地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵抽油桿柱負(fù)載扭矩的計(jì)算

1、大 慶 石 油 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) J ( ) URNAIOFI ) AQI N( ；P E TROIE UM I NS ' ] 、 I TUTE第 2 8卷 第 6期 2 0 0 4年 1 2月Vo I ．2 8No ． 6De c ．2 0 0 4地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵抽油桿柱負(fù)載扭矩 的計(jì)算 陳濤平 ， 王春艷 ， 孫兆海。 ， 錢朝 慧(1 ．大 慶石 油學(xué) 院 石 油工程 學(xué)院 ， 黑 龍江 大 慶1 6

2、3 3 1 8 ；2 ．大慶 油 田有 限責(zé) 任公 司 勘探 開 發(fā)研究 院 ， 黑龍江 大 慶1 6 3 7 1 2 ；3 ， 大 慶 油田有 限責(zé) 任公 司 第 十采 油廠 ， 黑 龍 江 大 慶1 6 6 4 0 5 ；4 ．大慶 油 田有 限責(zé) 任公 司 第 四采 油廠 ， 黑龍 江 大慶 l 6 3 3I 3)摘 要 ： 為完 善負(fù) 載扭 矩 的計(jì) 算方 法 ． 根據(jù)地 面驅(qū) 動(dòng)螺 桿泵 的抽 油原理 ， 應(yīng) 用環(huán) 空螺 旋

3、流 的理 論 ， 建立 了桿 管 環(huán)空 壓 降及抽 油桿 柱與 井液 間摩擦 扭矩 的數(shù) 學(xué)模 型 ， 進(jìn) 而給 出 了螺 桿泵 工作 時(shí)抽 油桿柱 負(fù)載 扭矩 的計(jì) 算公式 ．現(xiàn)場 應(yīng)用 結(jié) 果表 明 ： 將環(huán) 空 螺旋 流的理 論應(yīng) 用于 螺桿 泵井桿 管環(huán) 空 中流體 流動(dòng)規(guī) 律 的描述 中 ， 可 使螺 桿 泵抽 油 桿柱 負(fù) 載扭 矩 計(jì)算 值 的平 均 相 對(duì)誤差 不 大于 2 ， 0 0； 有功 扭矩 在總扭 矩 中所 占

4、的 比例最 大 ； 桿 液摩擦 扭 矩受 黏度 、 桿 管 直徑 比及泵 轉(zhuǎn)速 的影 響 ， 聚驅(qū) 油井 的桿 液摩擦 扭矩 通 常 比水 驅(qū)井 的大．關(guān) 鍵 詞 ： 地 面驅(qū)動(dòng) ；螺桿 泵 ； 負(fù) 載扭矩 ；抽 油桿 ； 扭 矩計(jì)算 中圖分 類 號(hào) ： T E 3 5 5 ， 5文獻(xiàn) 標(biāo)識(shí) 碼 ： A文章 編號(hào) ： 1 0 0 0 —1 8 9 1 ( 2 0 0 4 ) 0 6 —0 0 2 6 —0 3地面驅(qū)動(dòng)螺桿 泵抽油桿柱負(fù)

5、載扭 矩的精確計(jì)算對(duì)螺 桿泵 工況 的診 斷 、 抽油 桿柱 的合理 設(shè)計(jì) 以及 泵 的 選擇具 有重要意 義．有些學(xué)者 以動(dòng)力學(xué) 分析為基 礎(chǔ)， 建立 了相關(guān)模 型 ， 根 據(jù)地面實(shí)測扭 矩計(jì)算 井筒 中各部 位 的扭 矩。 r ； 另有學(xué) 者在螺桿 泵工 況分析 中， 從抽 油桿 的受力 出發(fā) ， 提 出 了抽 油桿柱 負(fù)載 扭矩 的計(jì) 算方 法 ； 陳憲侃 等在桿柱設(shè) 計(jì)時(shí) ， 提 出了扭矩計(jì)算 的簡化程序．筆者擬根據(jù)地 面驅(qū) 動(dòng)

