架；11曲柄平平衡块；12连杆；13横船轴轴；144横船；15游梁平平衡块；16游梁；17支架轴轴；188驴头；19悬绳器器；200底座。常规型游梁梁式抽油油机如图图2-11

24、所示。它它是目前前使用最最广的一一种抽油油机。其其结构特特点是：支架位位于游梁梁的中部部，驴头头和曲柄柄连杆分分别位于于游梁的的两端，曲曲柄轴中中心基本本位于游游梁尾轴轴承的正正下方，上上下冲程程运行时时间相等等。2.2 抽抽油机悬悬点运动动分析掌握抽油机机驴头悬悬点的位位移、速速度和加加速度的的变化规规律是研研究抽油油装置动动力学和和进行抽抽油动态态分析的的基础。游游梁式抽抽油机是是以游梁梁支点和和曲柄轴轴中心的的连线作作为固定定杆，以以曲柄、连连杆和游游梁后臂臂为三个个运动杆杆所构成成的四连连杆机构构（图22-2）。为为了便于于分析可可简化为为简谐运运动和曲曲柄滑块块机构。因因为简谐谐运动

25、模模型只能能用于粗粗略估算算和简单单分析，所所以本文文主要研研究抽油油机悬点点运动的的精确模模型分析析2。图2-2 常规型型抽油机机四连杆杆机构简简图2.2.11 简化化分析简简谐运动动视r/l0及rr/b0时，可可将游梁梁与连杆杆的连接接点B的的运动简简化为简简谐运动动，即认认为B点点的运动动规律和和D点做做圆周运运动时在在垂直中中心线上上的投影影（C点点）的运运动规律律相同，其其悬点位位移SAA、速度度VA和加速速度aAA分别为为 （22-1） （2-2） （22-3）式中 曲柄柄转角；曲柄角角速度；t时间间。 曲柄滑滑块机构构假设曲柄半半径r与与连杆长长度

26、l的的比值范范围为00r/l 00 Thhen FFor X = I + 11 Too oiilrood.JJiShhu Weeighht = Weeighht + oiilrood.ddenssityy(X) * 9.881 * oiilrood.rrodaareaa(X) * oillrodd.roodl(X) * (1 - liiquiiddeensiity / ooilrrod.dennsitty(XX) NNextt X Teempss = (0.5 * oiilrood.ddenssityy(I) * oillrodd.roodl(I) * ggravvityy * oillrod

27、d.roodarrea(I) * (1 - liiquiiddeensiity / ooilrrod.dennsitty(II) + WWeigght) * oillrodd.roodl(I) / (oillrodd.Err(I) * oillrodd.roodarrea(I) yiita(I) = TTempps + yiita(I - 1) II级杆在在浮力重重力作用用下的静静伸长量量 Ennd IIf NNextt I Forr J = 00 Too oiilrood.NNtimme II = oillrodd.tootallnodd UUzheenduuan(I, J) = UU(I,

28、 J) + yitta(11) NNextt J 求求泵载荷荷 Forr iii = 0 TTo ooilrrod.Ntiime fleex_sstreess(oillrodd.tootallnodd, iii) = ooilrrod.Er(1) * ooilrrod.roddareea(11) / (112 * oiilrood.dderttx(11) * (-255 * U(ooilrrod.tottalnnod, iii) + 488 * U(ooilrrod.tottalnnod - 11, iii) - 336 * U(oillrodd.tootallnodd - 2, ii) +

29、16 * UU(oiilrood.ttotaalnood - 3, iii) - 3 * UU(oiilrood.ttotaalnood - 4, iii) fllex_strressszheenduuan(oillrodd.tootallnodd, iii) = -(1.5 * U(oillrodd.tootallnodd, iii) - 22 * U(ooilrrod.tottalnnod - 11, iii) + 00.5 * UU(oiilrood.ttotaalnood - 2, iii) * ooilrrod.Er(1) * ooilrrod.roddareea(11) / oii

30、lrood.dderttx(11) NNextt iii Forr iii = 0 TTo ooilrrod.Ntiime If ii ooilrrod.Ntiime / 22 Thhen PpuumpNNzheenduuan(oillrodd.tootallnodd,iii) = fllex_strressszheenduuan(oillrodd.tootallnodd, iii) - ppresssurre_ppc + prresssuree_poo * oillrodd.tootallLenngthh Ellse 下冲冲程 PpuumpNNzheenduuan(oillrodd.tootallnodd,iii) = fllex_strressszheenduuan(oillrodd.tootallnodd, iii) - ppresssurre_ppo * oiilrood.ttotaalLeengtth Ennd IIf Nexxt iiiEnd SSub附录2 例例1实测测悬点载载荷数据据位移,m载荷,kNN位移,m载荷,kNN0.01999302.1539.044990.0530.5112.0599939.044990.0932.5881.9099938.522990.1599934.38