有杆泵采油III.ppt

第三章 有杆泵采油,Rod Pumping Production,第,5,节 有杆抽油系统设计,杆柱强度计算及设计,生产系统设计,钢杆,-,玻璃钢杆组合抽油,第,6,节 有杆抽油系统工况分析,液面测试与分析,地面示功图,工况诊断,(,井下示功图,),受力特征及强度计算方法,1.,抽油杆杆柱强度计算及杆柱设计,抽油杆设计内容,1.,长度,下泵深度确定抽油杆长度,2.,材料,(,强度,),碳钢、镍铬钢、铬钼钢、镍钼钢,3.,直径及组合,19/22/25mm,抽油杆破坏形式：,承载交变载荷产生的非对称循环应力作用,发生疲劳破坏，而不是都在最大拉应力下破坏,矿场实际：在抽油杆的,上、中、下,部均有破坏,抽油杆设计必须根据,疲劳强度,计算，而不能仅根据,抗拉强度,进行设计,.,奥金格强度计算方法,1.,抽油杆杆柱强度计算及杆柱设计,非对称循环应力条件下，设计出来的抽油杆强度必须满足如下条件，否则不安全会产生疲劳破坏,1.,循环应力幅：,2.,折算应力：,3.,许用应力：,4.,设计准则,(,强度条件,),：,实际承载的应力,许用应力：材料固有特性,材料确定后，许用应力已知,修正古德曼方法,1.,抽油杆杆柱强度计算及杆柱设计,修正古德曼图：,当应力点落在安全区时，抽油杆不会发生疲劳破坏,强度条件：,min,抽油杆最小应力,all,许用最大应力,T,抽油杆最小抗张强度,SF,抽油杆使用系数，考虑流体腐蚀 等因素而附加的系数,1.0,min,修正古德曼方法,1.,抽油杆杆柱强度计算及杆柱设计,强度条件：,抽油杆应力范围,许用应力范围,应力范围比,合理的杆柱组合,保证各级杆柱的,PL,，取新产量,(,Q-Q,)/2,转,(1),计算扭矩、功率、电耗，设备容量校核,有杆抽油井生产系统设计,2.,有杆抽油井生产系统设计,定产量设计：,选择设备和工作参数举升给定产量,以规定的产量作为设计产量，不再假设产量,进行抽油杆柱设计时，若强度不满足要求。不再是降低产量，而是重新选择高强度材料或抽吸参数组合。若仍不满足要求，则说明配产不合理,若抽油机超负荷，则更换抽油机，重新设计,能够满足配产要求的机械设备和抽吸参数可能有多种组合，应选择系统效率最高的组合作为设计结果,有杆抽油井生产系统设计,2.,有杆抽油井生产系统设计,玻璃钢,(Fiber-glass),杆：玻璃纤维束,+,树脂,重量轻，减小地面动力设备投资，节省能源,弹性好，利于实现超冲程,耐腐蚀，适于抽吸有腐蚀性的流体,钢杆,-,玻璃钢杆组合杆柱,3.,钢杆玻璃钢杆组合杆柱抽油技术,缺点：,价格贵：是钢质抽油杆的,1.6,1.8,倍,不能承受轴向压缩载荷,(,底部加重以保证受拉,),使用温度不能超过,93.3,报废杆不能溶化回收利用,怕磨损和碰伤,稠油、高凝油，非直井不宜使用玻璃杠杆,精确的温度场计算，避免超出允许温度,弹性较大，注意泵筒长度和防冲距的确定,技术经济评价确定是否有必要采用玻璃钢杆,需要注意的问题,3.,钢杆玻璃钢杆组合杆柱抽油技术,第,6,节 有杆抽油系统工况分析,系统工况分析的任务：,了解油层生产能力和工作状况,了解设备能力和工作状况，分析判 断工作不正常的原因,分析检查措施效果,液面测试与分析,地面示功图,工况诊断,(,井下示功图,),静液面：,关井后油套环形空间的液面恢复到静止时的液面高度,与静液面相对应的井底压力即为油藏压力,动液面,(Working fluid