1、天津职业技术师范大学2013届本科生毕业论文答辩班级：机自0901班抽油机井抽油杆磨损程度预测学号：03320090137答辩人：陈云宗指导老师：梁尔国 工程师第1页，共28页。第1章 Chapter 1 机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩1.1 1.1 研究课题的背景、目的及其意义研究课题的背景、目的及其意义 随着中国的经济形势越来越好，在“实现中华民族伟大复兴”口号的倡引下，中国的采油业也日趋蓬勃发展，但在石油开采中随着油田进入高含水期,井液的含水、井液密度增加，粘度、含蜡量提高,泵挂加深,管杆接触面的润滑系数大幅度地降低等使抽油杆上
2、行载荷明显增加,下行阻力加大。这些变化促使抽油机驴头载荷增加的同时,也改变了抽油杆的受力和变形,解决抽油杆磨损已成为油田的当务之急。国内外由于抽油杆磨损导致的损失是十分巨大的。据统计，平均一口井由于抽油杆磨损导致的修理费高达一百万美元，从上世纪70年代开始，国内外专家就对抽油杆磨损机理，磨损规律和磨损预测做了大量的相关研究工作。但由于抽油杆和油管之间的磨损是一个涉及多个学科，极其复杂的综合性问题，存在许多不确定性和随机性。最近几年国内外关于抽油杆的磨损问题研究也比较缓慢。结合国内外的研究成果，本论文将深入分析抽油杆磨损的机理、磨损规律；在掌握材料力学基础上，了解抽油杆磨损原因和磨损几何形状描述
3、方法，分析建立抽油杆沿井深的受力计算方法；运用摩擦学原理建立抽油杆的磨损方程，根据抽油机扬程建立完整的抽油杆磨损预测模型；编制抽油杆磨损预测软件。抽油杆磨损预测软件将会对采油业以及相关的采油产业产生积极而重大的影响。第2页，共28页。第1章 Chapter 1 机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩1.2 1.2 抽油杆磨损的研究成果抽油杆磨损的研究成果 1.2.1 1.2.1 抽油杆偏磨研究抽油杆偏磨研究 中石化胜利油田采油工艺研究院发表了“抽油杆和油管偏磨腐蚀的研究进展”。文章综述了最近几年来，有杆抽油系统中杆管偏磨和腐蚀的机理、影响措施
4、以及防治措施方面的研究进展情况，根据国内各油田采取的防止杆管偏磨及腐蚀取得的效果，指出采用杆管防偏磨器、在油井中加入缓蚀剂、使用耐磨腐蚀涂层材料等措施可取得良好的效果。孙爱军，李士瑞等发表了“抽油杆管磨损问题的探讨及预防措施”的文章指出：抽油井管杆偏磨是油田开发普遍存在的问题，对于进入中后期开采阶段的油田，由于采用了注水等增产措施，偏磨井数量逐年增加，借助抽油杆受力状况分析，提出了综合防治措施及方法；通过对杆管的有效扶正，防偏磨抽油泵新工艺应用，并取得了治理偏磨良好的效果。1.2.2 1.2.2 抽油杆磨损预测研究抽油杆磨损预测研究 况雨春，严金林等发表的“基于有限元方法的抽油杆磨损量预测”指
5、出：计算可以获得油杆任何部位的接触力、位移和应力随时间的变化曲线以及任意时刻接触力、应力沿深度的分布曲线，可以通过磨损量计算模型的磨损量沿杆分布的情况，计算情况与实际的偏磨位置有较好的吻合度。第3页，共28页。第1章 Chapter 1机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 影响抽油杆偏磨1.3 1.3 本论文研究内容本论文研究内容 本论文在考虑抽油杆的刚度和曲直的基础上，研究抽油杆磨损机理和影响抽油杆偏磨的因素，推导深井抽油杆拉力扭矩方程，建立抽油杆磨损程度预测模型，并编制预测软件。该预测软件可以预测不同井深、不同工作环境、不同冲次状态、不
6、同工作时间和不同钻井液类型下所对应的抽油杆的磨损程度。提前预测抽油杆的磨损程度，将会对采油作业提供依据。实例表明，抽油杆磨损程度预测软件可以减少很多人为的估计误差，使预测值更为准确。第4页，共28页。第2章 Chapter 2机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩2.1 2.1 抽油杆管偏磨原因抽油杆管偏磨原因（1）自然井斜引起偏磨（2）地层蠕动造成井斜引起偏磨（3）狗腿变向引起偏磨（4）套管变形引起偏磨2.2 2.2 抽油机井管偏磨规律抽油机井管偏磨规律（1）从含水状况的分布上看，完全集中在高含水区。（2）从沉没度的分布情况来看，主要集中在
7、低沉没度井上。（3）从偏磨位置的分布情况来看，主要集中在泵上500米以内。第5页，共28页。第2章 Chapter 2机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 井深剖面示意图 1-垂直井段；2-第一次造斜井段。第6页，共28页。第2章 Chapter 2机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩2.3 2.3 抽油杆的受力分析抽油杆的受力分析 抽油杆承受的静载荷有：液体浮力Ff和抽油杆自重G；动载荷有：驴头悬点的载荷F(t)、接箍与井液的摩擦阻力Fj(f)、杆体与井液摩擦阻力Fg(f)、液柱质量G
