有杆抽油系统——第4章 有杆抽油系统研究与分析方法讲解

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1、第4章 有杆抽油系统研究与分析方法 China University of Petroleum 有杆抽油系统构成示意图 1-吸入阀；2-泵筒；3-活塞； 4-排出阀；5-抽油杆；6-油管； 7-套管；8-三通；9-盘根盒； 10-驴头；11-游梁；12-连杆； 13-曲柄；14-减速箱； 15-动力机（电动机） 有杆抽油系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵和油层等有杆抽油系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵和油层等 部分组成。部分组成。而在工作时，系统设备之间不是孤立的，它 们的特性必然相互影响，系统中各部分性能的优劣，以 及它们的配合是否恰当等都影响整个系统的工作效果， 为了使有杆抽油系统正常运转，

2、取得最佳效益，必须将 抽油机、抽油杆、抽油泵以及与它们密切相关的井筒流 体、地层供液以及各种地面和井下工具作为一个有机整 体来研究。 第4章 有杆抽油系统研究与分析方法 第4章 有杆抽油系统研究与分析方法 4.14.1 有杆抽油系统设计有杆抽油系统设计 4.24.2 有杆抽油系统工况分析有杆抽油系统工况分析 4.3 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术有杆抽油系统的动态预测技术 一、抽油杆强度计算及杆柱设计一、抽油杆强度计算及杆柱设计 抽油杆设计：抽油杆柱的长度、直径、组合及材料。 抽油杆柱工作时承受着交变负荷所产生的非对称循环应非对称循环应 力力作用。 在交变负荷作用下，抽油杆柱往往是由于疲劳

3、而发生破在交变负荷作用下，抽油杆柱往往是由于疲劳而发生破 坏，而不是在最大拉应力下破坏。坏，而不是在最大拉应力下破坏。因此，抽油杆柱必须根据 疲劳强度疲劳强度来进行计算 第一节第一节 有杆抽油系统设计有杆抽油系统设计 4.1 有杆抽油系统设计 1.1.奥金格公式奥金格公式 采用下部加重杆柱，既可提高抽油杆刚度和强度， 又可克服活塞下行阻力，以减小弯曲。 注意： 对于深井，通常多级组合抽油杆柱。 强度条件： ( (一一) )抽油杆强度计算方法抽油杆强度计算方法 4.1 有杆抽油系统设计 2.2.修正古德曼图修正古德曼图 修正古德曼图 安全区 强度条件： 应力范围比： 抽油杆使用系数 取决于流体的

4、性质 4.1 有杆抽油系统设计 ( (二二) )抽油杆柱设计步骤抽油杆柱设计步骤 (2) (2) 等强度设计方法等强度设计方法 (1) (1) 不等强度设计方法不等强度设计方法 套管 抽油泵 油管 4.1 有杆抽油系统设计 二、有杆抽油井生产系统设计二、有杆抽油井生产系统设计 有杆抽油系统组成： 有杆抽油系统设计内容： (1) 油层 (2) 井筒 (4) 地面出油管线 (3) 采油设备(机、杆、泵等) (4) 工况指标预测。 (1) 油井流入动态计算； (2) 采油设备(机、杆、泵等)选择； (3) 抽汲参数(冲程、冲次、泵径和下泵深度等)确定； 有杆抽油系统设计目标： 经济、有效地举升原油。

5、 IPR 井筒多相 流规律 运动学和 动力学规 律 地面多相 流规律 4.1 有杆抽油系统设计 (1) 油井和油层数据； (2) 流体物性参数； (3) 油井生产数据。 有杆抽油系统设计依据： 有杆抽油系统设计理论基础： 有杆抽油系统设计基础数据： 油藏供液能力 节点系统分析方法 4.1 有杆抽油系统设计 有杆抽油井生产系统设计思路： (1) IPR计算 (3) 温度场计算 (2) (4) (5) 计算 (6) (7) 抽油杆柱设计 (8) 泵效分析 (9) 产量迭代计算 (10) 工况指标计算 有杆泵联合工作曲线 第4章 有杆抽油系统研究与分析方法 4.14.1 有杆抽油系统设计有杆抽油系统

