三维井眼抽油杆力学研究

摘要

抽油杆力学研究一直受到国内外学者的广泛关注。目前抽油杆系统受力分析计算绝大部分通过理论建模加室内实验或经验修正的方法进行分析研究，由于室内实验或经验难以真实、准确地描述几百米甚至几千米长的抽油杆弹性，从而很难得到较为准确的结果以直接指导生产实践。在我国，抽油杆柱问题十分突出，较准确地认识抽油杆受力状态，研究主要因素的影响规律，对减少抽油杆柱的故障率、降低油气开采成本极有重要的理论和实用价值。 论文基于三维空间井眼轨迹，采用微元矢量分析方法，建立了三维井眼抽油杆柱系统动力学理论模型及其求解技术；研制了抽油杆柱井下力学检测装置，经现场9口井的应用，证明了装置性能的可靠性，也进一步完善并验证了抽油杆柱动力学模型；提出了等效阻力系数的概念，建立了等效阻力系数预测模型，以研究抽油杆柱所受滑动摩擦和不确定流体阻力的影响，并利用现场实测资料，分析与拟合出精度较高的等效阻力系数；在经验轨迹参数对抽油杆柱动力学特性影响模型和仿真分析的基础上，修正了抽油杆柱设计方法，使抽油杆柱设计更具合理性。通过研究和现场应用验证，为三维井眼抽油杆柱动力学研究奠定了基础。 论文的主要创新点是：(1)抽油杆柱实际载荷及变形井下测量方法，可以测量井下任何部位的抽油杆负荷、温度、位移、流体压力等参数；(2)建立了以实测数据为边界条件的抽油杆柱三维力学综合模型，求解精度有了很大的提高；(3)基于两个不同位置实测结果建立了等效阻力系数预测模型和预测方法，获得了与实际井眼轨迹条件较吻合的等效阻力系数；(4)对抽油杆柱API设计方法进行了修正，以实测数据为基础，改变了过去轴向载荷或应力的计算方法，使设计更贴近实际。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明关于论文使用授权的说明

创新点摘要

第1章 绪论

1.1抽油杆柱三维力学分析研究现状与存在问题

1.2研究内容和创新点

1.2.1研究的主要内容

1.2.2研究的主要创新点

第2章 三维弯曲井眼中抽油杆柱系统动力学微分方程

2.1 三维弯曲井眼的几何描述

2.2三维弯曲井眼中抽油杆柱的形态描述

2.2.1 三维弯曲井眼中抽油杆柱轴线形状的几何描述

2.2.2 三维弯曲井眼中抽油杆柱轴线轨迹描述

2.3 三维弯曲井眼中抽油杆柱受力分析

2.3.1 三维弯曲井眼中抽油杆柱微元体受力分析

2.3.2 三维弯曲井眼中抽油杆柱端面受力分析

2.4 抽油杆柱本构方程

2.5动量定理和动量矩定理

2.6抽油杆柱运动平衡方程

2.7三维弯曲井眼中抽油杆柱系统动力学微分方程

2.8三维弯曲井眼中抽油杆柱屈曲形状判断[43-47]

第3章三维弯曲井眼中抽油杆柱系统动力学模型的求解

3.1三维弯曲井眼中多级抽油杆柱抽油系统动力学模型

3.2微分方程的数值模型

3.3三维弯曲井眼中抽油杆柱系统动力学诊断模型

3.3.1边界条件

3.3.2衔接条件

3.3.3初始条件

3.4三维弯曲井眼中抽油杆柱系统动力学设计模型

3.4.1边界条件

3.4.2衔接条件

3.4.3初始条件

第4章井下抽油杆力学检测装置的研制

4.1井下抽油杆力学检测装置主要结构与原理

4.1.1集成电路系统的结构原理

4.1.2传感器短节的结构原理

4.1.3井下抽油杆力学检测装置的工作原理

4.2井下抽油杆力学检测装置主要技术指标确定

4.3检测装置负荷传感器研制

4.3.1检测装置负荷传感器工作原理

4.3.2弹性体的设计

4.3.3应变片的选择

4.3.4检测电路确定

4.3.5应变片的粘贴工艺

4.4传感器短节性能指标检测

4.4.1拉力特性检测

4.4.2压力特性检测

4.4.3扭矩特性检测

4.5小结

第5章抽油杆柱载荷测定结果及其分析

5.1抽油杆上下运动过程中泵筒内、外压力测试结果及变化规律

5.1.1真123泵筒内外压力

5.1.2永7-4井泵筒内外压力

5.2抽油杆柱底端载荷实测结果

5.3抽油杆柱底端载荷的计算方法

5.3.1常用计算方法

5.3.2真123井泵口轴向载荷计算分析

5.3.3永7-4井泵口轴向载荷计算分析

第6章等效阻力系数拟合

6.1等效阻力系数拟合方法

6.1.1现有摩擦系数拟合方法的特征

6.1.2等效阻力系数拟合方法

6.2等效阻力系数的拟合实例

6.2.1永21-3井的等效阻力系数拟合

6.2.2其它井等效阻力系数拟合

第7章三维弯曲井眼中抽油杆柱系统受力分析

7.1抽油杆柱三维受力分析

7.2抽油杆柱示功图预测分析

第8章井眼轨迹参数影响模型及仿真分析

8.1井眼轨迹对抽油杆柱受力变形影响的计算模型

8.2井眼轨迹参数对抽油杆柱受力变形影响仿真计算分析

8.2.1井眼曲率的影响

8.2.2井眼挠率的影响

8.3小结

第9章基于实际井眼轨迹的抽油杆柱设计方法

9.1抽油杆柱设计方法描述和分析

9.2基于实际井眼轨迹的设计方法

9.2.1设计思路

9.2.2模型建立

9.2.3设计流程

9.3设计实例

9.3.1按垂直井设计

9.3.2按实际井眼轨迹设计

9.3.3现有组合计算分析

9.4小结

第10章结论

主要符号表

主要参考文献

致谢

个人简历、在学期间的研究成果