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悬点载荷变化对抽油杆断裂的影响周阳张迁解锡明郭庆华李庆梅（大庆油田有限责任公司第二采油厂）摘要：本文针对第二采油厂水驱抽油机井抽油杆断裂事故增多的现象，结合现场断杆井的统计情况，对断裂原因进行了分析。
由于含水上升、参数大、油井结蜡等因素的影响，当抽油杆内产生的最大应力超过抽油杆的最大许用应力值使抽油杆产生疲劳破坏，并依此提出预防和减少断裂事故的防治措施。
主题词：抽油杆；非对称循环应力；脆性断裂；疲劳破坏1前言随着油田开采进入高含水后期，开采难度增加，机械强采力度进一步加大，抽油机井抽油杆断裂事故的发生频率也随之增加，给油田的正常生产管理带来诸多困难，不仅维护性措施工作量增大，原油成本增加，经济效益降低，同时还影响原油产量。
第二采油厂2001年1～8月份水驱抽油机井检泵1036井次，其中因抽油杆断裂施工122井次，占检泵井总数的11.8％，与去年同期对比上升2.0个百分点，与去年年底对比上升2.4个百分点。
因此，分析、研究抽油杆断裂的发生原因，采取有效的防治措施，预防及减少抽油杆断裂故障发生，对油田今后的可持续发展有着极其重要的意义。
2 抽油杆断裂是非对称循环应力作用下发生的疲劳破坏122口因抽油杆断裂而检泵的井中有4口为斜井，因为斜井的特殊性，下面的分析中不包括这4口井。
118井次抽油杆断裂井中使用刮蜡杆有53口井，占断杆总井数的44.9%，这部分刮蜡杆都分布在抽油杆柱上部；剩余66口普通杆，其断点主要集中在下部（表1）。
表1 66口井普通杆断点分布表断点位置（m ） 1－2526－50 51－75 76－100 ＞100 合计 井 数(口)15 7 7 22 15 66从实际断点分布情况来看，我们认为抽油杆断裂不是在最大拉应力下发生，而是在交变应力作用下发生的疲劳破坏。
如果在最大拉应力下发生破坏，那么抽油杆的断裂将主要发生在拉应力最大的上部。
但是实际情况表明，在抽油杆柱的上部、中部、下部都有断裂故障的发生。
第29卷 第1期2008年1月石油学报A CT A PETROLEI SINICAV o l.29Jan.N o.12008基金项目:中国石油天然气集团公司 九五 科技攻关项目(97科字116号)部分研究成果。
作者简介:董世民,男,1962年9月生,1998年获西南石油学院博士学位,现为燕山大学机械工程学院教授,主要从事机械采油系统动态仿真与运行优化的科研工作。
E -mail:ysuds hm @163 com文章编号:0253-2697(2008)01-0120-04定向井有杆抽油系统抽汲参数的优化设计和仿真模型董世民1 王胜杰1 卢东风2 姬生柱2 侯维前2 王希涛2(1 燕山大学机械工程学院 河北秦皇岛 066004; 2 大庆油田第八采油厂 黑龙江大庆 163514)摘要:综合分析了复杂结构定向井井眼轨迹、杆管间摩擦力、抽油机悬点运动规律、抽油泵气体影响或供液不足的井下实际边界条件对抽油杆柱轴向振动的影响,建立了定向井抽油杆柱轴向振动仿真模型,利用该模型实现了悬点与泵示功图的自动快速仿真。
根据仿真示功图,建立了定向井有杆抽油系统效率的仿真模型。
系统分析了定向井井眼轨道对杆管摩擦力、摩擦功率及系统效率的影响。
综合考虑油井产能协调、油井配产、抽油机承载能力、抽油杆柱强度与电动机功率利用率等约束条件,以系统效率最高为目标函数,提出了定向井抽汲参数优化设计的计算机仿真方法,开发了定向井有杆抽油系统抽汲参数优化设计的计算机软件。
现场试验结果表明,该软件系统具有较高的仿真精度。
关键词:定向井;有杆抽油系统;抽汲参数;优化设计;仿真模型中图分类号:T E 833 文献标识码:ASimulation models for optimization design of suction parameters for rodpumping system in directional wellsDONG Shim in 1 WAN G Shengjie 1 LU Dong feng 2 JI Sheng zhu 2 H OU Weiqian 2 WAN G Xitao 2(1.College of M echanical Eng ineer ing ,Yans han Univers ity ,Qinhuangdao 066004,China;2.T he E ighth Oil P ro duction P lant ,Petr oChina Daqing Oilf ield L imited Co mp any ,D aq ing 163514,China)Abstract :T he factor s affecting the ax ia l vibr atio n o f pumping rod str ing,including the dir