基于嵌套网格的环空流体内旋转杆柱与井筒碰撞特性研究

针对浸没在流体中杆管柱间相互接触问题,基于嵌套网格技术,该文建立了环空流体内旋转杆柱与井筒间碰撞的数值求解方法.将环空流体域分为相互嵌套的子区域:背景网格和组件网格,推导了各嵌套区域流场边界传递信息的插值计算公式,采用分域方法对环空流体域与杆柱固体域耦合进行求解.通过静止流体中球形颗粒与壁面正、斜碰撞实验对比,验证该文数值方法的正确性.研究了不同流体黏度、杆柱旋转速度条件下杆柱与井筒的碰撞特性,结果表明:1)杆柱与井筒碰撞的碰撞力、速度随黏度增大而降低,即杆柱与井筒碰撞的剧烈程度与流体黏度负相关;2)随着杆柱旋转速度增大,杆柱与井筒的碰撞力、速度也增大,即杆柱与井筒碰撞的剧烈程度与转速正相关.

螺杆泵采油杆柱受径向力激励的横向振动

杆柱横向振动是螺杆泵采油系统杆管失效的主要原因,研究杆柱匀速自转时液体径向力对杆柱横向振动规律的影响,通过仿真拟合方法得到液体径向力的数学模型并探讨径向力和公转离心力对杆柱作用规律;建立杆柱横向振动的仿真模型,其中液体径向力和由于杆柱偏心旋转离心力为横向激励,研究液体径向力对杆柱横向振动规律的影响;利用数值方法对振动微分方程求解。结果表明:液体径向力的方向变化和偏心率有关且存在使径向力方向转换的临界偏心率,考虑径向力时杆管间碰撞力增大,碰撞次数增多,杆管首次发生碰撞时间缩短,杆柱波动性更大,碰撞力最值出现在杆柱底端和中部附近;杆柱工作时间越长其整体振动越明显,形状越不规则。

电动螺杆泵井下限位杆柱防反转技术的应用

电动螺杆泵作为采油设备目前在各油田应用较广泛,但在生产过程中电动螺杆泵井下杆柱反转易造成设备损坏、人身伤害以及原油产量损失。通过对电动螺杆泵井下生产装置结构、地面防反转措施的分析,提出了电动螺杆泵井下管柱结构技术改进方案,即增加井下限位杆柱防反转机构。井下限位杆柱防反转机构技术改进后,通过现场30口电动螺杆泵井应用,一次成功率100%,减少正憋管柱工序及罐车、泵车的使用费用。电动螺杆泵井停机后反转时间由原10 min~24 h,降低为20 s以内,挽回原油产量损失,提高电动螺杆泵安全运行可靠性,对各油田电动螺杆泵防反转技术改进具有借鉴意义。

抽油杆柱动力屈曲模拟装置液压加载系统设计与性能仿真

为模拟抽油杆柱受轴向外载荷产生的动力屈曲和横向振动现象,设计一种新型的基于程序控制的液压加载模拟装置。基于液压压力闭环控制方式,利用PLC输入设定值调节比例溢流阀开口度,控制系统的压力,通过压力传感器的检测与变送,将液压系统的压力反馈回PLC,从而控制连续变化的系统压力,以满足设计需求。使用MATLAB中的Simulink模块建立液压系统的数学模型,仿真得到比例溢流阀的性能曲线并验证了此液压闭环控制系统模拟装置的稳定性和可行性。

利用“管柱力学计算”和“数据分析模型”评价水平井套管下入技术

长半径水平井管柱力学载荷计算模型通常使用软杆模型与修正的软杆模型相结合的方法,计算管柱摩阻扭矩,借助数据分析模型,结合下套管“悬重对摩阻系数敏感性模型图版”,分析预测下套管摩阻系数,进而评价下套管难易程度,指导井眼降阻技术优化以及下套管方式的优选。通过两种方法预测下套管摩阻系数:(1)在通井摩阻系数的基础上附加一个系数值;(2)通过分析影响下套管摩阻系数的主控因子,分别求解出正钻井的不同主控因子对邻井下套管摩阻系数的正负影响值(摩阻系数增减值),再求解出正钻井的下套管摩阻系数(预测的下套管摩阻系数),取二者的平均值作为正钻井下套管摩阻系数的最终预测值。实践应用表明,该值与实际反演的下套管摩阻系数最大误差仅为±0.03,预测准确度高,效果显著。

抽油杆柱与油管偏磨机理及偏磨点位置预测

结合油田生产实际,对抽油杆柱与油管系统的磨损介质类型和磨损机理进行了分析,建立了抽油杆三维力学综合分析模型,利用VisualBasic6.0语言和Matlab6.0语言开发了相应的仿真分析软件系统,并进行了三维井眼轨迹对抽油杆柱受力变形的影响研究。利用该软件系统,可以确定抽油杆柱与油管严重偏磨点的位置。使用新型抗摩擦接箍,可使定向井抽油杆柱偏磨的程度大幅度下降,从而节省修井时间并提高油井寿命。

