有杆抽油系统的杆柱组合设计

论文摘要

对于有杆抽油系统,在垂直井方面,国内外都有比较成熟的理论及应用软件系统。但对于定向井,由于杆管受力状况不同,以及井筒中扶正器的应用,使得抽油系统受力分析变得复杂。由于定向井中的抽油杆柱力学行为同常规垂直井中的存在很大的差别,使得常规的垂直井有杆抽油系统优化设计理论应用于定向井时存在较大误差。本文对定向井有杆抽油系统进行了深入的理论分析和大量的计算机模拟计算,主要包括以下研究工作:（1）利用MATLAB软件,通过插值算法和高次多项式拟合两种算法对定向井井眼轨迹进行了计算机模拟,并分析比较了这两种算法各自的特点。（2）分别对定向井的普通抽油杆柱的力学行为和空心抽油杆柱的力学行为进行了深入分析。对于电加热空心抽油杆柱而言,由于电加热产生的温度会对杆柱的力学行为产生影响,所以空心抽油杆的力学受力要比普通抽油杆复杂很多,本文就温度对杆柱力学行为的影响进行了重点分析。在上述杆柱力学行为分析的基础上,分别建立了普通抽油杆柱和空心抽油杆柱的三维数学模型,并采用有限元法对数学模型进行了求解。（3）基于上述的力学分析及数学模型的求解,本文对定向井的杆柱组合进行了设计,其设计包括普通抽油杆的组合设计、空心抽油杆的组合设计以及普通抽油杆-空心抽油杆的混合杆的组合设计。（4）对抽油杆柱段在三维井眼内弯曲变形进行了深入分析。通过确定设计变量、建立目标函数、确立约束条件等步骤,建立了定向井扶正器配置的优化数学模型,并利用MATLAB软件对该数学模型进行了求解,实现了对扶正器的间距配置的优化设计。（5）通过对空心抽油杆拄电加热后的井筒传热过程的深入分析,并基于传热学,对井筒的油流温度的分布建立了数学模型,并进行了求解,实现了对其的模拟预测。并通过对几口井况的实际预测,对相关的参数进行了修正,使得预测结果更为准确。（6）开发了相应的应用软件,该软件兼顾了定向井和直井两种情况。应用该软件可以对杆柱组合及扶正器分布等相关参数进行设计,并可预测空心抽油杆拄电加热后的井筒油流温度的分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外现状及发展趋势
• 1.2.1 简化公式计算方法
• 1.2.2 API计算方法
• 1.2.3 数值模拟方法
• 1.2.4 国内研究发展现状
• 1.3 课题研究思路
• 第二章 定向井井眼轴线数值模拟
• 2.1 描述井眼轴线的参数
• 2.2 定向井井眼轨迹参数计算
• 2.3 基于插值算法的三维定向井井眼轨迹计算机模拟
• 2.4 基于高次多项式拟合的定向井井眼轨迹计算机模拟
• 2.4.1 理论分析
• 2.4.2 实例分析
• 第三章 定向井抽油系统数值模拟数学模型及其求解
• 3.1 定向井抽油杆柱力学行为分析
• 3.1.1 定向井普通抽油杆柱力学分析
• 3.1.2 定向井空心抽油杆柱力学分析
• 3.1.3 定向井杆柱纵向振动方程
• 3.2 定向井抽油系统动态模拟三维数学模型
• 3.2.1 抽油杆柱振动方程
• 3.2.2 油管振动方程
• 3.2.3 流体运动方程
• 3.2.4 定解条件
• 3.3 定向井抽油系统数值模拟数学模型求解
• 3.3.1 基本方程及初始边界条件
• 3.3.2 有限元表达式
• 3.3.3 单元矩阵及系统矩阵的形成
• 3.3.4 微分方程的解
• 第四章 定向井有杆抽油系统杆柱组合设计
• 4.1 抽油杆柱设计方法
• 4.2 普通抽油杆柱设计
• 4.2.1 加重杆设计
• 4.2.2 加重杆上部抽油杆柱组合设计
• 4.2.3 程序设计
• 4.3 空心抽油杆柱设计
• 4.4 普通杆-空心杆混合抽油杆柱设计
• 第五章 定向井有杆抽油系统扶正器合理配置间距设计
• 5.1 抽油杆柱段在三维井眼内弯曲变形
• 5.2 定向井扶正器合理配置间距的优化设计
• 5.2.1 最优化问题
• 5.2.2 定向井扶正器配置的优化数学模型
• 5.3 实例计算
• 第六章 电加热井筒温度预测
• 6.1 空心抽油杆电加热原理
• 6.2 井筒油流温度预测
• 6.2.1 传热学基础
• 6.2.2 井筒传热过程概述
• 6.2.3 数学模型的建立
• 6.2.4 加热功率和加热电缆的优选
• 6.3 实例计算
• 第七章 软件设计
• 7.1 软件功能模块化分
• 7.2 各模块简介
• 7.2.1 普通抽油杆柱设计模块
• 7.2.2 空心抽油杆柱设计模块
• 7.2.3 混合抽油杆柱设计模块
• 7.2.4 电加热温度预测模块
• 7.2.5 查询模块
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