抽油杆受力状况分析与优化策略研究.docxVIP

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抽油杆受力状况分析与优化策略研究

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摘要:建立抽油泵正常工作过程中的力学模型,根据抽油杆的弹性伸长量,计算了防冲距的合理取值,从而改善了抽油泵防冲距设计中常因采用经验值而使泵效降低的问题。结合抽油泵泵阀的开启条件,推导了抽油泵柱塞的滞后位移,进而得到抽油泵在一定杆管泵组合下的排量系数及防冲距对泵效的影响关系式,为合理确定防冲距提供了依据。

关键词:抽油井；泵效影响因素；杆受力分析；配套技术；防冲距

在有杆泵采油生产中,影响抽油泵泵效的因素主要有杆管柱的伸缩、井液中的含气量、泵的充满度及漏失等。由于余隙空间的存在,使得泵在抽油过程中,余隙空间被弹性能大的气体所占据,致使上冲程时泵的固定凡尔开启滞后或根本打不开(气锁),井液进泵数量减少甚至进不了泵,极大地影响了抽油效率。而且余隙越大,余隙内残留气体越多,则气体影响越大,造成有效冲程越小,泵效越低。在高油气比油田的有杆泵采油中这种影响尤为明显。目前人们主要从增加泵的沉没度、加大冲程、降低冲次等方面进行研究[,以提高抽油泵效率。本文通过对抽油杆的受力状况及其弹性变形量的分析,研究合理的余隙容积,以提高泵效。

1防冲距的理论分析

在抽油泵抽汲循环的上、下冲程过程中,液柱的重力从固定凡尔上转到游动凡尔上,使抽油杆柱和油管交替加载和卸载。因静液柱重力引起的抽油杆柱和油管柱在工作过程中发生弹性伸长,使抽油杆下冲程时下移的距离大于实际冲程的长度,故防冲距的目的主要是考虑到抽油杆在轴向拉力的作用下会伸长,避免杆柱与泵筒底部发生碰撞而上提的一定距离,杆柱的实际伸长量一般都小于所提距离,所以活塞的实际冲程也小于理论冲程。

1.1抽油杆受力分析

根据抽油杆柱在工作过程中的受力状态,建立力学模型。由采油工艺可知杆柱所受合力为

F′r=W′r+Wfd+Wrd=(1-0.127ρf)Wr+Wr+ξWf)a/g式中W′r为抽油杆柱在液体中的自重(kN);Wrd为抽油杆柱动载荷(kN);Wfd为液柱动载荷(kN);ρf为井液密度(kg/m3);Wr为抽油杆柱自重(kN);Wf为作用于柱塞环形面积上的液柱重量(kN);a为抽油杆加速度(m/s2);ξ为泵杆管的截面差之比,ξ=(Ap-Ar)/(Ai-Ar);Ai为油管内径的流通面积(m2);Ap为柱塞面积(m2);Ar为抽油杆截面积(m2)。

1.2防冲距的计算

防冲距的大小主要取决于抽油杆柱的弹性变形量,且抽油杆柱伸长量Δl计算公式为

Δl=F′rLr(ArE)为了防止碰泵,防冲距x0的取值范围为

x0≥Δl=F′rLr(ArE)=((1-0.127ρf)Wr+(Wr+ξWf)a/g)Lr/(ArE)

2游动阀开启的条件及柱塞位移

当柱塞上冲程达到上死点时,设固定阀关闭,泵筒内压力近似为泵的沉没压力,此时游动阀不能立即打开,泵筒内为密闭容腔,随着柱塞下冲程的进行,泵筒内液体被压缩,压力升高。当游动阀所受的液体力足以克服游动阀重量和井筒压力时,游动阀才能打开,而且游动阀开启前,密闭容腔内质量无交流,因此,游动阀开启时,柱塞的位移量Δx为

Δx=(xpm+x0)(1-ρs/ρod)

式中：xpm、x0分别为抽油机冲程和防冲距(m);ρs、ρod分别为泵筒内沉没压力和开启压力下的液体密度(kg/m3)。同一个抽油泵在同一口油井上以同一冲次正常工作时,其泵效为：η=Q实/Q理=xpm实/xpm=(xpm-Δx)/xpm

式中：Q实、Q理分别为抽油泵的实际排量和理论排量(m3/d);xpm实为抽油泵的实际冲程(m)。

3优化实例分析

(1)防冲距与泵效的关系。以1000m泵挂深度为例,动液面为750m,冲程4.2m,冲次6

min-1,泵径为70mm,杆径为22mm,进行编程分析同一抽油泵在不同防冲距和油气比时泵效的变化情况。

图1防冲距与泵效的关系图

从图可以看出,随着油气比的增大,有效冲程减小,泵效降低;当油气比一定时,随着防冲距的增加,泵的有效冲程也是减小的,泵效亦降低。因此,在一定的冲程条件下,油气比一定,防冲距越小,抽油泵的余隙体积越小,泵筒的充满系数越大,泵效越高。因此合理的防冲距是提高泵效的有效途径之一。(2)防冲距与泵径、杆径的关系。仍以1000m泵挂深度,750m动液面,4.2m冲程,6min-1冲次为例。当改变抽油杆和抽油泵直径的时候,防冲距大小的变化情况见图。从图3中可以看出,当