螺杆泵采油地面装置动态特性研究
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摘要
地面驱动井下单螺杆抽油泵(以下简称螺杆泵)，是一种新型采油设备，近几年来在国内外众多油田上得到了广泛应用，为油田的原油开采发挥了重要作用。产品已形成系列，它既能用于低黏度原油开采，又适用于稠油、高凝固点油、高含蜡油、高含砂油及高含气油的开采，它具有其它抽油设备所不能替代的优越性。从近几年的推广情况看，对于浅井、中深度井，大有取代多年不变的笨重抽油机的趋势。它一次性投资少、采油效率高、能耗低、结构简单，作业、安装、维修方便，所以螺杆泵在采油生产中将会成为一种普遍采用的机械采油装置。随着应用技术的日益完善，螺杆泵采油技术的配套发展有着广阔的应用前景。
螺杆泵由两大部分组成：一、地面驱动装置，它可直接连接于井口大四通法兰面上，主要由电动机、三角带、齿轮组、防倒转装置、光杆卡子、抽油杆盘根盒等组成；二、单螺杆抽油泵：它主要由定子、转子、限位接头等组成。定子是优质钢壳体内注压橡胶而成，橡胶套内为双线或多线螺旋表面；转子为高强度钢加工而成的单头或多头螺旋表面，经度硬铬后与定子橡胶内表面啮合，形成密封腔。定子随油管下井并锚定，转子上接抽油杆。
面对螺杆泵应用数量的逐步增加，有关螺杆泵采油的科学研究也不断深入，但螺杆泵应用的时间相对其他的采油设备比较短，以前的研究大多处于使其能够正常工作的阶段，而且内容大多是制造技术，配套技术，根据井况数据正确选择螺杆泵的排量等，随着研究的不断深入和螺杆泵使用过程中逐步暴露出的一些问题，要求对使用和管理以及设计制造中的一些与现场密切相关的深层次问题进一步研究，要研究如何使螺杆泵科学，合理更有效率的工作，既有较高的技术含量，又有较好的经济效益，是螺杆泵采油实践过程中不断所求的目标。
近年来，随着油田使用螺杆泵数量的增加和螺杆泵工作周期的延长，螺杆泵采油系统的振动问题也日益突出，本课题选择螺杆泵地面驱动装置为研究对象，对其进行动态研究。通过编程实现了螺杆泵地面采油装置的有限元网格自动生成，同时也编制了有限元法程序求解螺杆泵采油地面装置的固有特性；在试验中，对螺杆泵采油地面装置进行了振动测试与分析，找到了螺杆泵驱动头转子的可能故障原因。
Surface Driven Single Screw Rod Pump (here in after referred to as Screw Pump)is a new model production equipment. In recent years, it has been widely applied in many domestic oilfields, and has brought into an important role in oilfield development. It is produced in series system, being used not only for development of lower viscosity crude and also for development of crude oil of high viscosity, high pour point, high wax content, high sand content and high gas content as well. It has a superiority which is not replaced by other rod pumps. It has the advantages of less investment, higher productivity, lower energy consumption, simple structure and convenient operation, installation and repair. So screw pump shall become a widely used mechanical production equipment in oil production. With improvement of applied technology, the development of complete screw pump technology in oil production will bring wider application.
Screw Pump consists of two main parts: (1) Surface Drive Device : It may be directly connected with the four way flange on wellhead. It is mainly composed of motor, triangle belt, gears, anti reverse devise, polished rod clamp and packing box of sucker rod etc. (2) Single Screw rod Pump: It is mainly composed of stator, rotor and limit connector etc. Stator is made of high quality pipe by squeezing rubber, there forms double or muoti lines spiral face in the rubber sleeve. Rotor is made of high strength steel, with single or multi ends spiral face. It is chrome-plated and matched with the inside surface of stator to form a seal cavity. Stator is fixed with tubing trip-in, and rotor is connected on the top with the sucher rod .
with the increasing of the applied quantity, the study of the screw pump is also deeping, but the applied time of the screw pump is shorter than the other oil recovery equipment and the most of prevenient study is to make the screw pump work in normal state. Furthermore , the most content of study is the technology of manufacture or the choice of the screw pump displacement.The problem is emerging in the employ processing of the screw pump.Therefore, the problems that are found in use and management and which are pertinent to the operating position should be studied furthermore. Study how to make the screw pump work reasonal and efficient. The more technology content and the more economic effect is the aim of the screw pump in oil production.
