CN117214026B - 用于研究抽油杆形变偏磨的实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究抽油杆形变偏磨的实验装置及实验方法，属于抽油试验设备技术领域，实验装置包括筒体及模拟杆柱，筒体前侧设有侧面带有刻度标记尺的视窗，筒体底部设进液孔、顶部设排液孔，上端与往复运动***相连的模拟杆柱下端延伸至筒体内，筒体及往复运动***均设于支架上，支架侧面设有偏磨量计量***，配合视窗及刻度标记尺来观测模拟杆柱的偏磨位置及偏磨位移。实验方法包括以下步骤：配制模拟采出液的液体，将筒体与供液***连通，调整往复运动***驱动模拟杆往复运动，进而计算得到实际生产中抽油杆上偏磨点位置及横向偏磨位移。本发明能够模拟实际流体及杆柱的运动状态，观察模拟杆柱受力变化，更好地研究抽油杆的偏磨现象。

Description

用于研究抽油杆形变偏磨的实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于抽油试验设备技术领域，尤其涉及一种用于研究抽油杆形变偏磨的实验装置及实验方法。

背景技术

作为三抽设备部件之一的抽油杆柱，其受力状态受到人们的广泛关注。抽油杆顶端与抽油机的驴头悬点通过光杆连接，底部与抽油泵相连接，将抽油机曲柄连杆机构的转动通过驴头转化为抽油杆在井筒内的循环往复运动，通过此循环往复运动带动井底抽油泵泵筒与柱塞之间相对运动，控制固定阀和游动阀的开关，从而达到从地底抽汲油气到地面的目的，它是连接地面和地下设备的一个重要部件.油田刚进入开采阶段时，由于油液中含水低、含油量高，杆、管偏磨发生的情况较少，只在井身结构复杂的油井里偶尔发生。

随着油田开采进入中后期，油田含水升高，油管与抽油杆的之间的磨损情况严重。由于抽油杆与油管偏磨问题的存在，使它一度成为油田生产停滞不前的主要原因，同时连带一系列油田矿场集输工作均要受到它的影响。而且更为严重的是：抽油杆和油管偏磨造成的油田井修期日渐缩短，使油田生产成本急剧上升。

目前针对抽油杆偏磨点的确定，主要通过中和点的方法计算，但是该方法只能确定一级偏磨点的大概位置，即在中和点之下，但是其具***置及其横向位移无法计算，另外实际上受井筒油管尺寸的影响，发生一级偏磨之后会发生二级偏磨，而针对二级偏磨点位置的确定目前并没有相关的理论和实验方法，只是油田现场实际作业中发现了中和点以上存在的二次偏磨点。

现有的偏磨位置计算方法无法与现场实际匹配，针对不同类型的抽油杆钢级，其偏磨点位置和偏磨点位移也会存在较大差别。

因此要掌握杆、管偏磨机理，研究细长杆柱在工作情况下的受力状态十分必要。目前针对抽油杆偏磨的研究，主要方法为数学模型推导以及软件模拟，缺少相关的实验技术。有鉴于此，本发明研发了一种研究井筒内抽油杆形变偏磨的装置及方法，通过实验的方法对抽油杆偏磨进行直观地表征，更精确的对抽油杆的变形进行研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于研究抽油杆形变偏磨的实验装置及实验方法，旨在解决上述现有技术中抽油杆偏磨点通过中和点计算仅能确定其大概位置，无法与现场实际相匹配，缺少相关实验的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种用于研究抽油杆形变偏磨的实验装置，所述实验装置包括用于模拟油管的筒体及用于模拟抽油杆的模拟杆柱，所述筒体的前侧设有可视化视窗，所述视窗侧面自上至下设有刻度标记尺，所述筒体的底部设有进液孔、顶部设有排液孔，能够向筒体内输送模拟采出液的液体；所述模拟杆柱的下端延伸至筒体内部，所述模拟杆柱的上端与往复运动***相连，用于模拟抽油杆的往复运动；所述筒体及往复运动***均设置于支架上，所述支架的侧面设有偏磨量计量***，用于观测模拟杆柱的偏磨位置及偏磨位移；所述模拟杆柱与筒体及往复运动***均为可拆卸连接。