6、设计 4.24.2 有杆抽油系统工况分析有杆抽油系统工况分析 4.3 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术有杆抽油系统的动态预测技术 第二节第二节 有杆抽油系统工况分析有杆抽油系统工况分析 (1) 了解油层生产能力及工作状况，分析是否已发挥了油层 潜力，分析、判断油层不正常工作的原因； (2) 了解设备能力及工作状况，分析设备是否适应油层生产 能力，了解设备潜力，分析判断设备不正常的原因； (3) 分析检查措施效果。 分析目的：油层与抽油设备协调，油井高效生产。 分析内容： 4.2 有杆抽油系统工况分析 一、抽油井液面测试与分析一、抽油井液面测试与分析 （一）动液面、静液面及采油指数（一）动液面

7、、静液面及采油指数 静液面（Ls或Hs）：对应于油藏压力。 动液面（Lf或Hf）：对应于井底压力 流压。 生产压差：与静液面和动液面之差 相对应的压力差。 沉没度hs：根据气油比和原油进泵压 力损失而定。 静液面与动液面的位置 4.2 有杆抽油系统工况分析 采油指数： 折算液面：把在一定套压下测得的液面折算成套管压力为 零时的液面，即： 4.2 有杆抽油系统工况分析 ( (二二) )液面位置的测量液面位置的测量 测量仪器：回声仪回声仪 测量原理：利用声波在环形空间流体介质中的传播速度 和测得的反射时间来计算其位置： 1.1.有音标的井有音标的井 声波反射曲线 静液面与动液面的位置 4.2 有杆

8、抽油系统工况分析 2.2.无音标井无音标井 根据波动理论和声学原理，声波在气体中的传播速度为： 利用气体状态方程确定气体密度： 因为： 则： 声波速度为： 简化为： 4.2 有杆抽油系统工况分析 ( (三三) )含水井油水界面及工作制度与含水的关系含水井油水界面及工作制度与含水的关系 含水井正常抽油时，油水界面稳定在泵的吸入口处。 低气油比含水油井：在泵下加深 尾管来降低流压，提高产量。 低含水高气油比井(除带喷者外)： 加深尾管会降低泵的充满系数， 因为进入尾管后从油中分出的气 体将全部进入泵内。 含水井的油水界面 4.2 有杆抽油系统工况分析 抽油井工作制度与含水的关系抽油井工作制度与含水

9、的关系 当油层和水层压力相同(或油水同层)时，油井含水不随 工作制度而改变； 当油层压力高于水层压力时，增大总采液量(降流压)， 将引起油井含水量的上升； 当水层压力高于油层压力时，加大总采液量，将使油 井含水量下降。 确定含水井工作制度时：确定含水井工作制度时：对油水层压力相同及水层 压力高于油层压力的井，把产液量增大到设备允许的抽汲 量是合理的。利用油井在不同工作制度下产液量与含水 的变化情况来判断油水层的压力关系。 4.2 有杆抽油系统工况分析 第4章 有杆抽油系统研究与分析方法 4.14.1 有杆抽油系统设计有杆抽油系统设计 4.24.2 有杆抽油系统工况分析有杆抽油系统工况分析 4.

10、3 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术有杆抽油系统的动态预测技术 第三节第三节 有杆抽油系统的动态预测技术有杆抽油系统的动态预测技术 有杆抽油系统的动态预测技术就是在已知机杆泵和 井下工况条件下，对系统各部分的运动学、力学及动力学特 性进行分析研究，从而指导系统参数的设计和设备的优选。 动态预测技术所用的方法主要有物理方法和数学方法。动态预测技术所用的方法主要有物理方法和数学方法。 物理方法物理方法包括电模拟和实验室的小尺寸及全尺寸研究。 数学方法数学方法是对机-杆-泵及不同的井下工况分别建立相应 的数学模型，运用数学方法对整个系统的运动状况进行描述 和分析，也称其为有杆抽油系统的数值模拟有杆

11、抽油系统的数值模拟。 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术 1 1物理方法物理方法 （1 1）APIAPI方法方法 有杆抽油系统的动态预测技术，运用电模拟电模拟的方法，对有 杆抽油系统进行系统研究。API方法经过三次修订。目前使用的 API方法是1988年修订后的API RP IIL第四版。 （2 2）实验及半实验仿真技术）实验及半实验仿真技术 在研究有杆抽油系统时，相继进行了小尺寸小尺寸或全尺寸全尺寸的有 杆抽油系统的实物物理模拟实验研究，也有人将其称为实物仿 真技术，实际上属于物理模拟的范畴。 一、有杆抽油系统动态预测技术的发展 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术 4.3 有杆抽油系统的动态