The late years, with the increasing of the applied quantity and the stretching of the work cycle, the vibration of the screw pump oil recovery system become the more serious problem. The surface drive device become the studied object. The finite element grid automation formation of the screw pump surface drive device realize through programming and the intrinsic characteristics of the screw pump surface drive device are attained. The vibration testing and analysis is made for the screw pump surface drive device and the likely cause of the screw pump surface drive rotor troble is found.
螺杆泵由两大部分组成：一、地面驱动装置，它可直接连接于井口大四通法兰面上，主要由电动机、三角带、齿轮组、防倒转装置、光杆卡子、抽油杆盘根盒等组成；二、单螺杆抽油泵：它主要由定子、转子、限位接头等组成。定子是优质钢壳体内注压橡胶而成，橡胶套内为双线或多线螺旋表面；转子为高强度钢加工而成的单头或多头螺旋表面，经度硬铬后与定子橡胶内表面啮合，形成密封腔。定子随油管下井并锚定，转子上接抽油杆。
面对螺杆泵应用数量的逐步增加，有关螺杆泵采油的科学研究也不断深入，但螺杆泵应用的时间相对其他的采油设备比较短，以前的研究大多处于使其能够正常工作的阶段，而且内容大多是制造技术，配套技术，根据井况数据正确选择螺杆泵的排量等，随着研究的不断深入和螺杆泵使用过程中逐步暴露出的一些问题，要求对使用和管理以及设计制造中的一些与现场密切相关的深层次问题进一步研究，要研究如何使螺杆泵科学，合理更有效率的工作，既有较高的技术含量，又有较好的经济效益，是螺杆泵采油实践过程中不断所求的目标。
近年来，随着油田使用螺杆泵数量的增加和螺杆泵工作周期的延长，螺杆泵采油系统的振动问题也日益突出，本课题选择螺杆泵地面驱动装置为研究对象，对其进行动态研究。通过编程实现了螺杆泵地面采油装置的有限元网格自动生成，同时也编制了有限元法程序求解螺杆泵采油地面装置的固有特性；在试验中，对螺杆泵采油地面装置进行了振动测试与分析，找到了螺杆泵驱动头转子的可能故障原因。
Surface Driven Single Screw Rod Pump (here in after referred to as Screw Pump)is a new model production equipment. In recent years, it has been widely applied in many domestic oilfields, and has brought into an important role in oilfield development. It is produced in series system, being used not only for development of lower viscosity crude and also for development of crude oil of high viscosity, high pour point, high wax content, high sand content and high gas content as well. It has a superiority which is not replaced by other rod pumps. It has the advantages of less investment, higher productivity, lower energy consumption, simple structure and convenient operation, installation and repair. So screw pump shall become a widely used mechanical production equipment in oil production. With improvement of applied technology, the development of complete screw pump technology in oil production will bring wider application.
Screw Pump consists of two main parts: (1) Surface Drive Device : It may be directly connected with the four way flange on wellhead. It is mainly composed of motor, triangle belt, gears, anti reverse devise, polished rod clamp and packing box of sucker rod etc. (2) Single Screw rod Pump: It is mainly composed of stator, rotor and limit connector etc. Stator is made of high quality pipe by squeezing rubber, there forms double or muoti lines spiral face in the rubber sleeve. Rotor is made of high strength steel, with single or multi ends spiral face. It is chrome-plated and matched with the inside surface of stator to form a seal cavity. Stator is fixed with tubing trip-in, and rotor is connected on the top with the sucher rod .
with the increasing of the applied quantity, the study of the screw pump is also deeping, but the applied time of the screw pump is shorter than the other oil recovery equipment and the most of prevenient study is to make the screw pump work in normal state. Furthermore , the most content of study is the technology of manufacture or the choice of the screw pump displacement.The problem is emerging in the employ processing of the screw pump.Therefore, the problems that are found in use and management and which are pertinent to the operating position should be studied furthermore. Study how to make the screw pump work reasonal and efficient. The more technology content and the more economic effect is the aim of the screw pump in oil production.
The late years, with the increasing of the applied quantity and the stretching of the work cycle, the vibration of the screw pump oil recovery system become the more serious problem. The surface drive device become the studied object. The finite element grid automation formation of the screw pump surface drive device realize through programming and the intrinsic characteristics of the screw pump surface drive device are attained. The vibration testing and analysis is made for the screw pump surface drive device and the likely cause of the screw pump surface drive rotor troble is found.