8、y(f)、抽油泵中柱塞与泵筒之间的摩擦阻力Fp(t)、油管与抽油杆产生接触的径向接触力R(t)、轴向摩擦力Rj(t)以及周向摩擦力Rz(f)。第7页，共28页。第3章 Chapter 3机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 3.1 3.1 抽油杆磨损厚度的几何计算法抽油杆磨损厚度的几何计算法 图3-1 抽油杆磨损断面的参数及几何关系第8页，共28页。第3章 Chapter 3机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩3.2 3.2 抽油杆拉力抽油杆拉力扭矩微分方程扭矩微分方程 其中，Ft为油管
9、的轴向拉力,N；Ro为抽油杆外半径,m；v为下钻速度，m/s；为旋转角速度（对于本坐标系，转盘正转取正值）rad/s；为钻井液的结构力,Pa；为钻井液的动力粘度,Pas；Dw为井径,m。q为单位长度抽油杆重量，N/m。第9页，共28页。3.3 3.3 抽油杆磨损方程抽油杆磨损方程第3章 Chapter 3机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩Li11第10页，共28页。4.1 4.1 抽油杆磨损体积计算抽油杆磨损体积计算第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩参数录入
10、（抽油杆磨损效率、侧压力、磨损系数、扬程、时间、参数录入（抽油杆磨损效率、侧压力、磨损系数、扬程、时间、冲次抽油杆的布氏硬度等信息）冲次抽油杆的布氏硬度等信息）利用公式：利用公式：计算磨损体积计算磨损体积V V输出磨损体积输出磨损体积V V 抽油杆磨损体积计算流程图第11页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 4.2 4.2 抽油杆磨损体积计算参数选择抽油杆磨损体积计算参数选择状态状态加重钻井液介质加重钻井液介质抽油杆材料P110抽油杆磨损效率（F）由试验状态和抽油杆材料选择：0.15侧压力（N/m）见
11、表4.1摩擦系数（f）由加重钻井液介质经验公式选择：0.000764扬程（m）3.5时间（t）分别选择1年和2年进行对比计算冲次（次/min）分别选择4次/min和8次/min进行 对比计算抽油杆的布氏硬度（Hb）3269100000第12页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 4.3 4.3 抽油杆磨损体积计算界面抽油杆磨损体积计算界面第13页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 4.4 4.4 抽油杆磨损体积
12、计算抽油杆磨损体积计算VBVB程序程序Function volume(k As Single,n As Single,f As Single,v As Single,t As Single,s As Single,h As Single)As Singlevolume=k*n*2*f*v*s*t/hEnd FunctionPrivate Sub Command1_Click()Label7.Caption=volume(Val(Text1.Text),Val(Text2.Text),Val(Text3.Text),Val(Text4.Text),Val(Text5.Text),Val(Text
13、6.Text),Val(Text7.Text)End SubPrivate Sub Command2_Click()Text1.Text=Text2.Text=Text3.Text=Text4.Text=Text5.Text=Text6.Text=Text7.Text=Label7.Caption=End Sub Private Sub Command3_Click()EndEnd Sub第14页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 4.5 4.5 抽油杆磨损体积计算坐标图抽油杆磨损体积计算坐标图 冲次
14、4次/min，磨损时间1年第15页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 4.5 4.5 抽油杆磨损体积计算坐标图抽油杆磨损体积计算坐标图 冲次4次/min，磨损时间2年第16页，共28页。第4章 Chapter 4 机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩4.6 4.6 抽油杆磨损体积计算小结论抽油杆磨损体积计算小结论 通过对抽油杆磨损体积的计算，特别是利用不同时间，不同冲次条件下进行的体积计算，可发现：相同的磨损时间内，冲次越大，则抽油杆磨损 体积越大
