三维井眼杆管防偏磨技术研究

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1、关于学位论文的独刨性声明本人郑重声明；所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料帮数据是实事求是蕊。尽我所知，除交中已经瓣以标注和致谢辨，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学(华东>或其它教育祝构的学位或学瑟证书蔼使焉过熬材料。与我一蕊工荐的露恚对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之楚，本人愿意承担相关法律责程。学位黻作者签名．鲴垄终。。曩麓：砂裤歹月雩嚣学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学(华东)有权使用本学位论文(包括但不限于其印刷版和电子版

2、)，使用方式包括餐不限于：保留学位论文，按规定向匿家有关部门(机构)送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阕、借阗和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采餍影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者链指导教癖签名：日期：埘年g月；日刚胡：州嘣年6月多日露麟：溯S年／月；嚣中国石油大学(华东)硕士学位论文1．1问题的提出第一章前言目前，国内外有杆机械采油设备占采油设备的80％以上。在正常工作时，抽油杆相对油管作上下往复运动。由于井下各种因素的影响，在往复运动的过程

3、中，抽油杆会与油管接触，产生偏磨，造成抽油杆或油管提前失效，给油田的生产带来隐患。近年来，抽油机井杆管偏磨井数在国内各油田均呈逐年增加的趋势，杆管偏磨已经成为影响油井检泵作业的主要因素之一。其中由于井斜造成抽油杆偏磨、断脱等引起的井下作业量约占总修井作业的二分之一。抽油杆断脱导致检泵周期缩短，抽油杆偏磨还能导致油管破裂、漏失甚至断裂。抽油杆断脱、偏磨使油井事故率增加，油井作业频繁，原油产量下降，作业费用和吨油成本上升，给油井生产造成了很大困难。虽然已经采取一些办法，取得一定成效，但尚未从根本上解决。因此，为高效开发油田，研究这一问题有着重要的实际意义。

4、不论是定向井还是直井，其井眼轨迹都是三维空间曲线。抽油杆柱在抽油井中的受力变形具有三维特征，有必要考虑其在三维井眼中的受力变形规律。此外，下部抽油杆柱或油管柱的失稳弯曲，是引起下部抽油杆和油管偏磨的主要原因——下冲程时，由于受到下行阻力(包括柱塞与泵筒之间的摩擦阻力，油液流经游动凡尔孔所产生的阻力等)的作用，下部抽油杆会发生正弦或螺旋弯曲。下部抽油杆柱和油管柱的弯曲不仅会增加光杆载荷、增加能耗，还会引起杆管之间的相互磨损。因此研究井下抽油杆柱在三维并眼中的屈曲变形问题，能够为有效地解决杆管偏磨问题提供理论依据。论文在调研抽油机井杆管偏磨影响因素的基础上

5、，综合考虑抽油杆柱所受的各种载荷，建立三维井眼中抽油杆柱的三维受力模型；推导考虑浮力时的有重抽油杆柱在垂直井、斜直井、弯曲井眼的屈曲变形微分方程并求得其解析解，从而得出发生不同变形的临界载荷的计算公式；最后提出一种基于三维井眼轨迹的抽油杆柱设计方法，及采用加重杆时的杆柱优化设计方法。1．2国内外研究的现状1．2．1国外研究现状20世纪50年代末，LubinSki【11等人最早研究了垂直井中抽油杆柱和油管柱的螺旋弯第一章前言曲问题。他们分析了抽油杆、油管柱的螺旋弯曲在垂直井眼中的稳定性及螺旋弯曲问题造成的杆、管之间的偏磨，减少柱塞的有效冲程，增加能耗以及

6、加快抽油杆柱的疲劳破坏等，并提出了控制抽油杆、油管柱螺旋弯曲的有效措施，但只求出了杆柱一、二次螺旋屈曲的临界载荷，对杆柱产生多次屈曲的临界载荷没有进行研究。首次提出了抽油杆和油管在轴压及内外压作用下发生空间螺旋弯曲的概念和内压引起管柱失稳的概念。他还对在斜直井中管柱屈曲行为进行了模型实验，首次观察到了杆柱在井眼中的螺旋屈曲现象，并通过实验数据的拟合得到了螺旋屈曲临界载荷的计算公式。60年代初，MidweSt【2，31研究所提出了有杆泵抽油系统的电子模拟方法。他们做出了一系列的无量纲设计曲线和合成地面示功图，并形成了一套比较完善的垂直井有杆抽油系统设计的

7、API方法。70年代，Hammerlindl【4】在L，ubillSl【i理论研究成果的基础上，又进一步研究了多级复合管柱、多封隔器管柱的受力和变形，推广了Lubir垮ki理论应用范围。讨论了液体压力对管柱屈曲性能的影响和“中和点”的计算问题。80年代，Mitchell【5-71首先用三维弹性梁理论研究了管柱在斜直井眼中发生失稳弯曲时变形计算和正压力计算的微分方程，并简单考虑了摩擦因素的影响，但他没有考虑管柱内、外压力的影响。90年代，Mitchell【8】研究了管柱屈曲的数值解法，并给出了屈曲构型函数最大幅值的数值拟合公式；另外还基于数值求解过程中解

8、的稳定性和收敛性大致确定了管柱保持正弦构型的载荷范围。Hexiaoj吼【9】等人则侧重于利用能