level),：,油井正常生产时油套环形空间中的液面高度,与动液面对应的井底压力即为井底流压,生产压差：,动液面与静液面之差对应的压力差,沉没度,(,submergence depth,),泵沉没在动液面以下的深度,1.,液面测试与分析,有杆抽油系统工况分析,h,s,H,f,L,f,H,s,L,s,几个基本概念,IPR,方程,1.,液面测试与分析,有杆抽油系统工况分析,h,s,H,f,L,f,H,s,L,fc,折算液面,把,一定套压,下测得的液面折算,成套压为零,时的液面,L,f,实测动液面深度，,m,L,fc,折算动液面深度，,m,P,c,套压，,MPa,o,环空原油密度，,kg/m,3,Pc,液面位置的测量,有杆抽油系统工况分析,有音标井的液面测量：,音标位于液面之上，已知音标深度,声波遇到音标和液面均反射,1.,根据音标反射确定声速,2.,根据声速计算液面深度,液面位置的测量,有杆抽油系统工况分析,无音标井的液面测量：,声音传播速度不靠音标确定，而是,直接计算,根据,传播速度,和,反射时间,计算液面深度,气体中声波传播速度,气体状态方程,气体密度方程,传播速度,K,天然气绝热系数,T,绝对温度,go,气体相对密度,Z,气体压缩系数,R,气体常数,气体摩尔质量,h,s,L,L,f,H,气,油,油气水,含水井油水界面,有杆抽油系统工况分析,稳定生产时，井筒中的油水界面稳定在泵吸入口处,低气油比,含水油井，在泵下增加尾管可降低井底流压，提高产量,对于,低含水、高气油比,油井，加深尾管会降低泵的充满系数，因为进入尾管从油中析出的气体会全部进入泵内,当油层压力与水层压力相同,(,或油水同层,),时，含水率不随工作制度而改变,若,Pr(oil)Pr(water),，增加液量会使含水率上升；相反，含水率会下降,工作制度的确定：,对于,Pr(oil)Pr(water),的井，应该在设备允许条件下尽可能增加产量,可根据含水随工作制度的变化特征来判断油水层的大小关系,工作制度与含水率,有杆抽油系统工况分析,2.,地面示功图分析*,有杆抽油系统工况分析,示功图,(,D,ynagraph,c,ard,),：,载荷随位移的变化曲线所构成的封闭曲线图,地面,(,光杆,),示功图：,地面悬点载荷和位移关系曲线,地下示功图：,抽油杆界面,/,泵上的载荷和位移关系曲线,示功图是分析抽油机井泵工作状况的主要依据,由于井下复杂情况对泵工作状况的影响，实际示功图形状各异,目的：能够正确分析和解释示功图，从而分析井下泵的工作状况,静载荷作用下的理论示功图,有杆抽油系统工况分析,1.,刚性杆、上下冲程恒定载荷,2.,刚性杆、上下冲程不同载荷,3.,柔性杆、不同载荷,THANK YOU,SUCCESS,2024/12/17 周二,25,可编辑,静载理论示功图,有杆抽油系统工况分析,上冲程：,下,死点,A,处为最小悬点载荷,Wr,，,上冲程开始后液柱载荷,Wl,逐渐加载到柱塞上，引起抽油杆和油管柱的弹性伸长,/,缩短；到,B,点,加载完毕，变形结束，然后以恒定载荷,(Wr,+Wl,),运行到上,死点,C,A,：,下死点,C,：,上死点,Wr,、：,悬点最小载荷,Wl,：,液柱载荷,S,：,悬点冲程,Sp,：,泵柱塞冲程,：,光杆弹性变形冲程损失,下冲程：,上,死点,C,处为最大悬点载荷,(,Wr,+Wl,),，,下冲程开始后，抽油杆弹性收缩，液柱载荷逐渐卸载到油管柱上；到,D,点,卸载完毕，变形结束，然后