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西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）高等继续教育毕业设计（论文）题目__有杆抽油井工程诊断方法及程序学生_________________________________联系电话_________________________________指导教师_________________________________评阅人_________________________________教学站点_________________________________专业_________________________________完成日期_______________________________西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）i摘要有杆泵采油是世界石油工业传统的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一直占主导地位的人工举升方式。及时、准确地掌握有杆抽油系统的工作状况，诊断油井所存在的问题，制定合理的技术措施，使油井及时恢复正常生产，提高举升效率和油井产量，对提高油田开发的综合经济效益具有十分重要意义。本文根据抽油机的几何结构，建立了抽油机悬点位移、速度、加速度等运动参数规律。在有杆泵抽油装置、泵的工作原理的基础上针对不同材质的组合抽油杆柱，对抽油杆微元体进行受力分析，并建立了描述抽油杆柱动力学特性的波动方程。从而建立诊断数学模型，以抽油机的悬点运动规律并结合悬点实测示功图作为诊断模型的边界条件，通过有限差分法对模型进行数值求解，利用VB语言编写程序计算出抽油杆柱的位移和载荷，绘出示功图。根据新疆油田两口生产井资料，通过所编程序对油井进行实例计算，从实测悬点载荷、位移求解出抽油杆不同位置在任意时间段的位移和载荷，并绘出泵示功图。实现对抽油系统工况诊断，验证所编程序。关键词：有杆抽油；示功图；诊断；波动方程；有限差分西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）ii目录第一章绪论.............................................................11.1研究目的和意义..............................................11.2国内外研究现状与发展趋势....................................11.2.1国外发展概况..........................................11.2.2国内发展概况..........................................31.3本文的主要工作..............................................3第二章游梁式抽油机动力学特性分析.......................................52.1常规游梁式抽油机简介........................................52.2抽油机悬点运动分析..........................................62.2.1简化分析..............................................62.2.2精确分析..............................................72.3悬点运动计算实例...........................................10第三章抽油机诊断模型的建立及求解......................................133.1杆柱动力学分析.............................................133.1.1抽油杆微元体受力分析.................................133.2诊断数学模型波动方程的建立与求解...........................153.2.1诊断数学模型的建立...................................163.2.2诊断模型的有限差分法.................................173.2.3诊断模型的求解.......................................193.3节点载荷及位移计算.........................................223.4阻尼系数的确定.............................................233.4.1多级杆阻尼系数的计算.................................24第四章计算机诊断技术的应用............................................274.1井下抽油泵工况分析.........................................274.2示功图故障分类.............................................27第五章有杆抽油井诊断实例..............................................305.1诊断程序界面...............................................305.2油井工况诊断分析...........................................30第六章结论............................................................36参考文献...............................................................