ectional well t rack,the fr ictio n for ce be -tw een pumping ro d str ing and tubing,the polished r od movement o f pum ping unit and complex boundar y conditio ns of pump wer e analyzed.T he simulat ion mo dels fo r ax ial v ibration o f r od str ing in directional wells w ere set up.T he dy namo meter ca rds for the po -l ished rod of pumping unit can be auto matically and r apidly simulated by using this model.O n the basis of simulated dynamometer car ds,the mathematical models for simulating efficiency o f pumping system w ere set up.By simulating the dynamic par ameters o f rod pumping sy stem in the dir ect ional w ells,the effect s o f well tr ack on frict ion for ce between rod string and t ubing,frict ion po wer and the eff iciency of rod pumping system in the dir ectional wells wer e analy zed.T he constr aint conditio ns such as the accor dance co ndition of o utput of o il w ells,pr og ramming output,bear ing capacity of pumping unit,str eng th co ndition o f rod string and utiliza -t ion r atio o f mot or s pow er wer e integ rated.T he max imum efficiency of ro d pumping system w as taken as the objective functio n,and the simulating and o pt imizing method of t he suct ion parameters in t he dir ect ional wells w as pro po sed.T he cor respo nding co mputer so ftwa re was develo ped.T he application to field show ed t hat the computer softw are had high simulating accur acy Key words :dir ectional wells;r od pumping system;suctio n par ameter s;o ptimizat ion desig n;simulat ion models国内外学者对定向井有杆泵举升系统杆柱载荷计算、杆柱振动与动态仿真、参数优化与扶正器合理配置等问题进行了大量研究[1-5]。
定向井抽油杆柱动力学行为研究Ξ付志远1,罗玉合1,何将宏2,向超2(1.西南油气田分公司蜀南气矿;2.玉门油田分公司机械厂摘要:定向井由于井眼轨迹复杂,造成杆断频繁、偏磨严重、免修周期短、系统效率低等问题突出。
基于定向井抽油杆柱微元体受力分析,综合考虑井眼轨迹、抽油杆柱结构,计入了杆液管粘性摩擦和定向井井斜造成的杆管库仑摩擦,建立了定向井抽油杆动力学行为预测数学模型,并采用有限差分法求解模型。
为定向井有杆抽油系统优化设计提供了理论基础。
关键词:定向井;抽油杆;动力学;差分中图分类号:T E933+.2文献标识码:A文章编号:1006—7981(201006—0114—02有杆泵抽油是当前国内外应用最广泛的人工举升采油技术。
有杆泵抽油系统包括原动机、抽油机、抽油杆、抽油泵以及油管[1]。
为了解系统的工作情况,需要掌握该悬点的受载情况。
由于定向井有杆抽油系统井下杆柱受力比直井复杂,需要比直井预测考虑的因素更多,因此必须针对定向井特点建立相应的抽油杆动力学行为预测数学模型。
