基于malab的機(jī)械采油數(shù)字化仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

基于malab的機(jī)械采油數(shù)字化仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

1抽油泵和抽油桿機(jī)械勘探是中國(guó)和世界石油工業(yè)最重要的勘探方法，對(duì)確保油田的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)起著重要作用。機(jī)械采油系統(tǒng)工程是一門綜合應(yīng)用機(jī)械學(xué)、數(shù)學(xué)、管理學(xué)、采油工藝學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的跨學(xué)科科學(xué),它所研究的對(duì)象不但有抽油機(jī)、抽油泵等單一的采油設(shè)備,而且有包含油井、抽油設(shè)備和油層在內(nèi)的整個(gè)機(jī)械采油系統(tǒng)。就常規(guī)型機(jī)械采油系統(tǒng)來(lái)說(shuō),系統(tǒng)由三部分構(gòu)成:①地面部分——游梁式抽油機(jī),它由電動(dòng)機(jī)、減速箱和連桿機(jī)構(gòu)組成;②井下部分——抽油泵,它懸掛在套管中油管的下端;③聯(lián)系地面和井下的中間部分——抽油桿柱,它由一種或幾種直徑的抽油桿和接箍組成。常規(guī)型機(jī)械采油系統(tǒng)裝置如圖1所示。隨著機(jī)械采油設(shè)備的逐年增加,機(jī)械采油井的優(yōu)化設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)選、設(shè)備投資、系統(tǒng)能耗和管理等問(wèn)題日趨突出。此外,隨著鉆井工藝、采油工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,如側(cè)鉆定向井、側(cè)鉆水平井的出現(xiàn),聚合物驅(qū)油、三元復(fù)合驅(qū)油方法的應(yīng)用等,對(duì)機(jī)械采油設(shè)備、機(jī)械采油方式提出了更特殊的要求。在這種情況下,需要一種能全面系統(tǒng)地設(shè)計(jì)、管理與優(yōu)化機(jī)械采油系統(tǒng)的方法,該方法不應(yīng)該只考慮某一方面或只注重某一指標(biāo)的設(shè)計(jì)和管理,而應(yīng)該把機(jī)械采油井作為一個(gè)系統(tǒng)工程,追求系統(tǒng)的整體優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)機(jī)械采油井的節(jié)能降耗,提高油井開(kāi)采綜合經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),機(jī)械采油系統(tǒng)由于工作環(huán)境惡劣,承受的載荷復(fù)雜,機(jī)械采油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抗力衰減非常明顯,而且其檢修周期短,效率不高。機(jī)械采油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的失效破壞不僅會(huì)造成直接的重大經(jīng)濟(jì)損失,還可能造成嚴(yán)重的環(huán)境污染甚至破壞地下油層。因此,對(duì)機(jī)械采油系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的工作狀況進(jìn)行虛擬仿真分析,將變得非常有意義。為了應(yīng)對(duì)油田數(shù)字化建設(shè)的需要,本文以長(zhǎng)慶油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將機(jī)械采油技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合,開(kāi)發(fā)了機(jī)械采油數(shù)字化仿真系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械采油系統(tǒng)從新井投產(chǎn)時(shí)的設(shè)備選擇、參數(shù)確定到老井抽油參數(shù)和部件優(yōu)化的全方位模擬、分析和評(píng)估。2基于機(jī)械采油機(jī)的數(shù)字模擬系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究2.1數(shù)據(jù)集成模塊提高機(jī)械采油系統(tǒng)工作效率已成為油田最關(guān)注的問(wèn)題之一,機(jī)械采油系統(tǒng)工作效率的高低取決于各部分的共同作用。