油管柱振动机理研究与动力响应分析

内容简介

本书总结了作者多年以来围绕天然气井油管柱的振动而开展的研究工作。内容主要包括：国内外研究油管柱振动的现状及研究方法；利用理论和数值模拟方法，研究了天然气井开采过程中流体通过油管柱时在管柱内的流动规律等。2100433B

普通采油管柱是相对于稠油采油管柱而言的，为了适应地层能量、井况及产出液物理性质的生产要求，经过长期的研究及应用，普通采油管柱种类繁多，已形成系列化，现场应用较多、技术比较成熟的有两类：有杆抽油泵采油管柱及无杆泵采油管柱。

采油管柱有杆抽油泵采油管柱

有杆抽油泵采油管柱分为普通有杆抽油泵采油管柱和特殊有杆抽油泵采油管柱两大类。其中仅由油管、抽油杆、标准抽油泵、筛管及丝堵组成时称为普通有杆抽油泵采油管柱；在特殊井况及产出液的油井中，需要在管柱上配套使用辅助工具或特殊抽油泵才能完成原油开采，这种管柱称为特殊有杆抽油泵采油管柱。

一、普通有杆抽油泵采油管柱

(1)结构

主要是由抽油杆、油管、标准抽油泵(标准管式抽油泵或标准杆式抽油泵、筛管及丝堵组成的采油管柱，如图1所示。

(2)工作原理

利用抽油杆将抽油机的往复运动传递至标准抽油泵，使活塞作往复运动对井筒内的井液增加能量，井液通过油管举升至地面，完成人工举升。

(3)技术指标

正常排量范围：1—100m³/d；正常下入深度范围：<3000m

(4)适应性分析

①管柱配套使用标准管式抽油泵时，排液量较大，但在起下作业时，需要起下全部管柱，非生产时间较长，修井费用高，因此多在浅井或中深井中使用。

②管柱配套使用标准杆式抽油泵时，排液量较小，在起下作业时，不需要起下全部管柱，非生产时间较短，因此多在低产或深井中使用。

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

④管柱适宜自动控制，不适宜海上及市区生产。

二、特殊有杆抽油泵采油管柱

1、防砂卡抽油泵管柱

(1)结构

主要是由抽油杆、油管、防砂卡抽油泵及丝堵组成的采油管柱，如图2

(2)工作原理

抽吸过程与标准管式泵相同，防砂卡抽油泵双筒环形空间沉砂结构可消除管柱在出砂油井生产过程中或中途停抽时，因泵上管柱积砂及砂子进人柱塞与泵筒之间造成的砂卡，减少泵的磨损，延长管柱生产周期。

