地面驱动螺杆泵采油是20世纪80年代发展起来的一种机械采油技术。螺杆泵兼有离心泵液流平稳和容积泵效率高的特点,其采油工艺具有一次性投资小、能耗低、地面设备简单、运行平稳等特点。基于这些优势和特点,地面驱动螺杆泵采油工艺在国内外油田得到广泛的应用。由于地面驱动螺杆泵采油现场应用时间较短,经常出现因螺杆泵泵型的选择及其他工作参数不匹配等问题,致使设备和油井生产能力得不到充分发挥,造成资源的浪费。笔者为了解决这些问题,进行了地面驱动螺杆泵采油系统优化设计的研究。螺杆泵工作特性是地面驱动螺杆泵工作参数优选的理论依据,俄罗斯水力机械科学院的学者通过室内试验数据整理出了螺杆泵的容积效率与泵工作压力、转子转速、介质粘度的关系式。根据这些关系式,研究中首先采用正交计算的方法,定量得分析泵工作压力、转子转速对螺杆泵容积效率的影响程度。利用其他学者建立的经验公式,笔者对螺杆泵工作特性进行了数值模拟,绘制出了GLB120、GLB500两种型号螺杆泵的工作特性曲线。有效功率与输入功率的比值即为采油系统的系统效率。系统效率计算的基本步骤为以下泵处为目标节点,通过多相管流计算求得泵的工作压差,然后逐步求得螺杆泵转速、抽油杆轴向扭矩、光杆功率以及有效功率和输入功率。本研究整理出针对某口油井提出四种工作参数优选方案：①指定设计产液量、泵的型号,要求确定合理的下泵深度、泵转速；②只给定泵的设计产液量,确定合理的泵型号、下泵深度、泵转速；③指定泵的型号,要求确定油井合理的产液量、泵转速、下泵深度；④根据油井产能,自行选择泵型,确定其合理的下泵深度、泵转速,最终目标是使系统效率达到最大值,以提高能耗利用率。螺杆泵工作时,抽油杆会出现纵向振动、扭转振动、横向振动。笔者分别根据抽油杆轴向力平衡、轴向力矩平衡、离心力与恢复力的平衡,建立了描述这三种振动的数学模型,并假设了边界条件,采取了有限差分方法和数学物理方法得出了三种数学模型的数值解和解析解。斜井较直井的井身结构及受力情况更为复杂,井身井斜和方位一般都有一定的变化。抽油杆柱在重力作用下,躺在油管内壁下侧,更加容易与油管壁接触而发生偏磨。数千米的抽油杆在井筒中具有弹塑性,抽油杆与油管壁碰撞属于非线性动力学的问题,因此在研究中选用有限元方法对问题进行求解。该方法首先将抽油杆剖分成多个单元,在局部坐标系内用单元节点位移向量来表示杆单元各截面的轴向位移以及y、z方向上的挠度,得出单元势能与单元节点位移向量的关系式,再根据达朗伯原理建立了单元动力学方程。考虑到油管对抽油杆的约束,杆管碰撞时还需要采用冲量定理对动力学方程进行修正。将各单元的刚度矩阵及节点力向量装配成整体刚度矩阵和整体载荷向量,可求解出各节点不同方向上的位移,使抽油杆柱与油管的偏磨点得以预测。预测结果对扶正器的安装具有指导性意义。根据所做的分析研究,笔者在Visual studio2008的环境下编制了“地面驱动螺杆泵采油优化设计系统”的程序。实例计算结果表明,该软件能够进行泵工况测试、系统工作参数优选、扶正器位置计算。