有杆抽油是世界采油工程中一直占主导地位的机械采油方式。在我国各油田的生产井中大约80%是采用有杆抽油技术,总产油量的75%是依靠有杆泵采油采出,有杆抽油设备的能耗己占油田能耗的三分之一以上。近年来,随着油田勘探开发的不断深入,以及钻井技术水平的不断提高,为了满足开发需要,定向井开采方式逐渐被采用,且发展很快。定向井有杆泵采油已在油田开采中起着越来越重要的作用,但定向井有杆泵采油的设计和管理未能同步发展,常规垂直井有杆泵抽汲系统优化设计理论应用于定向井存在较大误差,因此,定向井有杆泵抽油系统优化设计的研究显得十分迫切,具有十分重要的现实意义。 有杆抽油系统是由地层、井筒、地面设备三部分组成,要保持有杆抽油系统高效节能工作,三个子系统必须相互协调工作。但是,定向井与垂直井相比,由于定向井井眼轨迹在三维空间上的变化,使得抽油杆柱工作环境变得恶劣,抽油杆柱的受力、弯曲变形更加复杂,导致杆管、油套管之间的偏磨、抽油杆脱扣,悬点载荷、最大扭矩增加,系统稳定性降低。同时,油田开发过程中,地层压力、生产气油比、含水率等生产参数变化,将导致系统不再协调工作,对低效井进行重新设计,改变抽油参数和机杆泵组合,提高系统稳定性,使系统高效节能地工作。 为了设计合理的定向井有杆抽油系统,本文在分析抽油杆柱在定向井三维空间受力与变形的基础上,建立了描述定向井抽油杆动态行为的非线性二阶偏微分方程,充分考虑机杆泵动态特性对系统的影响,结合供产协调原理,以数值模拟技术为基础,对系统进行优化设计和提高系统稳定性措施研究。围绕系统的优化设计和模拟,本文主要开展了以下几方面的研究工作。 根据游梁式抽油机的几何结构特点,采用矢量分析方法,对游梁式抽油机机构进行运动学建模和计算,得出了抽油机悬点位移、速度、加速度、扭据因数等运动学参数。根据抽油机动力学分析,结合最优化理论,建立平衡调节目标函数。 基于抽油杆柱在定向井三维空间的受力状念,深入开展了抽油杆柱载荷分析,建立了抽油杆柱的二维和三维空间的节点载荷计算数学模型,为抽油组合杆柱设计、杆管偏磨和抽油杆断脱分析等提供了理论依据。 在抽油系统优化设计方面,选择抽油设备以油井产量和下泵深度作为确定抽油机、抽油杆和抽油泵的基本依据,充分考虑机杆泵工况特性对系统的影响,以数值模拟为基础,结合地层供产协调原理,建立以经济指数作为系统优化设计目标函数,确定合理的工作制度,保证系统在满足产量要求的前提下,具有较高的工作效率。