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抽油机井系统效率的数值模拟分析与试验研究

作　者: 叶鹏
导　师: 刘合；朱君；王尊策
学　校: 东北石油大学
专　业: 石油与天然气工程
关键词: 抽油机井地面子系统井下子系统有限元法系统效率敏感性
分类号: TE933.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
创新点摘要  7-11
第一章绪论  11-19
  1.1 课题研究的目的意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-17
    1.2.1 地面效率研究现状  12-14
    1.2.2 井下效率研究现状  14-17
  1.3 本文主要研究方法和主要内容  17-19
第二章抽油机系统效率试验研究  19-41
  2.1 试验井试验研究  19-34
    2.1.1 试验方案  19-20
    2.1.2 抽油机能耗测试点分布  20
    2.1.3 抽油机能耗测试系统  20-21
    2.1.4 抽油机系统效率构成  21
    2.1.5 实验数据采集  21-34
  2.2 盘根盒摩擦阻力试验研究  34-37
    2.2.1 试验原理和试验设备  34
    2.2.2 试验方法  34-35
    2.2.3 数据处理  35
    2.2.4 试验结果分析  35-37
  2.3 井下抽油泵功图测试  37-40
    2.3.1 井下功图测试系统  37
    2.3.2 泵功图测试结果分析  37-40
  2.4 本章小结  40-41
第三章地面子系统数值模拟与能耗分析  41-82
  3.1 减速箱及四连杆机构数值模拟的力学基础  41-53
    3.1.1 减速箱及四连杆机构的运动方程  41-42
    3.1.2 减速箱及四连杆机构数值模拟的有限元分析  42-47
    3.1.3 减速箱及四连杆机构运动构件间接触力学分析  47-53
  3.2 减速箱及四连杆机构有限元方程的求解  53-57
    3.2.1 静态方程求解  53-55
    3.2.2 动态方程的求解  55-57
  3.3 四连杆机构数值模拟及瞬时效率分析  57-66
    3.3.1 四连杆机构力学模型的建立  57-59
    3.3.2 曲柄轴扭矩理论计算及数值模拟校验  59-62
    3.3.3 四连杆机构效率校验  62-63
    3.3.4 四连杆机构的效率影响因素研究  63-66
  3.4 减速箱瞬时效率分析  66-76
    3.4.1 减速器用双圆弧齿轮的建模  66-69
    3.4.2 齿轮传动的力学模型  69-71
    3.4.3 减速器传动效率分析  71-74
    3.4.4 双圆弧齿轮传动效率影响因素分析  74-76
  3.5 带传动机构效率分析  76-80
    3.5.1 皮带弯曲功率损失计算  76
    3.5.2 皮带弹性滑动功率损失计算  76
    3.5.3 皮带传动效率计算  76-78
    3.5.4 带传动效率影响因素分析  78-80
  3.6 本章结论  80-82
第四章井下子系统数值模拟及能耗分析  82-120
  4.1 井下杆柱系统效率研究  82-93
    4.1.1 杆柱系统的力学模型及有限元模型  82-83
    4.1.2 抽油杆柱动力学有限元分析  83-88
    4.1.3 试验井杆柱系统数值模拟及效率分析  88-89
    4.1.4 杆柱系统效率影响因素分析  89-93
  4.2 抽油泵子系统效率研究  93
  4.3 抽油泵子系统有限元分析  93-118
    4.3.1 流体控制方程  93-94
    4.3.2 湍流数值计算理论基础  94-97
    4.3.3 流体有限元理论分析  97-101
    4.3.4 抽油泵仿真模型的建立  101-103
    4.3.5 气体对抽油泵泵阀打开滞后量的理论分析  103-106
    4.3.6 抽油泵泵效计算模型  106-107
    4.3.7 模型效验  107-109
    4.3.8 泵效影响因素分析  109-118
  4.4 本章结论  118-120
第五章抽油机系统效率影响因素敏感性研究  120-124
  5.1 抽油机井各子系统效率分布规律  120
  5.2 抽油机井子系统各参数的敏感性分析  120-123
  5.3 结论  123-124
结论与展望  124-126
  研究结论  124
  工作展望  124-126
参考文献  126-133
个人简历、在攻读博士学位期间发表的论文  133-134
致谢  134-135
详细摘要  135-142

抽油机井系统效率的数值模拟分析与试验研究

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