6、螺 桿泵 的抽 油原 理及 環(huán) 空螺旋流 的流動(dòng) ， 考慮泵進(jìn) 、 出 口壓 差的影響 因素 ， 建立 了流動(dòng) 壓力損耗及扭矩 的數(shù)學(xué)模型．1計(jì)算負(fù)載扭矩 的數(shù)學(xué)模型 地面驅(qū) 動(dòng)螺 桿泵正常工作 時(shí) ， 原動(dòng)機(jī)通 過抽 油桿柱帶動(dòng)螺桿 泵旋轉(zhuǎn) ， 抽 油桿柱受到 的總扭 矩為 M — M 1 + M 2 + M 。+ M + M s ，( 1 )式 中： M 為轉(zhuǎn)子 的有 功扭矩 ； M 為抽 油桿柱 與井 液的摩 擦扭 矩 ；

7、M。 為抽 油 桿柱與 油管 間 的摩擦扭 矩 ；M． 為定子 與轉(zhuǎn)子間的過盈扭 矩 ； M 為抽 油桿的慣性扭矩 ．1 ． 1 轉(zhuǎn)子的有功 扭矩 螺桿泵工作 時(shí) ， 通 過螺桿 一襯套副 的作 用 ， 將轉(zhuǎn)子 的機(jī)械 能轉(zhuǎn)化 成液 體 的壓 能 ， 每轉(zhuǎn) 的能 量轉(zhuǎn) 化關(guān) 系 為 2 7 c M 1一 q Ap q P ，( 2 )式 中 ： q為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一 周的理論排量 ； A p為螺桿泵 吸人端與排 出端 流體壓差 ；為泵 的容

8、 積效率．根據(jù) 螺 桿泵特征 曲線 ， 不 同泵型的容積效率 為 0 ． 7 5 ～0 ． 8 5 ， 其 中( ， 一 Q ／ ( 14 4 0 n )，Ap— P+ l Dg L+ A p f — P c一 P，式 中： Q為抽 油井 E t 產(chǎn)量 ；為泵的轉(zhuǎn)速 ； I D為油 管 中流體 的平均密 度 ；為油 套環(huán)空 中液體 的平 均密度 ；L為泵 出 口至 井 口的距離 ； h為油套環(huán)空動(dòng)液 面至泵吸人 口的距 離 ； P為井

9、 口套壓 ； P 。 為井 口油壓 ； A p f 為 泵 出口至井 口流體流動(dòng) 的摩擦 阻力損失．I坐 標(biāo)軸 與桿 管 中心 軸重 合 ， 以井 底 為 中心 坐標(biāo) 原 點(diǎn) ， 建 立柱 坐標(biāo) 系0( r ，， 。 ) ， 其周 向 、 軸 向和徑 收稿 日期 ： 2 f ) 0 4 —0 g 一 15 ； 審 稿人 ： 趙子 剛 ： 編 輯 ： 關(guān) 開 澄作者 簡介 ： 陳濤 平( I1) ． 男 ， 碩 士， 教授 ． 主要 從事

10、 采油 工藝 及提高 采 收率等 方面 的研 究 ·2 6·維普資訊 http://www.cqvip.com 大 慶 石 油 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 第 2 8卷 2 0 0 4年 M 4— 0 ． 0 9 13 a o一 ”+ 4 7．( 9 )I _ 5 抽油桿 的慣性 扭矩 螺桿 泵地面裝置啟 動(dòng)時(shí) ， 光桿 的轉(zhuǎn)速瞬 間提高 ， 受 原油 黏滯 力的影 響 ， 抽油 桿扭 矩 的傳 遞緩 慢．假 定 螺桿 泵啟抽

