测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的方法及设备技术

本发明专利技术提供一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的方法及设备，所述方法包括：获取三维井眼的轨迹测点数据；从轨迹测点数据中选取任意两个数据点之间的抽油杆柱作为一个杆柱单元；采集杆柱单元的曲率、长度、有效重力、惯性矩、弹性模量；采集杆柱单元对应的轨迹测点的第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比；确定杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、杆柱单元单位长度的侧向力；确定三维井眼中抽油杆柱的轴向力和侧向力。可用于有杆泵采油防偏磨防治措施的设计计算，也可用来进行三维井眼中抽油杆受力分析。

【技术实现步骤摘要】
测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的方法及设备
本专利技术关于石油开采
，特别是关于定向井、水平井中有杆泵机械采油防偏磨防治的设计技术，具体的讲是一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的方法及设备。
技术介绍
有杆泵机械采油是在垂直井中开采石油的传统有效方法。因该方法结构简单、适应性强、寿命长，为群众所熟悉，所以近年来，虽然定向井、水平井的数量日益增多，但是，在这些井中使用有杆泵机械采油方法的比例仍然十分巨大的。在定向井、水平井中使用有杆泵机械采油方法时，必须在抽油杆柱上安装扶正器或导向器，发挥其扶正、分隔和减摩的作用。因为定向井的井眼轨迹在空间是三维弯曲的，不安装扶正器或导向器的抽油杆柱在油管中运动时，与油管内壁间的接触和摩擦不可避免，不仅要多耗费动力，而且久而久之，会造成杆断、杆脱、管漏等事故，缩短油井免修期，影响油井正常生产，增大作业成本投入。定向井、水平井中抽油杆柱的变形、受力和运动，是杆柱在狭长弯曲、充满井液的管道中的复杂力学问题。该问题的精确求解，现有技术中一般采用初弯曲纵横弯曲梁理论，依据三弯矩方程写出多元线性方程组，然后用计算机联立求解得到，但是该种方法需要公式、数据颇多，公式和方法都很复杂，计算过程繁琐冗长，极大降低了定向井、水平井中抽油杆柱的轴向力和侧向力的测定效率，进而影响了根据定向井、水平井中抽油杆柱的轴向力和侧向力对钻井、完井、采油及修井作业的方案设计和调整的效率。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的方法及设备，利用有限差分方法提出一种近似、简便的方案，基于井眼轨迹数据将抽油杆分成长度为单位长度(或者相当于一根抽油杆杆长)的微元段，由抽油杆最底端开始由下往上逐段进行计算，满足采油工程要求，不仅可用于有杆泵采油防偏磨防治措施的设计计算，也可用来进行三维井眼中抽油杆受力分析，还可以用来进行抽油杆优化设计。本专利技术的目的之一是，提供一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的方法，包括:获取三维井眼的轨迹测点数据；从所述轨迹测点数据中选取任意两个数据点之间的抽油杆柱作为一个杆柱单元；采集所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、所述杆柱单元的横截面的惯性矩、所述杆柱单元的弹性模量；采集所述杆柱单元对应的轨迹测点的第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比；根据所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、横截面的惯性矩、弹性模量以及第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述杆柱单元单位长度的侧向力；根据所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述杆柱单元单位长度的侧向力确定三维井眼中抽油杆柱的轴向力和侧向力。本专利技术的目的之一是，提供了一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的设备，包括:轨迹测点数据获取装置，用于获取三维井眼的轨迹测点数据；杆柱单元选取装置，用于从所述轨迹测点数据中选取任意两个数据点之间的抽油杆柱柱作为一个杆柱单元；第一采集装置，用于采集所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、所述杆柱单元的横截面的惯性矩、所述杆柱单元的弹性模量；第二采集装置，用于采集所述杆柱单元对应的轨迹测点的第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比；杆柱单元向力测定装置，用于根据所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、横截面的惯性矩、弹性模量以及第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述杆柱单元单位长度的侧向力；抽油杆柱向力测定装置，用于根据所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述杆柱单元单位长度的侧向力确定三维井眼中抽油杆柱的轴向力和侧向力。本专利技术的有益效果在于，提供了一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的方法及设备，利用有限差分法的基本假设，利用空间坐标变换和数学分析的方法，以任意两个数据点之间的抽油杆柱为一个单元，推导出了抽油杆柱下单元轴向力、杆柱上单元轴向力，抽油杆柱加速运动和液体阻力等因素在杆柱单元上产生的轴向力、杆柱变形引起的侧向力、全角平面上的总侧向力、副法线方向上的总侧向力，杆柱单元总侧向力的一系列参数方程，利用有限差分方法，基于井眼轨迹数据将抽油杆分成长度为单位长度(或者相当于一根抽油杆杆长)的微元段，由抽油杆最底端开始由下往上逐段进行计算，满足采油工程要求，不仅可用于有杆泵采油防偏磨防治措施的设计计算，也可用来进行三维井眼中抽油杆受力分析，还可以用来进行抽油杆优化设计。为让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的方法的流程图；图2为图1中的步骤S105的具体流程图；图3为图2中的步骤S201的具体流程图；图4为图2中的步骤S202的具体流程图；图5为图2中的步骤S203的具体流程图；图6为本专利技术实施例提供的一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的设备的结构框图；图7为本专利技术提供的一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的设备中杆柱单元向力测定装置500的结构框图；图8为本专利技术提供的一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的设备中第一关系式确定模块501的结构框图；图9为本专利技术提供的一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的设备中第二关系式确定模块502的结构框图；图10为本专利技术提供的一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的设备中第三关系式确定模块503的结构框图；图11为建立轴向载荷和其它因素的关系式的不意图；图12为将井眼轨迹数据点为节点、杆柱划分成单元、任意两个数据点之间的杆柱为一个单元示意图。【具体实施方式】下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。定向井、水平井中抽油杆柱的变形、受力和运动，是杆柱在狭长弯曲、充满井液的管道中的复杂力学问题。该问题的精确求解，现有技术中一般采用初弯曲纵横弯曲梁理论，依据三弯矩方程写出多元线性方程组，然后用计算机联立求解得到，但是该种方法需要公式、数据颇多，公式和方法都很复杂，计算过程繁琐冗长，极大降低了定向井、水平井中抽油杆柱的轴向力和侧向力的测定效率，进而影响了根据定向井、水平井中抽油杆柱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的方法，其特征是，所述的方法具体包括：获取三维井眼的轨迹测点数据；从所述轨迹测点数据中选取任意两个数据点之间的抽油杆柱作为一个杆柱单元；采集所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、所述杆柱单元的横截面的惯性矩、所述杆柱单元的弹性模量；采集所述杆柱单元对应的轨迹测点的第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比；根据所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、横截面的惯性矩、弹性模量以及第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述杆柱单元单位长度的侧向力；根据所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述杆柱单元单位长度的侧向力确定三维井眼中抽油杆柱的轴向力和侧向力。

