游梁式抽油机井系统效率极限值的仿真研究

针对目前抽油机井系统效率计算方法的局限性及其系统效率极限值理论的空白，研究抽油机井井筒的多相流动，改进抽油机井有效举升高度、排量系数与有效功率的仿真模型；考虑抽油机地面驱动传动装置的弹性与传动副的摩擦，建立抽油机地面驱动传动装置的弹性系统动力学模型，改进系统各节点力能参数与输入功率的仿真模型。以改进的系统有效功率与输入功率的仿真模型为基础，改进抽油机井系统效率的仿真模型，并建立系统效率极限值的仿真评价模型，开发相应的计算机仿真软件。通过仿真实验，找出影响系统效率及其极限值的主要因素，探索提高系统效率的有效途径；研究不同油藏在不同设备组合条件下的系统效率极限值。该项研究对于完善和发展抽油机井系统效率及其极限值理论，具有重要的学术价值；对于指导抽油机井节能降耗、降低油田开采成本，具有重要的实际应用价值。

建立了游梁式抽油机皮带传动系统动力学仿真模型，具体包括：(1)皮带弹性体纵向振动仿真模型；(2)两自由度扭转振动仿真模型；(3)考虑带轮转动惯量影响的皮带弹性体纵向振动仿真模型。建立了游梁式抽油机减速箱传动系统扭转振动、扭转与横向耦合振动的动力学仿真模型。建立了游梁式抽油机曲柄摇杆机构刚性构件系统与弹性构件系统的动力学仿真模型。以所建立的单元动力学仿真结果为基础，分别建立了皮带、减速箱与曲柄摇杆机构传动效率的仿真模型。将游梁式抽油系统作为整体，建立了游梁式抽油系统动力学仿真模型，具体包括地面装置动力学仿真模型与井下装置动力学仿真模型。地面装置动力学仿真模型包括：单自由度刚性构件系统动力学仿真模型；两自由度扭转振动仿真模型；多自由度扭转振动仿真模型。井下装置动力学仿真模型包括：抽油杆柱轴向振动仿真模型；抽油杆柱与液柱轴向耦合振动仿真模型；抽油杆柱、油管柱与液柱轴向耦合振动仿真模型，并重点改进了井下边界条件的仿真模型。基于井筒油气水混合液的均相稳定流动假设，建立了井筒多相流有效举升高度、有效功率的仿真模型，并建立了井筒多相流条件下的沉没压力、排出压力与油井产液量的耦合计算模型。分析行业标准有效功率计算方法的适应条件。以系统动态仿真为基础，建立了游梁式抽油系统节点力能参数、单元效率与系统效率的仿真模型。建立了具有拐点特征的油井流入特性曲线模型。基于井筒多相管流理论，建立了油井供产协调仿真模型，即油井动液面、实际产液量与抽汲参数之间关系的仿真模型，进而建立了系统效率与抽汲参数之间关系的仿真模型。系统效率仿真模型考虑了井身结构、设备类型、设备性能参数、油井参数、管理参数与抽汲参数的综合影响。以系统效率仿真模型为基础，建立了系统效率影响因素的仿真评价方法，实现了系统效率影响因素与提高系统效率有效途径的定量仿真评价；综合考虑油井产量、设备承载能力等约束条件，以系统效率最高为目标，建立了给定流压条件下系统效率极值、全流压区间系统效率最高值的仿真优化模型。开发了游梁式抽油系统动态与系统效率极值的仿真优化软件系统。软件功能包括：流入动态分析、系统动态仿真、系统效率仿真评价、系统效率极值与最大值的仿真优化。仿真优化结果表明：在给定流压条件下，抽汲参数组合对系统效率有显著影响，优化抽汲参数是提高系统效率的有效途径；流压对系统效率有显著影响，优化流压可以进一步提高系统效率。