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套管采油井抽油杆柱力学行为研究及应用

杨美华  
【摘要】:中原油田采油五厂原5 1/2″套管严重腐蚀穿孔,下4″套管修井作业后,无法在小油管内实现大泵提液,同时限制了下泵深度,因此,直接将小套管作为举升管柱(省去油管)进行抽油。现场表明,由于杆柱设计不合理,这种套管采油杆管偏磨严重,抽油杆断脱事故较多,检泵周期较短。 套管采油属于无油管采油,是在常规有杆泵采油的基础上,直接利用套管和抽油杆进行采油作业。本文以套管采油井为研究对象,针对杆管偏磨严重的实际问题,深入研究了抽油杆柱在套管内的力学行为,提出了一套适合于套管采油井抽油杆柱分析和设计方法。 本文研究了抽油杆柱在井筒中的屈曲变化过程,杆柱从正弦屈曲变化到螺旋屈曲后,杆管接触就由点接触变成了线接触,其产生的杆管接触力将急剧增加,抽油杆与套管严重偏磨,螺旋屈曲产生的扭矩使抽油杆脱扣,导致抽油杆断脱事故的发生,这大大缩短了检泵周期。因此本文对抽油杆柱的螺旋屈曲进行了深入研究,为防治抽油杆柱的偏磨断脱提供理论依据。 抽油杆柱的抗弯强度和单位长度杆重是其发生螺旋屈曲临界载荷的重要影响因素,对于定向井,还与井斜角和杆管径向间隙有关。由于套管采油井径向间隙比常规有杆泵采油井大许多,更容易发生螺旋屈曲,通过建立螺旋屈曲微分方程并求解建立了抽油杆柱螺旋屈曲后产生的杆管接触力、弯矩、扭矩和冲程损失等计算模型,为研究套管采油井抽油杆柱的屈曲行为提供了有效方法。 根据直井和定向井的不同,分别采用不同的方法进行杆柱载荷计算和杆柱设计,直井采用API RP 11L法,定向井采用从泵端载荷逐段向上计算的方法。 基于纵横弯曲梁理论和井眼的几何关系建立了中和点上下扶正器的设计模型。 利用VB把建立的屈曲分析、载荷计算、杆柱设计、加重杆和扶正器设计模型编制程序实现计算机计算,为套管采油井抽油杆柱的力学行为分析和设计提供有力工具。 以中原油田采油五厂H12-150和H7-79两口井为实例,利用编制的程序进行杆柱载荷校核、屈曲分析,并设计不同尺寸的加重杆和相应的杆柱组合,以及设计扶正器和防脱器。


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