玻璃钢—钢混合抽油杆柱动特性的计算机模拟
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摘要
目前有杆抽油方法仍居于首要地位。玻璃钢抽油杆由于密度小、
重量轻，耐腐蚀而得到广泛应用，因此精确预测钢与玻璃钢混合杆在
井下的动态行为，建立混合杆的动力学数学模型是目前急需解决的一
大难题。
本文采用有限元软件，对影响有杆抽油的主要部件-抽油杆的动特
性进行了计算机模拟，主要研究内容如下：
1．根据一维带阻尼、重力的波动方程，给出了详尽的有限元推导
过程。
2．用软件中的模态分析方法求解混合杆柱的固有频率，找到了玻
璃钢所占比例及接箍集中质量与固有频率之间的定性关系。
3．根据抽油机光杆运动方程，按不同时间区段模拟单级钢抽油杆
柱的循环运动过程，绘制其计算机模拟的位移、速度、力及示功图曲
线，并将它与实测示功图进行了对比，得到了较好的吻合效果，所得
图形为确定合理的光杆形状及运动曲线和优化抽油机系统奠定基础。
4．步骤同上，模拟同一工况下多级钢抽油杆和玻璃钢－钢混合抽
油杆柱的循环过程，绘制相关曲线并进行对比，分析，得出一些重要
结论，为正确选择抽油机、泵、杆参数提供了定性和定量的理论依据。
本文的计算机模拟结果同实测结果能够较好的吻合，为设计抽油
机、杆、泵系统，完善井下计算机诊断技术提供一条新的途径，具有
一定的实用价值。
Rod pumping approach is in the dominant position now. The fiberglass sucker rod is widely used due to its small density, lightweight and corrosion resistance. Therefore predetermining the actual dynamic characteristics of steel and fiberglass combined sucker rod in a hole and establishing its dynamic mathematical model is a difficult problem to be solved urgently.
Dynamic characteristics of combined rod are simulated by using finite element software in this paper, the detail contents are as follows:
I According to the one dimension wave-motion with damping and gravity force, a detail finite element deduction process is given.
2 Natural frequency is solved by using modal analysis and the qualitative relationship between natural frequency and the ratio of fiberglass in sucker rod is found.
3 In light of the kinetic characteristic of the polished rod, its transient kinematic and dynamic characteristics are simulated at different periods of a cycle. It is found that the kinematic parameter and force vs. time curves and the related dynamometer are described accurately by comparing with the actual measurements. The dynamic characteristic and the force behavior will provide a basis for designing and optimizing pumping units.
4 The dynamic process of multi-stage steel sucker rod, multi-stage fiberglass and steel sucker rod are simulated in the same work condition. Some important conclusions are obtained by analysis and comparing their relative curves. These results could provide qualitative and quantity theoretical foundation for selecting correct parameter of pumping unit.
重量轻，耐腐蚀而得到广泛应用，因此精确预测钢与玻璃钢混合杆在
井下的动态行为，建立混合杆的动力学数学模型是目前急需解决的一
大难题。
本文采用有限元软件，对影响有杆抽油的主要部件-抽油杆的动特
性进行了计算机模拟，主要研究内容如下：
1．根据一维带阻尼、重力的波动方程，给出了详尽的有限元推导
过程。
2．用软件中的模态分析方法求解混合杆柱的固有频率，找到了玻
璃钢所占比例及接箍集中质量与固有频率之间的定性关系。
3．根据抽油机光杆运动方程，按不同时间区段模拟单级钢抽油杆
柱的循环运动过程，绘制其计算机模拟的位移、速度、力及示功图曲
线，并将它与实测示功图进行了对比，得到了较好的吻合效果，所得
图形为确定合理的光杆形状及运动曲线和优化抽油机系统奠定基础。
4．步骤同上，模拟同一工况下多级钢抽油杆和玻璃钢－钢混合抽
油杆柱的循环过程，绘制相关曲线并进行对比，分析，得出一些重要
结论，为正确选择抽油机、泵、杆参数提供了定性和定量的理论依据。
本文的计算机模拟结果同实测结果能够较好的吻合，为设计抽油
机、杆、泵系统，完善井下计算机诊断技术提供一条新的途径，具有
一定的实用价值。
Rod pumping approach is in the dominant position now. The fiberglass sucker rod is widely used due to its small density, lightweight and corrosion resistance. Therefore predetermining the actual dynamic characteristics of steel and fiberglass combined sucker rod in a hole and establishing its dynamic mathematical model is a difficult problem to be solved urgently.
