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试论螺杆泵采油系统工况预测技术

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年1月作者：瞿世红郑朝阳王延伟

[导读] 国内有关地面驱动单螺杆泵采油系统的相关研究依然处在初步探索阶段，还没有得到令人满意的结果。所以本文，首先对相关问题进行数学分析，在此基础上提出了一套完整的动态预报模型，通过这一模型，可以对实际使用过程中的非线性问题进行研究。

中国石化胜利油田分公司河口采油厂人力资源服务中心石开项目部瞿世红郑朝阳王延伟

摘要：国内有关地面驱动单螺杆泵采油系统的相关研究依然处在初步探索阶段，还没有得到令人满意的结果。所以本文，首先对相关问题进行数学分析，在此基础上提出了一套完整的动态预报模型，通过这一模型，可以对实际使用过程中的非线性问题进行研究。
关键词：地面驱动单螺杆泵；生产参数；模型构建；工况预测
        本文针对地面驱动单螺杆泵在运动过程当中出现的非线性问题进行了研究，例如：电机启动问题、螺杆泵和壁面间的接触问题等。在对相关问题进行分析之后，进行了有关单螺杆泵采油系统工况预测技术的研发，通过建立数学模型来完成相关工况的预测。通过这一模型，能够对螺杆泵的有关核心工艺参数进行实时预报。
        1.构建单螺杆泵采油系统生产参数动态预测模型的意义
        单螺杆泵采油系统是石油开采过程中的关键提升工具，尽管近些年，国内有关这一系统的相关理论与使用经验得到了大幅提升，但在采油系统实时工艺参数动态预报方面的研究还处在摸索阶段，这一情况大大限制了螺杆泵在采油行业的使用，所以必须对此问题进行分析解决。通常情况，采油系统的关键参数的实时预报，主要应用于系统深度优化与完善等方面。根据相关的数学模型对相关工况进行分析计算，得到相关结果之后，仍然需要对不同的设计结果进行动态验证。只有通过这种验证分析，才能够保证在系统实际运行前对相关参数进行预报，从而得到一个理想的设计结果。但进一步分析可知，螺杆泵采油系统关键参数预报的核心是通过计算机仿真对相关工况进行计算，所以，这一预报系统的关键是建立一个合理的数学模型，并能够通过计算机来优化使用效果，在此基础上方可以对实际提供指导。
        2.碰撞模型的构建与验证
        2.1碰撞模型的构建
        在地面驱动的单螺杆泵开始运动的最初时刻，抽油杆速度为零，在电机启动之后，抽油杆速度逐步提升并最终到达稳定状态。在一般情况下，可以将这一类单螺杆泵的运动划分成两个阶段：1.电机启动并到达稳定转速阶段，也就是说单螺杆泵的启动环节。在此环节中，电动机保持加速阶段，所以这一过程中电机的加速度会随着时间的变化而出现变化。2.这一环节是电机稳定运行阶段，在这一过程中，电机会保持某一速度稳定的运行，但在实际使用的过程中，由于受到较多外部因素的干扰，使得电机在这一过程中的转速也会发生一定的波动[1]。
        按照通常情况，除了可将电机的运行过程分为两个阶段，还可将抽油杆的运动过程分为延迟阶段、启动阶段和工作阶段，在不同阶段的扭矩分配图如图 1 所示

