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水平井抽油杆柱非线性力学分析及寿命预测

王东  
【摘要】: 我国大部分油田为注水开发,随着油田开发的不断深入,油井中井液的含水率不断上升。油井含水率的增加给采油、原油集输、油水分离等工艺带来许多困难和问题。国外油田开发的经济界限与我国有很大差别,高含水后期的油井基本不开采,因此没有可借鉴的经验。随着国内大庆油田进入开发后期,油井含水率越来越高,在油田上采用水平井技术和对老油井进行二次水平井改造,是提高油井产量的行之有效的手段。水平井有杆泵进行原油开采,其抽油杆柱的力学行为还不为人所知。 在竖直井中,抽油杆柱与油管壁间的摩阻力同抽油杆柱重量相比很小。而在斜直井和水平井造斜段,抽油杆柱在斜置状态下运动,由于重力的作用,杆柱在斜直井和水平井造斜段油管中的摩擦力和磨损都将比在竖直井中运动时的摩擦力和磨损大。改变这种状况的方法是在抽油杆上安装扶正器。这样,抽油杆与油管壁间的摩擦就变成了扶正器与油管壁间的摩擦,其运动阻力也发生较大的变化。抽油杆与油管之间随着润滑液的不同,摩擦与磨损特性也不同。水平井有杆泵主要问题是油管漏失和抽油杆出现断脱。本课题对水平井有杆抽油系统的抽油杆柱进行非线性力学分析,通过试验找出抽油杆与油管摩擦与磨损特性,进而预测使用寿命。 通过对水平井有杆泵工况的理论分析,建立水平井抽油杆柱的力学模型,确定模型边界条件,施加载荷,进行非线性力学分析和数值求解,得到不同条件下水平井抽油杆柱与油管接触处的正压力变化规律。 根据水平井有杆抽油系统的实际工况,改造摩擦、磨损试验装置,将现场使用的油管柱做成试件与现场使用的正火处理的抽油杆试件组成摩擦副,总结分析其在水油混合、聚油混合不同比例下,不同压力和运动速度下的摩擦、磨损特性。得到如下结论,在现场工况下摩擦系数随着速度、载荷的增加而减小;摩擦副的磨损量与速度无关;抽油杆扶正环试件与油管柱试件对摩时随载荷增加的摩损量增大。 根据金属滑动摩擦磨损的Holm-Archard磨损定律,计算出抽油杆接箍(扶正环)磨损时间,得到抽油杆柱的寿命预测。分析得出结论,加扶正环、将抽油杆材料换成玻璃钢、最大泵挂处井斜角为30o至40o时,抽油杆能够有效地延长磨损天数。通过对此模型的计算分析,对提高水平井的原油产量、科学管理水平和延长检泵周期,具有重要的学术价值。


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