以恒定载荷,(Wr,),运行到下,死点,A,下冲程：,CDA,为下冲程载荷曲线,CD,为卸载曲线，固定、游动阀都打开,DA,为排出过程，固定阀关闭,静载理论示功图,有杆抽油系统工况分析,上冲程：,ABC,为上冲程载荷曲线,AB,为加载曲线，固定、游动阀都关闭,BC,为吸入过程有效冲程，游动阀关闭,考虑惯性与振动示功图,有杆抽油系统工况分析,惯性：与加速度变化规律相同,上冲程：,前半程：由静止变向上运动，惯性增大悬点载荷，作用由大变小,后半程：由向上运动变静止，惯性减小悬点载荷，作用由小变大,下冲程：,前半程：由静止变向下运动，惯性减小悬点载荷,后半程：由向下运动变静止，惯性增大悬点载荷,气体影响：排出后泵内残存溶解气和压缩气,典型的示功图分析,有杆抽油系统工况分析,上冲程开始：,压缩气体膨胀，泵内压力不能很快降低，固定凡尔打开和游动凡尔的关闭滞后，延长加载过程,下冲程开始：,泵内气体被压缩，压力不能很快升高，游动凡尔打开和固定凡尔关闭滞后，延长卸载过程,影响因素：,泵入口压力、余隙、气油比、饱和压力等,充满系数,=AD,/AD,泵充不满示功图,有杆抽油系统工况分析,泵充不满,上冲程过程中供液不足,原因：沉没度,/,泵入口压力过小,下冲程开始：,由于泵充不满，柱塞不能立即接触泵内液面，悬点载荷不能立即减小,只有当柱塞撞击液面后，载荷迅速卸载,撞击液面可能产生冲击振动，示功图变形更加复杂,游动凡尔漏失示功图,有杆抽油系统工况分析,上冲程游动凡尔液体漏失减小载荷，相当于对柱塞的顶托作用,上冲程开始：,漏失速度大于柱塞速度，液体漏失减小载荷，使悬点载荷不能立即升到最大值，加载缓慢,上冲程中：,柱塞速度大于漏失速度，完全加载，达到最大载荷,上冲程末：,柱塞速度又小于漏失速度，液体漏失减小载荷，使悬点载荷提前卸载,漏失严重，达不到最大载荷,固定凡尔漏失示功图,有杆抽油系统工况分析,下冲程固定凡尔液体漏失,减小液体对活塞的顶托作用，增大悬点载荷,下冲程开始：,漏失速度大于柱塞速度，液体漏失延缓卸载过程，增大载荷,下冲程中：,柱塞速度大于漏失速度，完全卸载，达到最小载荷,下冲程末：,柱塞速度又小于漏失速度，液体漏失压力降低，使游动凡尔提前关闭，提前加载,两凡尔同时漏失示功图,有杆抽油系统工况分析,=,+,柱塞,(Plunger),遇卡示功图,有杆抽油系统工况分析,活塞卡在泵筒中部,由于压缩弯曲作用，下死点最小载荷远小于应有的最小悬点载荷,上冲程开始，抽油杆先由压缩弯曲状态被拉直，然后被拉伸，载荷快速线性增加；最大载荷远高于应有 的最大悬点载荷,下冲程开始，抽油杆由弹性拉伸状态恢复原状，然后被压缩弯曲,在卡死点前后段，悬点以不同的速率增载与减载,柱塞有效冲程为零,带喷井示功图,有杆抽油系统工况分析,自喷抽油：游动、固定凡尔同时保持打开状态,抽吸只起诱喷和助喷作用,液柱载荷基本加不到悬点上,载荷变化取决于油井自喷能力和流体粘度,悬点载荷的大小取决于泵抽吸对举升的贡献大小,其它情况示功图,有杆抽油系统工况分析,抽油杆断脱：,悬点载荷实际是抽油杆的重量，由于摩擦力作用使上下冲程载荷不相同,出砂,(Sanding),井：,柱塞与泵筒间隙有地层砂粒，固相不规则摩擦导致载荷振动,结蜡井：,泵筒表面结蜡，增加摩擦作用,上冲程增大载荷,下冲程减小载荷,其它情况示功图,有杆抽油系统工况分析,活塞脱出工作筒,上冲程过程中活塞脱出，瞬间卸载,下冲程活塞重新进入工作筒,防冲距,(Anti-impact