抽油杆柱有限元分析模型的改进及实际应用

论文摘要

抽油杆柱是有杆抽油系统的关键部件之一。无论是直井,还是定向井,实际井眼轨迹一般都是一条空间曲线。当抽油杆柱在井眼中做往复运动时,由于受到井眼约束与各种载荷的作用而发生空间弯曲,导致杆管产生接触摩擦而使抽油杆柱产生偏磨,从而影响了抽油杆柱的使用寿命,严重时还可能造成抽油杆断脱事故。因此,研究抽油杆柱在油管内的受力与变形规律,准确预测杆管接触区域、接触压力、偏磨速率等对于指导油井防偏磨措施设计具有重要的实际意义。本文主要开展了以下几方面的工作:(1)深入研究了抽油杆柱环境载荷的仿真模型,完善了抽油杆柱受力变形的有限元仿真分析软件。具体内容包括:考虑油气水多相流动对抽油泵工作性能的影响,建立了泵筒内工作压力与泵端液体载荷的仿真模型;考虑了抽油杆柱纵向振动的影响,建立了轴向分布力仿真模型;结合抽油杆柱实际结构,建立了智能自动划分单元的方法;提出了弹簧元弹簧刚度的优化迭代方法,提高了软件仿真速度,使单井计算时间由原来的30~90分钟下降到5分钟以内。(2)基于抽油杆柱节点位移及节点载荷的有限元分析结果,建立了含待定参数的杆管接触区域与接触分布压力的计算模型。建立了待定参数识别的优化模型,实现了杆管实际接触区域与接触分布压力的定量预测,为进一步研究杆管摩擦磨损规律奠定了基础。(3)基于抽油杆柱与油管柱的接触区域及接触分布压力规律,利用摩擦学原理并结合抽油杆柱与油管柱的具体形状,建立抽油杆柱与油管的接触磨损速率模型,并通过校核抽油杆柱磨损后的剩余强度确定抽油杆柱的最大允许磨损极限,建立了实际生产条件下抽油杆磨损寿命的预测模型。(4)利用Visual Basic 6.0语言开发《抽油杆柱力学分析软件》,该软件综合考虑了油井实际生产的地面抽油机、井下抽油杆柱、地下油藏的各种参数,也考虑了抽油杆柱具体结构接箍和扶正器对杆柱变形的影响,比较真实地实现了对油井抽油杆柱实际工作状态的仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 抽油杆管柱力学国内外研究现状
• 1.3 抽油杆管柱接触问题的有限元研究现状
• 1.4 抽油机井杆管柱磨损寿命研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 抽油杆管柱接触有限元分析模型的改进
• 2.1 抽油杆柱接触有限元分析方法及及其存在的问题
• 2.1.1 抽油杆柱接触有限元分析方法简介
• 2.1.2 抽油杆柱有限元分析模型及软件存在的缺点和不足
• 2.2 泵端柱塞液体载荷的仿真模型
• 2.2.1 泵筒内压力与泵端载荷仿真模型
• 2.2.2 泵筒内压力变化仿真模型
• 2.3 杆两端边界条件的修正
• 2.4 抽油杆柱轴向分布力的动态仿真模型
• 2.5 单元自动划分与弹簧刚度迭代方法的优化
• 2.5.1 抽油杆单元的自动划分
• 2.5.2 弹簧刚度优化迭代算法
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于节点仿真结果的杆管接触模型
• 3.1 力学模型的简化
• 3.2 抽油杆柱弯曲受力分析
• 3.3 抽油杆柱弯曲数学模型
• 3.4 边界条件及连续条件的确定
• 3.4.1 梁两端边界条件
• 3.4.2 梁中间连续条件
• 3.5 待定参数的优化模型
• 3.5.1 待定参数的优化目标函数
• 3.5.2 优化约束条件
• 3.5.3 优化算法
• 3.6 本章小结
• 第4章 抽油杆柱磨损寿命预测模型
• 4.1 磨损理论简介
• 4.1.1 IBM 零磨损计算方法
• 4.1.2 能量磨损理论
• 4.2 抽油杆柱磨损几何形状描述
• 4.3 抽油杆柱磨损计算模型
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 忽略油管磨损的抽油杆体及接箍磨损数学模型
• 4.3.3 扶正器磨损数学模型
• 4.4 考虑油管磨损时的抽油杆柱磨损模型
• 4.5 抽油杆磨损寿命预测
• 4.5.1 抽油杆柱承受载荷
• 4.5.2 抽油杆柱应力计算
• 4.5.3 抽油杆柱使用寿命计算
• 4.6 本章小结
• 第5章 抽油杆柱力学软件开发及实例分析
• 5.1 软件开发环境概述
• 5.1.1 Visual Basic 语言概述
• 5.1.2 Access 数据库概述
• 5.2 软件功能介绍
• 5.3 仿真实例分析
• 5.3.1 仿真计算选用基本数据
• 5.3.2 抽油杆柱有限元分析实例
• 5.3.3 抽油杆柱接触压力分布计算实例
• 5.3.4 抽油杆磨损寿命计算实例
• 5.4 本章小结
• 结论
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介