优选的，所述支架为框架式结构，包括底座、支撑架和多根支柱，多根支柱设置于底座与支撑架之间，所述往复运动***设置于支架上部的支撑架上；所述筒体的底部嵌装于支撑座内，所述支撑座设置于支架的底座上；所述筒体的上端设置于支架中部的支撑臂上。

优选的，所述进液孔处的进液管贯穿支撑座侧壁设置，所述排液孔与排液管相连，所述进液管及排液管均能够与供液***相连，用于模拟采出液进入及排出油管；所述进液管及排液管上均设有阀门。

优选的，所述往复运动***包括直线电机、回弹元件和测力计，所述直线电机的输出轴通过测力计与模拟杆柱相连，所述回弹元件设置于支撑架的横梁与活动梁之间，所述直线电机设置于顶部横梁上，所述测力计设置于活动梁的下方；所述直线电机与电机控制器相连，通过电机控制器控制模拟杆柱的不同冲程、冲次。

优选的，所述模拟杆柱的下端与夹持器相连、且深入筒体内部，所述筒体的上端嵌装于支撑臂内，所述筒体的内部空间大于模拟杆柱受力发生形变的活动区域。

优选的，所述偏磨量计量***包括计算机、摄像机及安装架，所述摄像机通过安装架设置于立柱上，所述摄像机与计算机相连，所述摄像机能够通过视窗观察筒体内模拟杆柱的偏磨点位置，并结合刻度标记尺测量模拟杆柱上偏磨点的横向偏磨位移。

优选的，所述视窗材质为透明钢化玻璃，所述视窗的边缘能够嵌于筒体侧壁的卡槽内。

本发明还提供一种用于研究抽油杆形变偏磨的实验方法，包括以下步骤：

组装上述实验装置；

配制模拟采出液的液体，将筒体的进液孔及排液孔与供液***连通，并根据实验要求设置流速、流量；

调整模拟杆柱在筒体内的深度，根据实验要求调整往复运动***，设置模拟杆柱往复运动的幅度、频率；

开启进液管上的进液阀，待排液管流出液体时，启动直线电机，使模拟杆柱开始往复运动；

调节直线电机的冲程、冲次，测量模拟杆柱所受应力与筒体内的偏磨点位置，逐渐增加直线电机冲程，受筒体尺寸的影响，会在一次偏磨点位置以上出现二级偏磨点，记录二级偏磨点的位置以及此时模拟杆柱的受力变化；

