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抽油机井系统效率的数值模拟分析与试验研究

叶鹏  
【摘要】:抽油机一抽油泵采油设备以其经久耐用的特性而被广泛应用,目前国内80%的油井采用这种设备进行采油。但抽油机井系统效率低下这一问题一直未得到很好解决,这也严重影响着油田开采的综合经济效益。据统计,国外抽油机井平均系统效率为32%,而国内仅为25.96%,因此,如何有效提高抽油机井系统效率,是各大油田保证原油生产和提高油田开发经济效益的当务之急。目前,人们提高抽油机井系统效率的方法多是建立在单一因素分析基础之上,不能系统的提出有效的改进措施,特别是随着油田的深入开发,采油方案的调整以及采油条件的变化,抽油机效率分布规律都发生了变化,因此,从系统的角度出发,研究从地面到井下各部分的效率分布以及敏感影响因素,是提高抽油机井系统效率的关键,也为提高抽油机井的系统效率提供理论依据,对油田的节能降耗具有重要意义。 抽油机井系统的能量传递过程较为复杂,涉及到固体力学、流体力学及采油工程等多个学科,是一个多物理场耦合问题,为此将其分解为地面传动系统和井下系统进行研究。通过力学分析,建立带传动机构效率计算的数学模型以及齿轮传动机构、四连杆机构、井下杆柱系统和抽油泵的力学模型及有限元模型,采用数值求解技术,形成抽油机井各子系统的数值模拟方法,获得了各子系统的运行效率。 在抽油机试验井的电机输出轴、减速箱输入轴、减速箱输出轴及驴头悬点安装测试仪,实现了地面传动系统各节点能耗参数的同步录取,在井下抽油泵柱塞上部的抽油杆上安装示功仪,获取了抽油泵示功图。通过试验测试与分析,找出了井口盘根盒摩擦阻力的变化规律,为定量计算杆柱效率奠定了基础;找出了地面传动各子系统及井下各子系统的效率分布规律。并将测试结果与理论计算得到的各子系统效率进行对比,误差均小于10%,吻合程度较好,证明了理论分析方法的正确性与可行性。 以形成的抽油机井各子系统效率计算的数值模拟方法为基础,分析了影响各子系统效率的主要因素(冲程、冲次、载荷、平衡度、动液面、泵径及含气量),并采用敏感性分析技术,分析了各影响因素对各子系统效率影响的敏感程度,从系统的角度,提出了提高抽油机井系统效率的关键环节以及主要措施,这为提高系统效率提供了新的思路。 通过理论计算与试验研究,得到了系统效率的分布规律及变化规律,针对系统效率较低的现状,提出了提高效率的关键途径及主要参数,所提出的改进措施将为提高原油产量和降低生产成本有所启迪,对提高油田开发的技术水平和经济效益具有一定的现实意义和实用价值。


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