【技术特征摘要】
1.一种测定三维井眼中抽油杆柱轴向力和侧向力的方法，其特征是，所述的方法具体包括: 获取三维井眼的轨迹测点数据； 从所述轨迹测点数据中选取任意两个数据点之间的抽油杆柱作为一个杆柱单元； 采集所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、所述杆柱单元的横截面的惯性矩、所述杆柱单元的弹性模量； 采集所述杆柱单元对应的轨迹测点的第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比； 根据所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、横截面的惯性矩、弹性模量以及第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述杆柱单元单位长度的侧向力； 根据所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述杆柱单元单位长度的侧向力确定三维井眼中抽油杆柱的轴向力和侧向力。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，根据所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、横截面的惯性矩、弹性模量以及第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述杆柱单元单位长度的侧向力具体包括: 根据所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、横截面的惯性矩、弹性模量以及第一井斜角、第二井斜角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、单位长度的侧向力与第一端的轴向力的关系式，称为第一关系式； 根据所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力与全角平面上的总侧向力的关系式，称为第二关系式； 根据所述杆柱单元的长度、有效重力、第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角确定所述杆柱单元的副法线方向上的总侧向力，称为第三关系式； 根据所述全角平面的总侧向力、副法线方向上的总侧向力确定三维井眼中的所述杆柱单元单位长度的侧向力，称为第四关系式； 根据所述第一关系式、第二关系式、第三关系式、第四关系式确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述杆柱单元单位长度的侧向力。3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，根据所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、横截面的惯性矩、弹性模量以及第一井斜角、第二井斜角、井眼的摩阻系数、冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、单位长度的侧向力与第一端的轴向力的关系式，称为第一关系式具体包括: 根据所述杆柱单元的曲率以及长度确定所述杆柱单元的全角变化； 根据所述杆柱单元的横截面的惯性矩、所述杆柱单元的弹性模量以及曲率确定变形引起的侧向力； 根据所述冲程、冲次、油管内液体动力粘度、泵深以及油管内径与抽油杆直径之比确定抽油杆柱加速运动和液体阻力在所述杆柱单元上产生的轴向力； 根据所述杆柱单元的全角变化、长度、有效重力、井眼的摩阻系数、变形引起的侧向力、抽油杆柱加速运动和液体阻力在所述杆柱单元上产生的轴向力以及所述的第一井斜角、第二井斜角确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、单位长度的侧向力与第一端的轴向力的关系式，称为第一关系式。4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的第一关系式为: 5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征是，根据所述杆柱单元的曲率、长度、有效重力、第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力与全角平面上的总侧向力的关系式，称为第二关系式具体包括: 根据所述杆柱单元的曲率以及长度确定所述杆柱单元的全角变化； 根据所述的第一倾斜角以及第一方位角确定所述杆柱单元的第一端点对应的切向量; 根据所述的第二倾斜角以及第二方位角确定所述杆柱单元的第二端点对应的切向量; 将所述第一端点对应的切向量与第二端点对应的切向量叉乘、单位化后得到所述杆柱单元的单位副法向量； 根据所述第一端点对应的切向量与第二端点对应的切向量确定所述杆柱单元中点的单位切向量； 将所述的单位副法向量以及所述的单位切向量进行叉乘，得到所述杆柱单元的单位主法向量； 根据所述杆柱单元的全角变化、长度、有效重力、单位主法向量确定所述杆柱单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力与全角平面上的总侧向力的关系式，称为第二关系式。6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的第二关系式为: 7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，根据所述杆柱单元的长度、有效重力、第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角确定所述杆柱单元的副法线方向上的总侧向力，称为第三关系式具体包括: 根据所述的第一倾斜角以及第一方位角确定所述杆柱单元的第一端点对应的切向量; 根据所述的第二倾斜角以及第二方位角确定所述杆柱单元的第二端点对应的切向量; 将所述第一端点对应的切向量与第二端点对应的切向量叉乘、单位化后得到所述杆柱单元的单位副法向量； 根据所述杆柱单元的长度、有效重力、单位副法向量确定所述杆柱单元的副法线方向上的总侧向力，称为第三关系式。8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的第三关系式为:Fnp = Lirm 其中，Fnp为副法线方向上的总侧向力，Ls为所述杆柱单元的长度，$为所述杆柱单元的有效重力向量6力单位副法向量。9.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐海鹰，马振，曲绍刚，彭松良，张成博，冯伟，任德强，钟满发，刘斐，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：