等待设定时间后，通过视窗和偏磨量计量***，得到不同钢级和尺寸的模拟杆柱在不同冲程、冲次及受力条件下偏磨点的纵向位置及横向偏磨水平位移的实验数据；

实验结束后，关闭直线电机电源，排空筒体内液体，清洗实验装置；

计算得到实际生产中抽油杆的数据如下：

实际一级偏磨点位置：

实际二级偏磨点位置：

最大横向偏磨位移为：

最小油管直径：

安全系数下的油管内径为：

式中：L为实际一级偏磨点位置，m；S为实际抽油杆总长度，m；

Ls为实验测得的一级偏磨点位置，mm；La为实验中模拟杆柱总长度，mm；

L2为实际二级偏磨点位置，m；Ls2为实验测得的二级偏磨点位置，mm；

a为最大横向偏磨位移，mm；a1为实验过程中最大横向偏磨位移，mm；

m为实验过程中测得偏磨最大位移时力的大小，N；

ds为抽油杆直径，mm；ds1为实验中模拟杆柱直径，mm；

b为安全系数，一般取1.5。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过筒体来模拟油管、模拟杆柱来模拟抽油杆，利用筒体上的进液孔和排液孔向其内部输送模拟采出液的液体；通过往复运动***驱动模拟杆柱升降来模拟抽油杆的往复运动，利用偏磨量计量***通过筒体前侧的可视化视窗及视窗侧面的刻度标记尺，来观测模拟杆柱的偏磨位置及偏磨位移，进而计算得到实际生产中抽油杆上偏磨点位置及横向偏磨位移。采用本发明能够模拟实际流体的性质和运动状态、杆柱的运动状态，以更好的模拟抽油杆在油管内运动过程，且整个装置可视，可直观的观察抽油杆受力变化。本发明通过室内实验装置模拟了实际井筒内的抽油杆运动情况，更好的针对偏磨现象进行研究，可为现场施工提供支持。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种用于研究抽油杆形变偏磨的实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中偏磨量计量***的结构示意图；

图3是本发明实施例中支架与立柱的相对位置示意图；

图4是本发明实施例中以每分钟1次冲程下抽油杆在不同时刻的偏磨点位置及水平偏磨位移的线结果图；

图5是本发明实施例中以每分钟2次冲程下抽油杆在不同时刻的偏磨点位置及水平偏磨位移的线结果图；

图6是本发明实施例中以每分钟3次冲程下抽油杆在不同时刻的偏磨点位置及水平偏磨位移的线结果图；

图7是本发明实施例中以每分钟4次冲程下抽油杆在不同时刻的偏磨点位置及水平偏磨位移的线结果图；

图中：1-抽油杆，2-夹持器，3-排液孔，4-支撑臂，5-筒体，6-支架，7-视窗，8-刻度标记尺，9-底座，10-进液孔，11-支撑座，12-测力计，13-回弹元件，14-直线电机，15-电机控制器，16-安装架，17-摄像机，18-计算机；19-支柱，20-横梁，21-活动梁；22-立柱。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本发明的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种用于研究抽油杆形变偏磨的实验装置，所述实验装置包括用于模拟油管的筒体5及用于模拟抽油杆的模拟杆柱1，所述筒体5的前侧设有可视化视窗7，所述视窗7侧面自上至下设有刻度标记尺8，所述筒体5的底部设有进液孔10、顶部设有排液孔3，能够向筒体内输送模拟采出液的液体；所述模拟杆柱1的下端延伸至筒体5内部，所述模拟杆柱1的上端与往复运动***相连，用于模拟抽油杆的往复运动；所述筒体5及往复运动***均设置于支架6上，所述支架6的侧面设有偏磨量计量***，用于观测模拟杆柱1的偏磨位置及偏磨位移；所述模拟杆柱1与筒体5及往复运动***均为可拆卸连接。

作为一种优选结构，如图1所示，所述支架6为框架式结构，包括底座9、支撑架和多根支柱19，多根支柱设置于底座9与支撑架之间，所述往复运动***设置于支架6上部的支撑架上；所述筒体5的底部嵌装于支撑座11内，所述支撑座11设置于支架6的底座9上；所述筒体5的上端设置于支架6中部的支撑臂4上。其中，底座对实验装置整体提供支撑，支撑臂对筒体进行二次固定。

具体制作时，进液孔10处的进液管贯穿支撑座11侧壁设置，所述排液孔3与排液管相连，所述进液管及排液管均能够与供液***相连，用于模拟采出液进入及排出油管；所述进液管及排液管上均设有阀门。

在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，所述往复运动***包括直线电机14、回弹元件13和测力计12，所述直线电机14的输出轴通过测力计12与模拟杆柱1相连，所述回弹元件13设置于支撑架的横梁20与活动梁21之间，所述直线电机14设置于顶部横梁20上，所述测力计12设置于活动梁21的下方；所述直线电机14与电机控制器15相连，通过电机控制器15控制模拟杆柱1的不同冲程、冲次。其中，横梁20与活动梁21上下并列，并在横梁两侧的支柱侧面上加工出对活动梁两端导向的导向槽。直线电机为模拟杆柱往复运动提供动力，模拟杆柱的上端通过测力计与活动梁相连，通过直线电机驱动模拟杆柱上下升降。

