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1、本科毕业设计（论文）综述题 目： 螺杆泵抽油杆柱动态受力分析学生姓名： 韩东 院 （系）： 机械工程学院 专业班级： 机械 1004 指导教师： 薛继军 完成时间： 2014 年 6 月 日 螺杆泵抽油杆柱的动态受力分析综述201006080314 韩东摘要：随着地藏不断开发，地层能量日益不足，井筒液面不断下降，杆泵逐年加深。杆断，杆脱现象频繁发生，严重影响了油井的正常生产，通过对抽油杆的受力分析，井深轨迹以及各种影响因素的分析，确定应对的管理措施。随着油田开发的不断深，目前油田的开发对象逐渐转向薄层和低渗透层;由于底层条件差，自然产能低导致抽油泵不断降级加深，以及抽油杆受平均应力不断增加，同
2、时收井深轨迹的影响也日益突出，再加上原油结蜡，介质腐蚀，不合理的工作制度等，都导致了抽油杆断裂，脱落等事故频繁发生，直接影响了油田的正常生产，因此有必要对这些抽油杆的有关受力状态，井深结构，井杆组合，生产参数，原油物性等诸多因素进行分析以及如何加强井杆管理进行研究。前言近几年来，国内外众多学者以及油田工作人员以优化螺杆泵抽油杆柱系统、延长螺杆泵抽油杆柱系统寿命为目标，对抽油杆柱的工作特性、受力状况进行了大量的探索研究和分析计算工作，并且得出许多具有工程实际意义的结论，取得了显著的理论成果和经济效益。 (1)螺杆泵井抽油杆柱的疲劳破坏研究大部分螺杆泵井抽油杆柱的断裂、脱扣等失效故障并不是由于超应
3、力破坏，通常是在强度远低于抽油杆柱屈服强度的时候发生了失效。通过对失效的螺杆泵井抽油杆柱进行分析发现，失效的螺杆泵井抽油杆柱主要是由于承受交变应力产生的疲劳破坏造成的。近年来，不少油田科研工作者对螺杆泵井抽油杆柱的疲劳破坏问题进行了研究 2007 年，王伟章、王海文等人对螺杆泵井的光杆进行了疲劳失效分析。研究分析了螺杆泵井光杆的受力状况与失效机理，对抽油杆柱的疲劳断裂过程进行了推断分析。通过建立的螺杆泵井驱动杆受力理论受力模型对驱动杆进行了疲劳失效定量分析，推导计算出了驱动杆承受的交变应力，并且对该交变应力进行了强度校核。(2)螺杆泵井抽油杆柱强度评价研究对螺杆泵井抽油杆柱的受力分析就是为了完
4、成对抽油杆柱的强度评价与校核，螺杆泵井抽油杆柱的强度评价与校核是对抽油杆柱强度设计是否满足生产要求的检验。是保证螺杆泵井抽油杆柱安全、可靠、稳定工作的一个非常重要的工作步骤。因此，科研工作者尽可能的使用更为贴切和符合的强度理论对螺杆泵井抽油杆柱进行强度评价与校核。1995 年，陈宪侃等人在完成有杆螺杆泵杆柱强度设计研究内容时，使用了第四强度理论实现对螺杆泵井抽油杆柱承受的复合应力的强度校核。在以后的螺杆泵井抽油杆柱的强度评价与校核中也都延续了该种方法。(3)螺杆泵井抽油杆柱失效方式及原理研究螺杆泵井抽油杆柱的失效方式一般有三种，抽油杆柱断裂、抽油杆柱脱扣、抽油杆柱噜扣。2009 年，刘永新对螺
5、杆泵井抽油杆柱三种失效方式的原因进行了分析。分析指出，螺杆泵井抽油杆柱断裂的原因主要有抽油杆柱热处理质量差、加工方法与加工质量的缺陷、抽油杆柱与螺杆泵类型不匹配、抽油杆柱与油管偏磨等因素;抽油杆柱脱扣的原因包括产能影响、液体回流影响和抽油杆柱储存的弹性能的释放;抽油杆柱噜扣的原因主要是螺杆泵抽油杆柱螺纹加工质量不合格、油井产出液腐蚀等。2007 年，陈实、王海文等人针对螺杆泵井抽油杆柱进行了偏磨机理的研究，并且提出了防治抽油杆柱与油管偏磨的相关技术措施，比如采用合理转速、缩小杆径及利用连续抽油杆柱等方法。1 螺杆泵的工作原理1.1 螺杆泵抽油系统组成及工作原理螺杆泵抽油系统由地而设备及井下设备
6、组成，地而设备包括驱动头、动力设备及井口，井下设备主要是螺杆泵和锚定工具。螺杆泵按驱动方式可以分为地而驱动和井下驱动 2 类，一般常用的是地而驱动井下单螺杆泵，这是一种较为成熟的方式，在国内外得到了普遍应用。单螺杆泵抽油系统的组成见图 1 所示。地而设备中动力设备将动力传给驱动头，经减速后将动力传递给光杆，再经与光杆相连接的抽油杆柱将动力传至螺杆泵。螺杆泵由转子和定子组成，在两件之间形成一个个密闭的空腔，当转子在定子内转动时，空腔就会从一端向另一端螺旋移动，从而起到泵的作用。空腔在泵的入口处顺序形成，直至另一端并始终保持几何尺寸不变，因此在入口处吸入的液体随着空腔的螺旋运动从另一端排出。由于它
7、运动部件少，没有阀件和复杂流道，排量均匀，不易砂卡，也不会产生气锁，因此，它泵送液体的范围很广，包括高粘油、含砂原油及高水馏分混合液等。在原油开采中，表现出了良好的适应性;同其他采油方式相比，效率高，适用于高含砂井、高含气井及高粘度原油的开采。图 1 单螺杆泵抽油系统的组成结构图1 一光杆 2 一地面驱动装豆 3 一电机 4 一大四通 5 一抽油杆 6 一油管 7 一转子 8 一定子 9 一套管2 抽油杆损坏影响因素分析2.1 抽油杆的受力分析螺杆泵系统在原油开采中虽然具有许多优点，但其抽油杆柱除去受轴向载荷外，还要传递扭矩，其受力状况与常规的抽油机泵系统不同，下而对抽油杆的受力状况加以分析。
