螺杆泵井杆管柱力学研究摘 要地面驱动螺杆泵采油系统是最有效的人工举升方法之一，该系统采用抽油杆向井下泵传递能量，杆管柱承受拉力、扭矩和弯矩，受力情况复杂。尤其是采用大排量螺杆泵或下泵深度较深时，杆管柱强度问题是影响采油系统安全生产的主要问题，因此对螺杆泵采油系统杆管柱进行力学研究，对完善其工作理论具有重要的理论与实际意义。本文研究了螺杆泵杆管柱受力和偏磨问题。建立了杆管柱承受拉力、扭矩和弯矩的计算理论。从杆管受力角度分析了螺杆泵井偏磨现象产生的原因，提出了解决螺杆泵井偏磨现象的具体技术。还研究了螺杆泵井油管受力弯曲机理，对油管受压弯曲变形进行了理论分析和变形量的计算，以及杆管柱旋转偏心失稳问题和扶正器下放位置的计算方法。另外，本文分别针对抽油杆柱的力学分析和偏磨受力分析选取了相应井的基础数据编制程序进行了计算。
关键词: 螺杆泵；杆管柱；受力；偏磨КонспектПоток нефтедобычи винтового насоса наземныого приводо —— один из акти-вных методов ручного восхождения,в потоки насосной штангой выдали энергиюрудничному насосу,шманга удостоилась растягивающей сили, изгибающего моме-нта и крутильного момента,силовое положение было каверзностью. В частности,использование больших перемещений винтового насоса или насоса глубже глуби-на, интенсивность-строка проблема негативно сказывается на производстве нефти систем безопасности, главная проблема, поэтому винтовой насос трубы системы для механиков исследований, а также улучшить свои теоретические работы большое теоретическое и практическое значение . В этом документе, винтовой насос-строка стороне силы и шлифовка проблем.Строка-несущей способности, крутящий момент и теории. Из действующих на точку зрения винтовой насос скважин частичное шлифования причину, частичное решение шлифовальные винтовой насос скважин в конкретной технологии. От вращающейся эксцентричный строки нестабильность и проблемы децентрализации стабилизатор позиции расчета. Ну винтовой насос трубы на силу гибки труб давлением деформации теоретического анализа и деформации расчета.Помимо этого, документ были против стержень-механического анализа и частичная шлифовка Анализ отдельных скважин в соответствующих процедур для подготовки исходных данных были рассчитаны.Ключевые слова: Винтовой насос; Штанга;Сил;Частичная мельниц227
螺杆泵井杆管柱力学研究|气田试井论文|免费论文目 录第1章 概 述 1 1.1研究目的及意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 螺杆泵采油系统的发展趋势 3 1.4本文研究的主要内容 4第2章 螺杆泵系统的主要设备和采油原理 5 2.1 螺杆泵的系统分类 5 2.2 螺杆泵主要组成及配套工具 6 2.3 螺杆泵系统的采油原理 8第3章 螺杆泵井杆柱受力分析 10 3.1 螺杆泵井抽油杆柱受力分析 10 3.2 轴向载荷的计算 11 3.3 扭转载荷计算 12 3.4 正应力、剪切应力和复合应力的计算 14 3.5 疲劳强度条件 15 3.6 静强度条件 15 3.7 计算实例 16第4章 螺杆泵井杆管偏磨受力分析 19 4.1抽油杆管偏磨产生原因 19 4.2抽油杆管偏磨的防治 21 4.3油管柱轴向压力的计算 23 4.4油管柱受力弯曲变形量的计算 24 4.5抽油杆柱扶正器下放位置计算 27 4.6计算实例 29结 论 30参考文献 31致 谢 32附 录 33