1定向井抽油杆柱动力学分析1.1抽油杆柱微元体受力分析为了研究抽油杆柱受力状况,在井眼曲线坐标s处取一单元体∃s[2,3],设F rt为油管对单元体抽油杆柱的刚体摩擦力,F rl为作用于单元体上的粘滞阻尼力;F a为作用于单元体上的惯性力,则:P=E r A r(5u 5ssP+∃P=E r A r(5u5sS+∃SF a=∃s A rΘr(52u 5t2F r L=v e 5u 5s∃sF rt=∆fN∃s∆=(5u 5t5u 5t =±1∃W=Θr′A r g∃sN=(P dΗds-q r′sinΗ2+(P sinΗdΥds2q r′=(Θr-ΘLA r gΘr′=Θr-ΘL(1式中:E r——抽油杆材料弹性模量,Pa;A r——抽油杆横截面积,m2;Θr——抽油杆材料密度,kg m3;Θl——油井液体密度,kg m3;Μe——单位长度抽油杆柱的粘滞阻力系数,kg (m.s;Η——斜深s处井眼倾斜角;Ω——斜深s处井眼方位角;f——抽油杆柱与油管之间摩擦系数。
第二节 抽油机悬点运动规律及载荷分析一、游梁式抽油机悬点运动规律四连杆机构：以游梁支架轴和曲柄轴的连线为固定杆，以曲柄、连杆和游梁为三个活动杆所组成的四连杆机构。
如图3-21所示，抽油机在一个冲程中，悬点的速度和加速度不仅大小在变化，而且方向也在不断改变。
上冲程前半个冲程为加速运动，加速度方向向上；后半个冲程为减速运动，加速度方向向下。
下冲程前半个冲程为加速运动，加速度方向向下；后半个冲程为减速运动，加速度方向向上。
其最大速度发生在下、下冲程的中点，在上、下死点处速度为零；其最大加速度发生在上、下死点处，在上、下冲程的中点加速度为零。
上下死点处的最大加速度分别为：)1(220max lr s a +==ωϕ （3-12） )1(22max l r s a --==ωπϕ （3-13） 二、抽油机悬点载荷计算与分析（一）静载荷1．抽油杆柱载荷上冲程，悬点承受着整个抽油杆柱的重力为：g L f W s r r ρ= ＝Lg q r （3-21）对于多级抽油杆：g ┅L q L q W r r r )(2211++=式中 r W —— 抽油杆柱的重力，N ；r f —— 抽油杆的截面积，m 2；L —— 抽油杆柱的长度，m ；s ρ—— 抽油杆材料（钢）的密度，3/7850m kg s =ρ。
r q —— 每米抽油杆的平均质量，kg/m ；（可查表3-1）21r r 、q q —— 用多级组合杆柱时各级抽油杆柱的每米平均质量，kg/m ； 21、L L —— 用多级组合杆柱时各级抽油杆柱的长度，m 。
下冲程，作用在悬点上的杆柱载荷等于抽油杆柱的重力减去杆柱受到的浮力：g L f W l s r r )(ρρ-='或b W Lgb q W r r r ==' （3-23）式中 'r W —— 抽油杆柱在液体中的重力，N ；sl s b ρρρ-=――抽油杆的失重系数 l ρ—— 抽汲液体的密度，3/m kg ；当原油含水时，可用下式近似计算：w w w o l f f ρρρ+-=)1( （3-24）式中 o ρ—— 原油密度，3/m kg ；w ρ—— 水的密度，3/m kg ；w f —— 原油含水率，小数。
定向井的抽油杆优化设计与应用X齐 申(大庆油田第九采油厂,黑龙江大庆 163318) 摘 要:从计算抽油系统效率入手,分析影响系统效率的因素,依据采油参数对系统效率的敏感性,选择出最优的机-泵工作参数;并结合定向井井身轨迹特点,建立定向井三维井眼中杆柱轴向载荷计算数学模型,确定出合理的杆柱组合;分析抽油杆的变形和失稳,给出加重杆、扶正器间距和防脱器安放位置的计算方法;最后通过具体实例,阐述定向井抽油系统优化设计流程,并对优化设计的结果进行详细分析,得出相关结论,该结论可以对定向井抽油系统设计起到十分重要的指导意义,其设计结果能够有效地减少杆柱偏磨达到提高效率之目的。
关键词:定向井;系统效率;采油参数;抽油杆柱;优化设计 中图分类号:T E933+.2 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)08—0005—03 因地质和环境因素的需要,目前各大油田定向井占有越来越大的比例,而定向井特殊的井身结构,使得井筒中杆管受力状况、泵工作环境都要比直井复杂得多,抽油系统设计难以符合现场,常常引起管杆偏磨、断杆、断脱现象,造成抽油系统效率低下,生产成本增加[5]。
为此,本文以提高定向井抽油系统效率为目标,优化采油参数,展开杆柱组合、扶正器间距、加重杆和防脱器设计方法研究,将可以使系统安全有效的工作,达到提高效率的目的。
1 抽油系统效率计算抽油机系统效率分为两部分,即地面效率和井下效率[1]。
以光杆悬绳器为界,悬绳器以上的机械传动效率和电机运行效率的乘积为地面效率;悬绳器以下到抽油泵为井下效率,即:G=G地×G井=P水P光×P光P入(1)水力功率是指在一定时间内将一定量的液体提升一定距离所需要的功率,可用下式计算:P水=QLg86400=Q t Q1Lg86400G p(2)光杆功率就是通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率。