37致谢...................................................................38附录1诊断模型求解程序代码............................................39附录2例1实测悬点载荷数据............................................42附录3例2实测悬点载荷数据............................................43西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）1第一章绪论1.1研究目的和意义有杆泵采油是世界石油工业传统的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一直占主导地位的人工举升方式。在我国，采油生产井中大约有90%采用有杆抽油技术，全国各油田产液量的60%，产液量的75%是靠有杆抽油技术采出的[1]。然而由于抽油泵是在近千米到数千米的井下，工况十分复杂，工作环境极其恶劣，不但受“机、杆、泵”抽油设备的影响，而且直接受到“砂、蜡、气、水”的影响，故障发生率很高，1998年的统计结果表明：我国平均每口有杆抽油井年作业1.25次，严重影响油田的正常生产。因此，及时、准确地掌握有杆抽油系统井下设备的工作状况，诊断油井所存在的故障问题，制定合理的技术措施，使油井及时恢复正常生产，最大限度的提高原油产量、降低生产成本和提高抽油效率，对石油工业的发展和提高经济效益都具有非常重大的理论意义和现实意义[1]。石油工业的发展对抽油丼故障诊断技术的研究提出强烈要求。几十年来，抽油丼故障诊断技术一直是国内外采油工程技术人员的一个重要研究课题，经过长期的研究与实践，抽油丼故障诊断技术取得了相当大的发展。1.2国内外研究现状与发展趋势自从有杆泵在油田服役以来，有杆抽油井的故障诊断先后经历了从靠感觉分析到靠仪器测量分析，从仪器测量分析到计算机处理分析，并向智能化诊断不断迈进的发展过程。近几十年来诊断技术得到了飞速的发展，特别是计算机诊断技术的出现，使有杆抽油系统故障诊断技术进入了一个崭新的阶段，即从定性分析到部分定量分析、从人工到初级智能。具体发展历程如下：1.2.1国外发展概况早期的油井故障诊断仅靠手感，工作人员用手握住光杆，上下运动几个冲程，凭感觉来判断抽油泵的某些故障，这种方法只适用于浅井，并且误差比较大[3]。到了二十年代，1927年发明地面光杆动力仪，利用光杆动力仪绘制光杆载西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）2荷与位移的关系曲线，即光杆示功图，然后对光杆示功图进行解释，以判断油井与设备故障，几十年来，许多国家进行了大量的研究工作：一方面，不断改进动力仪，提高检测精度；另一方面，不断改进示功图的解释方法，扩大解释范围[4]。1936年美国的Gilbert和Surgent发明井下动力仪。这种方法是将井下动力仪随同抽油泵一起下入丼内，用其直接测量泵示功图，因这种方法耗资甚巨，工艺也较复杂，没有得到推广应用[5]。1966年美国壳牌石油公司的Gibbs建立了带阻尼的波动方程作为描述应力波在抽油杆柱中过程的基本微分方程，通过求解方程，可以得到抽油杆柱任意截面及泵处的示功图，随后很多人在模型完善及求解方面做了大量的工作[1]。20世纪70年代末期，Schafer和Jennings在使用有限差分求解波动方程时，使用等步长差分形式，在抽油杆截面积和性质发生变化时，采用了等效值的概念，解决了多级杆及混合杆的波动方程求解问题。随后Nikea采用有限元计算求解波动方程，取得了较好的效果[17]。1969年8月，美国有杆泵研究股份公司与中西部研究所经美国石油学会采油设备标准委员会批准，发表API标准示功图。1981年美国塔尔萨大学的Doty和Schmidt建立了考虑液柱振动的二维预测数学模型。1988年Daek等在走访许多著名专家后研制处有杆抽油井故障诊断专家系统，它是将地面实测的示功图转换成井下示功图，然后与标准示功图进行比较以判断故障类型。同年，Svinos等，推出了一种由Basic语言编译的有杆泵诊断专家系统，该系统有5个模块，用产生式法则建立规则库，运用反向推理机建立了一个可以识别典型示功图并计算出有关数据的专家系统，然后利用这些数据诊断有杆抽油系统的故障。随后出现了各种诊断系统。美国Arc油气公司（DES）委内瑞拉Corpoven公司和CentraldeVenezuela（有杆泵抽油专家系统）。西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）31.2.2国内发展概况1989年西安石油学院的余国安和乌亦炯建立了综合考虑抽油杆柱、液柱和油管振动的三维数学模型，并进行了求解。这种三维振动的数学模型比起前两种数学模型来，在理论上显然更加符合实际一些[3]。1990年，石油大学用专家系统建造工具M.1开发有杆泵抽油丼故障诊断专家系统ESROFD。1991年，张润伟运用故障树分析技术也建立了一个有杆泵抽油诊断专家系统[5]。1993年，天津大学与大港油田共同开发了抽油机井集成化智能诊断，它集成多种诊断方法进行综合诊断（但不是多种方法的有机融合，而是几种方法的简单堆砌）。该系统中的元系统由C语言写成，子系统均用建造工具M.1专家系统外壳建立[5]。上述研究成果有力地推进了有杆抽油系统故障诊断技术的进一步发展，但是，由于抽油泵工况诊断极其复杂，我国油田的抽油丼故障诊断还没有实现智能化，还处在人工诊断阶段，有待于进一步深入研究[5]。近年来我国学者的研究与各石油单位联合，都具有一定的针对性，主要集中在：（1）有杆抽油系统预测和数值模拟的动力学模型建立；（2）预测和数值模拟数学模型的计算求解方法；（3）井下工况诊断；（4）地面设备的仿真；（5）有杆抽油系统的优化设计[4]。1.3本文的主要工作本设计以有杆抽油丼抽油杆柱力学行为分析为基础，以有杆抽油机的诊断为研究对象，建立了基于波动方程的诊断数学模型，并仔细推导了波动方程的数值解法。本文主要完成了以下几方面的工作：（1）分析抽油机的运动特性，建立常规型抽油机的运动规律模型，得出了抽