油管柱振動(dòng)機(jī)理研究與動(dòng)力響應(yīng)分析

內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書(shū)總結(jié)了作者多年以來(lái)圍繞天然氣井油管柱的振動(dòng)而開(kāi)展的研究工作。內(nèi)容主要包括：國(guó)內(nèi)外研究油管柱振動(dòng)的現(xiàn)狀及研究方法；利用理論和數(shù)值模擬方法，研究了天然氣井開(kāi)采過(guò)程中流體通過(guò)油管柱時(shí)在管柱內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律等。2100433B

普通采油管柱是相對(duì)于稠油采油管柱而言的，為了適應(yīng)地層能量、井況及產(chǎn)出液物理性質(zhì)的生產(chǎn)要求，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究及應(yīng)用，普通采油管柱種類(lèi)繁多，已形成系列化，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多、技術(shù)比較成熟的有兩類(lèi)：有桿抽油泵采油管柱及無(wú)桿泵采油管柱。

采油管柱有桿抽油泵采油管柱

有桿抽油泵采油管柱分為普通有桿抽油泵采油管柱和特殊有桿抽油泵采油管柱兩大類(lèi)。其中僅由油管、抽油桿、標(biāo)準(zhǔn)抽油泵、篩管及絲堵組成時(shí)稱(chēng)為普通有桿抽油泵采油管柱；在特殊井況及產(chǎn)出液的油井中，需要在管柱上配套使用輔助工具或特殊抽油泵才能完成原油開(kāi)采，這種管柱稱(chēng)為特殊有桿抽油泵采油管柱。

一、普通有桿抽油泵采油管柱

(1)結(jié)構(gòu)

主要是由抽油桿、油管、標(biāo)準(zhǔn)抽油泵(標(biāo)準(zhǔn)管式抽油泵或標(biāo)準(zhǔn)桿式抽油泵、篩管及絲堵組成的采油管柱，如圖1所示。

(2)工作原理

利用抽油桿將抽油機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞至標(biāo)準(zhǔn)抽油泵，使活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)井筒內(nèi)的井液增加能量，井液通過(guò)油管舉升至地面，完成人工舉升。

(3)技術(shù)指標(biāo)

正常排量范圍：1—100m3/d；正常下入深度范圍：<3000m

(4)適應(yīng)性分析

①管柱配套使用標(biāo)準(zhǔn)管式抽油泵時(shí)，排液量較大，但在起下作業(yè)時(shí)，需要起下全部管柱，非生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，修井費(fèi)用高，因此多在淺井或中深井中使用。

②管柱配套使用標(biāo)準(zhǔn)桿式抽油泵時(shí)，排液量較小，在起下作業(yè)時(shí)，不需要起下全部管柱，非生產(chǎn)時(shí)間較短，因此多在低產(chǎn)或深井中使用。

③管柱在井液黏度400mPa·s以下免修期平均二年，但不適用于大斜度井、水平井、稠油井、出砂井、高油氣比井；

④管柱適宜自動(dòng)控制，不適宜海上及市區(qū)生產(chǎn)。

二、特殊有桿抽油泵采油管柱

1、防砂卡抽油泵管柱

(1)結(jié)構(gòu)

主要是由抽油桿、油管、防砂卡抽油泵及絲堵組成的采油管柱，如圖2

(2)工作原理

抽吸過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)管式泵相同，防砂卡抽油泵雙筒環(huán)形空間沉砂結(jié)構(gòu)可消除管柱在出砂油井生產(chǎn)過(guò)程中或中途停抽時(shí)，因泵上管柱積砂及砂子進(jìn)人柱塞與泵筒之間造成的砂卡，減少泵的磨損，延長(zhǎng)管柱生產(chǎn)周期。

(3)技術(shù)指標(biāo)

正常排量范圍：1～100m3/d；正常下入深度范圍：<3000m

(4)適應(yīng)性分析

管柱適應(yīng)含砂量<5%的出砂井生產(chǎn)，可防止砂卡，其他管柱適應(yīng)性與普通有桿抽油泵采油管柱配套使用標(biāo)準(zhǔn)管式抽油泵相同。

2、防氣鎖泵管柱

(1)結(jié)構(gòu)

主要是由抽油桿、油管、環(huán)閥式防氣泵、封隔器式螺旋沉降氣錨、篩管及絲堵組成的采油管柱。如圖3所示。

(2)工作原理

管柱配套使用環(huán)閥式防氣泵、封隔器式螺旋沉降氣錨，減少管柱在高氣油比井生產(chǎn)時(shí)氣體的不利影響，提高管柱的工作效率。

(3)技術(shù)指標(biāo)

