抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與抽油桿柱運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性分析

目前，中國(guó)稠油地質(zhì)儲(chǔ)量約占原油總面積的1.4，采收期小于20%。高效勘探對(duì)于提高原油產(chǎn)量和緩解石油供需矛盾非常重要。稠油粘度大,抽油桿柱運(yùn)動(dòng)摩阻大,特別是下沖程桿液摩阻使抽油桿柱下行困難,盡管各油田采取了很多措施,包括應(yīng)用抽油機(jī)變速器和二級(jí)減速器、選用長(zhǎng)沖程抽油機(jī)、改善井筒流體流動(dòng)條件等,但在舉升參數(shù)設(shè)計(jì)中由于未考慮抽油機(jī)懸點(diǎn)與抽油桿柱運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)問(wèn)題,造成抽油桿柱下不去和產(chǎn)生沖擊載荷等,影響了油井的正常生產(chǎn)。為此,基于常規(guī)游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、寬帶式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性和抽油桿柱的受力分析,建立了寬帶式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律模型和抽油桿柱在井筒流體中自由下行運(yùn)動(dòng)規(guī)律模型,分析了懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與桿柱運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性,計(jì)算了臨界沖次,以期有效指導(dǎo)稠油井舉升工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和保證稠油的高效開(kāi)采。1鏈輪懸點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算通過(guò)分析寬帶式抽油機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)(圖1)和運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)現(xiàn),在曲拐進(jìn)入鏈輪到離開(kāi)鏈輪的換向期間,曲拐繞鏈輪旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)往返架、抽油機(jī)懸點(diǎn)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng);在曲拐離開(kāi)鏈輪的其他時(shí)間,曲拐、往返架帶動(dòng)抽油機(jī)懸點(diǎn)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)主動(dòng)鏈輪(即下鏈輪)以角速度ω順時(shí)針旋轉(zhuǎn),曲拐帶動(dòng)往返架運(yùn)動(dòng),軌跡為ABCDEFA,抽油機(jī)懸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)上沖程和下沖程。以懸點(diǎn)位于下死點(diǎn)為起點(diǎn),建立的寬帶式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型為Sw={R(1-cosωt)0＜t≤t1R+ωR(t-t1)t1＜t≤t2S-R+Rsin[ω(t-t2)]t2＜t≤t3S-R+Rcos[ω(t-t3)]t3＜t≤t4S-R-ωR(t-t4)t4＜t≤t5R-Rsin[ω(t-t5)]t5＜t≤tz(1)Sw=?????????????????????R(1?cosωt)0＜t≤t1R+ωR(t?t1)t1＜t≤t2S?R+Rsin[ω(t?t2)]t2＜t≤t3S?R+Rcos[ω(t?t3)]t3＜t≤t4S?R?ωR(t?t4)t4＜t≤t5R?Rsin[ω(t?t5)]t5＜t≤tz(1)vw={ωRsinωt0＜t≤t1ωRt1＜t≤t2ωRcos[ω(t-t2)]t2＜t≤t3-ωRsin[ω(t-t3)]t3＜t≤t4-ωRt4＜t≤t5-ωRcos[ω(t-t5)]t5＜t≤tz(2)aw={ω2Rcosωt0＜t≤t10t1＜t≤t2-ω2Rsin[ω(t-t2)]t2＜t≤t3-ω2Rcos[ω(t-t3)]t3＜t≤t40t4＜t≤t5ω2Rsin[ω(t-t5)]t5＜t≤tz(3)ω=Ν30R[S+(π-2)R](4)vw=?????????????????????ωRsinωt0＜t≤t1ωRt1＜t≤t2ωRcos[ω(t?t2)]t2＜t≤t3?ωRsin[ω(t?t3)]t3＜t≤t4?ωRt4＜t≤t5?ωRcos[ω(t?t5)]t5＜t≤tz(2)aw=?????????????????????ω2Rcosωt0＜t≤t10t1＜t≤t2?ω2Rsin[ω(t?t2)]t2＜t≤t3?