螺杆泵井杆管柱力学研究第1章 概 述1.1研究目的及意义螺杆泵采油系统从驱动方式划分可分为地面驱动和井下驱动两种方式，其中地面驱动发展较早、也比较成熟，随着地面驱动螺杆泵工艺技术的不断完善，越来越多的油田采用了地面驱动螺杆泵这种机械采油方式。地面驱动螺杆泵采油系统主要由地面设备和井下设备组成。井下设备有螺杆泵和锚定工具，地面设备主要有驱动头、动力设备及井口。动力源将动力传递给驱动头，再通过驱动头减速后，由方卡子将动力传递给光杆，再经与光杆连接的抽油杆柱将动力直接传至井下螺杆泵。螺杆泵举升的原油沿抽油杆与油管的环形空间上升到井口，进入输油管线。随着油田开发的不断深入，螺杆泵独特的性能优势在油田生产中的作用越来越明显，已成为油田的主要举升方式之一。尤其是开采常规稠油油田，在开发到达中后期，随着油田含水的不断增加，采用注聚合物提高采收率，油井见效后，常规的抽油机采油面临严重的偏磨问题，油田上尝试采用大排量的螺杆泵进行生产，其特点是转速高，传递扭矩大，使得抽油杆的振动剧烈，在一定的频率下抽油杆的振动引起抽油杆和油管的共振，高转速、大扭矩和振动等问题使得驱动杆柱失效问题和杆管偏磨问题日益突出，造成地面驱动螺杆泵检泵周期太短，使得对地面驱动螺杆泵井采油系统杆柱受力进行研究，提高杆柱工作可靠性成为目前亟待解决的问题。1.2 国内外研究现状近些年来，螺杆泵采油技术在世界石油发展中起到了重要作用。螺杆泵采油技术的发展[1]以及人们观念的更新，使螺杆泵不断在重油和含砂井中应用，而且在稀油井、大排量井、排水采气和后期水驱油田采油中得到应用。螺杆泵正朝着规范化、系列化方向发展。目前最大下泵深度已经达到3000m（160m3/d），最大排量已经达到1000m3/d（800m）。螺杆泵采油具有其它抽油设备所不能代替的优越性，而且国内在制造、应用等方面都取得了长足的进步。近年来，大庆油田在螺杆泵举升配套工艺技术方面，以降低机械采油成本为目标，开展了螺杆泵采油工艺技术研究。现场应用试验证明，螺杆泵具有良好的经济性，与相同举升能力的抽油机相比，使用螺杆泵的一次性投入和耗电都大幅度降低。而且，我国油田螺杆泵的使用寿命最长已超过1600d，有些井的免修期已经超过了1000d。在螺杆泵配套技术攻关的过程中，针对制约大中排量螺杆泵发展的杆柱问题，进行了插接式防脱杆和钻杆螺纹抗扭杆为主的螺杆泵专用抽油杆的攻关试验，与常规抽油杆相比降低了9.98个百分点；此外，对井口密封形式、电机基础及电机底座进行了改进，改善了井口密封效果，提高了地面设备的运行稳定性。在大庆油田应用的大排量螺杆泵，目前运转时间最长已达到645d。多次现场试验证明，螺杆泵展现了良好的经济效益，主要表现在以下几个方面： （1）重油井的应用辽河油田间歇式棘爪防反转装置的研制与应用，有效地防止了螺杆泵停机后的抽油杆高速反转及杆柱断脱现象的发生；变频器在螺杆泵井上的应用，实现了螺杆泵的软启动、软停机；油井液量的合理调整等技术配套措施，使螺杆泵在稠油开采方面取得了良好的应用效果。在俄罗斯的某些油矿，螺杆泵采油井最长的检泵周期为二年零九个月。中、小排量螺杆泵的泵效达到70％。在粘度为1400mPa•s的油井条件下，油井的最长检泵周期达340d。在委内瑞拉，应用螺杆泵与抽油机举升相比，超稠油井的产量增加了35％，作业量减少了83％，电耗减少了70％，泵效提高了53％。 （2）稀油井的应用在印尼的Melibur油田（原油粘度8.3mPa•s），采用螺杆泵代替电潜泵采油，在满足产量不变的情况下，使用螺杆泵与电潜泵相比电费减少了70％，维护费减少了35％，缓解了油田电力供应紧张的矛盾。苏丹大尼罗公司在稀油井中，原油为35oAPI，泵挂深度1200m，应用大排量螺杆泵80口，日产量160000桶（25600m3/d）。 （3）中后期水驱油田采油的应用目前，我国许多大油田陆续步入高含水期甚至特高含水期，这种状况导致许多高含水油井的开采形成高投资低收益的局面，有些井几乎失去开采价值。事实上，一个油田相当一部分储量要在高含水期采出，对于那些接近高含水极限的油井，我们也不能放弃。在当前强调各种控水稳油措施的同时，还应该再寻找更为合理的机械举升方案。由于螺杆泵采油装置具有节能高效的特点，用于开采中后期水驱油藏高含水油井时，它的性能明显优于常规游梁式抽油机及电潜泵。 （4）复杂工况井的应用在加拿大井下螺杆泵被应用于含水90％，水中含盐180000mg/L、含二氧化碳12％和含硫7％的油井。在阿根廷，应用于最高井温达127℃的井中。在利比亚，应用于芳烃含量11％（65℃）的油井。在加拿大应用于含砂高达20％（体积比）的油井，使用寿命达到6个月。在加拿大，螺杆泵还用于水平井排砂。由此可见，螺杆泵作为一种机械采油设备，具有其它抽油设备不可替代的优越性。地面驱动单螺杆泵井的抽油杆柱是将动力从地面传递到泵的设备，在螺杆泵工作过程中，同时承受着拉伸载荷和扭转载荷，其设计的好坏直接影响对动力的传递和使用寿命。许多学者对这一问题开展过研究，并取得了许多研究成果。