用于研究抽油杆偏磨损耗的实验装置及方法

本发明属于抽油实验设备，尤其涉及一种用于研究抽油杆偏磨损耗的实验装置及方法。

背景技术：

1、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。抽油杆在井下受多种力作用而产生形变，使抽油杆与油管产生偏磨问题，使它一度成为油田生产停滞不前的主要原因，因此要掌握杆、管偏磨机理，研究细长杆柱在受力状态下的工作情况十分必要。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，无法对偏磨损耗进行定量精确的表征。有鉴于此，本发明研发了一种研究井筒内抽油杆偏磨损耗的装置及方法，通过实验的方法对对井下抽油杆偏磨损耗进行定量表征，测定不同工况条件下的偏磨情况，能够对抽油杆的偏磨损耗精确地进行定量表征。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于研究抽油杆偏磨损耗的实验装置及方法，旨在解决现有技术中通过数学模型推导以及软件模拟无法定量表征抽油杆与井筒偏磨损耗量的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

3、一种用于研究抽油杆偏磨损耗的实验装置，所述实验装置包括能够容纳流体的桶体、用于模拟油管的模拟井筒及用于模拟抽油杆的模拟杆柱，所述桶体的底部设有进液孔、顶部设有排液孔，通过进液孔及排液孔能够向桶体内输送模拟采出液的流体；所述模拟井筒通过第一夹持器设置于桶体内壁上，所述模拟杆柱通过第二夹持器与支架相连，所述模拟杆柱的下端延伸至模拟井筒内、且能够沿着模拟井筒内腔上下移动，所述模拟杆柱与往复运动系统相连，用于模拟抽油杆的往复运动；所述模拟杆柱上设有受力系统，用于模拟抽油杆所受的横向应力。

4、优选的，所述桶体直立于底座上，所述支架包括四根支撑柱，所述往复运动系统设置在四根支撑柱的上部，四根支撑柱分别为两根主支撑柱和两根副支撑柱，两根主支撑柱设置于桶体的外侧、且其底部固定于底座上，两根副支撑柱设置于桶体的上方，所述第二夹持器及受力系统设置于副支撑柱的下部。

5、优选的，所述第一夹持器包括左夹持部、右夹持部、上滑轨和下滑轨，所述上滑轨和下滑轨分别固定于桶体内壁上，所述左夹持部和右夹持部分别夹持模拟井筒的左右两侧，所述左夹持部和右夹持部的上下两端分别与上滑轨和下滑轨滑动配合，能够在水平方向上调节模拟井筒的位置。

6、优选的，所述第二夹持器包括上夹持部和下夹持部，所述上夹持部和下夹持部分别与副支撑柱的下部相连，利用上夹持部和下夹持部夹持模拟杆柱的上下两端；所述受力系统设置于两根副支撑柱之间、上夹持部和下夹持部之间。

7、优选的，所述受力系统包括固定杆、水平设置的调节螺栓和应力弹簧，所述固定杆设置于两根副支撑柱之间、且其上下两端分别与上夹持部和下夹持部相连，所述调节螺栓与固定杆的中部螺纹配合，所述应力弹簧的一端与调节螺栓相连、另一端与模拟杆柱相连。

8、优选的，所述往复运动系统为运动电机，所述运动电机的输出端与模拟杆柱相连，所述运动电机的四角部位分别设有与四根支撑柱相配合的导向孔，四根支撑柱的上部作为导轨供运动电机上下移动；所述运动电机与控制面板相连，用于控制模拟杆柱的运动速度、往复运动幅度及运动频率。

9、优选的，所述桶体的进液孔及排液孔分别与供液设备相连，所述供液设备由控制器控制，用于控制桶体内流体的流动状态。

10、本发明还提供一种用于研究抽油杆偏磨损耗的实验方法，包括以下步骤：

11、组装上述实验装置；

12、根据所模拟采出液要求配制流体，连接好进液孔、排液孔，根据实验要求设置流体的流速、流量；

13、将模拟杆柱下放至模拟井筒的指定深度，根据实验要求设置往复运动系统，设置模拟杆柱往复运动的速度、幅度、频率；

14、待有流体流出排液孔时，启动往复运动系统使模拟杆柱开始往复运动；

15、等待指定时间t后，关闭往复运动系统，停止桶体进液并排空内部流体，将模拟杆柱及模拟井筒取出，测量其净重g筒2、g杆2，得到对应实验数据；计算得到模拟杆柱及模拟井筒的损耗量、偏磨损耗率及偏磨损耗速率；