Dynamic characteristics of combined rod are simulated by using finite element software in this paper, the detail contents are as follows:
I According to the one dimension wave-motion with damping and gravity force, a detail finite element deduction process is given.
2 Natural frequency is solved by using modal analysis and the qualitative relationship between natural frequency and the ratio of fiberglass in sucker rod is found.
3 In light of the kinetic characteristic of the polished rod, its transient kinematic and dynamic characteristics are simulated at different periods of a cycle. It is found that the kinematic parameter and force vs. time curves and the related dynamometer are described accurately by comparing with the actual measurements. The dynamic characteristic and the force behavior will provide a basis for designing and optimizing pumping units.
4 The dynamic process of multi-stage steel sucker rod, multi-stage fiberglass and steel sucker rod are simulated in the same work condition. Some important conclusions are obtained by analysis and comparing their relative curves. These results could provide qualitative and quantity theoretical foundation for selecting correct parameter of pumping unit.
引文
1 崔振华，余国安等．有杆抽油系统．石油工业出版社．1994：1～11：34～40
2 张连山．我国有杆抽油机技术发展的前景．石油机械．1992，20(8)：46～49
3 刘先刚．国外采油机械的新进展．钻采工艺．1994，17(3)：60～66
4 孔昭瑞．国内外抽油机的发展趋向．石油机械．1995，23(2)：49～54
5 蔡耀光，高福光．浅谈我国抽油机的类型及发展趋势．钻采工艺．1995，18(2)：46～49，61
6 张连山．国外长冲程抽油机现状与发展．国外石油机械．1997，8(3)：23～31
7 张连山．增程式无游梁抽油机的现状与发展．石油机械．1997，25(3)：7～12
8 张连山．国外抽油机的技术发展．石油机械．1999，27(4)：54～56
9 张连山．2010年世界新型抽油机技术发展预测．钻采工艺．1999，2(3)：57～60
10 吴则中，刘勤学．18年来我国抽油杆的科技进步与研制成果．石油机械．1999，27(11)：43～46
11 陈路原，陈普信，陈宗林．玻璃钢抽油杆在文留油田应用的综合评价．石油矿场机械．1995，24(6)：48～51，54
12 S.G.Gibbs. Application of Fiberglass Sucker Rods. Society of Petroleum Engineers(SPE)Production Engineering. May 1991,6(2):147～154
13 周继德．定向井抽油机悬点最大载荷的计算．石油矿场机械．1990，19(3)：15～17
14 石映．玻璃钢抽油杆在四川深抽排水采气工艺中的应用与研究．钻采工艺．1996，19(4)：49～52
15 彭勇，徐建宁．用玻璃钢抽油杆改善大泵强采抽油系统的工况．西安石油学院学报．1998，13(5)：48～50
16 张喜林，张金良．玻璃钢抽油杆在濮城油田的应用及效果．钻采工艺．1999，22(3)：94～95
17 刘猛，万邦烈，陈如恒．深井采油设备的技术进展．石油大学学报(自然科学版)．1996，20(2)：112～117
18 张连山．国外新结构和高强度抽油杆的技术发展．国外石油机械．1998，9(3)：24～29
19 张连山．国外新型抽油杆．国外石油机械．1999，10(1)：21～26
20 胡永金，吴志均．铝合金抽油杆柱深抽的初步研究．西南石油学院学报．1995，17(4)：98～103
21 刑智生，张继峰．柔性抽油杆的研究与应用．石油矿场机械．1998，27(4)：1～3
22 S.G.Gibbs,A.B. Neely. Computer Diagnosis of Downhole Conditions in Sucker Rod Pumping Wells. Journal of Petroleum Technology(JPT). January, 1966:91～98
23 胡辛禾．美国机械采油装备发展现状．国外石油机械．1999，10(6)：53～55
24 董世民，马德坤．有杆抽油系统动态特性的计算机仿真．试验力学．1996，11(3)：277～284
25 J.P. Byrd. Pumping Deep Wells with a Beam and Sucker Rod System. SPE: paper, 6436: presented to the Deep Drilling and Production Symposium of the SPE of AIME: Amarillo: Texas 1977: 561～573