引文
[1]徐芝纶．弹性力学．北京：高等教育出版社，1990
[2]胡海昌．弹性力学的变分原理及其应用．北京：科学出版社，1981
[3][英]D．J．哈托．振动分析的矩阵计算机方法．北京：机械工业出版社，1983
[4]吴鸿庆，任侠．结构有限元分析．北京：中国铁道出版社，2000
[5]赵经文，王宏钰．结构有限元分析．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1988
[6]范家齐，樊俊才．实用有限元法．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1993
[7]周中坚，卢耀祖．机械与汽车结构的有限元分析．上海：同济大学出版社，1997
[8]陈和群，彭宣茂．有限元法微机程序与图形处理．南京：河海大学出版社，1992
[9][美]L．米罗维奇．振动分析基础．上海：上海交通大学理论力学教研室译，1983
[10]L. Meirovitch, Elements of Vibration Analysis, McGraw—Hill, 1975
[11]F. S. Tse, I. E. Morse, R. T. Hinkle, Mechanical Vibrations, Theory and Applications, 2ed., Allyn and Bacon, 1978
[12]W. T. Thomson, Theory of Vibration with Applications, 2ed., Prentice—Hall, 1981
[13]张国瑞．有限元法．北京：机械工业出版社，1992
[14]Zienkiewicz. O. C.. The Finite Method in Engineering Science. 1971
[15]朱伯芳．有限单元法原理与应用．北京：水利电力出版社，1979
[16]李大潜．有限元素法续讲．北京：科学出版社，1979
[17]甘舜仙．有限元技术与程序．北京：北京理工大学出版社，1988
[18]Hinton, E.. Owen, D. R. J.. Finite Element Programming. Academic press, 1977
[19]陈和群．动力问题数值解法和程序设计．上海：华东水利学院讲义，1984
[20]K．J．巴特，E．L．威尔逊．有限元分析中的数值方法．林公豫，罗恩译．北京：科学出版社，1991
[21]陈和群，局部冻结结点编码优化法在质量凝聚法中的应用，首届华东计算力学学术会议论文，1987
[22]彭宣茂，陈和群．交互式静、动力分析程序包．上海：首届华东计算力学学术会议论文，1987
[23]陈和群，彭宣茂．微机程序设计技巧与前后处理．上海：华东结构力学教学经验交流会论文集，1990
[24]彭宣茂．有限元计算的前后图形处理．上海：水力水电微机应用，1991
[25]David, F. Rogers, Procedvral Elements for Computer Graphics Mc Gram Hill, Inc, 1985
[26]彭宣茂．微型机上的FORTRAN图形处理．南京：南京微电脑应用成果汇编，1984
[27]彭宣茂．拱坝有限元计算的前后图形处理技术．南京：河海大学学报，1990
[28]Qian Xiangdong Peng Xuanmao,PRE-PROCESSING FORELEMENT ANALYSIS OF COMPLEX FOUNDATION-ARCHDAMSYSTEMS,INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ARCH DAMS,1992
[29]Chen Hequn Wang Yintang Peng Xuanmao等，AN APPLICATION OF MICROCOMPUTER TO ANALYSIS OF HYORAULIC STRUCTURES，第二届国际计算机在土木工程中的应用论文集，1984
[30]彭宣茂，钱向东．复杂组合有限元网格的自动剖分．北京：科学出版社，1992
[31]王润富，佘颖禾．有限元法概念与习题．北京：科学出版社，1998
[32]蒋维城．固体力学有限元分析．北京：北京理工大学出版社，1989
[33]李开泰．有限元法及其应用．西安：西安交通大学出版社，1984
[34]徐次答，华伯浩．固体力学有限元理论、方法及程序．北京：水利电力出版社，1983
[35]许德超，王寿梅．结构分析中的有限元素法．北京：国防工业出版社，1981
[36]谢贻权，何福保．弹性和塑性力学中的有限单元法．北京：机械工业出版社，1981
[37]饶寿期．有限元法和边界元法基础．北京：北京航空航天大学出版社，1990
[38]殷家驹，张元中．计算力学教程．西安：西安交通大学出版社，1992
[39]卓家寿．弹性力学中的有限元法．北京：高等教育出版社，1984
[40]彭宣茂．弹性力学有限元计算的图形技术．CAI／CAD Applied in Mechanics国际研讨会，1992
[41]Lo, S. H., A Hidden-line Aegorithem Using picture subdivision Technique, comp. structures, vol. 28, No. 1, 1988
[42]沈秀通，张武红．地面驱动螺杆泵在我国的应用及发展前景．石油机械，1993，21(9)：50
