CN117390363A - 采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，依次包括如下步骤：1、根据胡克定律，得到抽油杆柱自重状态下的伸长量计算公式；2、根据胡克定律，得到抽油杆柱在液柱载荷下的伸长量计算公式；3、根据胡克定律，得到抽油杆柱在变速载荷下的伸长量计算公式；4、联立上述抽油杆柱伸长量计算公式，得到抽油杆柱伸长变化量的数学模型，建立抽油杆柱理论伸长变化量的关系函数；5、结合杆柱伸长变化量的实测数据和理论伸长变化量，进行回归拟合，对数学模型进行修正，得到修正后抽油杆柱伸长变化量的计算公式。该方法可以准确计算出抽油杆柱的伸长变化量，为防冲距的合理制定提供理论依据。

Description

采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法
技术领域
本发明涉及高气液比采油井用防气泵杆柱伸长变化量计算方法，尤其涉及一种采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，适用于防气泵等特殊结构采油泵的防冲距的制定，属于有杆泵采油技术领域。
背景技术
在有杆泵采油生产中，影响抽油泵泵效的因素主要有杆管柱的伸缩、井液中的含气量、泵的充满及漏失等。泵筒中余隙空间的存在使抽油泵受气体影响泵效降低，余隙空间越大、气体影响越大，导致有效冲程越小，泵效越低。这种现象在高气液比有杆泵采油井中尤为明显，甚至出现“气锁”现象。
在实际生产过程中，常采用防气泵减小气体影响以提高泵效，而杆柱伸长量对防气泵的防气效果影响很大，准确计算抽油杆柱在生产过程中的伸长量是确定防冲距的重要依据。在油田生产中，设计了一种气液混抽泵能较好的解决气体对泵效的影响，但是缺少合理的杆柱伸长量计算公式指导制定合理的防冲距。在现场应用时，需要多次调整防冲距后才达到理想使用效果。
目前一般认为计算出杆柱最大伸长量可直接用于指导制定防冲距，相关学者多采用计算杆柱最大伸长量确定防冲距的方式，没有对杆柱伸长变化量进一步研究，并忽略了现场实际生产情况对防冲距的影响。杆柱伸长变化量为采油泵的一个冲次内，杆柱最大伸长量减去杆柱最小伸长量的值。
2009年10月期刊《油气田地面工程》刊登的文章“防冲距对抽油机井泵效的影响分析”中通过对抽油泵工作过程的理论分析，推导了抽油泵防冲距计算公式；但是只分析了防冲距和泵效，防冲距和泵径、杆径的关系，没有用杆柱伸长量指导防冲距的合理制定。
2013年4月期刊《内蒙古石油化工》刊登的文章“浅谈如何确定抽油机井的合理防冲距”中通过对抽油杆柱进行受力分析并采用积分方法，分油管锚定和未锚定两种情况，分别推导出抽油杆柱伸长量的计算公式，但是依据其公式无法得出应用数据。
2016年8月期刊《内蒙古石油化工》刊登的文章“合理优化油井防冲距”中对抽油杆柱进行假设，以悬点载荷变化规律为基础，推导出抽油杆柱伸长量的计算公式，但是依据其公式无法得出符合现场的数值。
综上所述，亟需一种综合考虑一个冲次内杆柱伸长变化量，包括抽油杆柱在自重载荷作用下、液柱载荷作用下、惯性载荷作用下的杆柱伸长量计算公式，和采用现场实际生产数据对计算公式进行拟合修正的计算方法。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的计算杆柱最大伸长量确定防冲距的方式没有对抽油杆柱伸长变化量进一步研究和忽略了现场实际生产情况对防冲距影响的问题，提供一种采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，通过准确计算出一个冲次内，抽油杆柱的伸长变化量，为防冲距的合理制定提供理论依据，从而实现防气泵的功能，提高泵效。
为解决以上技术问题，本发明的一种采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，依次包括如下步骤：
步骤1、考虑抽油杆柱自重伸长受抽油杆柱自身重力和在液体中的浮力影响，根据胡克定律，得到抽油杆柱自重状态下的伸长量计算公式；
步骤2、考虑抽油杆柱在上冲程中，游动阀关闭，承受柱塞上的液柱重量；下冲程时，游动阀打开，抽油杆柱不承受液柱载荷；根据胡克定律，得到抽油杆柱在液柱载荷下的伸长量计算公式；
步骤3、考虑在抽油机运转时，驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，根据胡克定律，得到抽油杆柱在变速载荷下的伸长量计算公式；
步骤4、联立上述抽油杆柱伸长量计算公式，得到抽油杆柱伸长变化量的数学模型，建立抽油杆柱理论伸长变化量的关系函数；
步骤5、结合杆柱伸长变化量的实测数据和步骤4得到的抽油杆柱理论伸长变化量，进行回归拟合，对数学模型进行修正，得到修正后抽油杆柱伸长变化量的计算公式。
进一步的，步骤1中，抽油杆柱自重状态下的上冲程伸长量λ1和下冲程伸长量λ'1，计算公式如下：
上冲程：
下冲程：
式中，ρs为抽油杆柱密度，单位：kg/m3；ρ1为抽汲液体密度，单位：kg/m3；g为重力加速度，单位：m/s2；H为高气液比油井采油泵泵挂深度，单位：m；E为弹性模量，单位：GPa。