1995年陈宪侃，叶利平提出应用弹性理论分析细长杆传递扭矩的受力特点，考虑到细长杆受力扭矩后由于弹性变形产生的蓄能现象，一旦抽油杆下部断脱使杆柱承受扭矩增加的影响，提出了一种传递扭矩的杆柱设计方法。1997年石油勘探局开发科学研究院高圣平提出在井下单螺杆抽油泵系统中，抽油杆柱既传递扭矩又承受轴向载荷，其受力状态与常规抽油系统中的抽油杆柱大不相同。对井下单螺杆泵抽油杆进行了受力分析，提出了井下单螺杆泵抽油泵杆柱设计的原则和在二向应力状态下等强度组合杆柱设计和计算方法。1998年王旱祥，张彦廷等进行了地面驱动单螺杆泵杆柱的组合设计，提出了根据地面驱动单螺杆泵的工作特点把杆柱设计成两级杆柱的等强度组合方法。在分析总结了以上研究成果的基础上，本文分析了螺杆泵抽油杆柱受力问题，并且从杆管受力角度分析了螺杆泵井偏磨现象产生的原因，提出了解决螺杆泵井偏磨现象的具体技术，以便更好对螺杆泵进行应用。1.3 螺杆泵采油系统的发展趋势井下采油单螺杆泵主要朝增大泵的下井深度、加大泵的排量、延长泵的使用寿命和拓宽泵的使用范围等方向发展。为此，在以下几个方面进行了大量的研究工作： （1）开发不同工况下的定子衬套材料，使其在恶劣条件下具有良好的机械性能。 （2）研制抗磨抗腐蚀的转子材料，降低设备使用成本。 （3）优选更合理的结构参数。 （4）完善配套工具，主要包括：①防止泵抽空的液面控制装置。②抽油杆导向器或抽油杆扶正器，以减少抽油杆与油管之间的磨损。③可调速驱动系统。④防止油管倒扣装置或固定锚，以保证油管联接处于正常工作状态。⑤液压速度限制器，以释放停泵时抽油杆储藏的能量。 （5）为适应深井、斜井和水平井采油作业的要求，近年来，国外非常重视电动潜油螺杆泵的开发，并取得了较好的应用效果。据美国权威人士预言，以后的地面螺杆泵将在中浅井、深井和低产油田普遍采用，代替常规的抽油机，成为主要的机械采油设备。高粘油占我国地质总储量的1/6以上，目前除了热采外，还没有更理想的机械采油设备。近年来，一些油田相继使用螺杆泵开采高粘度原油，取得了较好的经济效果。部分低产油田和少数过去认为没有开采价值的油田应用地面驱动螺杆泵开发，也见到了明显的效果。地面驱动螺杆泵在我国18个油田均有一定限度的使用和局部推广。我国现有油水井很多，但使用螺杆泵的还很少。随着制造质量的提高，配备技术的完善和使用经验的不断丰富，螺杆泵的应用范围将会进一步扩展。电动潜油螺杆泵也是无杆泵采油的另一发展趋势，这一技术已经引起了我国石油界的重视，一些人正着手该技术的研究准备工作，预计在有关领导的关注和有关部门的密切协作下，该技术会得到迅速发展和推广。随着螺杆泵应用领域的不断拓宽，对螺杆泵技术要求也越来越高，为了适应螺杆泵发展的要求，研究领域也表现的比较活跃。近几年来出现了许多新式结构，使用了许多新材料，出现了许多新的构思方案，使螺杆泵的使用性能和使用寿命大大提高，使用数量增加，应用前景更加广阔。1.4本文研究的主要内容螺杆泵采油系统目前存在的问题有：（1）随着地面驱动螺杆泵采油技术在我国的推广和使用以及随着油田的不断开发，油井深度不断增加，螺杆泵的排量不断增大，抽油杆柱承受拉力、扭矩和弯矩等，受力复杂，强度和疲劳等问题越来越突出。（2）随着大排量螺杆泵在油田的使用，以及螺杆泵用于高含水油井，地面驱动螺杆泵井的杆管柱偏磨问题日趋严重。（3）螺杆泵井的诊断检测技术和分析诊断技术不完善。本文主要的研究内容为：（1）建立杆柱受力计算理论和方法。（2）针对地面抽油螺杆泵油井偏磨现象，从受力角度分析偏磨机理以及影响因素。对地面驱动螺杆泵井油管柱弯曲情况进行分析研究，对杆柱扶正器的安放位置进行理论计算。（3）实例分析、编制程序进行了计算。
螺杆泵井杆管柱力学研究-气田试井论文第2章 螺杆泵系统的主要设备和采油原理2.1 螺杆泵的系统分类螺杆泵采油系统可以分为地面驱动和井下驱动两种。在整个螺杆泵采油系统中，地面驱动发展较早、也比较成熟，但是井下驱动避免了地面驱动扭矩的损失、设备也比较少，具有较高的采油效率，国内正处于试验阶段，国内各油田现用的螺杆泵采油系统，一般都选取地面驱动方式。 （1）地面驱动螺杆泵采油系统地面驱动螺杆泵采油系统按传动形式不同，可分为皮带传动和直接传动两种型式。①皮带传动电动机（柴油机或液压马达）、皮带传动轮、减速器均置于地面采油井口装置上面。当驱动装置工作时，带动抽油杆和转子旋转，将井液升到地面。②直接传动将电动机（液压马达）轴立起来，通过行星减速器与抽油杆光杆直接连接，驱动抽油杆旋转。③系统组成地面驱动螺杆泵井采油系统由地面驱动部分、井下泵部分、电控部分、配套工具及其它井下管柱等五部分组成。其中：地面驱动部分：包括减速箱、皮带传动、电机、盘根盒、支撑架、方卡子等组成。井下泵部分：抽油杆、接头、转子、导向头和油管、定子、尾管等组成。为了防止油管、定子脱扣，在尾管下部应安装油管锚定装置。电控部分：电控箱、电缆等。配套工具部分：防脱工具、防蜡器、泵与套管锚定装置、卸油阀、封隔器等。常规及简易井口装置、正扣及反扣油管、实心及空心抽油杆、抽油杆扶正器、光杆扶正器等。地面驱动设备，又分为电机、柴油机、液压等方式。现以电机驱动为例，介绍地面驱动螺杆泵抽油系统。地面驱动螺杆泵采油一般适用于井深1000m左右的 直井。它由螺杆泵、抽油杆柱、抽油杆柱扶正器及地面驱动系统等组成。