[43]郁文正．地面驱动采油螺杆泵设计中的若干问题，石油机械，1992，20(6)：5
[44]赵谪斗，张连山，魏庆深等．地面驱动单螺杆泵的设计与应用．石油矿场机械，1992，21(3)：10
[45]许本文，焦群英．机械振动与模态分析基础．北京：机械工业出版社，1998
[46]陈和群．直接滤频法的改进方案．华东水利学院学报，1984(4)
[47]俞铭华，吴剑国，王林．有限元法与C程序设计．北京：科学出版社，1998
[48]黄长艺等．机械制造中的测试技术．北京：机械工业出版社，1981
[49]应怀樵．振动测试和分析．北京：中国铁道部出版社，1981
[50]P. Prinnivasan, Mechanical Vibration Analysis, Tata McGraw-Hill, Publishing Company Limited, 1982
[51]卢怀宝，王忠德，张文飞．螺杆泵杆柱系统自振频率分析，油气田地面工程，1997．16(6)
[52]张令弥．关于国际模态分析会议．应用力学学报．1986，3(3)：125～127
[53]雷继尧．结构振动模态分析的概念工程应用及现代发展．动态分析与测试技术，1989，7(3)
[54]吕振华，冯振东，邬惠乐．也论复模态振动分析理论的几个问题．振动与冲击．1989，8(4)
[55]漆桂芬，刘小弟．模态试验分析方法在建筑结构工程中的应用．动态分析与测试技术．1986，4(3)
[56]屠良尧．传递函数的测试及应用中的若干问题．动态分析与测试技术．1986，4(1)
[57]李德葆．振动模态分析及其应用．北京：宇航出版社，1989
[58]庄表中，王行新．随机振动概论．北京：地震出版社，1982
[59]D.E. Newland. An Introduction to Random Vibration and Spectral Analysis. Longman, 1975
[60]R.R. Craig, Jr. and C-J.Chang. A Review of Substructure Coupling Methods for Dynamic Analysis. Advances in Engineering Science, V.2,NASN Cp-2001, 1976
[61]段根宝．模态综合超单元法的简化解．振动工程学报，1989，2(4)
[62]刘瑞岩．结构振动中模态综合技术．国防科技大学学报，1979，(2)
[63]应怀樵．脉冲力与结构振动响应传递函数的变时基、变窗长采样分析新方法研究．北京：东方所研究报告，1990
[64]王文亮，杜作润．用改进的模态综合法计算空间双层框架的模态特性．上海力学，1980，(4)
[2]胡海昌．弹性力学的变分原理及其应用．北京：科学出版社，1981
[3][英]D．J．哈托．振动分析的矩阵计算机方法．北京：机械工业出版社，1983
[4]吴鸿庆，任侠．结构有限元分析．北京：中国铁道出版社，2000
[5]赵经文，王宏钰．结构有限元分析．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1988
[6]范家齐，樊俊才．实用有限元法．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1993
[7]周中坚，卢耀祖．机械与汽车结构的有限元分析．上海：同济大学出版社，1997
[8]陈和群，彭宣茂．有限元法微机程序与图形处理．南京：河海大学出版社，1992
[9][美]L．米罗维奇．振动分析基础．上海：上海交通大学理论力学教研室译，1983
[10]L. Meirovitch, Elements of Vibration Analysis, McGraw—Hill, 1975
[11]F. S. Tse, I. E. Morse, R. T. Hinkle, Mechanical Vibrations, Theory and Applications, 2ed., Allyn and Bacon, 1978
[12]W. T. Thomson, Theory of Vibration with Applications, 2ed., Prentice—Hall, 1981
[13]张国瑞．有限元法．北京：机械工业出版社，1992
[14]Zienkiewicz. O. C.. The Finite Method in Engineering Science. 1971
[15]朱伯芳．有限单元法原理与应用．北京：水利电力出版社，1979
[16]李大潜．有限元素法续讲．北京：科学出版社，1979
[17]甘舜仙．有限元技术与程序．北京：北京理工大学出版社，1988
[18]Hinton, E.. Owen, D. R. J.. Finite Element Programming. Academic press, 1977
[19]陈和群．动力问题数值解法和程序设计．上海：华东水利学院讲义，1984
[20]K．J．巴特，E．L．威尔逊．有限元分析中的数值方法．林公豫，罗恩译．北京：科学出版社，1991
[21]陈和群，局部冻结结点编码优化法在质量凝聚法中的应用，首届华东计算力学学术会议论文，1987
[22]彭宣茂，陈和群．交互式静、动力分析程序包．上海：首届华东计算力学学术会议论文，1987
[23]陈和群，彭宣茂．微机程序设计技巧与前后处理．上海：华东结构力学教学经验交流会论文集，1990