进一步的，步骤2中，抽油杆柱在液柱载荷下的上冲程伸长量λ2和下冲程伸长量λ'2计算公式如下：
上冲程：
下冲程：λ'2＝0 (4)
式中，fp为防气泵柱塞截面积，单位：cm2；fr为抽油杆柱截面积，单位：cm2。
进一步的，步骤3中，抽油杆柱悬点的运动模型近似为曲柄滑块运动，上冲程最大载荷发生在上死点，下冲程最大载荷发生在下死点，得到抽油杆柱在变速载荷下的上冲程伸长量λ3和下冲程伸长量λ'3计算公式；
上冲程：
下冲程：
式中，s为冲程，单位：m；n为冲次，为无因次量；r为抽油机曲柄长，单位：m；l为抽油机连杆长，单位：m。
进一步的，步骤4中，抽油杆柱理论伸长变化量λ理论的关系函数如下：
进一步的，步骤5中，修正后抽油杆柱伸长变化量λ修正的计算公式为：
λ修正＝kλ理论+b (8)
其中，k为修正系数，为无因次量；b为常数。
进一步的，用下列公式计算理论伸长变化量的精度：
8.根据权利要求1至6中任一项所述的采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，其特征在于，用下列公式计算修正伸长变化量的精度：
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：相比于传统的计算杆柱最大伸长量确定防冲距的方式，本发明方法从抽油杆柱自重载荷伸长量、液柱载荷伸长量和变速载荷伸长量深入研究提出杆柱伸长变化量计算方法，同时结合现场实际生产示功图数据对杆柱伸长量计算公式进行拟合修正，确定修正系数。这种方法能有效结合现场实际情况，准确计算现场抽油机井抽油杆柱实际伸长变化量，为不同高气液比油井合理制定防冲距，充分发挥防气泵功能提供理论支撑，实现消除气体影响，提高泵效的目的。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。
本发明采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，具体包括如下步骤：
步骤1、考虑驴头作上下摆动时，带着抽油杆柱作上下往复运动，抽油杆柱重力始终作用在驴头上。下冲程时，游动阀打开后，油管内液体的浮力作用在抽油杆柱上，下冲程时计算杆柱的自重伸长需考虑液体浮力的作用；上冲程时，游动阀关闭，杆柱的自重伸长不受浮力影响。根据胡克定律，得到抽油杆柱自重状态下的上冲程伸长量λ1和下冲程伸长量λ'1，计算公式如下：
上冲程：
下冲程：
式中，ρs为抽油杆柱密度，单位：kg/m3；ρ1为抽汲液体密度，单位：kg/m3；g为重力加速度，单位：m/s2，一般取g＝9.8m/s2；H为高气液比油井采油泵泵挂深度，单位：m；E为弹性模量，单位：GPa，抽油杆柱材料通常为硬质合金，故一般取E＝206GPa。
步骤2、考虑抽油杆柱在上冲程中，游动阀关闭，承受柱塞上的液柱重量；下冲程时，游动阀打开，抽油杆柱不承受液柱载荷；根据胡克定律，得到到抽油杆柱在液柱载荷下的上冲程伸长量λ2和下冲程伸长量λ'2计算公式；
上冲程：
下冲程：λ'2＝0 (4)
式中，fp为防气泵柱塞截面积，单位：cm2；fr为抽油杆柱截面积，单位：cm2。
步骤3、考虑在抽油机运转时，驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，因而产生抽油杆柱和液柱的变速载荷。抽油杆柱悬点的运动模型近似为曲柄滑块运动，上冲程最大载荷发生在上死点，下冲程最大载荷发生在下死点。根据胡克定律，得到抽油杆柱在变速载荷下的上冲程伸长量λ3和下冲程伸长量λ'3计算公式；
上冲程：
下冲程：
式中，s为冲程，单位：m；n为冲次，为无因次量；r为抽油机曲柄长，单位：m；l为抽油机连杆长，单位：m。
步骤4、联立上述抽油杆柱伸长量计算公式(1)+(3)+(5)-(2)-(4)-(6)，得到抽油杆柱伸长变化量的数学模型，建立抽油杆柱理论伸长变化量λ理论的关系函数；
以M5-5等9口高气液比油井为例，各井的生产及杆柱数据，包括有泵挂深度H、抽油杆柱密度ρs、抽汲液体密度ρ1、重力加速度g、弹性模量E、抽油杆柱截面积fr、防气泵柱塞截面积fp、冲程s和冲次n，如表1所示。
将表1中数据带入式(7)中计算，得到抽油杆柱伸长变化量λ理论数据，计算结果见表2中第一列。
表2理论和修正伸长量及精度数据
井号 理论伸长变化量/cm 修正伸长变化量/cm 理论伸长变化量精度 修正伸长变化量精度
M5-5 28.35 37.51 70.88％ 93.76％
M35-10 41.71 53.10 75.84％ 96.54％
Z13-9 51.37 64.37 68.49％ 85.83％
S24-1 58.17 72.31 83.10％ 96.71％
S23-1 69.51 85.54 86.89％ 93.08％
T95-4 76.98 94.26 85.53％ 95.27％
H32-3 83.53 101.90 98.27％ 80.12％
H26-12 113.21 136.54 75.47％ 91.02％
H26-10 85.19 103.84 87.82％ 92.75％
平均 81.37％ 91.70％