stroke),过小,下冲程末尾，柱塞撞击固定阀，顶托作用造成载荷突然降低,示功图的应用,有杆抽油系统工况分析,地面悬点示功图,容易测量得到，但由于从泵到地面之间井筒的复杂情况，地面示功图一般不规则，很难据此分析泵的工作情况,真正能够用于泵工作状况分析的是,井下示功图,，实际测量困难,目前采用,数学方法,将地面示功图转换为井下示功图进行分析,抽油井工况诊断技术,(,井下示功图分析,),3.,抽油井工况诊断技术,有杆抽油系统工况分析,实测悬点示功图,任意断面示功图,井下泵示功图,分析工作状况,抽油机井计算机诊断：,根据实测光杆示功图,(,载荷与位移,),利用数学和计算机手段求取各级杆柱断面和泵上的载荷与位移，绘制井下示功图，判断和分析设备工作状况,诊断技术理论基础,有杆抽油系统工况分析,信号发生器,信号传导线,信号接收器,信号：,应力波,应力波在抽油杆柱中传播过程可用带阻尼的波动方程描述：,U(x,t),抽油杆任意截面,x,、任意时刻,t,的位移,应力波在抽油杆中的传播速度,c,阻尼系数,二阶偏微分方程，分离变量法求解,诊断技术理论基础,有杆抽油系统工况分析,分离变量法求解：,虎克定律：,抽油杆任意深度断面动载荷随时间的变化：,边界条件：,U(x,t)|,x=0,(,实测光杆示功图,),给定,x=Hp,，获得泵上的位移与载荷变化曲线,(,泵示功图,),诊断技术理论基础,有杆抽油系统工况分析,阻尼系数,(Damping Coefficient),:,粘滞阻力,机械设备与液体的摩擦阻力,非粘滞阻力,机械设备之间的摩擦,处理办法：使用等值阻尼系数代替真实阻尼系数,诊断技术应用,泵示功图,有杆抽油系统工况分析,油管锚定情况下泵的运动：,刚性杆、上下冲程不同载荷,几种典型情况下的泵示功图,泵示功图实例,有杆抽油系统工况分析,油管锚定,(,正常工作,),油管未锚定,(,正常工作,),固定凡尔漏失,游动凡尔漏失,气体影响,诊断技术应用,有杆抽油系统工况分析,1.,判断泵的工作状况及计算泵排量,2.,计算各级杆柱的应力和分析杆柱组合的合理性,3.,计算和分析抽油机扭矩、平衡及功率,4.,估算泵口压力及预测油井产量,5.,判断油管锚或封隔器固定油管的有效性,(1)Gibbs S G.,一维带阻尼的波动方程,(1966,年）,考虑抽油杆惯性，忽略液柱惯性,目前计算机诊断技术的理论基础,(2)Doty D R.&Smith Z.,二维预测模型,(1981,年,),同时,考虑抽油杆和液柱的惯性,(3),三维振动预测模型,(1989,年,),考虑杆、液、管的惯性与振动,(4),示功图识别技术的发展,使用模式识别技术、专家系统及神经网络技术来判断泵的工作状况,诊断技术发展,有杆抽油系统工况分析,5,、,6,节小节,1.,基本概念：,静液面、动液面、沉没度、折算液面,示功图、地面示功图、井下示功图、泵充满系数,2.,理解抽油杆设计方法和等强度原则,3.,理解抽油系统设计的基本内容、不定产量设计思路及其与定产量设计的区别,4.,掌握动液面、静液面和井底流压、油藏压力的关系，折算液面的计算方法,5.,掌握有音标井的液面测量原理和方法,6.,掌握井筒油水界面位置，工作制度与含水的关系,7.,掌握理论示功图的含义，能够分析、辨别典型的地面示功图和井下示功图,8.,了解抽油机井诊断技术的基本原理、方法,THANK YOU,SUCCESS,2024/12/17 周二,48,可编辑,