小型柔式抽油系统力学分析及应用

论文摘要

小型柔式抽油系统主要由小型柔式抽油机和钢丝绳柔性抽油杆组成,考虑曲柄和牵引带作用在抽油机结构上的瞬态载荷,利用多点约束技术,建立了由梁、板壳、实体组成的混合单元有限元模型,采用Newmark积分法,进行小型抽油机的瞬态动力学计算,结果表明:在悬点载荷为3kN20kN作用下,抽油机各部件均满足强度条件,井口立杆的支撑方式前后安装优于左右安装。建立了柔索与弹性杆非线性瞬态动力学模型,该模型将钢丝绳处理成仅受拉力的LINK10单元,柱塞运动与阻力关系用COMBIN40组合单元加载。经现场5口井的动力学计算表明,悬点载荷的理论值与测试结果基本吻合,悬点静载荷相对误差均小于5%,悬点的最大和最小载荷的相对误差均小于10%;通过各种参数下钢丝绳抽油杆动力学计算表明,钢丝绳弹性模量控制在80GPa以上、冲程冲次选择为2m3m和1min-13min-1、加重杆选择38m47m（重量335kg415kg）,这些参数为小型柔式抽油系统设计和应用提供了重要依据。利用ANSYS流固耦合功能,研究了偏心抽油杆在层流和湍流状态下的阻尼系数,在抽油杆与油管同心、采出液作层流时,求得的阻尼系数与理论解相对误差为0.60%,证实了所建模型和求解方法的正确性,为偏心抽油杆阻尼系数计算提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 引言
• 第一章 小型柔式抽油系统
• 1.1 小型柔式抽油系统特点
• 1.2 小型柔式抽油机结构
• 1.2.1 “玉犬式”仿生设计
• 1.2.2 井口悬臂结构
• 1.2.3 抽油机整体结构组成
• 1.3 钢丝绳柔性抽油杆柱系统
• 1.3.1 杆柱结构
• 1.3.2 运动分析
• 第二章 小型柔式抽油机瞬态动力学分析
• 2.1 小型柔式抽油机结构力学模型
• 2.1.1 结构简化与离散
• 2.1.2 边界条件
• 2.1.3 载荷
• 2.1.4 混合单元连接
• 2.1.5 有限元模型
• 2.2 多点约束方程理论
• 2.3 小型柔式抽油机瞬态动力学计算
• 2.3.1 整体结构强度分析
• 2.3.2 横支架分析
• 2.3.3 立杆支撑方式选择
• 2.3.4 约束反力分析
• 2.4 小结
• 第三章 钢丝绳柔性抽油杆柱瞬态动力学分析
• 3.1 柔索与弹性杆非线性瞬态动力学模型
• 3.1.1 抽油杆柱结构
• 3.1.2 边界条件
• 3.1.3 外载荷
• 3.2 柔性杆柱非线性瞬态动力学分析方法
• 3.2.1 瞬态动力学方程
• 3.2.2 Newmark 积分法
• 3.2.3 非线性收敛判别法
• 3.3 泵冲程影响因素分析
• 3.3.1 钢丝绳弹性模量对泵冲程影响
• 3.3.2 冲程和冲次对泵冲程影响
• 3.3.3 加重杆长度对泵冲程影响
• 3.3.4 上冲程阻力对泵冲程影响
• 3.3.5 下冲程阻力对泵冲程影响
• 3.4 计算实例
• 3.4.1 悬点载荷和柱塞冲程计算
• 3.4.2 柔性杆柱运动规律分析
• 3.5 小结
• 第四章 油管内偏心杆柱下冲程阻尼系数研究
• 4.1 力学模型
• 4.2 理论方法
• 4.2.1 层流状态下同心抽油杆阻尼系数计算
• 4.2.2 ANSYS 流固耦合方法
• 4.3 数值计算结果分析
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 发表文章目录
• 在学期间参与的科研项目及获奖情况
• 致谢
• 详细摘要