其工作原理是，地面动力带动抽油杆柱旋转，使螺杆泵转子随之一起运动，井液经螺杆泵下部吸入，由上端排出，并沿油管柱向上流动。这种采油方法简便，实际使用时井下也不需要在装泄油装置。由于螺杆泵转子随抽油杆柱下入或起出，螺杆泵转子一旦脱离定子（泵筒），油管与套管之间便连通，于是起到了泄油的作用。同时可以在生产过程中测量动液面，使用费用较低，是较理想的采油方法之一。 （2）井下驱动螺杆泵采油系统按驱动方式的不同，可分为电驱动和液压驱动两种形式。动力置于井底，不用抽油。2.2 螺杆泵主要组成及配套工具地面驱动螺杆泵采油系统见图2-1，主要由地面设备和井下设备组成[2]。井下设备有螺杆泵和锚定工具；地面设备主要有驱动头、动力设备及井口。动力源将动力传递给驱动头，再通过驱动头减速后，由方卡子将动力传递给光杆，再经与光杆连接的抽油杆柱将动力直接传至螺杆泵。螺杆泵举升的原油沿抽油杆与油管的环形空间上升到井口，由于井口上端有一盘根盒密封，使原油进入输油管线。1-动力系统；2-转盘；3-三通；4-地面管线；5-井口；6-计量站；7-动液面；8-抽油杆；9-油管；10-抽油杆扶正器；11-螺杆泵；12-油层图2-1 地面驱动螺杆泵系统组成
（1）地面驱动设备①驱动头 驱动头是地面的一个主要减速装置，它将动力源的高速旋转降低到适合螺杆泵及抽油杆的转速，一般为150-500r/min，目前应用的驱动头的结构形式主要有四种。a.偏置式：电机呈卧式或立式，由皮带第一级减速传给减速箱，减速箱体内部有一对伞齿轮，将绕水平轴线的旋转变为绕垂直轴线的旋转。箱体与井口法兰连接，钢圈密封，光杆用盘根盒密封。偏置式驱动装置的特点是重量轻，体积小，不需要用平衡装置。b.平衡式：这种形式驱动头的电机呈立式，用一对皮带轮一级减速将动力传给减速箱，减速箱内有一对直齿轮，再一次减速。箱体内两根轴呈平行分布，整体占据空间较大，需在电机对侧放一平衡块，以便调整重心对准井口。驱动头与井口法兰连接，钢圈密封，光杆转动，盘根动密封住光杆。这种装置体积大，重量大，移动不方便，但稳定性好，目前应用较多。c.一体式电机：输出轴端连接一摆线针轮减速器，减速器下端直接与井口连接，这种装置性能最好，不存在偏心，实现动、静平衡，体积小，重量轻，操作方便，缺点是调参困难、光杆动密封可靠性能差。d.电机直接驱动，（无减速器）选用低转速电机，直接与井底抽油杆连接，转速高，操作方便，重量轻，目前应用较少。②动力源螺杆泵采油系统常用的动力源包括电机、柴油机、拖拉机、液压马达等，其中最常见的是：a.电机通过皮带轮将动力传至驱动装置，操作方便，易于管理，是应用最广泛的一种。b.柴油机通过皮带将动力传给驱动装置，这种方式可用在无电网的地区，但相应增加部分管理费用，在国内有些油田采用。c.拖拉机尾部连接一变速箱，通过十字轴将动力传给驱动装置，这种方式比较适合那些低丰度油田的间歇抽油，不设置电网、管网，可大幅度降低投资，是低产油田开采的比较理想方式，目前正在推广之中。d.采用液压传动提供动力，较适用低产油田间歇采油，目前正在试验之中。③井口密封螺杆泵井口密封特殊情况下短期最大压力应达到10MPa。驱动装置与井口的主要连接方式：驱动头法兰盘与井口法兰连接是目前应用最多的一种，驱动头下部有一个法兰盘，尺寸与采油树井口法兰相配合；井口卡箍头连接驱动头下部卡箍头；高架式是特制一个架子装在驱动头底部与井口连接。驱动装置通过光杆与井底抽油杆相连接，光杆表面较光滑，是一个一端带螺纹的抽油杆短节，上端穿过驱动头的轴套孔，通过方卡子与轴套连接， 下端与井底的抽油杆螺纹相连接。驱动装置下部安装密封盘根盒，密封住旋转的光杆。杆柱负荷通过光杆传递给驱动装置，负荷由井口承受。这种光杆主要传递动力，称为动力光杆。还有一种光杆不传递动力，主要用来密封，动力通过驱动装置的轴套传递给抽油杆，光杆放在轴套内，通过静密封胶圈封住环空油液。 （2）井下泵井下泵包括定子与转子①定子螺杆泵定子是由橡胶衬套浇铸粘接在刚体外套内形成的。衬套的内表面是双螺旋曲面，它与螺杆泵转子相配合。转子在定子内转动，实现抽吸功能。②转子螺杆泵转子是由合金钢调质后经防磨处理的，每一截面都为圆的单螺杆。采油螺杆泵单级举升扬程一般不超过70m水柱，即单级最大工作压力不超过0.7MPa。单级工作压差主要是靠定子、转子的过盈来实现的，过盈越大，单级工作压差越大，转子扭矩越大；过盈越小，单级工作压差越小，所以螺杆泵定子、转子间的过盈应该选合力值。 （3）井下配套工具①防转锚它保证定子、转子间相对运动的实现，它位于螺杆泵定子的下端，与定子连接。当油管受正转力矩时，牙块伸出，与套管咬死，阻止油管正转；当油管受到反转力矩时，牙块缩回，与套管松开，油管反转。在螺杆泵正常运转抽油时，转子正转，摩擦使定子受到一个正转力矩，有了防转锚，阻止油管正转，保证定子、转子间相对运动的实现。②防脱器下泵过程是先将定子下井之后再下转子，当将转子下入定子时，由于转子外形为螺旋线，要发生旋转，转子跟抽油杆连接在一起，若抽油杆不转势必会造成抽油杆的脱扣。防脱器装在抽油杆与转子之间，当转子正向转动时，防脱器跟着转子转动，而上部的抽油杆则静止不动，可防止脱扣现象的发生。③扶正器扶正器包括油管扶正器和抽油杆扶正器。