26 李策，吴则中．使用玻璃钢抽油杆、H_1型超高强度抽油杆和D级抽油杆对产液量的影响．石油矿场机械．1995，24(5)：2～5
27 徐骏．玻璃钢杆与钢杆混合抽油杆柱动态模型的解析法研究．石油机械．1994，22(1)：39～45
28 S.D. L Lekia, R.D. A Evans. Coupled Rod and Fluid Dynamic Model for Predicting the Behavior of Sucker Rod Pumping Systems. Pap. SPE. 21664: 1991:297～312
29 李桂喜．抽油杆柱振动载荷分析．石油机械．1995，23(5)：49～51，56
30 T. Nicol. Dynamic Analysis of Sucker Rod Pumping. M S Thesis:The University of Oklahoma: Norman: Oklahoma: 1980:45～61
31 API Recommended Practice for Design Calculations for Sucker rod Pumping Systems(Conventional units). American Petroleum Institute (API): 1977: 5～20
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33 余国安，钨亦炯，王国源．有杆泵抽油井的三维振动．石油学报．1989，10(4)：76～83
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35 G.W. Wang, S.S. Rahman, G.Y. Wang. An Improved Model for Sucker Rod Pumping Systems Proc.11th Australia.fluid Mech. conf. Tasmania: 14-18Dec, 1992, 2: 1137～1140
36 余国安，邬亦炯，王国源．有杆泵抽油井的一种新的数学模型．石油机械．1988，3：24～31
37 彭勇，余国安．抽油杆有限元模型及诊断用解法．石油机械．1993，21(12)：44～48
38 李晓明．有杆泵抽油系统数值模拟方法．石油钻采工艺．1987，7(1)：1～8
39 S.G. Gibbs. A general Method for Predicting Rod Pumping System Performance.Paper. SPE6850 1977:9～12
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41 聂义勇．有限元工程化的几项关键技术．小型微型计算机系统．1997，18(1)：17～12
42 胡辰．游梁式抽油机优化设计方法的回顾和展望．石油机械．1994：22(4)：46～51
43 S.Z. Miska, A. Khodabandeh, J.M. Rajtar. Computer Aided Design and Optimization of Sucker Rod Pumping Systems. Pap. SPE. 26966 1994: 689～697
44 Gabor Takacs. How to Find the Optimum Pumping Mode for Sucker Rod Pumping. Technical University of Miskolc: Hungary: southwestern Petroleum short course: 1990:72～84
45 S. Miska, A. Sharaki, J.M. Rajtar. A simple Model for Computer-aided Optimization and Design of Sucker-rod Pumping Systems. Journal of Petroleum Science and Engineering. 1997, (17):303～312
46 彭勇，王玲．抽油杆柱有限元动力方程的差分解及其收敛性．西安石油学院学报．1994，9(3)：42～46
47 D.R. Doty, Z.Schmidt. An improved Modal for Sucker Rod Pumping. J Soc Pet Eng:(Feb).1988: 33～41
48 T.A. Everitt, J.W. Jennings. An improved finite difference calculation of downhole dynamometer cards for sucker rods. SPE: 18189,1988: 83～94
49 T.A. Everitt. An improved finite deference Calculation of downhole dynamometer Cards for Sucker Rod Pumps. M S Thesis: Texas A & M University, College station, texas. 1996:28～34
50 朱小平．抽油杆柱下部的受力与变形计算．石油机械．1992，20(2)：43～48，54
51 姚春冬，徐秀芳，张玉生．抽油杆柱组合对抽油机井能耗的影响．大庆石油学院学报．1996，20(2)：72～76
52 张连山．关于国内抽油机发展趋向的几个问题．石油机械．1996，24(2)：30～34
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54 张连山．长冲程抽油机的现状与发展．石油机械．1997，25(6)：49～51
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57 赵凤芝，包锋．抽油机井智能诊断系统．石油钻采工艺．2000，22(3)：69～70，76