(3)技术指标

正常排量范围：1～100m³/d；正常下入深度范围：<3000m

(4)适应性分析

管柱适应含砂量<5%的出砂井生产，可防止砂卡，其他管柱适应性与普通有杆抽油泵采油管柱配套使用标准管式抽油泵相同。

2、防气锁泵管柱

(1)结构

主要是由抽油杆、油管、环阀式防气泵、封隔器式螺旋沉降气锚、筛管及丝堵组成的采油管柱。如图3所示。

(2)工作原理

管柱配套使用环阀式防气泵、封隔器式螺旋沉降气锚，减少管柱在高气油比井生产时气体的不利影响，提高管柱的工作效率。

(3)技术指标

正常排量范围：1.00m³/d；正常下入深度范围：<3000m

(4)适应性分析

用于气油比达420的油井生产，减少气体对管柱的不利影响，可防止气锁，提高泵效，其他管柱适应性与普通有杆抽油泵采油管柱配套使用标准管式抽油泵相同。

3、液压反馈抽稠泵管柱

(1)结构

主要是由抽油杆、油管、液压反馈抽稠泵、筛管及丝堵组成的采油管柱，如图4所示。

(2)工作原理

利用液压反馈抽稠泵结构，减少管柱在稠油井生产中因黏滞阻力过大造成的抽油杆柱下行困难及吸入差的不利影响，提高管柱的工作效率。

(3)技术指标

正常排量范围：1.100m3/d；正常下入深度范围：<3000m

(4)适应性分析

用于原油黏度小于4000mPa·s的稠油井，减少稠油对管柱的不利影响，其他管柱适应性与普通有杆抽油泵采油管柱配套使用标准管式抽油泵相同。

采油管柱无杆泵采油管柱

不需要抽油杆生产的采油管柱称为无杆泵采油管柱。现场应用较多、技术比较成熟的有两类：潜油电泵采油管柱及水力喷射泵采油管柱。

一、潜油电泵采油管柱

(1)结构

潜油电泵采油管柱，主要由两部分组成，如图5所示。①潜油机组：电机、保护器、油气分离器、多级潜油离心泵等。外形受油层套管尺寸的的限制，被制造成为细长园柱体形状，长度可达几十米，为了制造、运输及安装方便，各组件分节制造，长度一般不超过8m。在现场下井时，用花键连接，外壳用法兰螺栓连接，以上各主要部件都有各种规格以满足不同油井的要求。机组的下面安装有扶正器，上面安装有单流阀和泄油器。

②专用电缆：大、小扁潜油电缆，外形扁平。

(2)工作原理

自于地面的电力经过专用电缆使井下电机运转并带动离心泵工作，井液在离心泵的作用下将动能转化为压头，经油管被举升到地面。为了防止井液进入电机，承受泵的轴向负荷的作用，在潜油电机上配套使用保护器。为了减少游离气对离心泵的不利影响，在离心泵的吸入口配套使用油气分离器。

(3)技术指标

正常排量范围：80—905m³/d；正常下入深度范围：<2000m

(4)适应性分析

①排量调节范围宽，可在额定排量的10%一100%范围内正常工作，耐腐蚀，工作温度可达200℃。但存在井口工作压力高，地面污水处理负担大的问题。

②适用于受水驱控制的油井、高含水液量大的油井和低气液比的油井。适用于斜井、稠油井、高含砂井生产。

③作业施工工序较多，一次性投入大，不适应高含气井生产。

二、水力喷射泵采油管柱

(1)结构

主要是由油管、水力喷射泵、封隔器等组成的采油管柱，如图6所示。

(2)工作原理

从套管进人的高压动力液通过水力喷射泵将封隔器以下的井液抽吸并排出地面。

(3)技术指标

正常排量范围：1-100m³/d；正常下入深度范围：<3000m

(4)适应性分析

①水力喷射泵无运动部件，允许使用低质量的动力液，对高含水井、出砂井、高气液比井的适应性强。但存在效率低(低于30%)，要求井口工作压力高，地面污水处理负担大的问题。②受封隔器使用条件限制，不宜在大斜度井和水平井中使用。③对于套管耐压强度低或封隔器以上套管漏失的井不适用。

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在钻探领域，硬岩钻进存在钻进效率低、钻头寿命短、钻井成本高等问题。超声波振动作用可使岩石内部快速产生损伤或裂纹，岩石强度大幅度下降，从而降低破碎难度，提高岩石破碎效率。通过采用数值模拟方法，对超声波振动破碎硬岩过程进行模拟分析，从理论上探索超声波振动下岩石裂纹的形成与扩展规律，运用试验研究手段，探究静压力、振动时间、振动力、振动频率等超声波振动参数对岩石破碎效果的影响，获取各参数的最优取值区间。经研究，成功研制了超声波振动钻进实验装置，通过理论分析、数值模拟与试验相结合的研究方法，以岩石的细观损伤力学为基础，结合疲劳破碎理论、共振碎岩理论，分析岩石在超声波振动下的受力过程、力与岩石裂纹形成的关系，建立了超声波振动过程及花岗岩裂纹变化特性的数学模型数学模型，发现岩石胁迫响应的振幅与施加载荷的幅值成比例并得出公式。运用有限元软件、离散元软件对超声波振动岩石内部裂纹的动态演化过程进行建模计算得出了演化机理，发现拉伸破坏是裂纹失效的主要机制，扩展多沿与载荷加方向平行方向，且沿与加载方向成60°方向。基于核磁共振检测、热红外成像、渗透探伤法和数字图片处理技术等检测技术开展超声波振动实验，获取了超声波振动碎岩的裂纹衍生规律，发现岩样内的孔隙随超声波振动次数的变化呈现出弹性形变、起裂扩展、贯通破坏三个阶段，探究了振动碎岩参数对碎岩效果影响，发现振幅、静压力、时间均存在阈值，选取高于阈值的振动参数及接近固有频率的振动频率，能够获得最优的超声波振动碎岩效果。通过研究获取了岩石在超声波振动下的强度下降的规律、岩石损伤规律、最优碎岩振动参数，补充了领域空白，为超声波振动技术在工程实践中解决硬岩钻进难题提供理论支撑和技术指导，具有较大的实际意义与应用价值。 2100433B