油管扶正器主要是防止螺杆泵振动，抽油杆扶正器防止抽油杆磨油管，使抽油杆在油管内居中，减少杆、管的磨损。2.3 螺杆泵系统的采油原理螺杆泵利用动力驱动潜油螺杆泵采油系统，用旋转运动实现抽油[3]。螺杆泵是最简单的活塞泵，仅由转子和定子组成，转子是通过精加工、表面镀铬的高强度螺杆；定子就是泵筒，是由一种坚固、耐油、抗腐蚀的合成橡胶精磨成型，然后被永久地粘接在钢壳体内而成。螺杆泵是一种螺杆齿轮泵，其多波瓣结构在泥浆上用得较多。转子实际上是一根螺旋杆，它与螺杆内定子啮合而形成空腔，当螺旋杆(螺杆)转动时，空腔随之向上移动。空腔的密封是靠金属转子与由弹性材料浇铸而成的定子间的干扰配合。螺杆泵工作过程中空腔的形状和几何尺寸都不发生变化，所以它是一种极好的稠油抽油方式。当转子在定子中旋转时，由于定子比转子多一条螺旋线，所以，在转子与定子之间形成了许多密封腔。这些密封腔随着转子的旋转而不断变换位置，并呈周期性的变化，且转子沿着自己轴线旋转的同时，双平行定子轴线绕定子轴线沿一定半径的圆周运动，从而将井内的液体由底部密封腔逐级向顶部密封腔推移，并且逐级提高压力，即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室，当转子转动时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔在排出端消失，空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端。同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入。这样，封闭空腔不断地形成、运移和消失，原油便不断地充满、挤压和排出，从而把井中的原油不断地吸入，通过油管举升到井口。如图2-2所示。1—电控箱；2—电机；3—皮带；4—方卡子；5—减速箱；6—压力表7—专用井口；8—抽油杆 ；9—抽油杆扶正器 ；10—油管扶正器11—油管；12—螺杆泵；13—套管；14—定位销；15—油管防脱装置； 16—筛管；17—死堵；18—油层图2-2 螺杆泵采油示意图
螺杆泵井杆管柱力学研究|气田试井论文|免费论文第3章 螺杆泵井杆柱受力分析螺杆泵井是由地面驱动装置通过抽油杆柱带动井下螺杆泵转子在定子内旋转实现抽吸作用。螺杆泵井抽油杆的工作条件与常规抽油机井不同，受力较为复杂，除了受拉力外，还受扭力作用。杆柱受力分析是进行设备选择和杆柱优化设计的基础。3.1 螺杆泵井抽油杆柱受力分析在螺杆泵抽油系统的井下部件中，抽油杆柱是唯一的也是全部的转动部件，受拉、压、扭、磨、疲劳等作用力的影响严重。它是抽油系统中最关键的部分，设计不好也是问题最多的部分，研究抽油杆柱的受力是螺杆泵抽油理论的基础。因此，必须从受力、设计、保护等不同的角度对抽油杆进行研究。螺杆泵的运动规律与抽油泵往复运动规律不同，它始终朝着一个方向旋转，因此启动后惯性载荷可以忽略不计，所以螺杆泵井抽油杆柱受力情况好一些[4]。但是，螺杆泵井抽油杆柱受力状况比较复杂，它承受扭矩（带动螺杆泵）、张力（泵上液柱载荷和抽油杆自重）的复合载荷。带动螺杆泵转动的抽油杆所承受的扭矩有（1）克服抽油杆柱与井液摩阻的扭矩；（2）泵举升液体的扭矩；（3）克服螺杆泵内摩擦阻力的扭矩；（4）克服抽油杆柱和油管及扶正器间的摩擦扭矩。其中（1）、（3）两项是随井深而变化的，因此每一个端面的扭矩是不同的。此时截面上的应力是沿着截面作用的剪应力。由于圆截面的相对运动是绕着轴线转动发生的，所以，剪应力一定与半径垂直，而且截面上任一点的剪应力数值与该点至圆心的距离成正比，在杆的表面剪应力大，在圆心处的剪应力等于零。从传递扭矩的观点出发，杆柱传递扭矩时负荷多半是靠近外壁的部分承受，心部材料不起作用。故可以把心部挖空，对强度并无太大的影响。因此带动螺杆泵的抽油杆多采用空心的，这样可以节省材料，减少成本。另外，严格的说，泵所承受的液柱载荷随油管内油量的变化而变化，但与光杆所承受的载荷的变化相比是微不足道的，为了简化计算我们可以将液柱的载荷变化忽略。这样，载荷在杆柱截面上产生的垂直于截面均匀分布的正应力，且在杆柱任何截面上大小相等。值得注意的是杆柱还受杆柱自重的影响，这个载荷虽然也在杆柱截面上产生垂直于截面均匀分布的正应力，但在杆柱每个截面的载荷都等于截面以下杆柱的自重，因此，最大应力也应在杆柱顶部。抽油杆系统工作在油管中，不同的管柱，对杆柱影响也不同。图3-1是一常规管柱结构的螺杆泵采油系统示意图，是应用最多的管柱结构，油管连接螺杆泵定子，实心或空心抽油杆连接转子直到井口。
图3-1 常用螺杆泵管柱结构示意图
3.2 轴向载荷的计算杆柱受轴向力分析如图3-2所示[5]，抽油杆和泵受的轴向力主要包括：抽油杆柱的自重、泵进出口压差产生的轴向力和泵柱在井液中的浮力等。 图3-2 杆柱系统结构受力示意图