本文開(kāi)發(fā)的機(jī)械采油數(shù)字化仿真系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)信息模塊、減速箱仿真模塊、抽油機(jī)仿真模塊、桿管組合數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、油藏信息模塊、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模塊和系統(tǒng)故障診斷模塊等七個(gè)部分組成,如圖2所示。圖中:電動(dòng)機(jī)信息模塊和油藏信息模塊主要實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入,建立和維護(hù)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫(kù),為抽油機(jī)仿真和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真提供數(shù)據(jù);減速箱仿真模塊和抽油機(jī)仿真模塊除完成減速箱、抽油機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)外,還實(shí)現(xiàn)了減速箱傳動(dòng)和抽油機(jī)系統(tǒng)的仿真分析,可以實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品或部件優(yōu)化的檢測(cè)評(píng)估;系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析模塊根據(jù)給出的抽油機(jī)系統(tǒng)和液柱參數(shù),能夠仿真分析抽油桿柱任意截面處的抽油桿速度vr、油管速度vt、液柱速度vf、抽油桿內(nèi)力Qr、油管內(nèi)力Qt和液柱內(nèi)力Qf的動(dòng)態(tài)變化,并可據(jù)此作出相應(yīng)的示功圖,分析抽油桿柱的動(dòng)態(tài)特性;管桿組合數(shù)據(jù)計(jì)算模塊主要用于新井投產(chǎn)或自噴井改抽,根據(jù)油管直徑、下泵深度、沖程長(zhǎng)度和泵徑等參數(shù)計(jì)算不同直徑抽油桿的組合信息,并為系統(tǒng)的仿真提供參數(shù);系統(tǒng)故障診斷模塊可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)(扭矩、電流、電壓等)進(jìn)行分析,確定故障類型并提供解決辦法。整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從新井投產(chǎn)設(shè)備選擇、數(shù)據(jù)組合到老井?dāng)?shù)據(jù)優(yōu)化的全過(guò)程仿真分析。抽油機(jī)仿真模塊和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模塊作為整個(gè)數(shù)字化仿真系統(tǒng)的主體,將在后文進(jìn)行重點(diǎn)闡述。2.2數(shù)字仿真及模擬仿真減速箱作為抽油機(jī)系統(tǒng)的主要傳動(dòng)部件,對(duì)整個(gè)抽油機(jī)系統(tǒng)的性能影響很大。目前,游梁平衡抽油機(jī)廣泛應(yīng)用于油田機(jī)械采油現(xiàn)場(chǎng),其減速箱主動(dòng)輪和從動(dòng)輪都采用固定直徑的圓柱齒輪。但這種固定傳動(dòng)比設(shè)計(jì)不能根據(jù)自身參數(shù)或外部工況的變化來(lái)調(diào)整輸出扭矩。因此,本模塊旨在對(duì)減速箱減速過(guò)程進(jìn)行仿真,尋求函數(shù)輸出的解決方案,并構(gòu)建減速箱信息數(shù)據(jù)庫(kù),為抽油機(jī)系統(tǒng)的仿真提供數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)減速箱傳動(dòng)的數(shù)字仿真和模擬仿真,實(shí)現(xiàn)了不同傳動(dòng)參數(shù)情況下函數(shù)輸出的模擬,可以直觀地顯示減速箱的傳動(dòng)效果,為減速箱傳動(dòng)方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了分析平臺(tái)。由文獻(xiàn)可知,抽油機(jī)曲柄扭矩變化曲線基本符合正弦函數(shù)的變化規(guī)律,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,本文以正弦函數(shù)曲線作為減速箱非圓齒輪傳動(dòng)部分傳動(dòng)比進(jìn)行計(jì)算,減速箱輸出軸轉(zhuǎn)速可以表示為n2=ndi總=nddDisin(θ)。