正常排量范圍：1.00m3/d；正常下入深度范圍：<3000m

(4)適應(yīng)性分析

用于氣油比達(dá)420的油井生產(chǎn)，減少氣體對(duì)管柱的不利影響，可防止氣鎖，提高泵效，其他管柱適應(yīng)性與普通有桿抽油泵采油管柱配套使用標(biāo)準(zhǔn)管式抽油泵相同。

3、液壓反饋抽稠泵管柱

(1)結(jié)構(gòu)

主要是由抽油桿、油管、液壓反饋抽稠泵、篩管及絲堵組成的采油管柱，如圖4所示。

(2)工作原理

利用液壓反饋抽稠泵結(jié)構(gòu)，減少管柱在稠油井生產(chǎn)中因黏滯阻力過(guò)大造成的抽油桿柱下行困難及吸入差的不利影響，提高管柱的工作效率。

(3)技術(shù)指標(biāo)

正常排量范圍：1.100m3/d；正常下入深度范圍：<3000m

(4)適應(yīng)性分析

用于原油黏度小于4000mPa·s的稠油井，減少稠油對(duì)管柱的不利影響，其他管柱適應(yīng)性與普通有桿抽油泵采油管柱配套使用標(biāo)準(zhǔn)管式抽油泵相同。

采油管柱無(wú)桿泵采油管柱

不需要抽油桿生產(chǎn)的采油管柱稱(chēng)為無(wú)桿泵采油管柱?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多、技術(shù)比較成熟的有兩類(lèi)：潛油電泵采油管柱及水力噴射泵采油管柱。

一、潛油電泵采油管柱

(1)結(jié)構(gòu)

潛油電泵采油管柱，主要由兩部分組成，如圖5所示。①潛油機(jī)組：電機(jī)、保護(hù)器、油氣分離器、多級(jí)潛油離心泵等。外形受油層套管尺寸的的限制，被制造成為細(xì)長(zhǎng)園柱體形狀，長(zhǎng)度可達(dá)幾十米，為了制造、運(yùn)輸及安裝方便，各組件分節(jié)制造，長(zhǎng)度一般不超過(guò)8m。在現(xiàn)場(chǎng)下井時(shí)，用花鍵連接，外殼用法蘭螺栓連接，以上各主要部件都有各種規(guī)格以滿(mǎn)足不同油井的要求。機(jī)組的下面安裝有扶正器，上面安裝有單流閥和泄油器。

②專(zhuān)用電纜：大、小扁潛油電纜，外形扁平。

(2)工作原理

自于地面的電力經(jīng)過(guò)專(zhuān)用電纜使井下電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并帶動(dòng)離心泵工作，井液在離心泵的作用下將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓頭，經(jīng)油管被舉升到地面。為了防止井液進(jìn)入電機(jī)，承受泵的軸向負(fù)荷的作用，在潛油電機(jī)上配套使用保護(hù)器。為了減少游離氣對(duì)離心泵的不利影響，在離心泵的吸入口配套使用油氣分離器。

(3)技術(shù)指標(biāo)

正常排量范圍：80—905m3/d；正常下入深度范圍：<2000m

(4)適應(yīng)性分析

①排量調(diào)節(jié)范圍寬，可在額定排量的10%一100%范圍內(nèi)正常工作，耐腐蝕，工作溫度可達(dá)200℃。但存在井口工作壓力高，地面污水處理負(fù)擔(dān)大的問(wèn)題。

②適用于受水驅(qū)控制的油井、高含水液量大的油井和低氣液比的油井。適用于斜井、稠油井、高含砂井生產(chǎn)。

③作業(yè)施工工序較多，一次性投入大，不適應(yīng)高含氣井生產(chǎn)。

二、水力噴射泵采油管柱

(1)結(jié)構(gòu)

主要是由油管、水力噴射泵、封隔器等組成的采油管柱，如圖6所示。

(2)工作原理

從套管進(jìn)人的高壓動(dòng)力液通過(guò)水力噴射泵將封隔器以下的井液抽吸并排出地面。

(3)技術(shù)指標(biāo)

正常排量范圍：1-100m3/d；正常下入深度范圍：<3000m

(4)適應(yīng)性分析

①水力噴射泵無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，允許使用低質(zhì)量的動(dòng)力液，對(duì)高含水井、出砂井、高氣液比井的適應(yīng)性強(qiáng)。但存在效率低(低于30%)，要求井口工作壓力高，地面污水處理負(fù)擔(dān)大的問(wèn)題。②受封隔器使用條件限制，不宜在大斜度井和水平井中使用。③對(duì)于套管耐壓強(qiáng)度低或封隔器以上套管漏失的井不適用。