（1）抽油杆柱的自重 （3-1）式中 ——为抽油杆柱在任意深度 处杆柱所受的重力，N； ——为螺杆泵转子重量，N； ——为单位长度抽油杆的质量，kg/m； ——为某点距地面的高度，m； ——为下泵深度，m； ——为重力加速度，m/s2。 （2）泵进出口压差产生的轴向力可由下式计算 （3-2）式中 ——为泵进出口压差产生的轴向力，N； ——为螺杆泵转子截面半径，mm； ——为泵转子偏心距，mm。 （3）泵柱在井液中的浮力可由下式计算 （3-3）式中 ——为杆柱在井液中的浮力，N； ——为环空动液面至泵入口的液柱静压，MPa； ——为套压，MPa。所以，地面驱动单螺杆泵抽油杆柱所受的轴向力 （3-4）3.3 扭转载荷计算 （1）克服抽油杆柱与井液摩阻的扭矩：单螺杆泵单位长度抽油杆柱在井液中匀速旋转时所受摩擦力矩的计算公式[6]。在计算此扭矩时，以每米抽油杆柱作为一个计算单元，井液的粘度取其平均值： （3-5）式中 ——为每米抽油杆柱在井液中所受的摩擦力矩，N•m； ——为抽油杆柱的直径，mm； ——为油管内径, mm； ——为抽油杆柱转度 ，rad/min； ——抽油杆柱所在位置油管柱内井液的平均粘度，mPa•s。 若螺杆泵井抽油杆长度为 ，则整根抽油杆柱与井液摩阻的扭矩为： （3-6）式中 ——为抽油杆柱在井液中所受的摩擦力矩，N•m。 （2）泵举升液体所需要的扭矩：根据机械能等于液体能的原则： = （3-7）式中 ——为举升井液所需的扭矩，N•m； ——为抽油杆柱的转速，r/min； ——为泵的输出功率，W。 （3-8）式中 ——为日产液量，m3/d； ——为泵进出口压差，MPa。 所以 （3-9） （3）克服泵内摩擦阻力所需要的扭矩：单螺杆泵工作时，泵内摩擦阻力矩包括两方面：一方面：是转子和定子之间的初始过盈配合所产生的反扭矩，即转子与定子初始过盈所产生的反扭矩，为 （3-10）式中 ——为转子与定子初始过盈所产生的反扭矩，N•m； ——为泵定子和转子的初始过盈值，mm。另一方面：是泵定子橡胶在井下高温、高压下热膨和溶膨时所产生的反扭矩，认为热膨量几乎不变，而溶膨量取其平均值为46.5 N•m。所以为克服泵内摩擦阻力而抽油杆柱所需传递的扭矩为： （3-11） （4）克服抽油杆柱和油管及扶正器间的摩擦扭矩：取每 m抽油杆，油管作为一个设计单元[7]，将单元顶部以下的抽油杆重加上液柱载荷，取出有代表性的井斜角，求出摩擦正压力，在乘摩擦系数及抽油杆接箍直径或抽油杆在扶正器处的直径，得到克服抽油杆柱和油管及扶正器间的井斜摩阻的扭矩，即： （3-12）式中 ——为克服抽油杆柱与油管及扶正器间的摩擦扭矩，N•m； ——为抽油杆接箍直径，m； ——为摩擦系数，一般取0.1-0.2； ——为单元顶部到杆柱底部的长度，m； ——为每米抽油杆重力，N/m； ——为扶正器的长度，m；
螺杆泵井杆管柱力学研究-气田试井论文 ——为液面深度，m； ——螺杆泵转子直径，cm； ——为单元内代表性的井斜角，°； ——为斜井段的单元个数； ——为扶正器的个数。所以：根据以上分析，地面驱动单螺杆泵抽油杆柱要想带动井底螺杆泵转子旋转所需要的总扭矩为 （3-13）3.4 正应力、剪切应力和复合应力的计算 （1）正应力：螺杆泵杆柱承受的轴向力为抽油杆自重与泵进出口压差产生的轴向力和泵柱在井液中的浮力的叠加，产生的内应力垂直于横截面，且均匀分布。正应力计算公式即为： （N/mm2） （3-14）其中， 当设计实心杆时， ；当设计空心杆时， 。式中 ——为实心抽油杆直径，mm； ——为空心抽油杆外径，mm； ——为空心抽油杆内径，mm； ——为杆柱横截面积，mm2。 （2）剪切应力：螺杆泵杆柱承受前述四种扭矩的叠加，即为 ，所以剪切应力总和 = （MPa） （3-15）其中，当设计实心杆时， ；当设计空心杆时， 。式中 ——为杆柱横截模量。 （3）复合应力：螺杆泵杆柱同时受拉、扭载荷作用，因此杆柱横截面上各点同时存在剪切应力和拉伸正应力，它们的方向不同，不能叠加，在上述复杂应力情况下，情况的破坏不仅与危险点σt和剪切应力τ的数值大小有关，而且也与他们的比值有关，但不可能用实验的方法测定各种比值下的极限应力，一般可用强度理论来解决，由于抽油杆是由塑性材料制成的，所以用第四强度理论求复合应力比较实际，即： （3-16）式中 ——为正应力，由轴向载荷引起，MPa； ——为剪切应力，由传递扭矩产生，MPa。1945年以后，抽油杆强度设计一般采用“无限寿命”疲劳设计[8]，即把抽油杆的实际应力控制在许用应力（即疲劳极限除以安全系数）以下，以保证抽油杆的疲劳寿命大于107，故σ≤[σ-1]。螺杆泵杆柱受力情况比抽油机杆柱好的多，因此，[σ-1]的选值， 级杆沿用68.67N/mm2， 级杆沿用88.29N/mm2比较保守，根据北京钢铁研究总院1993年2月13日测定安全剪切器的试验报告，35CrMo钢的剪切疲劳应力τ<224.2N/mm2，安全系数选用1.5，则许用剪切应力可放宽到149N/mm2，考虑腐蚀影响可采用腐蚀修正系数乘以许用应力，参照API推荐作法，腐蚀修正系数SF选用以下数值，采用防腐措施SF=1，含水的油井SF=0.9，含H2S的油井SF=0.62。3.5 疲劳强度条件由于杆是绕中心转动的，杆的弯曲正应力是变化的，其循环特征为对称循环。在制定寿命下的许用应力[σ-1]为 [ ]= /（ ） （3-17）式中 ——为影响构件疲劳寿命的尺寸系数； ——为影响构件疲劳寿命的表面质量系数； ——为影响构件疲劳寿命的应力集中系数； ——为选定的安全系数； ——为指定寿命下的疲劳极限。