ω2Rcos[ω(t?t3)]t3＜t≤t40t4＜t≤t5ω2Rsin[ω(t?t5)]t5＜t≤tz(3)ω=N30R[S+(π?2)R](4)式中:Sw為懸點(diǎn)位移,m;R為鏈輪半徑,m;ω為鏈輪的角速度,rad/s;t為時(shí)間,s;t1為B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間,s;t2為C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間,s;S為沖程,m;t3為D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間,s;t4為E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間,s;t5為F點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間,s;tz為懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一個(gè)沖程所用的總時(shí)間,s;vw為懸點(diǎn)速度,m/s;aw為懸點(diǎn)的加速度,m/s2;N為沖次,min-1。到達(dá)A,B,C,D,E和F點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為π2ω?602Ν-π2ω?602Ν,602Ν+π2ω,60Ν-π2ω和60Ν。2閥孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定抽油桿柱在直井井筒中下行時(shí)受到的力包括抽油桿柱的重力、井筒流體壓強(qiáng)產(chǎn)生的力(包括抽油桿柱下端點(diǎn)和多級(jí)桿柱桿直徑變化點(diǎn)處流體的壓強(qiáng)產(chǎn)生的力)、抽油桿與油管之間的摩擦力、柱塞與襯套間的摩擦力、液體與抽油桿柱之間的摩擦力、液體通過(guò)游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力以及抽油桿柱慣性力等。抽油桿柱在井筒流體中自由下行運(yùn)動(dòng)時(shí),與速度有關(guān)的摩擦載荷隨抽油桿下行速度的增大而增大,抽油桿柱加速度減小,抽油桿柱先做變加速運(yùn)動(dòng),當(dāng)桿柱受力達(dá)到平衡時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)牛頓第二定律,可知Fwr-Fp-Ffrt-Ffpm-Ffrl-Ffv=Μrar(5)式中:Fwr為抽油桿柱重力,N;Fp為井筒流體壓強(qiáng)產(chǎn)生的力,N;Ffrt為抽油桿與油管之間的摩擦力,N;Ffpm為柱塞與襯套間的摩擦力,N;Ffrl為液體與抽油桿柱之間的摩擦力,N;Ffv為液體通過(guò)游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力,N;Mr為抽油桿柱質(zhì)量,kg;ar為抽油桿柱下行加速度,m/s2。將各力的計(jì)算式代入式(5),可得Fwr-Fp-0.015Fwr-(0.94Dpδp-140)-2πμln∑i=1Livr(mi2-1)(mi2+1)lnmi-(mi2-1)-12ρlξ2×fp3fo2vr2=Μrar(6)式中:Dp為抽油泵泵徑,mm;δp為柱塞與襯套間隙,mm;μl為井筒流體等值粘度(用一個(gè)不變的等值粘度代替井筒中變化的流體粘度,2種粘度下抽油桿柱下行桿液摩擦力相等),Pa·s;i為累加變量;n為抽油桿級(jí)數(shù);Li為第i級(jí)抽油桿長(zhǎng)度,m;mi為第i級(jí)抽油桿對(duì)應(yīng)段油管內(nèi)徑與第i級(jí)抽油桿直徑之比;vr為抽油桿柱下行運(yùn)動(dòng)速度,m/s;ρl為井筒流體密度,kg/m3;ξ為閥孔流量系數(shù);fp為柱塞截面積,m2;fo為閥孔截面積,m2。令X=Fwr-Fp-0.015Fwr-(0.94Dpδp-140)(7)Y=2πμln∑i=1Li(mi2-1)(mi2+1)lnmi-(mi2-1)(8)A=12ρlξ2×fp3fo2(9)則式(6)簡(jiǎn)化為X-Yvr-Avr2=Μrdvrdt(10)對(duì)式(9)積分得vr=√4AX+Y2A(1+eΤ)-Y+√4AX+Y22A(11)其中Τ=-√4AX+Y2A(AΜrt+C)(12)根據(jù)初始條件vr|t=0=0,得常數(shù)C的表達(dá)式為C=-A√4AX+Y2ln√4AX+Y2-Y√4AX+Y2+Y(13)3油擠出懸點(diǎn)與油擠出桿柱之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)分析3.1井筒和井筒設(shè)置游梁式抽油機(jī)型號(hào)為CYJ12-5-73HB,寬帶式抽油機(jī)型號(hào)為CYJ600,沖程為5m,沖次為5min-1;抽油泵泵徑為56mm,柱塞長(zhǎng)度為0.9m,柱塞與襯套間隙為0.053mm,游動(dòng)閥孔直徑為32mm,游動(dòng)閥數(shù)為2;油管內(nèi)徑為76mm,井口油壓為1MPa,地面原油密度為0.95g/cm3,體積含水率為45%,井筒中液體等值粘度為1500mPa·s;抽油桿柱組合為?25mm×300m+?22mm×800m+?19mm×200m。