碳纖維連續抽油桿與常規抽油機的匹配

摘要：在油田采油系統方面，碳纖維連續抽油桿的應用越來越廣泛。而在碳纖維連續抽油桿和常規抽油機互相配合使用的過程當中，往往會出現地面示功圖不同的情況，這是因為碳纖維連續抽油桿彈性模量不同的原因。本文主要從常規抽油機上沖程和下沖程許用載荷的角度，對碳纖維連續抽油桿和常規抽油機的匹配進行了討論。

關鍵詞：碳纖維連續抽油桿；常規抽油機；匹配研究

一直以來，常規抽油機都是我國油田石油開采的主要設備，而由于我國石油工業以及開采技術的發展，油田的開采也逐漸向深度越來越深、環境越來越惡劣的方向發展，越來越多的高腐蝕油井和超深油井逐漸被建成。在這些油田中，碳纖維連續抽油桿由于具有良好的適合性，而逐漸被廣泛應用。因此，人們就開始考慮碳纖維連續抽油桿系統和常規抽油機的結合。而當碳纖維連續抽油桿和常規抽油機互相配合使用的時候，會出現地面示功圖明顯不同的情況，這是因為碳纖維連續抽油桿和鋼桿彈性模量不同的原因，據測算，碳纖維連續抽油桿的彈性模量只有鋼桿的一半左右。

有學者從常規抽油機許用載荷的角度來對玻璃鋼抽油桿和常規抽油機的匹配進行了分析，認為玻璃鋼抽油桿的彈性模量太小，只有鋼桿的三分之一左右，即便是采用抽油機減速器曲柄軸最大扭矩符合常規抽油機額定扭矩值的玻璃鋼抽油桿，但玻璃鋼抽油桿和常規抽油機的匹配性還是不夠理想，很容易造成常規抽油機懸點超負荷現象，這不僅影響了玻璃鋼抽油桿超長沖程的特性，同時也會降低常規抽油機的使用壽命，嚴重的話甚至還會引起安全事故。而我們在進行碳纖維連續抽油桿和常規抽油機之間的匹配問題分析時，也發現了和玻璃鋼抽油桿與常規抽油機匹配中出現的同樣問題。

1.常規抽油機許用載荷

常規抽油機的一個基本參數就是抽油機減速器曲柄軸的額定扭矩，常規抽油機的許用載荷則是在滿足這個額定扭矩值的情況下，對應抽油機懸點的載荷。常規抽油機的許用載荷和懸點的許用載荷不完全相同，它的大小主要和常規抽油機減速器額定扭矩、四桿機構桿長以及沖程長度等因素有關。我們用P表示抽油機的許用載荷，單位為kN；用 表示曲柄最大平衡扭矩，單位為kN·m；用 表示曲柄的軸轉角；用 表示抽油機扭矩因素，單位為m；用M表示減速器曲柄輸出扭矩，單位為kN·m；用B表示結構不平衡重，單位為kN；

則常規抽油機的許用載荷可以通過公式 計算得出。

碳纖維連續抽油桿稠油系統最早起源于美國，而我國是在上世紀九十年代后期才開始進行碳纖維連續抽油桿系統的研究。對于不同抽油桿的一些性能，我們可以根據相關的性質表來進行比較，以便對他們和抽油機之間的匹配情況進行對比分析。

而根據相關的性質表我們可以發現，鋼抽油桿的彈性模量最大，其次是鋼絲繩柔性抽油桿，再到碳纖維連續抽油桿，而玻璃鋼抽油桿的彈性模量最小。根據上面對玻璃鋼抽油桿和常規抽油機的匹配性分析，我們知道，如果碳纖維連續抽油桿和鋼抽油桿的組合設計如果跟玻璃鋼抽油桿和鋼抽油桿的組合設計相同，就很容易會引起超沖程的情況。

為了分析碳纖維連續抽油桿和常規抽油機的匹配問題，我們還要引入一個示功圖的概念。影響油井地面示功圖的主要因素包括了沖程和沖次、泵深和泵徑、抽油桿彈性模量等，這也是碳纖維連續抽油桿和鋼桿地面示功圖明顯不同的原因。而根據碳纖維連續抽油桿地面示功圖和鋼桿地面示功圖的顯示，我們可以發現，碳纖維連續抽油桿的地面示功圖和鋼桿地面示功圖的形狀有著較大的不同。碳纖維連續抽油桿示功圖的形狀為左邊低，右邊高，并響上延伸；而鋼桿的示功圖為左邊高，右邊低，并向下延伸，但幅度比較小。

2.影響碳纖維連續抽油桿和常規抽油機匹配的因素

常規抽油機的許用載荷曲線包括了上沖程部分和下沖程部分兩條曲線，將其和碳纖維連續抽油桿系統的地面示功圖重疊的話，就可以很直觀的看出對應抽油機懸點有沒有出現超載。即碳纖維連續抽油桿系統的地面示功圖如果位于兩條常規抽油機的許用載荷曲線之內，則表示對應抽油機懸點有沒有出現超載；反之，如果超出范圍，則表示懸點載荷超載。為了進一步對碳纖維連續抽油桿和常規抽油機的匹配進行分析，我們引用了具體常規抽油機許用載荷曲線和碳纖維連續抽油桿系統的地面示功圖來進行描述。該油井是S101井，泵深為1990m，沉沒度為300m，原油的密度為0.875g/cm3，原油的含水質量分數是20%。

而通過對不同碳纖維連續抽油桿和鋼桿進行組合，我們得到了許多不同的系統示功圖，例如0m碳纖維連續抽油桿和1990m鋼桿的組合、500m碳纖維連續抽油桿和1490m鋼桿的組合：

根據示功圖中碳纖維連續抽油桿地面示功圖和常規抽油機的重疊情況，我們選擇了一些比較理想組合情況，并運用于其他型號的抽油機上，最后得到了集中型號和碳纖維連續抽油桿匹配較好的常規抽油機，例如CYJ3-2.1-13HB、CYJ8-3-48HB和CYJ10-3-53HB等。

結語：

通過對碳纖維連續抽油桿系統地面示功圖和常規抽油機許用載荷曲線圖之間的互相重疊情況分析，我們可以發現一些匹配的規律。常見碳纖維連續抽油桿系統的地面示功圖一般為左邊低、右邊高，并逐漸向上延伸；常規抽油機的許用載荷曲線圖中上沖程和下沖程的曲線常則表現為左邊高右邊低，或者左邊低右邊高這兩種情況。而根據這些不同的情況，在碳纖維連續抽油桿和抽油機配合使用時，應進行適當的調整，優先使用碳纖維連續抽油桿系統示功圖在抽油機許用載荷上沖程曲線和下沖程曲線范圍之內的組合匹配。因此，在選擇碳纖維連續抽油桿時，應該注意結合系統施工圖，避免對應抽油機懸點出現超載的情況，從而保證抽油機的正常安全工作。而我們在上面列出了集中匹配性較好的常規抽油機型號，以供相關工作人士參考。

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