3.6 静强度条件由抽油杆截面的力学分析可知，其危险点为二向应力状态。根据第四强度理论，抽油杆柱强度条件为 [ ] （3-18） （3-19） （3-20） （3-21） 式中 、 ——分别为抽油杆第 截面上的复合应力、轴向应力，Pa； 、 ——分别为抽油杆第 截面上的轴向力、剪切应力，N； ——为抽油杆第 截面面积，m ； ——为抽油杆第 截面扭矩，N•m； ——为抽油杆第 截面抗扭矩截面模量，m ； ——为抽油杆柱的许用强度，Pa。3.7 计算实例胜利油田C13-406井，该井采用GLB1200-30型螺杆泵，下泵深度为1000m，采用 25的抽油杆，其驱动电机型号为Y180L-6。其基础数据见表3-1。
表3-1 油井基本参数基本参数 数值转子半径r (mm) 18抽油杆直径d（mm） 28转子质量M (kg) 50泵理论排量Q（m3/d） 30抽油杆线密度m（kg/m） 5.15动液面至泵入口静压Ph（MPa） 3.15套压Pc（MPa） 0.97泵两端压差ΔP（MPa） 10.35泵出口压力P1（MPa） 13.5偏心距e（mm） 5定子导程T(mm) 160转速n(r/min) 100油管内径D(mm) 76液体粘度μ(Pa•s) 0.01定转子摩擦扭矩M3 (N•m) 50
由于本计算较为复杂，需借助于计算机来完成，其步骤如下：（1） 利用公式（3-1）、（3-2）、（3-3）分别计算Fg、Fa、Ff；（2）利用公式（3-4）计算F；（3）用公式（3-6）、（3-9）分别计算出M1、M2；（4）然后根据公式（3-13）计算出M；（5）最后由公式（3-14）、（3-15）、（3-16）依次计算出σt、τ、σ。采用VB编程后其界面如图3-3、3-4所示：
图3-3 抽油杆轴向载荷、扭矩载荷和应力计算程序输入图
图3-4 抽油杆轴向载荷、扭矩载荷和应力计算程序结果图
计算详细结果见表3-2、表3-3、表3-4：
表3-2 抽油杆轴向载荷计算结果Fg（KN） Fa（KN） Ff（KN） F（KN）51.78 25.43 4.19 73.02
表3-3 抽油杆扭矩载荷计算结果M1 (N•m) M2(N•m) M (N•m)17.89 343.10 410.99
表3-4 抽油杆应力计算结果σt（Pa） τ（Pa） σ（Pa）118.65 95.40 165.60
螺杆泵井杆管柱力学研究|气田试井论文|免费论文第4章 螺杆泵井杆管偏磨受力分析目前我国大庆、胜利、大港等东部主力油田已开始大量应用螺杆泵开采原油，并取得了较好的经济效益。截止到2005年底，大庆油田螺杆泵井数量已经超过1500口。胜利油田仅胜利采油厂就有131口螺杆泵井，其全年累计产油24.13万吨，占全厂产量的8.3%。但近年来，螺杆泵井杆管偏磨的现象日趋严重。据统计，大庆油田2005年因杆管偏磨而作业的井占总作业井的22.6%。因此，防治偏磨成为目前油田亟待解决的问题。4.1抽油杆管偏磨产生原因地面驱动螺杆泵井其工作原理是，地面高速运动的电机通过驱动头带动井下抽油杆柱作高速旋转运动，其运动方式区别于抽油机井的上下往复运动，因此其偏磨机理与抽油机井有所不同。据一组大庆油田的统计数字表明[9]，螺杆泵井的杆管偏磨位置多发生在400-900m井段。泵型多集中在大中排量螺杆泵，其中转速大于180r/min的井磨损率达到69.23%。螺杆泵井产生偏磨的原因主要有四个方面：（1） 井身结构不垂直引起的偏磨由于井身结构不垂直，抽油机在井里做高速的旋转运动时，更容易与油管产生偏磨。影响抽油杆或油管磨损的井况因素有两种：井斜角、套管损坏和变形。这两种原因分别分析如下：① 井斜角对偏磨的影响对于常规直井来说，井斜角小于3°为合格[10]。在钻井过程中，虽经过多次纠偏，但井底的实际位置仍和靶心有一定距离。例如当井深为1500m时，其实际井底位置距靶心大约有7.5m的距离。所以直井并不能做到与地面绝对的垂直，存在井斜角。由于井筒不垂直，油管上部接在油管挂上，在油管重力的水平分力作用下，油管必须弯曲，这种弯曲叫做自然弯曲。同时在钻井过程中由于有方位角的存在，以及受地层压力不均衡的影响，使得井眼轨迹产生变形，因此下放管柱以后由于受油井井身轨迹的影响。油管柱这种细长杆必然与套管有多个点接触，抽油杆也是如此。因此，造成了杆管之间的偏磨。随着井斜角增大，油管与抽油杆弯曲会更加严重，杆管偏磨也逐步加剧。② 套管不同程度的损坏和变形套管不同程度的损坏和变形[11]更使井下旋转抽油杆处在恶劣环境内，在工作中随时都可能造成抽油杆磨断和扭断等事故。套管内径小易使抽油杆在弯曲状态下运转，也容易造成磨损。（2）油管受力弯曲引起的偏磨由于螺杆泵抽油杆柱作高速旋转运动，为了防止抽油杆柱在运动中与油管发生碰撞，因此需要锚定地面抽油螺杆泵采油油管，油管锚在坐封时需要一定的坐封重力，而坐封重力将导致油管弯曲。坐封力越大，油管弯曲越严重。油管柱弯曲对抽油杆柱产生如下影响：① 因抽油杆柱上配有扶正器，油管柱弯曲使抽油杆柱产生相同的弯曲。② 抽油杆柱因弯曲而产生附加弯矩。③ 抽油杆柱弯曲产生的附加应力。