15、；：相同的冲次条件下，磨损时间越长，则抽油杆磨损体积越大；：抽油杆的磨损体积不是随着井深的增加而增加的，而是出现增大、减小、再增大的变化趋势。:抽油杆的磨损体积在300m、1400m、2000m等三处较大，其中在300m处是磨损的最大值；：抽油杆磨损体积在700m、2300m处较小，其中在700m处出现最小值即磨损量最小。：抽油杆的磨损体积的最大值为9.202612*10-4m3，最小值为0.26331795*10-4m3；第17页，共28页。4.7 4.7 抽油杆磨损厚度计算抽油杆磨损厚度计算第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预
16、 测毕业论文答辩参数录入（抽油杆磨损体积、抽油杆外圆半径、油管参数录入（抽油杆磨损体积、抽油杆外圆半径、油管内圆半径）内圆半径）利用利用VB中的二分法计算抽油杆磨损厚度中的二分法计算抽油杆磨损厚度h。s1=(R+h/2)*(h/2)*(R+h/2-r)*(r-h/2)s2=(R*R-(R-r+h)*(R-r+h)-r*r)/(2*R*(R+h -r)s3=R*R*Arccos(s2)s4=R*Sin(Arccos(s2)/(R*s2-d+r-h)f=s1-0.25*(A+s3-r*r*Arc tan(s4)*(A+s3-r*r*Arctan(s4)）如果满足如果满足:Loop Until Ab
17、s(f)=0.0001 输出抽油杆磨损厚度输出抽油杆磨损厚度h 抽油杆磨损厚度计算流程图第18页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 4.8 4.8 抽油杆磨损厚度计算参数选择抽油杆磨损厚度计算参数选择单位磨损体积（单位磨损体积（m3 3）见表见表4.1抽油杆外圆半径（m）由抽油杆公称直径选择半径：0.0095油管内圆半径（m）由油管标准选择不加厚内径 的油管半径为：0.03795第19页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测
18、毕业论文答辩 4.9 4.9 抽油杆磨损厚度计算界面抽油杆磨损厚度计算界面第20页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 4.10 4.10 抽油杆磨损厚度计算抽油杆磨损厚度计算VBVB程序程序Dim r1 As Single,r As Single,h As Single,c As Single Public Function f(x As Single)As Single 自定义函数过程Dim S As Single,P As Single,ww As SingleDim alf1 As Single
19、,beit1 As Single,tbeit1 As Single,caLf1 As Single,talf1 As Single,salf1 As Single S=(r1-(r-x)P=(r1+r+(r1-(r-x)/2)caLf1=(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)salf1=(Sqr(1-(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)2)talf1=(Sqr(1-(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)2)/(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)alf1=(
20、Atn(Sqr(1-(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)2)/(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)tbeit1=(r1*Sin(Atn(Sqr(1-(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)2)/(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)/(r1*(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)-(r1-(r-x)第21页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业
21、论文答辩 续续 抽油杆磨损厚度计算抽油杆磨损厚度计算VBVB程序程序beit1=(Atn(r1*Sin(Atn(Sqr(1-(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)2)/(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)/(r1*(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)-(r1-(r-x)f=(Atn(r1*Sin(Atn(Sqr(1-(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)2)/(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)/(r1*(r1 2+(r