11、及停泵過 程中 ， 桿柱 均為勻變速旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ， 則 由角加速度 e 引起 的抽 油桿 的慣性扭矩 為 M 一 — n— n_ = I ．m。 — D一2,，( 1 0 )l0r式 中 ： m 為單 位長度桿柱 的質(zhì)量 ； t 為啟動(dòng)或停 泵時(shí)間．2現(xiàn) 場 應(yīng)用取大慶第 四采油廠 2 4口螺桿泵抽 油井穩(wěn) 定生產(chǎn)時(shí) 的生產(chǎn)數(shù) 據(jù)計(jì)算 負(fù)載 扭矩 ， 忽 略慣性 扭矩 ， 并與實(shí) 測 值進(jìn)行 比較 ， 見表 1 ．由表 1 可 以看

12、出， 水 驅(qū) 油井 抽 油桿 柱。 扭矩 計(jì)算 值 與其 實(shí) 測值 的平 均 相 對(duì)誤 差 為 1 ． 0 9， 聚驅(qū)油井抽 油桿 柱扭矩計(jì)算值 與實(shí)測值 的平均 相對(duì)誤差為 一1 ． 6 4， 均滿 足工程計(jì) 算 的要求．表 1表明 ： 無 論是水驅(qū)油 井還是聚驅(qū)油井 ， 在各項(xiàng)扭 矩 中， 有 功扭矩所 占比例最 大 ， 且 油井 的產(chǎn)液量 對(duì)有功扭 矩 的影響最大 ， 產(chǎn)液量 越高其有功扭矩 越大 ； 泵的初 始過盈參數(shù)在 下井前

13、 已適 當(dāng)調(diào)節(jié) ， 因此 ， 各泵 的過盈扭 矩值差別不 大 ； 桿液 摩擦 扭矩及桿管 摩擦扭 矩 因受 黏度 的影 響 ， 聚驅(qū) 油井 的扭 矩 值 比水驅(qū) 油井 的扭 矩值 大 ．表 l抽油 桿柱 扭 矩計(jì) 算值 與 實(shí)測 值對(duì) 比桿 液 摩 擦 扭 矩 的 對(duì) 比見 表 2 ．由式 ( 6 ) 及 表 2可 以 看 出 ， 桿 液摩擦扭矩 不僅與流體黏度 及泵 轉(zhuǎn)速成 正 比 ， 而且 還 受桿 管 直 徑 比的影 響 ； 當(dāng)

14、流體 黏 度及 泵 轉(zhuǎn) 速 一 定時(shí) ， 桿 管直徑 比越 大 ， 桿 液摩 擦扭 矩也越 大．表 2 桿 液摩 擦扭 矩 對(duì) 比3結(jié)論 ( 1 ) 將 環(huán)空螺旋流 的理論應(yīng)用于螺桿 泵井桿管環(huán)空 中流體 流動(dòng)規(guī)律 的描 述 中， 使 螺桿泵抽油桿柱 負(fù)載 扭 矩計(jì)算值 的平均 相對(duì)誤差 不大于 2 ． O 0．( 2 ) 有 功扭矩在 總扭 矩 中所 占的 比例最大．( 3 ) 桿 液摩擦扭矩受 黏度 、 桿 管直徑 比及泵 轉(zhuǎn)速的影

15、 響 ， 聚 驅(qū)油井 的桿液 摩擦 扭矩通 常 比水 驅(qū)油井 的 桿 液磨擦扭矩 大．參 考文 獻(xiàn) ：[ 1 ] 陳德春 ， 李兆 文 ， 吳曉 東．地 面驅(qū) 動(dòng)螺桿 泵采 油系 統(tǒng)抽 油桿 柱運(yùn)動(dòng) 模 型[ J ] ．石油 大學(xué)學(xué) 報(bào) ， 1 9 9 9 ， 2 3 ( 1 ) ： 4 2 ～4 4C 2 3 王海 文 ， 陳 鐳 ． 雷 鍵 ．螺桿 泵光 桿受 力分析 法 工況診 斷技 術(shù)[ J ] ．石 油鉆 采工藝 ． 2 0