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1、螺杆泵抽油优化设计软件的研制及应用螺杆泵抽油优化设计软件的研制及应用 彭美华1 夏新忠2 刘福山2 赵海涛3 (1.中国石油辽河油田公司锦州采油厂，辽宁盘锦，124010；2.中国石油吉林油田公司红岗 采油厂，吉林大安，131301；3.北京雅丹石油技术开发有限公司, 北京，102200） 摘 要：摘 要：本文介绍了地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计软件的抽油杆柱动力学模型，应用有限元计算方法进行模型求解，实现了螺杆泵抽油井的产能分析、静力学工况分析、动力学工况分析、优化设计等功能，并在锦州采油厂进行了实际应用，分析设计结果与实际工况吻合较好。 关键词：关键词： 螺杆泵 抽油 扶正器 工况分
2、析 设计 1 概述 1 概述 在油田开采的过程中，地面驱动螺杆泵抽油系统，由于其系统效率高，使用简单方便，占地面积少，节约投资，尤其在开采过程中，对稠油、含砂、含气等复杂井况适应性好，因此逐步引起各油田的青睐。但是螺杆泵油井的设计对专业程度要求高，知识面要求广泛，因此在实际设计优化中油田工程师常常遇到许多困难， 北京雅丹石油技术开发有限公司结合现场经验与理论知识研制了 地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计软件 ， 为螺杆泵抽油系统工艺参数设计提供了有力的技术支持。 地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计软件深入研究地面驱动单螺杆泵采油系统的工作特点，考虑抽油杆柱横向振动的影响，建立适用于地面驱动
3、单螺杆泵采油系统的抽油杆柱动力学模型。该力学模型真实描述了杆柱运动的过程，可以计算出井下杆柱在任意时刻、任意位置的轴向力、侧向力、扭矩以及杆管间的接触程度。 2 软件特点及功能 2 软件特点及功能 该模型考虑了杆柱空间三维的影响，完全可以应用到斜井，突破业界对螺杆泵研究思考的局限。利用杆柱动力学模型建立了空间三维的抽油杆柱扶正设计模型，可以根据杆管接触程度计算出扶正器下入深度和个数突破以前扶正器设计一维计算的局限。 主要功能包括：产能分析、静力学工况分析、动力学工况分析、优化设计、计算结果查看及数据管理。见图 1 所示。 图 1 软件界面 2.1 产能分析 2.1 产能分析 根据油井不同的测试
4、资料来建立油井的流入动态关系，以图表的形式直观描述出油井的流入动态曲线。 2.2 静力学工况分析 2.2 静力学工况分析 对目前油井的生产状况利用静力学模型进行工况分析。通过分析，计算出油井沿井深的井筒温度、压力分布、抽油杆柱的轴向载荷分布、扭矩分布、杆柱安全状况、抽油杆和接箍连接的螺纹安全状况、螺杆泵泵效组成情况1，并给出相应计算结果图表。 2.3 动力学工况分析 2.3 动力学工况分析 对目前油井的生产状况利用螺杆泵井抽油杆柱动力学模型进行工况分析。通过螺杆泵井抽油杆柱动力学模型真实模拟油井生产时抽油杆柱的实际状况，考虑杆柱运动时六个方向位移，建立适用于螺杆泵采油系统的抽油杆柱动力学模型，
5、并利用有限元方法计算该模型。通过分析计算，得到井下杆柱在任意时刻、任意位置、不同转速下的轴向力、侧向力、扭矩以及杆管间的接触程度、并获得启动时刻的扭矩大小2-3。 2.4 优化设计 2.4 优化设计 优化设计实现双目标优化，综合考虑效率和产量，完成抽油杆柱的等强度设计，杆柱可以进行实心杆、空心杆、实心和空心混合杆柱设计；螺杆泵泵型的选择、产量、泵效的设计计算并选出最优组合；通过动力学计算可以对优选出的最优组合进行动力学分析，获得任一时刻、任一位置的抽油杆柱的轴向力、扭矩及杆管间的接触程度并进行扶正器的设计，并可调整转速进行不同转速下的设计，真实地模拟油井生产的实际状况4。 2.5 计算结果查看
6、 2.5 计算结果查看 可以查看静力学、动力学工况分析结果，设计结果的静力学、动力学工况分析结果，扶正器设计结果，油井轨迹图包括井身垂直投影图、井眼曲率与井深关系图、井身水平投影图、井身三维视图。 2.6 数据管理 2.6 数据管理 对油井数据库、泵数据库、抽油杆数据库和井深结构数据库进行维护。包括记录的浏览、添加、删除和保存等功能。 3 动力学模型的建立 3 动力学模型的建立 3.1 杆柱动力学力学模型和基本假设 3.1 杆柱动力学力学模型和基本假设 根据抽油杆柱的实际工作状态，选取井口至井底螺杆泵之间的整体抽油杆柱和油管柱为研究对象。假设条件，如下： （1）抽油杆柱是一根数千米长的连续杆件