本申請(qǐng)項(xiàng)目重點(diǎn)針對(duì)電力變壓器強(qiáng)磁振動(dòng)發(fā)生傳播機(jī)理與有源降噪研究存在的難點(diǎn)問(wèn)題，開(kāi)展理論探索與技術(shù)創(chuàng)新研究。建立強(qiáng)磁環(huán)境下包含力磁耦合關(guān)系并可用于數(shù)值計(jì)算的磁致伸縮本構(gòu)模型；考慮力磁耦合效應(yīng)，建立精確的可應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算的鐵芯振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，揭示鐵芯強(qiáng)磁振動(dòng)發(fā)生機(jī)理；獲取鐵芯與箱體之間的振動(dòng)傳播特性，分析變壓器多重介質(zhì)對(duì)振動(dòng)傳播特性的影響，明確變壓器鐵芯與箱體之間的振動(dòng)傳播機(jī)理；提出變壓器箱體振動(dòng)單元?jiǎng)澐址椒ǎ岣哌h(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲計(jì)算準(zhǔn)確性；將變壓器箱體作為初級(jí)聲源，分析有源降噪系統(tǒng)次級(jí)聲源各參數(shù)的相互影響，提出有效的次級(jí)聲源參數(shù)優(yōu)化策略。本項(xiàng)目研究結(jié)果將豐富發(fā)展變壓器振動(dòng)機(jī)理與有源降噪研究的基礎(chǔ)理論與分析方法，具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

在鉆探領(lǐng)域，硬巖鉆進(jìn)存在鉆進(jìn)效率低、鉆頭壽命短、鉆井成本高等問(wèn)題。超聲波振動(dòng)作用可使巖石內(nèi)部快速產(chǎn)生損傷或裂紋，巖石強(qiáng)度大幅度下降，從而降低破碎難度，提高巖石破碎效率。通過(guò)采用數(shù)值模擬方法，對(duì)超聲波振動(dòng)破碎硬巖過(guò)程進(jìn)行模擬分析，從理論上探索超聲波振動(dòng)下巖石裂紋的形成與擴(kuò)展規(guī)律，運(yùn)用試驗(yàn)研究手段，探究靜壓力、振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)力、振動(dòng)頻率等超聲波振動(dòng)參數(shù)對(duì)巖石破碎效果的影響，獲取各參數(shù)的最優(yōu)取值區(qū)間。經(jīng)研究，成功研制了超聲波振動(dòng)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，以巖石的細(xì)觀(guān)損傷力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合疲勞破碎理論、共振碎巖理論，分析巖石在超聲波振動(dòng)下的受力過(guò)程、力與巖石裂紋形成的關(guān)系，建立了超聲波振動(dòng)過(guò)程及花崗巖裂紋變化特性的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)巖石脅迫響應(yīng)的振幅與施加載荷的幅值成比例并得出公式。運(yùn)用有限元軟件、離散元軟件對(duì)超聲波振動(dòng)巖石內(nèi)部裂紋的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程進(jìn)行建模計(jì)算得出了演化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)拉伸破壞是裂紋失效的主要機(jī)制，擴(kuò)展多沿與載荷加方向平行方向，且沿與加載方向成60°方向?；诤舜殴舱駲z測(cè)、熱紅外成像、滲透探傷法和數(shù)字圖片處理技術(shù)等檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，獲取了超聲波振動(dòng)碎巖的裂紋衍生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巖樣內(nèi)的孔隙隨超聲波振動(dòng)次數(shù)的變化呈現(xiàn)出彈性形變、起裂擴(kuò)展、貫通破壞三個(gè)階段，探究了振動(dòng)碎巖參數(shù)對(duì)碎巖效果影響，發(fā)現(xiàn)振幅、靜壓力、時(shí)間均存在閾值，選取高于閾值的振動(dòng)參數(shù)及接近固有頻率的振動(dòng)頻率，能夠獲得最優(yōu)的超聲波振動(dòng)碎巖效果。通過(guò)研究獲取了巖石在超聲波振動(dòng)下的強(qiáng)度下降的規(guī)律、巖石損傷規(guī)律、最優(yōu)碎巖振動(dòng)參數(shù)，補(bǔ)充了領(lǐng)域空白，為超聲波振動(dòng)技術(shù)在工程實(shí)踐中解決硬巖鉆進(jìn)難題提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)，具有較大的實(shí)際意義與應(yīng)用價(jià)值。 2100433B