(1)式中:n2為減速箱輸出轉(zhuǎn)速(r/min),d為電機(jī)皮帶輪直徑,D為減速箱皮帶輪直徑(m),nd為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min),isin(θ)為減速箱傳動(dòng)部分傳動(dòng)比。減速箱傳動(dòng)過(guò)程的數(shù)字仿真輸出結(jié)果如圖3所示。利用MATLAB的Simulink工具箱構(gòu)建的減速箱仿真模型如圖4所示,通過(guò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加法、求倒和點(diǎn)乘運(yùn)算,能夠輸出減速箱與電動(dòng)機(jī)間總減速比變化曲線。2.3油擠出試驗(yàn)?zāi)K2.3.1機(jī)械油調(diào)系統(tǒng)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律抽油機(jī)作為整個(gè)機(jī)械采油系統(tǒng)最重要的地面設(shè)備之一,其懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在機(jī)械采油系統(tǒng)仿真中作為上邊界條件是不可或缺的。抽油機(jī)模型包括懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律模型、懸點(diǎn)載荷模型、曲柄扭矩計(jì)算模型及功率計(jì)算模型等。(1)os4[34]的值根據(jù)牛頓—辛普森法計(jì)算四連桿機(jī)構(gòu)非線性位置問(wèn)題,即可得到連桿、游梁的角加速度表達(dá)式[-r3sinθ3r4sinθ4r3cosθ3-r4cosθ4][ε3ε4]=[ε2r2sinθ2+ω22r2cosθ2+ω23r3cosθ3-ω24r4cosθ4-ε2r2cosθ2+ω22r2sinθ2+ω23r3sinθ3-ω24r4sinθ4]。(2)式中:r1/θ1,r2/θ2,r3/θ3,r4/θ4分別表示減速箱輸出軸中心至支架軸承中心連線、減速箱曲柄、連桿、游梁的長(zhǎng)度和位置。設(shè)游梁前臂長(zhǎng)為K1,則懸點(diǎn)速度v=Κ1ω4,(3)懸點(diǎn)加速度a=Κ1ε4。(4)(2)懸點(diǎn)靜荷載和抽油桿柱在油中的壓力p壓在上沖程,當(dāng)懸點(diǎn)從下死點(diǎn)往上移動(dòng)時(shí),游動(dòng)閥在柱塞上部油柱壓力作用下關(guān)閉,而固定閥在柱塞下泵閥內(nèi)外壓力差的作用下打開(kāi)。因?yàn)橛蝿?dòng)閥關(guān)閉,使懸點(diǎn)承受抽油桿柱自重P桿和柱塞上油柱重P油這兩個(gè)載荷的作用方向都向下,同時(shí)固定閥打開(kāi),使油管外一定沉沒(méi)度的油柱對(duì)柱塞下表面產(chǎn)生方向向上的壓力P壓,所以上沖程時(shí),懸點(diǎn)靜載荷等于抽油桿柱在油中的重力與油井中動(dòng)液面以上、截面積等于柱塞面積的油柱重力之和。同時(shí),上沖程時(shí)柱塞帶動(dòng)油柱運(yùn)動(dòng),設(shè)aA為懸點(diǎn)加速度,則上沖程的慣性載荷Ρ慣上=Ρ桿慣+Ρ油慣=(1+Ρ油慣Ρ桿慣)Ρ桿gaA,(5)則上沖程時(shí)懸點(diǎn)載荷為Ρ上=Ρ慣上+Ρ靜上。(6)在下沖程,游動(dòng)閥由于柱塞上、下壓力差打開(kāi),而固定閥在泵筒內(nèi)外壓力差作用下關(guān)閉。游動(dòng)閥打開(kāi)使懸點(diǎn)只承受抽油桿柱在油中的重量P桿′,固定閥關(guān)閉,使油柱重量移到固定閥和油管上。因此,下沖程時(shí)懸點(diǎn)的靜載荷P靜下等于抽油桿柱在油中的重量P桿′。同時(shí),下沖程時(shí)柱塞不帶油柱運(yùn)動(dòng),因此下沖程的慣性載荷Ρ慣下=Ρ桿慣=Ρ桿gaA?(7)下沖程時(shí)懸點(diǎn)載荷Ρ下=Ρ慣下+Ρ靜下。(8)(3)抽油機(jī)系統(tǒng)的功率計(jì)算模型以某石油機(jī)械廠制造的CYJ12-4.8-73HB型游梁式抽油機(jī)為例,通過(guò)對(duì)減速箱曲柄軸中心進(jìn)行受力平衡分析,作力矩平衡方程:Τr+Q曲rsinφ=Ρ連rsinα。(9)式中:T為曲柄軸銷中心受的切線力,P連為連桿作用力,Q曲為曲柄平衡重折合力,r為曲柄半徑,α為連桿與曲柄的夾角,φ為曲柄軸線與垂直線的夾角。同樣,通過(guò)對(duì)抽油機(jī)游梁支點(diǎn)進(jìn)行受力平衡分析,對(duì)游梁支點(diǎn)作力矩平衡方程:ΡΚ1=Ρ連Κsinβ。