聚合物驱抽油机井参数优化设计研究 第9页|气田试井论文|免费论文
第3章 聚驱抽油机井参数优化设计模型
以提高抽油机井系统效率、降低运行能耗为目标的聚驱抽油机井参数优化计算方法就是把抽油机井做为一个有机整体，在保证油井产量的条件下，以低投入和低能耗为目标，对抽汲参数进行优化设计，找出产液量、能耗和设备投入及运行状态的最佳经济结合点，减少能量传递和转化过程中的损失，以实现抽油机井的高效运行。提高系统效率主要分两部分，地面效率和井下效率。地面部分的能量损失发生在电动机、皮带、减速箱和四连杆机构中，井下部分的能量损失在盘根盒、抽油杆、抽油泵和管柱中。
3.1已知变量
产液量：Q，t/d；含水率：W，%；液面：h2，m；
油气比：GOR，m3/m3；机型（冲程：S1、S2、S3，m）；
防冲距：m，m；泵径：D，mm；
杆径：d，mm，d1=Φ16mm，d2=Φ19mm，d3=Φ22mm，d4=Φ25mm；
杆长：L1，L2，m；
管径：G，mm；G1=Φ62mm；G2=Φ76mm；
管长：L，m；
从已知条件可知，在开展抽油机井参数优化设计前，可根据油井近期的生产状况或通过IPR曲线给出其合理的产液量和井底流压。
3.2约束条件
3.2.1杆柱强度校核条件
抽油杆柱在工作中受不对称循环载荷作用，应满足疲劳强度条件即当量条件和最大许用应力强度条件。
一是当量条件：
                           (3－1)
式中，σd—当量应力；σ-1—疲劳极限；[σd]—许用当量应力；
K—安全系数。
二是最大许用应力强度条件：
                 (3－2)
式中  SF—使用系数；σb—杆最小抗拉强度；σmin—最小循环应力；
[σmax]—最大许用循环应力。
3.2.2产液量预测约束条件
抽油机井参数优化设计的前提是满足油井产量的前提下，即给定了产量和液面，并通过不同抽汲参数组合达到给定产量的同时保证能耗和投资最优，即产液量的约束条件为：
（|Q预测- Q实|）/ Q实≤K
式中  Q预测—预测日产量；Q实—实际日产量；K—误差系数，一般取K=0.02。
3.3抽汲效率模型的建立
主要以冲程、冲次、泵挂深度、泵型号、泵径为参数，在保证油井产量（即供液能力）的条件下，建立了井下管柱优化模型，通过多种抽汲参数组合，预测出产液量，在给定的误差范围内求得多种满足产量的抽汲组合方式。
产液量主要受抽汲效率影响，而有效的抽汲效率主要是泵效率，由泵的实际冲程决定，其影响因素有三项，一是上下冲程中，液柱载荷变化使抽油杆柱产生的伸长量造成的冲程损失；二是液柱载荷使油管产生的伸长量造成的冲程损失；三是上下冲程中，动载产生的抽油杆柱所引起的泵柱塞位移增量。
3.3.1液柱载荷和惯性载荷对冲程的影响模型
                           （3－3）
                      （3－4）
                    （3－5）
                     （3－6）
                 （3－7）
             （3－8）
                        （3－9）
式中  Sp—实际冲程，m；E—纲的弹性模量， ；
S—光杆冲程，m；P液’—作用在活塞上的液柱载荷，N；
L，L1，L2—泵挂、杆长，m；n—冲次；D—杆径，mm。
3.3.2有效泵冲程模型
                           （3－10）
                     （3－11）
                  （3－12）
                     （3－13）
式中  —流量系数，先定Re后查曲线，定流量系数 ；
                        （3－14）
其中，d0—吸入阀孔径； —运动粘度；f0—吸入阀孔截面积；g—重力加速度。
3.3.3泵漏失量计算模型
                       （3－15）
                         （3－16）
式中，L柱—柱塞高长度； —柱塞与衬套间隙；
 。
3.3.4产液量预测模型
                       （3－17）
                        （3－18）
3.3.5抽汲系统杆柱应力诊断预测模型
通过对光杆处载荷—位移关系可计算出光杆功率，同时，能够计算出泵功图，对抽油泵和杆柱应力，保证优化设计结果的可靠性。建立吉布思（即抽油杆系一维带阻尼波动方程）诊断模型。
               （3－19）
式中，u(x,t)—抽油杆x断面处在t时刻的位移；
      a—应力传播速度；c—粘滞阻尼系数。
离散化上述方程，得到位移与深度、时间函数和载荷与深度、时间函数：
     （3－20）
     （3－21）
式中，xi—在i点的深度；t—时间；E—杆弹性模量；fr—杆截面积；w—曲柄角速度；N—傅立叶级数所取的项数；On、Pn—位移函数和载荷函数中的系数。
通过上述方程即可计算出杆柱任意点位移和载荷，以此计算杆柱强度，满足杆柱强度校核条件。
根据等强度设计原则，即等当量应力条件、等许用应力条件、等应力幅条件，同时利用现场经验和半经验公式，以最大为两级杆组合为限，进行等疲劳强度设计，求解出各级抽油杆长度上限值：
当D＝Φ38mm时，组合杆柱的强度条件为：d1=16mm，d2=19mm，L1<900m，L2<800m，L1/L2=54/46；
当D＝Φ44mm时，组合杆柱的强度条件为：d1=16mm，d2=19mm，L1<650m，L2<800m，L1/L2=45/55；
当D＝Φ56mm时，组合杆柱的强度条件为：d1=19mm，d2=22mm，L1<590m

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