8、抽油杆在工作过程中，所受的轴向载荷主要来自螺杆泵举升液体产生的轴向载荷 F 泵、抽油杆柱的自重 F 重、抽油杆柱所受的浮力 F 浮 。 其中 ：F 泵=10 6 (R 2+16eR) P (N）-（2.1）R-转子截而圆半径(m ） ;E-转子偏心距 (m）;P- 螺杆泵进出口压差(MPa)P=0.01H 液+P 油-P 套， （MPa）-（2.2）式中H-液面深度(m） ;-液体密度(g/cm3) ;P 油和 P 套-油压和套压(MPa) 。F 重=LA 杆 -（2.3）式中L-抽油杆柱长度(m);A-抽油杆截而积（ m2); 杆-抽油杆密度(g/cm3) 。 F 浮= （L-H )A 液
9、-（2.4)式中L-抽油杆柱长度(m);H-液面深度(m);A-抽油杆截而积(m2) 液-抽油杆密度(g/cm3) .抽油杆柱所受轴向力为:F=F 泵+F 重-F 浮-(2.5)由于螺杆泵在生产过程中存在扭转载荷，将引起杆柱的剪应力，主要有驱动螺杆泵所需的扭矩 Mb、液体阻力矩 Ms、杆柱间摩擦阻力矩 Mr，则抽油杆柱截而扭矩为:M=Mb +M+Mr-(2.6)其中 Mb=9.55（Nn)=110.5(QP n) (Nm);式中：N 一泵的输出功率(W);Q 一日产液量(m3d） ;n 一抽油杆柱的转速（rmin） 假设抽油杆柱匀速旋转，抽油杆柱所受的摩擦阻力矩 Mr 为:Mr=10-2（ D
10、2d)(D 2-d2)L （Nm)-(2.7)式中- 井筒中液体的粘度(Mpas);- 抽油杆柱的旋转角速度(rad/s);D-油管内径(m);d-抽油杆的内径(m);L-由油杆柱长度(m);杆柱间摩擦阻力矩 Ms 考虑抽油杆柱和油管的接触变形，必须进行复杂的接触变形分析，在工程计算中可根据井的实际情况加以简单分析或不考虑。与常规有杆抽油抽系统不同，螺杆泵抽油杆柱的强度校核采用复合应力方式计算，其相当应力为: d= ( 2+ 2）-(2.8)2. 2.1 抽油杆柱的抗扭强度对于杆体，由材料力学得知最大扭转剪应力为： =Td2J- （2.9） 式中，T 为最大扭矩，Nmd 为杆柱直径，cmJ 为
11、极惯性矩 J=d 4/32cm4根据能量强度理论，最小抗剪强度条件:Ss=Ym/ 3-(2.10)上式中的 max=ss=Ym/3 时，则扭矩 T 就变成最小抗扭曲强 Q于是，换算成法定计量单位后:Q=2JYm/1033d-(2.11)式中:Q 为最小屈服扭矩;Ym 为最低屈服极限。2. 2. 2 抽油杆柱的抗拉强度API RP 11 中推荐，杆体的抗拉强度可由下式计算;P=YmA/10-=-(2.12）式中，P 为最小拉伸强度，N;Ym 为最小抗拉伸屈服强度，KPa; 2. 2. 3 组合应力作用下的杆柱强度计算由前面的论述已经看到，杆柱上承受扭转力的同时还承受着轴向拉伸力，这就需要研究在复
12、合应力作用下的杆柱破坏问题。此时杆柱横截面上最大剪应力发生在杆柱的外壁上，而拉应力则是均匀分布的。由其中取出一立方体微元，上面作用的应力如图 2-1 所示。为了解决组合应力情况下的强度计算，需要应用莫尔图找出立方体内主应力的大小。由材料力学得知，图 2-1(a)的应力莫尔图可画成图 2-1(b)所示的情况。图 2-1(b)中 EF=，QF=/2, Q E=R 为莫尔图半径，这里需要计算主应力 1 和 2。在三角形EQF 中:R2= 2+(/2) 2-(2.13) 1=R+(/2)-(2.14) 2=-R-(/2)-(2.15)图 2-6 抽油杆柱上的双向应力由第四强度理论(能量强度理论)得知，
13、强度条件为: 1+ 2- 1 2= 2-(2.16)将 1 ，2 代入上式化简得：3R2+（/2） 2= 2-（2.17）式中，=Y m/SF-许用应力;再将 R2 代入上式得:3 2+ 2=Ym/SF2-（2.18）式中，SF 为安全系数;:为在扭矩 QT 作用下，杆柱表面最大剪应力其式为:=QTd/2J; 井口光杆上的拉应力，其式为 =P/A. 将 和 代入上式，统一单位并整理得:QT=（ J/50d3） （Y m/10SF） 2-（P/A) 2-(2.19)式中，QT 为光杆上许用扭矩，Nm; J 为杆柱横截面上的极惯矩，cm4;P为光杆上承受的拉力，N; A 为抽油杆柱横截面积。当上式中的安全系数 SF=1 时，并取 1/3=0.577 ，则得 :QT=0.01154J/d（Y m/10)2-(P/A)2