(10)式中:P為懸點(diǎn)載荷,K為游梁后臂長(zhǎng),K1為游梁前臂長(zhǎng),β為連桿與游梁后臂的夾角。因此,曲柄軸扭矩Μ曲=Κ1sinαΚsinβΡr-Q曲rsinφ=VAωΡ-Q曲rsinφ。(11)式中:VA為懸點(diǎn)速度,ω為曲柄角速度。根據(jù)懸點(diǎn)載荷產(chǎn)生功率與平衡效果,在不考慮抽油機(jī)系統(tǒng)傳動(dòng)效率的條件下,可以得出抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)在相應(yīng)傳動(dòng)條件下的功率計(jì)算模型:Ν=(Ρ-(Q曲R+q曲r)cosφΚ1)?(VAωSmax)。(12)式中:R為曲柄的平衡半徑,q曲為曲柄自重,Smax為懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度。2.3.2抽油機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)抽油機(jī)仿真模塊包括系統(tǒng)仿真、四連桿優(yōu)化和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)三部分。由于抽油機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,受力分析比較困難,為降低計(jì)算難度,在確保計(jì)算準(zhǔn)確性符合要求的前提下,計(jì)算過(guò)程中暫不考慮上沖程時(shí)油管內(nèi)液柱體積的變化,忽略游梁自重、活塞自重及系統(tǒng)傳動(dòng)效率的影響。如圖5所示,抽油機(jī)系統(tǒng)仿真分析部分可以根據(jù)選定的電動(dòng)機(jī)型號(hào)、減速箱型號(hào)、抽油機(jī)型號(hào)、管桿組合信息和油藏信息,對(duì)抽油機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算,并可以以曲線的形式直觀地顯示出來(lái),為抽油機(jī)管理和設(shè)計(jì)人員提供參考數(shù)據(jù)和試驗(yàn)平臺(tái)。抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是抽油機(jī)整機(jī)優(yōu)化的重要部分。通常情況下,游梁式抽油機(jī)采用工作循環(huán)的運(yùn)動(dòng)圖,在一定程度上可以消除上下沖程動(dòng)載過(guò)大的問(wèn)題。擬定抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)圖,實(shí)際上就是正確設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu),使懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)保證抽油桿和抽油泵的正常工作。因此,為使懸點(diǎn)上、下沖程時(shí)間相等,游梁式抽油機(jī)各桿長(zhǎng)度應(yīng)該符合式(13)所提出的條件:{l2+R2=r2+y2,(1rl)2+(1rΚ)2-(1ry)2=1。(13)式中:r為曲柄半徑(m),l為連桿長(zhǎng)度(m),K為游梁后臂長(zhǎng)(m),y為從曲柄旋轉(zhuǎn)中心到游梁支點(diǎn)間的距離(m)。根據(jù)各桿件長(zhǎng)度和比值,可以確定抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)ma,ma=1+rl1-(rΚ)2。(14)式中ma可作為所設(shè)計(jì)抽油機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)參考指標(biāo),根據(jù)國(guó)外抽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,運(yùn)動(dòng)指標(biāo)是不斷增加的,這樣可以縮小抽油機(jī)的輪廓尺寸和重量,但是另一方面卻會(huì)惡化其工作條件。關(guān)于最合適的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)ma的選擇問(wèn)題,還需做進(jìn)一步的研究。