[24]彭宣茂．有限元计算的前后图形处理．上海：水力水电微机应用，1991
[25]David, F. Rogers, Procedvral Elements for Computer Graphics Mc Gram Hill, Inc, 1985
[26]彭宣茂．微型机上的FORTRAN图形处理．南京：南京微电脑应用成果汇编，1984
[27]彭宣茂．拱坝有限元计算的前后图形处理技术．南京：河海大学学报，1990
[28]Qian Xiangdong Peng Xuanmao,PRE-PROCESSING FORELEMENT ANALYSIS OF COMPLEX FOUNDATION-ARCHDAMSYSTEMS,INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ARCH DAMS,1992
[29]Chen Hequn Wang Yintang Peng Xuanmao等，AN APPLICATION OF MICROCOMPUTER TO ANALYSIS OF HYORAULIC STRUCTURES，第二届国际计算机在土木工程中的应用论文集，1984
[30]彭宣茂，钱向东．复杂组合有限元网格的自动剖分．北京：科学出版社，1992
[31]王润富，佘颖禾．有限元法概念与习题．北京：科学出版社，1998
[32]蒋维城．固体力学有限元分析．北京：北京理工大学出版社，1989
[33]李开泰．有限元法及其应用．西安：西安交通大学出版社，1984
[34]徐次答，华伯浩．固体力学有限元理论、方法及程序．北京：水利电力出版社，1983
[35]许德超，王寿梅．结构分析中的有限元素法．北京：国防工业出版社，1981
[36]谢贻权，何福保．弹性和塑性力学中的有限单元法．北京：机械工业出版社，1981
[37]饶寿期．有限元法和边界元法基础．北京：北京航空航天大学出版社，1990
[38]殷家驹，张元中．计算力学教程．西安：西安交通大学出版社，1992
[39]卓家寿．弹性力学中的有限元法．北京：高等教育出版社，1984
[40]彭宣茂．弹性力学有限元计算的图形技术．CAI／CAD Applied in Mechanics国际研讨会，1992
[41]Lo, S. H., A Hidden-line Aegorithem Using picture subdivision Technique, comp. structures, vol. 28, No. 1, 1988
[42]沈秀通，张武红．地面驱动螺杆泵在我国的应用及发展前景．石油机械，1993，21(9)：50
[43]郁文正．地面驱动采油螺杆泵设计中的若干问题，石油机械，1992，20(6)：5
[44]赵谪斗，张连山，魏庆深等．地面驱动单螺杆泵的设计与应用．石油矿场机械，1992，21(3)：10
[45]许本文，焦群英．机械振动与模态分析基础．北京：机械工业出版社，1998
[46]陈和群．直接滤频法的改进方案．华东水利学院学报，1984(4)
[47]俞铭华，吴剑国，王林．有限元法与C程序设计．北京：科学出版社，1998
[48]黄长艺等．机械制造中的测试技术．北京：机械工业出版社，1981
[49]应怀樵．振动测试和分析．北京：中国铁道部出版社，1981
[50]P. Prinnivasan, Mechanical Vibration Analysis, Tata McGraw-Hill, Publishing Company Limited, 1982
[51]卢怀宝，王忠德，张文飞．螺杆泵杆柱系统自振频率分析，油气田地面工程，1997．16(6)
[52]张令弥．关于国际模态分析会议．应用力学学报．1986，3(3)：125～127
[53]雷继尧．结构振动模态分析的概念工程应用及现代发展．动态分析与测试技术，1989，7(3)
[54]吕振华，冯振东，邬惠乐．也论复模态振动分析理论的几个问题．振动与冲击．1989，8(4)
[55]漆桂芬，刘小弟．模态试验分析方法在建筑结构工程中的应用．动态分析与测试技术．1986，4(3)
[56]屠良尧．传递函数的测试及应用中的若干问题．动态分析与测试技术．1986，4(1)
[57]李德葆．振动模态分析及其应用．北京：宇航出版社，1989
[58]庄表中，王行新．随机振动概论．北京：地震出版社，1982
[59]D.E. Newland. An Introduction to Random Vibration and Spectral Analysis. Longman, 1975
[60]R.R. Craig, Jr. and C-J.Chang. A Review of Substructure Coupling Methods for Dynamic Analysis. Advances in Engineering Science, V.2,NASN Cp-2001, 1976
[61]段根宝．模态综合超单元法的简化解．振动工程学报，1989，2(4)
[62]刘瑞岩．结构振动中模态综合技术．国防科技大学学报，1979，(2)
[63]应怀樵．脉冲力与结构振动响应传递函数的变时基、变窗长采样分析新方法研究．北京：东方所研究报告，1990
[64]王文亮，杜作润．用改进的模态综合法计算空间双层框架的模态特性．上海力学，1980，(4)
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