7、，它的空间结构为套管柱和油管变形修正后井眼轴线形态，由井斜角和方位角确定； （2）抽油杆柱是弹性体，变形前杆柱轴线与井眼轴线重合，并与油管存在初始间隙，间隙的大小可以是任意分布的，变形后抽油杆柱的某些部分和油管接触； （3）油管为弹性体，在接触反力和摩阻力的作用下发生形变。 （这一假设突破了以前的假设，更接近实际情况） ； （4）考虑抽油杆柱的初始变形（以前的分析没有考虑） 。 边界条件： （1）井口边界：扭转角位移、角速度和角加速度为已知边界。 （2）井底边界：横向线位移弹性约束、横向角位移自由、轴向力和扭转角为已知。 3.2 启动模型的建立及边界条件 3.2 启动模型的建立及边界条件 根据
8、抽油杆柱的工作状态，将抽油杆柱动力学分析划分为三个阶段，如图 2 所示。第一阶段为螺杆泵启动阶段，模拟电机启动后，由零转速达到额定转速，随后以匀速旋转；此时，井底螺杆泵所受到的阻力和阻力矩为零。第二阶段为井底的阻力和阻力矩以平均速度增加。第三阶段为螺杆泵开始工作阶段， 模拟抽油杆柱在电机匀速旋转下正常工作， 而螺杆泵举升液体的扭矩和轴向力不变5。 图 2 抽油杆柱动力学分析图 第一阶段： )0(0 . 0; 0 . 0)sin(2)( 1)cos(2)()sin(2)(nnnnhnnnhttFMtt tntttntwtt tttnt= =（1） 第二阶段： )(;0 . 0)()()2()(p
9、nnpn b npn bhn htttttttFFttttMMtntwttnt=（2） 第三阶段： )(;0 . 0)()()2()(snbbhn htttFFMMtntwttnt=（3） 式中hhhw,分别为井口抽油杆柱的角位移、角速度和角加速度，n 为转速（rad/s） ，MF、分别为井底螺杆泵所承受的扭矩和轴向力，bbMF、分别为螺杆泵达到额定转速时所产生的扭矩和轴向力。 4 算例 4 算例 以锦州采油厂锦 45 区块 11-213 油井为例，计算油井的静载荷、动载荷、杆柱位移，设计扶正器分布等。图 3 是油井启动 15 秒时刻的油井抽油杆在 X、Y 两个方向上的位移分布图，图 3(a)
10、为 X方向的位移图，图 3(b)为 Y 方向上的位移图，结合 X、Y 方向的位移图就可以确定抽油杆在油管中的位置，为工程师分析油井的磨损的变化提供了有力的依据。 图 3 15 秒时刻抽油杆位移分布图 图 4 为油井不同深度抽油杆扭矩随时间变化曲线，图 4(a)为井口扭矩变化曲线，图 4(b)为井深1000m 位置的扭矩变化曲线， 对比可以很清楚的看出油井的不同深度对应的最大扭矩值是不相同的，为现场工程师提供了更加直观的分析结果。 图 4 不同深度抽油杆扭矩随时间变化曲线 图 5 不同时刻抽油杆扭矩分布曲线 图 5 是抽油杆扭矩分布曲线， 图 5(a)为油井启动 5 秒时抽油杆扭矩分布图， 图
11、5(b)为油井启动15 秒时抽油杆扭矩分布图， 结合图 4 中扭矩随时间的变化曲线， 可以分析出油井从启动到稳定生产，整个过程中扭矩的变化，可以看到油井中抽油杆扭矩的最大值出现在井口，可以分析油井不同时刻油井扭矩分布的规律。 表 1 扶正器位置分布表 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 扶正器位置 43.4 99.8219.1249.5371 455.7546.8 609.7 编号 9 10 11 12 13 14 15 16 扶正器位置 635.8 757.3783.3846.3872.3961.31024.2 1085 表 1 中数据为设计软件计算的扶正器位置分布表。表中数据是通过对油井
12、抽油杆受力分析，应用有限元方法求解抽油杆动力学方程组，得出抽油杆的位移分布，通过对位移变化的分析得出扶正器的具体安放位置。 5 结论 5 结论 地面驱动螺杆泵抽油井生产系统优化设计软件，建立了先进的动力学计算模型，应用有限元计算方法进行模型求解，结果与实际情况吻合度高。软件可以通过油井的基础参数及油井工作参数，可以对油井进行产能预测、静力学工况分析、动力学工况分析、油井优化设计等多种功能。软件的成功应用为油田生产中的螺杆泵设计优化提供了有力的技术支持。 参考文献： 参考文献： 1 游红娟，胡承军地面驱动单螺杆泵抽油杆柱受力分析新疆石油科技，2005,15(3)：35-37 2 廖云虎，许强等地面驱动螺杆泵抽油杆柱的受力计算石油矿场机械，2007,36(9)：55-57 3 陈涛平，孙兆海等地面驱动螺杆泵抽油杆柱负载扭矩的计算大庆石油学院学报，2004,28(6)：26-28 4 隋允康， 任旭春 斜井单螺杆抽油泵柱和扶正器间距的最优设计 计算力学学报， 2002,1： 58-62 5 吴晓东，李远超等单螺杆泵斜井抽油杆柱运动模型石油钻探技术，2006,34(3)：1-3 作者简介：作者简介：彭美华（1970.8-） ，男，工程师，1994 年毕业于江汉石油学院钻井工程专业，现在辽河 油田锦州采油厂工艺研究所从事油水井解堵及螺杆泵采油的研究与推广工作。Email： 。