58 郭吉民，崔金榜．玻璃钢抽油杆油井常见地面示功图及其分析．石油矿场机械．1994，23(2)：32～35
59 A. Khodabandeh, S.A. Misk. A new approach for Modeling fluid inertia effects on sucker rod pump Performance and Design. Presented at Soc Pet Eng Rocky Mtm, 1992 May 24329:18～21
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66 J.W. Jennings. A Method for Designing fiberglass sucker rod string Using API RP11L. SPE 1988, 18188:145～149
67 J.F. Jr Lea. Boundary condition used with dynamic Models of beam pump Performance. Amoco Production co, Southwestern Petroleum Short course, 1988:236～241
68 D.R. Doty, Schmidt. An improved Model for sucker rod pumping. SPE. 1983, Feb: 34～41
69 R.E. Laine, J.F. keating, J.W. Jennings. Shallow sucker Rod wells and Fluid Inertia. Texas A & M University, southwestern Petroleum Short course, 1990:47～53
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11 陈路原，陈普信，陈宗林．玻璃钢抽油杆在文留油田应用的综合评价．石油矿场机械．1995，24(6)：48～51，54
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49 T.A. Everitt. An improved finite deference Calculation of downhole dynamometer Cards for Sucker Rod Pumps. M S Thesis: Texas A & M University, College station, texas. 1996:28～34
50 朱小平．抽油杆柱下部的受力与变形计算．石油机械．1992，20(2)：43～48，54
51 姚春冬，徐秀芳，张玉生．抽油杆柱组合对抽油机井能耗的影响．大庆石油学院学报．1996，20(2)：72～76
52 张连山．关于国内抽油机发展趋向的几个问题．石油机械．1996，24(2)：30～34
53 孔昭瑞．再论发展长冲程抽油机的现实意义．石油机械．1997，25(1)：50～52
54 张连山．长冲程抽油机的现状与发展．石油机械．1997，25(6)：49～51
55 周明卿，张琪．玻璃钢抽油系统的优化设计．石油矿场机械．1996，25(6)：2～5
56 葛占玉，王素华，宋林松．抽油机井振动诊断技术．石油大学学报(自然科学版)．1994，18(4)：60～64
57 赵凤芝，包锋．抽油机井智能诊断系统．石油钻采工艺．2000，22(3)：69～70，76
58 郭吉民，崔金榜．玻璃钢抽油杆油井常见地面示功图及其分析．石油矿场机械．1994，23(2)：32～35
59 A. Khodabandeh, S.A. Misk. A new approach for Modeling fluid inertia effects on sucker rod pump Performance and Design. Presented at Soc Pet Eng Rocky Mtm, 1992 May 24329:18～21
60 API.RP11L-Design Calculation of sucker rod pumping system. American Petroleum Institute: March 1967: 1～21
61 Catalog of analog Computer cards. API Bul 11L2: 1968:625～638
62 Electric Analog study of Sucker Rod Pumping System. Midwest Research Institute. API Drilling and Production Practice.1968:232～249
63 A.B. Neely. Sucker rod string Design. Petroleum Engineer. March:1976: 311～331
64 API Recommended Practice for Design Calculating for sucker Rod Pumping systems(Conventional Units). API RPllL: THIRD ED-Washington D.C.(1977): 810～832
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66 J.W. Jennings. A Method for Designing fiberglass sucker rod string Using API RP11L. SPE 1988, 18188:145～149
67 J.F. Jr Lea. Boundary condition used with dynamic Models of beam pump Performance. Amoco Production co, Southwestern Petroleum Short course, 1988:236～241
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