16、实验结束后，切断所有电源，清洗实验装置。

17、根据记录的实验数据，利用公式（1）、公式（2）计算模拟杆柱及模拟井筒的损耗量：

18、（1）

19、（2）

20、式中：∆g杆——模拟杆柱的损耗量；

21、∆g筒——模拟井筒的损耗量；

22、根据公式（3）、公式（4）计算偏磨损耗率：

23、（3）

24、（4）

25、式中：s筒——模拟井筒的损耗率；

26、s杆——模拟杆柱的损耗率；

27、根据公式（5）、公式（6）计算偏磨损耗速率：

28、（5）

29、（6）

30、式中：η筒——模拟井筒的损耗速率；

31、η杆——模拟杆柱的损耗速率。

32、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，本发明通过模拟井筒模拟油管、模拟杆柱模拟抽油杆，并在桶体内通入自下至上流经的流体来模拟采出液，可将复杂的井下结构转化为室内实验，可模拟实际工况下的抽油杆受力及其在受力后产生的偏磨情况，通过桶体内的流体可模拟井下采出液的实际流动状态及其对井筒壁、抽油杆的影响，通过调节抽油杆所受应力、不同的运动速度、频率及幅度，测定不同工况条件下的偏磨情况，进而对井下抽油杆偏磨损耗进行定量表征，能够计算出抽油杆的损耗量、损耗速率及损耗程度。本发明能够与理论数学模型和仿真软件模拟结合，对理论和模拟计算得到理论上的损耗量、损耗率、损耗速率进行验证，使得研究更完善，更贴合实际，更具有代表意义，以对现场应用提供准确理论与技术指导。

技术特征：

1.一种用于研究抽油杆偏磨损耗的实验装置，其特征在于：所述实验装置包括能够容纳流体的桶体、用于模拟油管的模拟井筒及用于模拟抽油杆的模拟杆柱，所述桶体的底部设有进液孔、顶部设有排液孔，通过进液孔及排液孔能够向桶体内输送模拟采出液的流体；所述模拟井筒通过第一夹持器设置于桶体内壁上，所述模拟杆柱通过第二夹持器与支架相连，所述模拟杆柱的下端延伸至模拟井筒内、且能够沿着模拟井筒内腔上下移动，所述模拟杆柱与往复运动系统相连，用于模拟抽油杆的往复运动；所述模拟杆柱上设有受力系统，用于模拟抽油杆所受的横向应力;

2.根据权利要求1所述的用于研究抽油杆偏磨损耗的实验装置，其特征在于：所述第一夹持器包括左夹持部、右夹持部、上滑轨和下滑轨，所述上滑轨和下滑轨分别固定于桶体内壁上，所述左夹持部和右夹持部分别夹持模拟井筒的左右两侧，所述左夹持部和右夹持部的上下两端分别与上滑轨和下滑轨滑动配合，能够在水平方向上调节模拟井筒的位置。

3.根据权利要求1所述的用于研究抽油杆偏磨损耗的实验装置，其特征在于：所述往复运动系统为运动电机，所述运动电机的输出端与模拟杆柱相连，所述运动电机的四角部位分别设有与四根支撑柱相配合的导向孔，四根支撑柱的上部作为导轨供运动电机上下移动；所述运动电机与控制面板相连，用于控制模拟杆柱的运动速度、往复运动幅度及运动频率。

4.根据权利要求1所述的用于研究抽油杆偏磨损耗的实验装置，其特征在于：所述桶体的进液孔及排液孔分别与供液设备相连，所述供液设备由控制器控制，用于控制桶体内流体的流动状态。

5.一种用于研究抽油杆偏磨损耗的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的用于研究抽油杆偏磨损耗的实验方法，其特征在于：根据以下公式（1）、公式（2）计算模拟杆柱及模拟井筒的损耗量：

技术总结
本发明公开了一种用于研究抽油杆偏磨损耗的实验装置及方法，属于抽油实验设备技术领域，实验装置包括桶体、模拟井筒及模拟杆柱，通过桶体底部进液孔及顶部排液孔向桶体内输送模拟采出液的流体；模拟井筒通过第一夹持器设于桶体内，模拟杆柱通过第二夹持器与支架相连，模拟杆柱与往复运动系统相连，能够模拟在油管内的往复运动，模拟杆柱通过受力系统来模拟所受的横向应力。实验方法为：组装实验装置进行实验，测量实验前后模拟井筒和模拟杆柱的净重，计算二者的损耗量、偏磨损耗率及偏磨损耗速率。本发明能够将复杂的井下结构转化为室内实验，可模拟实际工况下的抽油杆受力及其在受力后产生的偏磨情况，对井下抽油杆偏磨损耗进行定量表征。

技术研发人员：曲国辉,刘慰博,崔翔宇,白玉杰,曹广胜,程庆超,张宁
受保护的技术使用者：东北石油大学三亚海洋油气研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15