定向井抽油杆柱三维力学特性研究与实现

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1、西安石油大学硕士学位论文底的现象，进一步加大了施工人员的工作量以及难度。油井杆管偏磨逐渐成为油井作业的主要问题之一，因此，解决油井杆管偏磨是目前急需解决的一个问题。、．针对延长油田南区采油厂定向井杆管偏磨现象日趋严重的问题，在现有杆管偏磨分析和杆管偏磨治理措施研究的基础上，应用数学及力学方法建立应用于定向井的抽油杆柱三维动态预测模型，综合考虑工作制度、油井工况等对杆管偏磨影响，分析计算杆柱的三维力学模型，得出杆管偏磨点的深度；基于油井基本参数、杆管环空液的力学性能以及井身的三维井眼轨迹，借助于三维可视化技术和在运动仿真的优势，开发有杆采油系统抽油杆管防偏磨设计软件，形成

2、防偏磨优化设计技术，并形成可有效改善杆管偏磨、提高油井免修周期的工艺方法和配套工具。为了减缓延长油田南区采油厂的杆管偏磨问题，延长抽油机井的检泵周期，必须对抽油机井的杆管偏磨机理进行调研，分析和总结不同开采条件下杆管偏磨的原因；在了解偏磨机理的基础上，研究更加有效的防偏磨工具；充分考虑油井基本参数、杆管环空液、连斜数据等因素对杆管偏磨现象的影响，制定有效的杆管防偏磨措施，解决抽油机井杆管偏磨的问题，延长油井的免修期，对于油田的低成本开采具有现实意义。1．2抽油杆柱力学研究现状20世纪60年代初，美国Midwest研究所运用多组弹簧、质量块和阻尼系统建立纵向振动模型，通过

3、一系列理论分析与试验研究，来模拟抽油杆柱的力学模型，最终得到了地面示功图，并于1967年3月形成了一套比较完善的垂直井有杆抽油系统设计的API方法【4】O1963年，Gibbs提出了预测有杆泵采油系统动态参数的模型。该模型中的波动方程是用来描述杆柱的纵向振动的，抽油泵的运动边界条件和初始条件以及光杆的边界条件是用来对该波动方程进行约束与求解的【51。该波动方程为有杆泵采油系统的设计与诊断提供了重要依据。但是该波动方程的求解相当复杂，并且受到当时计算机运算速度的的限制，该波动方程的求解过程受到了广泛的重视。随着科技的发展，Gibbs于1977年发表了关于直井中有杆泵采油系

4、统的波动方程以及数值解法，可以相对准确的对直井中的抽油杆柱进行设计与诊断【6】。1c92u(广x,t)--02102u(rx,t)一c掣+g(i-i)UloxUl20世纪80年代，Mitchell在三维弹性梁理论的基础上，研究了垂直井眼中管柱的屈曲。该研究没有考虑内外压力对管柱的影响，只是考虑了管柱上的摩擦因素【．71。国内外许多学者在Gibbs所提出的数学模型及数值模拟方法的基础上分别从不同方面对进行了进一步的分析和研究。20世纪90年代以后，由于油井地质条件的恶劣以及钻井水平的限制，出现了大量的2第一章绪论定向井和水平井，现有的抽油杆柱动力学模型很难满足现状。199

5、2年，Gibbs在二维斜井中抽油杆柱的波动方程基础上，提出了抽油杆管的偏磨效应。但是他们只把井眼轨迹看作是平面曲线，没有考虑井眼轨迹的三维形状，这是该模型的缺斛引。随着石油的开采，定向井的逐渐增多，人们也日益注意到考虑三维井眼轨迹的必要性，也加大了对抽油杆柱屈曲问题的重视。在研究早期，人们简单的认为只有杆柱受压产生的失稳才会导致偏磨。在管柱内外液压导致管柱出现屈曲的“虚构力”概念的基础上，Lubinski和Woods通过试验模拟描述了第一个抽油杆柱屈曲模型19】：J3，．工．￥+x竺+C1=0(1-2)出。出1995年，李子丰在忽略杆管摩擦的情况下，将粘滞阻力简化成常数

6、，完成了抽油杆柱振动方程的建立，并对该方程进行数值求解【lmllJ。1997年，高德利、高国华等人分析了定向井和水平井中油管、抽油杆柱的稳定性，并进行了实验研究【12—41。高国华在其《油井管柱的屈曲和分岔》一书中提出了管柱在斜直井眼中的屈曲方程，研究了斜直井中的抽油杆柱发生屈曲变形之后的杆柱形状、变形规律与失稳临界条件以及产生多次屈曲变形的临界力，并提出了抽油杆柱临界屈曲条件的B判断因子【15】。这些研究系统的分析了抽油杆柱和管柱的静力学变形，但未完全考虑环空液粘滞阻力的影响。1998年李子丰、李敬元等深入研究了抽油杆柱的屈曲问题，提出了对应的分析模型，分析了抽油杆柱

7、扭转产生的摩擦对扶正器分布位置的影响【161。次年，李子丰等人对一般性的抽油杆柱静力和动力学模型进行了推导总结，并分析了其应用范围【l71。2002年，董世民对直井中抽油杆柱产生多次屈曲时的轴向临界力及偏磨点位置计算公式完成了推导，该模型考虑了整个抽油杆柱及其两端约束条件，并且对直井油管中抽油杆柱发生多次屈曲变形时的构形图进行了绘制【l引。次年，董世民等对Midwest研究所建立的单级抽油杆柱振动模型进行了改进，该模型考虑了上死点的位移影响，更深入研究了抽油杆柱发生纵向自由振动的共振条件及振动特性【l圳。2005年，杨海滨进行了抽油杆柱的