抽油机井系统数学仿真技术

以抽油机井系统为对象建立了数学仿真模型 ,模型中除了抽油杆柱和液柱的力学模型和运动模型外 ,还包括了电机特性模型、抽油机力学模型和运动模型。将这些数学模型联立求解 ,可更真实地描述抽油机井系统的运动规律 ,从而提供了一种研究不同特性电机驱动下抽油机井的运动和受力的方法。从仿真示例看 ,高、低转差率电机驱动的抽油机井在运动和受力方面均有较大的差异 ,因此 ,在实际应用及设计中应考虑电机的运动特性。

抽油机井防偏磨技术探讨

近年来抽油机井管、杆之间的偏磨问题十分突出,导致作业频繁,检泵周期短,作业成本增加。根据现场出现的偏磨情况,从杆管受力分析出发探讨了偏磨现象产生的机理,分析了油井含水、井深结构、泵沉没度、抽汲参数、游动阀过流面积等对杆管偏磨的影响,并针对这些因素提出了相应的防偏磨措施,为现场管理提供借鉴。

三维定向井抽油杆柱力学特性有限元分析新方法

结合定向井井眼轨迹的三维空间特征和超细长杆柱在井眼中的双重非线性(接触非线性和几何非线性)特征,同时考虑Ray-leigh阻尼及液体摩擦影响,建立了抽油杆柱三维动态有限元方程。利用Newmark法对抽油杆柱运动过程进行时间域离散,采用结点迭代的循环求解方法对三维动态有限元方程进行了数值求解,并用直接约束法对杆/管接触问题进行了处理,得到了抽油杆柱每一结点6个自由度方向的变形和载荷。以实测井底泵功图为边界条件,求出了抽油杆柱与油管的动态接触位置,并获得了地面示功图,将预测结果与实测地面示功图进行了对比。结果表明,结点迭代法可以避免大型矩阵的数值计算问题,与Newmark法相结合,能够较准确地求解出井下抽油杆柱的三维受力及运动状态。

共振对螺杆泵井抽油杆偏磨的影响

地面驱动螺杆泵井抽油杆的偏磨是制约螺杆泵应用的主要原因,目前采用的防治方法不能从根本上解决该问题。采用螺杆泵井受力测试仪器对抽油杆进行受力测试,结果表明,当抽油杆的转速达到特定值时,抽油杆会产生横向振动共振,这是造成抽油杆偏磨的动力学因素。当螺杆泵井抽油杆高速旋转时,重心偏移是抽油杆产生横向振动的主要原因。根据地面驱动螺杆泵井抽油杆的现场工作状态,建立了抽油杆横向振动理论模型,分析了横向振动共振的产生条件,即抽油杆的角速度等于横向振动频率,并在此基础上建立了抽油杆的横向振动模型,由横向振动的频率得出避免横向振动共振的抽油杆控制转速,从而解决了螺杆泵井抽油杆偏磨的难题。

直井地面驱动螺杆泵采油杆管偏磨机理

将直井地面驱动螺杆泵采油杆柱简化为在油管内偏心旋转的杆柱。考虑了杆柱偏心旋转惯性离心力、轴向力对杆柱横向弯曲变形的影响。应用可移动双向弹簧元模拟杆管接触状态,并考虑了杆体、结箍以及扶正器与油管间隙不同对杆柱挠度约束的差别,建立了螺杆泵采油杆柱在油管内受力变形的有限元仿真模型。仿真结果表明:抽油杆柱在油管内偏心旋转会产生陀螺效应,杆柱在油管内变形形态呈下密上疏的螺旋状,这是直井地面驱动螺杆泵采油系统杆管偏磨的主要原因之一。杆柱与油管接触段长度主要取决于转速、下泵深度和偏心距等参数。当转速较高时,几乎所有接箍均与油管内壁接触,也会出现杆体与油管内壁接触的现象。

抽油机井振动载荷对杆管偏磨的影响研究

建立有杆泵杆柱振动力学偏微分方程并求解和分析,研制了可测出抽油杆工作过程中瞬时受力状况的测试仪器,进行了现场测试,获得了抽油杆不同部位受拉压和侧向力的周期性变化曲线,发现了振动载荷由下至上逐步增大的规律。当轴向压力增大到一定程度时,杆柱将屈曲变形,增加径向接触力,会使杆管偏磨的程度增加,为抽油机井杆管防偏磨提供了依据。通过采取合理加重、优化参数等技术措施,使杆柱受力中和点下移或减轻振动影响,措施在不同油田的几千口井上实施后见到了下移中和点、减小振动载荷、延长检泵周期的明显效果。

定向井抽油杆柱空间形态的计算方法

以曲率半径法描述井眼轨迹的空间形态,从空间杆单元入手,建立细长杆的有限元模型,并考虑井眼轨迹多支点的几何约束,以迭代法循环求解每一结点抽油杆柱的空间载荷及变形,再结合细长杆的屈曲模型,分析比较不同位置安放扶正器后抽油杆柱空间构形的变化。结果表明,通过计算实际井眼轨迹中抽油杆柱的三维受力及变形屈曲状态,能够判断扶正器安放的合理性,掌握杆柱的工作状况,预测杆/管偏磨位置。