图 1 抽油杆启动阶段的分布扭矩示意图
        电机和抽油杆的工作阶段存在一定差异，通过对实际进行分析之后可知，在实际工况下，抽油杆启动所需要的时间要略多于电机，即抽油杆到达稳定运行阶段的时间会滞后于电机到达稳定运行的时间，抽油杆需要更多的时间才可以过渡到一个相对平稳的运行状态下。
        结合抽油杆在实际工作时的状况，选取井口至井底这段范围内的抽油杆和油管柱当作研究对象，首先结合实际使用过程中的相关工况，对二者间的接触做出以下几点假设：
        （1）假设二者间的碰撞发生在一个非常短的时间内，所以可以将碰撞过程省略，只对发生碰撞之前以及碰撞之后的状态进行研究[2]。
        （2）假设管壁为绝对刚性物体，也就是说，在发生碰撞的这段时间内，不去考虑管壁的形变大小，所以可以不考虑碰撞过程中二者之间的接触面积的分布情况，同时可以忽略因避免变形而造成的管壁表面摩擦系数的变化，从而对问题进行简化。
        （3）假设抽油杆在碰撞过程中的形状不发生变化，但需要注意的是这里只是忽略自身的形状变化，而不能忽略因碰撞引起的截面形状变化，例如，这里可以忽略因撞击而引起的接触位置的凹陷，或者因撞击而造成的抽油杆的表面出现划伤。通过次假设可忽略因界面性形状的变化而引起的表面摩擦系数的改变。
        （4）假设碰撞过程中产生的热量不会引起物体物理特性的变化，所以可假设在碰撞过程中，二者的弹性模量保持恒定。
        通过跟踪与分析可知，抽油杆与管壁之间的碰撞时间极短，使得碰撞的过程非常短暂。所以在进行实际数学模型建立的过程中，可以不对具体的碰撞时间进行精确计算。若将此部分纳入数学模型，则必须考虑因碰撞而造成的二者截面形状的变化，此时只能通过模拟仿真来构建碰撞模型，但由于抽油杆属于大尺寸构件，模拟计算过程中的单元数过大，使得计算机无法胜任如此大型的构建模拟计算。
       在完成上述假设之后，可以对抽油杆与壁面的碰撞问题进行进一步简化与分析。抽油杆与壁面碰撞过程的空间简图，如图 2 所示：在图中存在三组坐标系，依次是全局坐标系（X,Y,Z），碰撞坐标系（ξ,η,ζ）以及接触位置的局部的坐标系（x,y,z）。在这一碰撞坐标系当中，ξ轴表示碰撞点的法向，ζ轴表示管柱的轴线方向，即管壁纵向的切线方向；η是根据ξ和ζ按照右手法则得到的，即二者碰撞过程中顺管柱界面的切线方向。

         2.2碰撞模型的验证
        本文针对油田所使用的相关设备的碰撞过程进行了计算分析，通过相关计算模型进行了计算模型的求解。在完成上述工作之后，比较了井内的扭矩分布情况与井口扭矩分布情况。通过分析可以看出，在启动的过程中，抽油机存在脉动较大的问题。在增大深度之后可在一定程度上减小转矩的脉动问题。经过相关计算之后发现，在井口处的扭矩最大误差约在 12%左右，符合模型使用条件。这一模型误差的原因在于，由于静态时间较长使得膨胀效应以及扭矩变大。所以在实际使用的时候，应在泵稳定运行一段时间之后在进行分析计算，进而减少误差。通过相关分析表明，模型的预报值与测量值相吻合，说明此模型能够对实际生产过程中的相关工艺参数进行良好的预报。
        3.结语
        螺杆泵是国内众多油田所使用的关键提升设备，其工作的稳定性直接决定着油田能否正常运作，但在现有的研究当中，对于地面驱动的单螺杆采油系统相关研究仍然处于初步的探索阶段，尚无法建立一套完善的理论模型，因此需要相关科研学者对这一设备使用过程中所出现的螺杆与管壁碰撞问题等诸多非线性问题进行细致研究，在完成分析的基础上推导出一套完善的工艺参数预报模型。进而通过相关工艺模型，对不同工况下的设备运行情况进行精确的预报，从而为国内相关油田的实际生产提供理论指导。
参考文献
[1]王京通. 螺杆泵智能监控在海外河油田的应用试验[J]. 石油和化工节能, 2016(09).
[2]杨忠贵. 扶余油田提高螺杆泵井生产潜力工艺技术研究[D]. 东北石油大学, 2015.
[3]马加尚. 潜油直驱螺杆泵采油系统参数优化与故障诊断[D]. 西安石油大学, 2014.