P光=W1sn60×1000(3)输入功率与电动机型号有关,电动机根据负荷电流或扭矩的变化规律,按均方根求出等值电流或等值扭矩来计算,国内学者根据油井扭矩曲线的峰值,建立了最小输入功率经验公式:P入=n[1800s+0.202s(P max-P min)]14338(4)从(1)-(4)式可以看出,影响系统效率的参数较多,与泵径、泵深、冲程和冲次息息相关,因此只要优化这些采油参数就可以达到提高系统效率的目的。
定向井中油管柱优化与强度计算校核一、油管对产量的敏感性分析与油管柱设计优化油管直径的大小对气(油)井的产量起控制和调节流量的作用。
管径选择既要考虑初期产能,也要考虑开发后期产能、举升工艺和可能采取的增产措施。
同时,并不是管径越大产量就越高。
一定油气层压力下,用大直径油管柱时,由于大直径油管中的滑脱损失反而使得比采用较小直径油管时的产量要低。
也就是说,对于特定油气井系统来说,只有某个范围的油管直径最合适。
对于高产井,在油层物性、流体参数、完井条件泄油面积等参数一定时,应根据影响多相垂直(倾斜)管流压力梯度分布的主要因素(油管尺寸、产量气液比、粘度、含水率等)进行油管尺寸和产量的敏感性分析。
将不同直径油管的压力(p)、产量(q)关系曲线画在坐标图上来分析油管尺寸对产量的敏感性,确定某一产量(或压力)下的最佳油管尺寸,保证井筒中的压力梯度(压力损耗)最小。
油管尺寸太小,流速过高、磨阻损失会增大;油管太大,流速偏低、气体滑脱效应严重。
优选油管尺寸的方法或目标函数:①一定井口压力时,获得最大产量的油管尺寸为最佳油管尺寸②一定产量下,生产气油比最小、气体膨胀能利用率最大、保持自喷时间最长的油管尺寸为最佳油管尺寸。
井口油压较低时,大直径油管的产量要比小直径油管的产量高;但随油压增高到某一值时,由于大直径油管的滑脱损失增大,使得大直径油管的产量反而比小直径油管的要低。
因此,针对不同油气田不同开发期选定油管材、设计油管柱时,既要综合分析油藏地层流体特性、预测各开发阶段油气井产能还要考虑到举升工艺和可能采取的井下增产措施原则上,以满足气(油)井工况要求,在对井深、井斜 (弯曲)、压力、温度、工作环境介质物性、受力状况分析研究等的基础上,从经济安全角度设计优化油管柱、计算校核强度。
单级油管柱,需要计算油管柱的强度和安全系数,确定管径、管材和下入深度;多级管柱组合则要按等安全系数法计算校核分级强度确定各级油管串的管材、管径、钢级和下入深度。
游梁式抽油机最优悬点载荷确定方法摘要：目前的研究主要集中在抽油机载荷利用率的影响因素上，例如，随着冲程、冲速、动液面、泵径和泵挂深度的增加，抽油机载荷利用率成正比例线性增加，各项参数按照对抽油机载荷利用率的影响权重大小依次排序为：冲程、冲速、动液面、泵径和泵挂深度。
另外，合理的抽油机悬点载荷利用率对于抽油机选型也有重要的作用。
合理的抽油机悬点载荷利用率在油井的正常生产中具有重要意义，此次分析是以现场实际采集的生产数据为基础，应用大数据分析技术，确定抽油机最优悬点载荷利用率，以实现抽油机节能高效运行。
关键词：抽油机；载荷利用率；工况分析；影响因素游梁式抽油机是油田最主要的采油设备，对于井筒状况了解主要通过低压试井资料，抽油机悬点载荷的变化来诊断泵况，X 区块是产建新区块，目前由于结蜡周期短，导致维护性作业频次上升。
通过抽油机悬点载荷在X区块的动态响应，采取清防蜡措施，降低井筒故障，减少维护性作业量，提升精细管理能力。
目前油田发展迅速，定向井与水平井同时开发，X区块主要采用300m×300m正方形反九点井网开发，X区块油藏砂体总体呈南北向展布，呈穹窿构造。
X 区块目前平均泵挂950米，油层中深（1250）温度40℃，原油含碳C11以上占41%，结蜡周期短。
1悬点载荷计算方法及影响因素1.1 最大载荷的计算最大载荷发生在抽油机的上冲程中，主要由抽油杆柱的重量，液柱重量两大部分组成，其次还有抽油杆的惯性载荷、摩擦载荷（包括杆柱与油管的摩擦力、柱塞与衬套之间的摩擦力，液柱与油管之间的摩擦力），另外还有井口回压（增加载荷）沉没度压力（减少载荷）的影响。
油田目前采用的定向井最大悬点载荷计算公式（1）[1]。
(1)式中 P max —悬点最大载荷，N ；W r —上冲程中作业在悬点上的抽油机杆柱载荷，N ；W t —作用在柱塞环形面积上液柱载荷，N ；s —冲程，m ；n —冲次，min -1。
1.2 最小载荷的计算最小载荷发生在抽油机的下冲程中，主要由抽油杆柱的重量组成，其次还有抽油杆的惯性载荷、摩擦载荷（包括杆柱与油管的摩擦力、柱塞与衬套之间的摩擦力，液柱与油管之间的摩擦力，液体通过游动凡尔的摩擦力），井口回压对最小载荷也有影响，在下冲程过程时，这两种作用力总是向下，所以减小了悬点最小载荷。
