三维井眼杆管防偏磨技术研究

论文摘要

近年来,抽油机井杆管偏磨井数在国内各油田均呈逐年增加的趋势,杆管偏磨已成为影响油井检泵作业的主要因素之一。影响杆管偏磨的主要因素有井眼弯曲、抽油杆柱失稳、含水率高、产出液具有腐蚀性、抽油杆柱振动等。不论是定向井还是直井,其井眼轨迹都是三维空间曲线,抽油杆柱在抽油井中的受力变形均具有三维特征。因此,准确地认识抽油杆三维受力状况对减少抽油杆事故、降低油气开采成本具有重要意义。研究井下抽油杆柱在三维井眼中的屈曲变形问题,能够为有效的解决杆管偏磨问题提供理论依据。通过理论分析建立了三维井眼中抽油杆柱受力模型,利用静力平衡法考虑杆柱所受浮力,推导了两端受压有重抽油杆柱在垂直井、斜直井、弯曲井眼中的屈曲微分方程和接触力方程。所得的屈曲微分方程和接触力方程均为四阶非线性常微分方程,利用解析方法对抽油杆柱在垂直井、斜直井和弯曲井眼中的屈曲微分方程进行了求解,得到了抽油杆柱在这三种情况下发生正弦屈曲和螺旋屈曲的临界载荷。并且得出了抽油杆柱在不同井眼中的变形规律及发生杆管偏磨的临界条件。明确了三维井眼中抽油杆柱的受力及变形形态后,提出了基于实际井眼轨迹的抽油杆柱设计方法及采用加重杆时的杆柱设计方法。实例计算表明,优化后的设计方法以抽油杆柱的实际受力及变形为基础,设计出的杆柱组合更合理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究的现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究的主要内容
• 第二章 杆管偏磨影响因素分析
• 2.1 井眼弯曲对杆管偏磨的影响
• 2.2 产出液的腐蚀性对杆管偏磨的影响
• 2.2.1 产出水具有较强的腐蚀性
• 2.2.2 含水上升导致杆管腐蚀偏磨加剧
• 2.2.3 偏磨和腐蚀的协同效应
• 2.2.4 缝隙腐蚀和冲蚀
• 2.3 失稳对杆管偏磨的影响
• 2.4 沉没度对杆管偏磨的影响
• 2.5 含水率对杆管偏磨的影响
• 2.6 聚合物驱对杆管偏磨的影响
• 2.7 抽油杆柱振动对杆管偏磨的影响
• 2.8 井口回压、井口盘根对偏磨的影响
• 2.9 抽汲参数对杆管偏磨的影响
• 2.10 其他影响因素
• 2.11 本章小结
• 第三章 三维井眼抽油杆柱受力分析
• 3.1 三维井眼的几何描述
• 3.2 三维井眼中抽油杆柱的几何描述
• 3.2.1 中和点以上抽油杆柱几何描述
• 3.2.2 中和点以下抽油杆柱几何描述
• 3.3 三维井眼中抽油杆柱受力分析
• 3.3.1 三维井眼中抽油杆柱微元体受力分析
• 3.3.2 三维井眼中抽油杆柱端面受力分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 三维井眼抽油杆柱屈曲变形规律及偏磨条件的研究
• 4.1 三维井眼中抽油杆柱的屈曲变形方程
• 4.1.1 垂直井眼中抽油杆柱的屈曲方程
• 4.1.2 斜直井眼中抽油杆柱的屈曲方程
• 4.1.3 弯曲井眼中抽油杆柱的屈曲方程
• 4.2 屈曲微分方程的解
• 4.2.1 杆柱在垂直井眼中屈曲方程的解
• 4.2.2 杆柱在斜直井眼中屈曲方程的解
• 4.2.3 杆柱在弯曲井眼中屈曲方程的解
• 4.3 三维井眼中抽油杆柱屈曲变形规律
• 4.3.1 垂直井眼中抽油杆柱屈曲形状的判断
• 4.3.2 斜直井眼中抽油杆柱屈曲形状的判断
• 4.3.3 弯曲井眼中抽油杆柱屈曲形状的判断
• 4.4 杆管偏磨的临界条件
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于三维井眼的抽油杆柱优化设计
• 5.1 抽油杆柱设计方法描述和分析
• 5.2 基于实际井眼轨迹的设计方法
• 5.2.1 设计思路
• 5.2.2 模型建立
• 5.2.3 设计流程
• 5.3 设计实例
• 5.4 采用加重杆的抽油杆柱设计
• 5.4.1 加重杆的设计
• 5.4.2 设计实例及分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