2.4系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬模塊2.4.1數(shù)學(xué)模型(1)erarux,t抽油桿的振動(dòng)可以看作是一個(gè)受迫振動(dòng),其振源是懸點(diǎn),即在考慮抽油桿懸掛系統(tǒng)的受力以及力的傳遞過(guò)程時(shí),將其考慮為一細(xì)長(zhǎng)彈性桿做受迫振動(dòng),振源來(lái)自抽油機(jī)懸點(diǎn)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此,抽油桿柱任意截面處的運(yùn)動(dòng),是懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和抽油桿彈性振動(dòng)的疊加。根據(jù)彈性單元體的受力平衡條件以及抽油桿頂部與底部的邊界條件,可以得到描述均質(zhì)抽油桿柱縱向振動(dòng)的數(shù)學(xué)物理方程:{?u2?t2-c2?u2?x2+v?u?t=-du*2dt2-du*dt+g,ErAr?u?x|x=0=Κeu(0,t),ErAr?u?x|x=L=ΡΡ(t)。(15)式中:c為波在抽油桿中的傳播速度(m/s),v為油井液體對(duì)抽油桿的阻尼系數(shù)(s-1),g為重力加速度(m/s2),Er為抽油桿彈性模量(N/m2),Ar為抽油桿橫截面積(m2),Ke為抽油桿柱懸掛系統(tǒng)的等效彈簧常數(shù)(N/m),Pp為抽油泵柱塞上的液體負(fù)荷(N),l為抽油桿單根長(zhǎng)度(m)。采用抽油桿縱向振動(dòng)力學(xué)模型,當(dāng)同時(shí)考慮抽油桿柱運(yùn)動(dòng)速度與液柱運(yùn)動(dòng)速度對(duì)抽油桿柱阻尼力的影響時(shí),可建立抽油桿柱與油管柱、液柱相耦合的振動(dòng)方程,即三維振動(dòng)模型。為方便問(wèn)題研究,假定:①采用常規(guī)游梁式抽油機(jī),且采用低轉(zhuǎn)差率電機(jī),ω為常量;②液柱中無(wú)氣泡;③閥門的阻力忽略不計(jì),μ為常量。則抽油桿三維振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為:式中:Ah為油管外徑截面積(m2),At為油管內(nèi)徑截面積(m2),Fr為抽油桿摩擦力(N),Ft為抽油管摩擦力(N),Ff為液柱摩擦力(N),Et為油管彈性模量(N/m2),Ef為液柱彈性模量(N/m2),Pf為液柱壓力(N/m2),Qr為抽油桿內(nèi)力(N),Qt為油管內(nèi)力(N),vr為抽油桿速度(m/s),vt為油管速度(m/s),vf為液柱速度(m/s),r為抽油桿鋼材密度(kg/m3),t為油管鋼材密度(kg/m3),f為液體密度(kg/m3)。其中,摩擦力Fr,Ft和Ff可由式(17)求出。式中:Ac為油管內(nèi)徑截面積(m2),C1為液體摩擦系數(shù),C2為接箍處摩擦系數(shù),Dr為抽油桿直徑(m),Dt為油管直徑(m)。(2)液柱壓力初始條件令抽油桿處于下始點(diǎn)時(shí)t=0,且該瞬間游動(dòng)閥處于開(kāi)啟狀態(tài),則P=Pf。當(dāng)采用單級(jí)桿柱時(shí),可將偏微分方程組(16)的初始條件表示為{vr(x,0)=0,vt(x,0)=0,vf(x,0)=0,Qr(x,0)=Ar[ρrg(lz-x)-(Ρ0+ρfglz)],Qt(x,0)=ρtg(lz-x)(Ah-At)+(Ρ0+ρfglz)At-AhΡ1,Ρf(x,0)=ρfgx+Ρ0。(18)式中:P0為井口回壓(N/m2),P1為泵入口處壓力(N/m2),lz為抽油桿柱總長(zhǎng)度(m)。采用多級(jí)桿柱時(shí),其初始條件與單級(jí)桿柱有很大不同。以三級(jí)抽油桿(a,b,c)為例,桿管速度有下列關(guān)系式{vr(a,b,c)(x,0)=0,vt(a,b,c)(x,0)=0,vf(a,b,c)(x,0)=0。(19)抽油桿的內(nèi)力關(guān)系式為油管的內(nèi)力可以從下式得到:{Qta(x,0)=(Ρ0+ρfglz)At-Ρ1Ah+AΗΤρtg(lz-x)?Qtb(x,0)=(Ρ0+ρfglz)At-Ρ1Ah+AΗΤρtg(lb+lc-x)?Qtc(x,0)=(Ρ0+ρfglz)At-Ρ1Ah+AΗΤρtg(lc-x)。(21)式中AHT為油管截面積(m2)。液柱壓力初始條件為{Ρfa(x,0)=Ρ0+ρfgx,Ρfb(x,0)=Ρ0+ρfg(la+x),Ρfc(x,0)=Ρ0+ρfg(la+lb+x)。(22)(3)at-arb法在三級(jí)桿柱的情況下,桿柱的截面變化處上下六個(gè)變量之間的關(guān)系為{Qra=Qrb-(Ara-Arb)(Ρ0+Ρf),vra=vrb,Qta=Qtb,vta=vtb,Ρfa=Ρfb,(At-Ara)vfa=(At-Arb)vfb;(23)地面邊界條件(x=0)為{vr(0,t)=-ACRωsinαsinβ,vt(0,t)=0,Ρf(0,t)=Ρ0;(24)井下邊界條件(x=lz)為{Qr(lz,t)+Ρ?AΡ-Ρf(lz,t)(Ap-Ar)-μ[vt(lz,t)-vr(lz,t)]=0,Qt(lz,t)+Ρ?AΡ-Ρf(lz,t)(At-Ap)+ArΡ1-μ[vr(lz,t)-vt(lz,t)]=0,vf(lz,t)(At-Ar)=vt(lz,t)(At-Ap)+vr(lz,t)(Ap-Ar)。