具体制作时，所述模拟杆柱1的下端与夹持器2相连、且深入筒体5内部，所述筒体5的上端嵌装于支撑臂4内，所述筒体5的内部空间大于模拟杆柱1受力发生形变的活动区域。同时，筒体的高度大于模拟杆柱的最大下降深度。

另外，所述视窗7材质为透明钢化玻璃，所述视窗7的边缘能够嵌于筒体5侧壁的凹槽内。制作时，筒体仅有底壁、左侧壁、右侧壁、后侧壁，左侧壁、右侧壁的相对面内部开凹槽，钢化玻璃视窗安装在凹槽内，刻度标记尺位于右侧壁的正视面上，进液孔位于左侧壁下部用于模拟采出液进入油管，排液孔位于左侧壁上部用于模拟排除采出液。

在本发明的一个具体实施例中，如图2、3所示，所述偏磨量计量***包括计算机18、摄像机17及安装架16，所述摄像机17通过安装架16设置于立柱22上，所述摄像机17与计算机18相连，所述摄像机17能够通过视窗7观察筒体5内模拟杆柱1的偏磨点位置，并结合刻度标记尺8测量模拟杆柱1上偏磨点的横向偏磨位移。

本发明还提供一种用于研究抽油杆形变偏磨的实验方法，包括以下步骤：

组装上述实验装置；配制模拟采出液的液体，将筒体的进液孔及排液孔与供液***连通，并根据实验要求设置流速、流量；

下放模拟杆柱至筒体内的指定深度，根据实验要求调整往复运动***，设置模拟杆柱往复运动的幅度、频率；

开启进液管上的进液阀，待排液管流出液体时，打开电机电源启动直线电机，使模拟杆柱开始往复运动；

调节直线电机的冲程、冲次，测量模拟杆柱所受应力与筒体内的偏磨点位置，逐渐增加直线电机冲程，受筒体尺寸的影响，会在一次偏磨点位置以上出现二级偏磨点，记录二级偏磨点的位置以及此时模拟杆柱的受力变化；

等待设定时间后，通过视窗和偏磨量计量***，得到不同钢级和尺寸的模拟杆柱在不同冲程、冲次及受力条件下偏磨点的纵向位置及横向偏磨水平位移的实验数据；

实验结束后，关闭直线电机电源，排空筒体内液体，清洗实验装置。

通过实验结果，可测得不同钢级的模拟杆柱在不同条件下的偏磨点位置及横向偏磨位移，如图4-7所示，图中横坐标为模拟杆柱的垂直方向坐标，纵坐标为模拟杆柱的水平偏移距离。

根据图4-7所得数据，可计算不同条件下抽油杆偏磨的最小油管直径和安全系数下的油管内径，计算公式如下：

实际一级偏磨点位置：

实际二级偏磨点位置：

最大横向偏磨位移为：

最小油管直径：

安全系数下的油管内径为：

式中：L为实际一级偏磨点位置，m；S为实际抽油杆总长度，m；

Ls为实验测得的一级偏磨点位置，mm；La为实验中模拟杆柱总长度，mm；

L2为实际二级偏磨点位置，m；Ls2为实验测得的二级偏磨点位置，mm；

a为最大横向偏磨位移，mm；a1为实验过程中最大横向偏磨位移，mm；

m为实验过程中测得偏磨最大位移时力的大小，N；

ds为抽油杆直径，mm；ds1为实验中模拟杆柱直径，mm；

b为安全系数，一般取1.5。

计算得到不同条件下最小油管直径和安全系数下的油管内径油管内径计算结果如表1所示：

综上所述，本发明具有结构简单、操作方便的优点，可模拟实际流体的性质和运动状态、杆柱的运动状态，以更好的模拟抽油杆在油管内运动过程，且整个装置可视，可直观的观察抽油杆受力变化。与现有技术相比，本发明通过室内实验装置模拟了实际井筒内的抽油杆运动情况，更好的针对偏磨现象进行研究，可为现场施工提供支持。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (1)