地面驱动螺杆泵抽油杆柱动力学分析技术及其应用

地面驱动螺杆泵抽油杆柱动力学分析是杆柱设计、失效机理分析的关键技术。针对细长抽油杆柱旋转运动时沿井深和井眼圆周方向与油管内壁产生碰撞接触的问题,建立了抽油杆柱非线性动力学模型。利用构造动力间隙元来描述旋转抽油杆与油管的随机碰撞接触状态,并与空间梁单元相结合,建立了旋转抽油杆柱动力学分析方法。在大庆油田B2- 6- 41 等井的应用结果表明,井口扭矩计算平均值与实际测试值的相对误差为1. 5%。根据求得的时域内抽油杆柱受力变形值以及与油管柱碰撞接触力,计算了抽油杆柱动强度和扶正器安放位置。利用该方法设计的抽油杆柱能够安全可靠地运行,使检泵周期超过550d。

液压环境下流体对管柱单元XYZ方向作用力分析

通过对液压环境(即静流体作用)下的管柱进行离散分析,说明了现有模型在分析静流体对管柱单元作用力时的不足。采用微元法结合高斯公式对静流体下管柱单元的受力进行了分析,运用先补全,再减去所补面积的等效方法,得到了静流体对管柱单元侧面产生的作用力的理论计算方法。建立了液压环境下,静流体对任意管柱单元(直线单元或曲线单元)X、Y、Z方向作用力和浮力系数的理论计算模型。基于相关理论计算模型,结合ANSYS有限元进行模拟计算,得出了在水深300m^3000m处,30°和90°等曲率圆弧管柱的X、Y、Z方向作用力的理论计算结果与ANSYS模拟分析结果。相关结果对比表明:ANSYS有限元计算结果与理论计算结果间最大的绝对误差不足0.4%,验证了本文建立的理论计算模型的正确性。

地面驱动单螺杆泵杆柱的组合设计

根据地面驱动单螺杆泵的工作特点，分析了传递动力的抽油杯柱受力状况，认为抽油杆柱受复合载荷的作用，在承受扭矩的同时承受较大的轴向力，给出了各种载荷的计算方法。由第四强度理论，提出了把抽油杯柱设计成两级杆柱的等强度组合设计方法，即先按要求及标准确定两级杆柱的直径和长度，然后扶强度条件进行校核。根据油田的实际情况，编制了抽油杆柱电算程序，并给出了设计训一算实例。

抽油杆柱断脱原因剖析与综合防治

抽油杆柱的断脱是影响油田正常生产的主要因素之一。本文结合陇东地区的抽油杆柱断脱资料，对抽油杆断裂、抽油杆脱扣、滑杆断脱、光杆断裂、游动阀罩断裂等情况进行了全面剖析，提出了综合防治抽油杆断脱的措施，实施后见到了显著效果。

井简内杆管柱双层接触有限元分析及应用

构造双层多向接触间隙元描述细长油管柱与内外杆管柱的随机接触摩擦问题,与空间梁单元相结合,采用变刚度与等刚度交替方式求解,得出抽油杆柱与油管柱以及油管柱与套管柱的接触状态、接触位置、摩阻力大小以及抽油杆柱与油管柱在任意井深处的广义内力、应力和变形.三口井算例表明,抽油杆柱与油管柱的井口悬重误差低于10%,能够为抽油杆和油管柱设计和失效分析提供可靠的计算方法和理论依据.

高含水原油对油管和抽油杆摩擦磨损性能的影响研究

在实验室考察了油井产出液含水量对抽油杆和油管摩擦磨损性能的影响,采用扫描电子显微镜观察了抽油杆和油管试样磨损表面形貌.结果表明:当油井产出液含水量处于70%～85%之间时,抽油杆和油管摩擦副的摩擦系数和磨损率随含水量增加呈增大趋势;当油井产出液含水量小于70%或大于85%时,摩擦系数和磨损率变化较小;油井产出液含水量对抽油杆和油管试样磨损表面形貌亦具有明显影响,当含水量较低(55%)时,抽油杆和油管磨损表面较光滑,存在少量犁沟;而当含水量较高(95%)时,磨损表面出现宽而深的犁沟,呈现严重粘着和擦伤迹象.

有杆抽油系统通用数学模型研究

针对定向井有杆抽油系统,在井眼为平面曲线的情况下,给出了描述抽油杆柱横向和纵向振动以及管柱有纵向振动并耦合液柱振动的数学模型,讨论了有杆抽油系统几种主要数学模型间的关系。对于模型描述的杆柱、管柱、液柱振动的偏微分方程组给出了特征变换,转化成对角方程组,使问题的数值计算方法得到了简化,从而给出了有效解法。新的数学模型适用于有杆抽油系统的预测、设计以及抽油系统故障诊断的模式识别。