22、1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)-(r1-(r-x)*r 2+2*Sqr(r1+r+(r1-(r-x)/2)*(r1+r+(r1-(r-x)/2)-r1)*(r1+r+(r1-(r-x)/2)-r)*(r1+r+(r1-(r-x)/2)-(r1-(r-x)-(Atn(Sqr(1-(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)2)/(r1 2+(r1-(r-x)2-r 2)/2/r1/(r1-(r-x)*r1 2-c返回传来参数x对应的函数值End FunctionPrivate Sub Command1_Click()Dim m As Sing
23、le,a As Single,b As Single,fm As SingleDim fa As Single,fb As Single r1=Val(Text1.Text)/2 r=Val(Text2.Text)/2 c=Val(Text5.Text)第22页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 续续 抽油杆磨损厚度计算抽油杆磨损厚度计算VBVB程序程序 Do 先接收用户输入方程根所在的区间 a=Val(Text3.Text)b=Val(Text4.Text)fa=f(a)求两点对应的y坐标值，即其函
24、数值 fb=f(b)Loop Until fa*fb 0 判断此区间内是否有根Label3.Caption=a&到&b&区间内Do 二分法求根，直到达到精度为止 m=(a+b)/2 取区间的中间点 fm=f(m)求中间点的函数值 If fm=0 Then 找到方程根 Exit Do 找到后立即退出 Else 没找到则继续二分 If fm*fa 0 Then b=m:fb=fm Else a=m:fa=fm End If End IfLoop Until Abs(fm)=0.0001Label3.Caption=Label3.Caption&方程的根是：&m 输出方程的根End Sub 第23页
25、，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 4.11 4.11 抽油杆磨损厚度算坐标图抽油杆磨损厚度算坐标图 冲次4次/min，磨损时间1年第24页，共28页。第4章 Chapter 4机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 4.11 4.11 抽油杆磨损厚度算坐标图抽油杆磨损厚度算坐标图 冲次8次/min，磨损时间1年第25页，共28页。机械工程学院 机自0901班 37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩4.12 4.12 抽油杆磨损
26、厚度计算小结论抽油杆磨损厚度计算小结论 通过采用VB中的do循环，利用公式计算出抽油杆的磨损厚度，研究计算结果发现：抽油杆的磨损厚度的最大值发生在井深300m处，值为 9.37245mm，最小值在700m处，值为0.3398979mm；：抽油杆的磨损厚度与井深不是递增或递减关系，而是非线性关系，与不同井深处的受力情况以及磨损环境有关。：通过抽油杆磨损厚度，结合磨损抽油杆剩余壁厚公式：t剩=t-h可以算出抽油杆的剩余厚度，最后再根据抽油杆的材料和工作强度要求，对抽油杆进行评估，避免事故 发生。第4章 Chapter 4第26页，共28页。结 论 Conclusion机械工程学院 机自0901班
27、37号 陈云宗抽 油 杆 磨 损 程 度 预 测毕业论文答辩 本论文通过对抽油杆磨损机理的分析、磨损规律的总结、磨损原因的概述、国内外关于抽油杆磨损的归纳以及对深井和大位移抽油杆磨损程度的预测研究，结合VB6.0软件设计了抽油杆在不同井深的磨损体积计算程序和磨损厚度计算程序。计算并绘制了抽油杆磨损体积和磨损厚度的坐标图。通过利用VB6.0软件，使得抽油杆磨损计算变得简单可行，可以很快的利用各种参数计算出磨损体积和磨损厚度，再利用磨损抽油杆剩余壁厚公式t剩=t-h，可以算出抽油杆的剩余厚度，最后根据抽油杆的材料和工作强度要求，对抽油杆进行评估，从而更方便对抽油杆磨损进行预测，及时对抽油杆进行维护修理，最大限度的避免事故的发生，为采油企业的人生财产安全提供了保障，为采油行业的发展提供帮助。第27页，共28页。谢谢大家！!第28页，共28页。