1.一种用于研究抽油杆形变偏磨的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

组装实验装置：所述实验装置包括用于模拟油管的筒体及用于模拟抽油杆的模拟杆柱，所述筒体的前侧设有可视化视窗，所述视窗侧面自上至下设有刻度标记尺，所述筒体的底部设有进液孔、顶部设有排液孔，能够向筒体内输送模拟采出液的液体；所述模拟杆柱的下端延伸至筒体内部，所述模拟杆柱的上端与往复运动***相连，用于模拟抽油杆的往复运动；所述筒体及往复运动***均设置于支架上，所述支架的侧面设有偏磨量计量***，用于观测模拟杆柱的偏磨位置及偏磨位移；所述模拟杆柱与筒体及往复运动***均为可拆卸连接；所述模拟杆柱的下端与夹持器相连且深入筒体内部，所述筒体的上端嵌装于支撑臂内，所述筒体的内部空间大于模拟杆柱受力发生形变的活动区域；

所述支架为框架式结构，包括底座、支撑架和多根支柱，多根支柱设置于底座与支撑架之间，所述往复运动***设置于支架上部的支撑架上；所述筒体的底部嵌装于支撑座内，所述支撑座设置于支架的底座上；所述筒体的上端设置于支架中部的支撑臂上；所述进液孔处的进液管贯穿支撑座侧壁设置，所述排液孔与排液管相连，所述进液管及排液管均能够与供液***相连，用于模拟采出液进入及排出油管；

所述往复运动***包括直线电机、回弹元件和测力计，所述直线电机的输出轴通过测力计与模拟杆柱相连，所述回弹元件设置于支撑架的横梁与活动梁之间，所述直线电机设置于顶部横梁上，所述测力计设置于活动梁的下方；所述直线电机与电机控制器相连，通过电机控制器控制模拟杆柱的不同冲程和冲次；

所述偏磨量计量***包括计算机、摄像机及安装架，所述摄像机通过安装架设置于立柱上，所述摄像机与计算机相连，所述摄像机能够通过视窗观察筒体内模拟杆柱的偏磨点位置，并结合刻度标记尺测量模拟杆柱上偏磨点的横向偏磨位移；

配制模拟采出液的液体，将筒体的进液孔及排液孔与供液***连通，并根据实验要求设置流速和流量；

调整模拟杆柱在筒体内的深度，根据实验要求调整往复运动***，设置模拟杆柱往复运动的幅度和频率；

开启进液管上的进液阀，待排液管流出液体时，启动直线电机，使模拟杆柱开始往复运动；

调节直线电机的冲程和冲次，测量模拟杆柱所受应力与筒体内的偏磨点位置，逐渐增加直线电机冲程，受筒体尺寸的影响，会在一次偏磨点位置以上出现二级偏磨点，记录二级偏磨点的位置以及此时模拟杆柱的受力变化；

等待设定时间后，通过视窗和偏磨量计量***，得到不同钢级和尺寸的模拟杆柱在不同冲程、冲次及受力条件下偏磨点的纵向位置及横向偏磨水平位移的实验数据；

实验结束后，关闭直线电机电源，排空筒体内液体，清洗实验装置；

计算得到实际生产中抽油杆的数据如下：

实际一级偏磨点位置：；

实际二级偏磨点位置：；

最大横向偏磨位移为：；

最小油管直径：；

安全系数下的油管内径为：；

式中：L为实际一级偏磨点位置，m；S为实际抽油杆总长度，m；

Ls为实验测得的一级偏磨点位置，mm；La为实验中模拟杆柱总长度，mm；

L2为实际二级偏磨点位置，m；Ls2为实验测得的二级偏磨点位置，mm；

a为最大横向偏磨位移，mm；a1为实验过程中最大横向偏磨位移，mm；

m为实验过程中测得偏磨最大位移时力的大小，N；

ds为抽油杆直径，mm；ds1为实验中模拟杆柱直径，mm；

b为安全系数，取1.5。