步骤5、结合表1中的杆柱伸长变化量的实测数据(实测示功图数据中，杆柱的伸长变化量)和表2中理论伸长变化量数据，进行回归拟合，对数学模型进行修正，确定修正系数k，得到修正后抽油杆柱伸长变化量λ修正的计算公式：
λ修正＝1.167λ理论+4.421 (8)
收集表2中第一列的数据代入式(8)计算出修正伸长变化量λ修正，数据详见表2中第二列。
用式(9)计算理论伸长变化量精度：
理论伸长变化量精度计算结果及平均值详见表2中第三列。
用式(10)计算修正伸长变化量精度：
修正伸长变化量精度计算结果及平均值详见表2中第四列。
应用修正公式的井的平均计算精度：ε修＝91.70％，应用理论公式的井的平均计算精度：ε理＝81.37％。对比可知，结合现场实测示功图数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，其计算精度有明显提高(提高10.33％)，能更为准确地计算出抽油杆柱伸长变化量，修正公式计算精度较高，可直接应用于生产现场，为后续防冲距的确定提供理论依据。
以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，非因此局限本发明的专利保护范围，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制。除上述实施例外，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还可以有其他实施方式。本发明还会有各种变化和改进，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。

Claims (8)

1.一种采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
步骤1、考虑抽油杆柱自重伸长受抽油杆柱自身重力和在液体中的浮力影响，根据胡克定律，得到抽油杆柱自重状态下的伸长量计算公式；
步骤2、考虑抽油杆柱在上冲程中，游动阀关闭，承受柱塞上的液柱重量；下冲程时，游动阀打开，抽油杆柱不承受液柱载荷；根据胡克定律，得到抽油杆柱在液柱载荷下的伸长量计算公式；
步骤3、考虑在抽油机运转时，驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，根据胡克定律，得到抽油杆柱在变速载荷下的伸长量计算公式；
步骤4、联立上述抽油杆柱伸长量计算公式，得到抽油杆柱伸长变化量的数学模型，建立抽油杆柱理论伸长变化量的关系函数；
步骤5、结合杆柱伸长变化量的实测数据和步骤4得到的抽油杆柱理论伸长变化量，进行回归拟合，对数学模型进行修正，得到修正后抽油杆柱伸长变化量的计算公式。
2.根据权利要求1所述的采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，其特征在于，步骤1中，抽油杆柱自重状态下的上冲程伸长量λ1和下冲程伸长量λ'1，计算公式如下：
上冲程：
下冲程：
式中，ρs为抽油杆柱密度，单位：kg/m3；ρ1为抽汲液体密度，单位：kg/m3；g为重力加速度，单位：m/s2；H为高气液比油井采油泵泵挂深度，单位：m；E为弹性模量，单位：GPa。
3.根据权利要求1所述的采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，其特征在于，步骤2中，抽油杆柱在液柱载荷下的上冲程伸长量λ2和下冲程伸长量λ'2计算公式如下：
上冲程：
下冲程：λ'2＝0(4)
式中，fp为防气泵柱塞截面积，单位：cm2；fr为抽油杆柱截面积，单位：cm2。
4.根据权利要求1所述的采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，其特征在于，步骤3中，抽油杆柱悬点的运动模型近似为曲柄滑块运动，上冲程最大载荷发生在上死点，下冲程最大载荷发生在下死点，得到抽油杆柱在变速载荷下的上冲程伸长量λ3和下冲程伸长量λ'3计算公式；
上冲程：
下冲程：
式中，s为冲程，单位：m；n为冲次，为无因次量；r为抽油机曲柄长，单位：m；l为抽油机连杆长，单位：m。
5.根据权利要求1所述的采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，其特征在于，步骤4中，抽油杆柱理论伸长变化量λ理论的关系函数如下：
6.根据权利要求1所述的采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，其特征在于，步骤5中，修正后抽油杆柱伸长变化量λ修正的计算公式为：
λ修正＝kλ理论+b (8)
其中，k为修正系数，为无因次量；b为常数。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，其特征在于，用下列公式计算理论伸长变化量的精度：
8.根据权利要求1至6中任一项所述的采用实测数据修正的抽油杆柱伸长变化量计算方法，其特征在于，用下列公式计算修正伸长变化量的精度：
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