3.2井筒流體中自由下行由不同等值粘度時(shí)抽油桿柱自由下行速度曲線(xiàn)(圖2)可見(jiàn):當(dāng)抽油桿柱在井筒流體中自由下行時(shí),先做加速運(yùn)動(dòng),隨著速度的逐漸增大,下行粘滯力增大,當(dāng)抽油桿柱達(dá)到受力平衡狀態(tài)時(shí),速度達(dá)到最大值,開(kāi)始做勻速運(yùn)動(dòng);等值粘度越小,抽油桿柱達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng),最大下行速度越大。3.3油擠出懸臂固軸運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)分析3.3.1抽油機(jī)沖程運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)根據(jù)計(jì)算分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù),由下沖程抽油機(jī)懸點(diǎn)與抽油桿柱自由下行速度曲線(xiàn)(圖3)可以看出,對(duì)于CYJ12-5-73HB型游梁式抽油機(jī),當(dāng)t為2.31和5.25s時(shí),抽油桿柱自由下行速度曲線(xiàn)與抽油機(jī)懸點(diǎn)下沖程運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)相交,當(dāng)t為2.31～5.25s時(shí),抽油桿柱自由下行速度小于懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度,說(shuō)明當(dāng)抽油機(jī)沖程為5m、沖次為5min-1時(shí),抽油機(jī)懸點(diǎn)與抽油桿柱自由下行運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào);對(duì)于CYJ600型寬帶式抽油機(jī),當(dāng)t為0.85～5.15s時(shí),抽油機(jī)懸點(diǎn)與抽油桿柱自由下行運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)。3.3.2-33hb型的抽油機(jī)的臨界沖次分析圖4和圖5發(fā)現(xiàn),隨著沖次的降低,懸點(diǎn)下沖程的最大速度逐漸降低;CYJ12-5-73HB型游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)與抽油桿柱下行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的臨界沖次為3.67min-1,CYJ600型寬帶式抽油機(jī)懸點(diǎn)與抽油桿柱下行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的臨界沖次為4.64min-1?？梢?jiàn)通過(guò)降低沖次,可使抽油機(jī)懸點(diǎn)下沖程運(yùn)動(dòng)與抽油桿柱下行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。3.3.3抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與抽油桿柱下行運(yùn)動(dòng)達(dá)到協(xié)調(diào)的臨界沖次由不同等值粘度下臨界沖次的計(jì)算結(jié)果(表1)可以看出,隨著井筒液體等值粘度的增大,抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與抽油桿柱下行運(yùn)動(dòng)達(dá)到協(xié)調(diào)的臨界沖次逐漸減小;在等值粘度相同的條件下,CYJ600型寬帶式抽油機(jī)的臨界沖次大于CYJ12-5-73HB型游梁式抽油機(jī)的臨界沖次,說(shuō)明寬帶式抽油機(jī)更有利于懸點(diǎn)與桿柱的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。4懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與抽油桿柱下行運(yùn)動(dòng)之間的臨界沖次基于常規(guī)游梁式抽油機(jī)與寬帶式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性及抽油桿柱受力分析,建立了寬帶式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和抽油桿柱在井筒液體中自由下行運(yùn)動(dòng)規(guī)律的計(jì)算模型,分析了懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與抽油桿柱下行運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性