(25)式中:AP為柱塞截面積(m2),P為泵腔壓力(N/m2),μ為柱塞與缸套的阻尼系數(shù)。2.4.2變量t的求解偏微分方程的求解方法主要有有限差分法、特征線法等,本文采用有限差分法進(jìn)行求解。為求解方便,首先對(duì)方程(16)進(jìn)行變換,引入Z變量,將方程變?yōu)槟骘L(fēng)格式的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài):{?Ζ1?t-Cr?Ζ1?x=g-FrρrAr,?Ζ2?t+Cr?Ζ2?x=g-FrρrAr,?Ζ3?t-Ct?Ζ3?x=g-Ftρt(Ah-At),?Ζ4?t+Ct?Ζ4?x=g-Ftρt(Ah-At),?Ζ5?t-Cf?Ζ5?x=g-Ffρf(At-Ar),?Ζ6?t+Cf?Ζ6?x=g-Ffρf(At-Ar)。(26)式中Cr為抽油桿中聲速(m/s),Ct為油管中聲速(m/s),Cf為液柱中聲速(m/s)。變量Z的取值由下式?jīng)Q定:{Ζ1=vr+QrρrCrAr,Ζ2=vr-QrρrCrAr,Ζ3=vt+QtρtCt(Ah-At),Ζ4=vt-QtρtCt(Ah-At),Ζ5=vf-ΡfρfCf,Ζ6=vf+ΡfρfCf。(27)根據(jù)t=m時(shí)各變量的值Z1(m,n),…,Z6(m,n),可求得t=m+1時(shí)各變量Z1(m+1,n),…,Z6(m+1,n)的值,再根據(jù)方程組(27)即可求出vr,vt,vf,Qr,Qt,Qf六個(gè)變量。計(jì)算表明,循環(huán)三次后,解已基本穩(wěn)定。2.4.3抽油桿柱動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析模塊根據(jù)給出的抽油機(jī)型號(hào)、抽油桿柱組合、油井?dāng)?shù)據(jù)和液柱參數(shù),能夠仿真分析抽油桿柱任意截面處vr,vt,vf,Qr,Qt,Qf的動(dòng)態(tài)變化,并可據(jù)此作出的相應(yīng)的示功圖分析抽油桿柱的動(dòng)態(tài)特性。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模塊運(yùn)行界面如圖6所示。3基于機(jī)械采油數(shù)字系統(tǒng)的研究3.1變輸出轉(zhuǎn)速機(jī)構(gòu)利用開(kāi)發(fā)的機(jī)械采油數(shù)字化仿真系統(tǒng),一方面可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷,另一方面可以對(duì)機(jī)械采油系統(tǒng)各部件優(yōu)化的可行性和優(yōu)化的效果進(jìn)行分析。對(duì)于目前在油田廣泛采用的游梁式平衡抽油機(jī),在抽油機(jī)工作過(guò)程中,由于上下沖程工作的差異,驢頭懸點(diǎn)載荷變化較大,電機(jī)的載荷極不均勻。抽油機(jī)在上沖程過(guò)程中,需要提起抽油泵柱塞以上的液柱重量和抽油桿重量,抽油機(jī)電機(jī)需要做很大的功;而在下沖程過(guò)程中,驢頭依靠抽油桿自重下落,抽油機(jī)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。其結(jié)果進(jìn)一步加劇了抽油機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng),降低了系統(tǒng)工作效率,縮短了抽油機(jī)系統(tǒng)使用壽命,增加了系統(tǒng)能耗。因此,為了盡可能地消除負(fù)功,使抽油機(jī)系統(tǒng)在上下沖程中的負(fù)載接近相等,在采取平衡措施進(jìn)行平衡的同時(shí),考慮采用變輸出轉(zhuǎn)速機(jī)構(gòu),以避免不良現(xiàn)象的產(chǎn)生。變輸出轉(zhuǎn)速機(jī)構(gòu)的主要思想就是通過(guò)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳遞關(guān)系,實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)從動(dòng)構(gòu)件的輸出函數(shù),從而在不改變系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的前提下,使系統(tǒng)具有一定的輸出柔性。綜合以上分析,擬對(duì)抽油機(jī)減速箱傳動(dòng)方式進(jìn)行優(yōu)化,采用非圓齒輪傳動(dòng)減速