12、预测技术 电模拟方法电模拟方法 电模拟渗流的直接理论基础就是水电相似原理水电相似原理，即描述渗 流场和电流场的数学方程相似。 电流在导电介质中的流动及电势分布电流在导电介质中的流动及电势分布满足欧姆定律及满足欧姆定律及 拉普拉斯方程：拉普拉斯方程： 不可压缩的地下流体通过多孔介质的稳定渗流不可压缩的地下流体通过多孔介质的稳定渗流符合达西定 律及拉普拉斯方程： 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术 电模拟实验装置 （3 3）数值模拟技术）数值模拟技术 GibbsGibbs方法方法 为了更精确地描述有杆抽油系统的运动规律，人们为了更精确地描述有杆抽油系统的运动规律，人们 开始将目标转移到示功图上来。

13、开始将目标转移到示功图上来。GibbsGibbs提出了提出了带阻尼的带阻尼的 一维波动方程来描述抽油杆柱的运动规律一维波动方程来描述抽油杆柱的运动规律，再给出初始，再给出初始 条件，便可运用解析方法或数值方法来求解波动方程，条件，便可运用解析方法或数值方法来求解波动方程， 得出光杆示功图及泵的示功图。得出光杆示功图及泵的示功图。 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术 DotyDoty模型及其完善模型及其完善 GibbsGibbs提出的模型仅能对杆柱进行描述而将液柱假设为刚提出的模型仅能对杆柱进行描述而将液柱假设为刚 性体，忽略了液柱的波动以及液柱的物性变化，而且阻尼系数性体，忽略了液柱的波动以及

14、液柱的物性变化，而且阻尼系数 用一常数代替。用一常数代替。 DotyDoty在在GibbsGibbs模型的基础上，对液柱进行了分析，提出了模型的基础上，对液柱进行了分析，提出了 考虑液体运动规律的数学模型，考虑液体运动规律的数学模型，模型较精确地反映液体惯性和模型较精确地反映液体惯性和 物性的影响，在摩擦力计算方面更精确。物性的影响，在摩擦力计算方面更精确。后来人们又在后来人们又在DotyDoty 模型的基础上，做了大量的工作，包括多级杆柱和下边界条件模型的基础上，做了大量的工作，包括多级杆柱和下边界条件 的建立等方法。的建立等方法。 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术 1989年，西安石油学

15、院余国安等人提出了同时考虑液 柱、杆柱和油管振动的三维振动模型三维振动模型。其杆、液柱模型与 Doty模型完全一致。由于油管的振动相对于杆柱和液柱来 说小得多所以其预测结果与Doty模型没有多大区别，但从 理论上来讲，对于油管不锚定的油井来说，三维振动模型应对于油管不锚定的油井来说，三维振动模型应 更为准确。更为准确。 最近人们又在Doty模型的基础上建立了定向井有杆抽油 系统的预测模拟，从而完善了有杆抽油系统的预测技术。 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术 1 1APIAPI方法的物理（机械）模型方法的物理（机械）模型 APIAPI方法将有杆抽油系统设想为如图所示的近似机方法将有杆抽油系统设

16、想为如图所示的近似机 械系统，即械系统，即弹簧用来模拟抽油杆的弹性，质量用来模拟弹簧用来模拟抽油杆的弹性，质量用来模拟 抽油杆的质量，阻尼用于模拟作用于杆柱的摩阻。抽油杆的质量，阻尼用于模拟作用于杆柱的摩阻。由弹由弹 簧簧- -质量质量- -阻尼组成。然后，采用电阻、电感、电容和导阻尼组成。然后，采用电阻、电感、电容和导 线组成的电路模拟这个近似的机械系统。线组成的电路模拟这个近似的机械系统。 二、二、APIAPI方法方法 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术 有杆抽油井的近似机械系统有杆抽油井的近似机械系统 4.3 有杆抽油系统的动态预测技术 n n 常规抽油机常规抽油机 n n 相对低转差率的电机相对低转差率的电机 n n 钢抽油杆，若是多级杆，则无加重杆（即随深度变细）钢抽油杆，若是多级杆，则无加重杆（即随深度变细） n n 模拟正常的井下摩阻（直井不能用于斜井）模拟正常的井下摩阻（直井不能用于斜井） n n 泵完全充满液体（无气体干扰或液击）泵完全充满液体（无气体干扰或液击） n n 油管锚定油管锚定 n n