（3）高含水对偏磨的影响原油含水率低时，管与杆的摩擦面形成良好的润滑；而原油含水率高时，两个摩擦面处于水润滑状态，摩擦系数增大，大大增加了两个表面的摩擦阻力，从而加快了表面的磨损，加剧了油井的杆管偏磨。（4）质量偏心引起的偏磨螺杆泵抽油杆柱在较高转速下做旋转运动，抽油杆为均匀质量的细长杆柱，由于杆柱质量偏心和惯性力的作用使细长的抽油杆柱不可能保持竖直状态，而会产生侧向位移，如图4-1所示。一方面，这些侧向位移在旋曲作用下将引起离心力，进一步加剧侧向位移的产生；另一方面，抽油杆柱的弹性作用下将产生恢复力，来减少侧向位移的产生。当离心力大于恢复力时，抽油杆柱的侧向位移将会逐步增大，导致抽油杆柱与油管壁产生接触，使得杆管发生偏磨。若没有油管柱约束，其抽油杆柱将丧失承载能力，这就是工程力学中的“旋曲”现象[12]。
图4-1 抽油杆旋曲示意图4.2抽油杆管偏磨的防治4.2.1 防治技术（1）优化下泵参数①泵型、转速的优化。因为随着螺杆泵井的转速增高，杆管偏磨的程度会加重，所以为了有效地减轻偏磨，防止杆断脱，必须降低扭矩、弯矩，减少共振。也就是必须让螺杆泵在中、低转速下运行。为此，在下泵设计时，根据油井产能，在满足供排要求的前提下，以最低转速为目标，选择泵型。同时，重新计算了各种泵型中低转速时对应的实际排量，并以此为依据确定泵型和转速，优选大泵，均以最低转速投产。②杆泵匹配的优化。由于空心杆的外径大于实心杆，增大了泵的出口压力，增加泵对扶正器和杆柱的举升力ΔP，出现空心杆比实心杆偏磨几率高的现象。因此综合考虑过流面积、抗扭能力、系统安全和成本投入等因素，在1200型及1400型螺杆泵用Φ28mm实心锥扣SHY级工艺杆，取代原Φ38mm及Φ42mm空心D级杆。同时，Φ28mmSHY级工艺杆在总直径不变的情况下，将原HY级杆外壁加厚，由3.0mm增加到3.5mm，大大增加了杆的抗扭强度。（2）研究配套工艺①筛选防转锚。螺杆泵常用的锚定工具是支撑卡瓦，由于座封时压油管头使油管发生弯曲，导致杆管偏磨。为了解决这一问题，通过筛选、试验，改用了翻板式防转锚。该防转锚设计有6片卡块，承受扭矩3000N•m以上。当螺杆泵工作时，卡块在板簧的弹力作用下，卡在套管内壁上，锚定螺杆泵定子，同时管柱处于拉伸状态。该防转锚具有扶正减震机构，改善了螺杆泵的工作状态，可以使牙块有效贴紧套管内壁。②应用扶正器限位技术。根据杆的不同结构，研究采取了不同的限位方法。对于实心杆，采取在两杆之间安装哑铃型扶正短节，扭卡式扶正器安装在短节上的方法，可以起到防窜和保护杆接箍的作用。对于Φ38mm、Φ42mm的空心杆，要求厂家在距杆上接头0.4m处，利用摩擦焊接堆出或直接墩出一道高度为8mm的限位箍，将扶正器安装在杆接头与限位箍之间，也可以起到防窜和保护杆接箍的作用。这两种限位方式既保护了接箍，又不节流，有效地防止了杆接箍的磨损。同时，在扶正器的安装上也应有所区别。对于转速高于120r/min的井，采取全井安装扶正器；对于转速低于120r/min的井，采取偏磨段每根杆安装一个扶正器，未偏磨段每两根杆安装一个扶正器的做法。③调整防冲距。为避免转子顶限位销，改变杆管所受的应力，改进了提防冲距的方法。结合架子上的指重表正确操作，当杆柱下到下死点后，缓慢上提杆柱，观察指重表的变化情况。当负荷不再增加时，在杆柱上做一记号，随后缓慢下放杆柱，重复数次。最后确定转子尾部提离限位销时准确位置，以此为基础上提0.5m，作为工作时杆柱的弹性伸长量，同时要求作业时上提防冲距由原来的1.0-1.2m增加到1.3-1.4m。4.2.2 防治方法基于以上因素，在解决偏磨问题应多方面多角度来处理。其中涉及到钻井、完井、采油等多个方面。（1）控制井斜角在钻井中，井斜角对抽油杆柱、油管偏磨影响较大，因此要尽量控制井斜角不能过大，以防改变杆管柱的受力状态增加偏磨。（2）坐封控制需要封层的油井应用低坐封载荷封隔器（坐封载荷为20-40KN），同时配套应用坐封吨位控制器，使泵上油管处于受拉状态，这样可防止泵上油管因受压而弯曲，从而减轻管杆偏磨。也可以采用一些新型锚定装置，不用坐封直接锚定油管，从而从根本上避免油管弯曲。如旋转锚，其工作剖面图见图4-2，其原理是通过下放管柱旋转顶出3个支撑卡瓦，从而使油管锚定。
图4-2 旋转锚工作部位剖面图
（3）使用扶正器由于强烈的横向振动可以使抽油杆与接箍的螺纹预紧力下降甚至全部消失，导致螺纹连接松动，长时间作用将造成抽油杆柱脱扣。并且在长时间反复的接触摩擦作用下，抽油杆柱很容易被磨断。可见抽油杆柱碰撞接触和振动是造成杆管偏磨和杆柱脱扣的主要原因，为消除或减弱杆柱振动的影响以及避免抽油杆柱直接与油管发生接触，避免杆管偏磨降低杆柱断脱事故的发生，采取在杆柱振动及变形较严重的部位加放扶正器的措施。扶正器的数量应当合理，位置适当。扶正器数量过多会增加油的流动阻力，增加抽油杆柱的拉力和扭矩；扶正器的数量偏少则起不到应有的作用。扶正器的布置应遵从如下原则：①全井布置应使扶正器使用时限相同，避免出现由于一个或几个扶正器失效引起的杆管偏磨而导致其余扶正器失效。
螺杆泵井杆管柱力学研究|气田试井论文|免费论文②井口附近和下部扶正器布置应避免抽油杆柱与油管内壁接触，减小振动，同时使得弯曲载荷较小。（4）调整抽油杆转速螺杆泵井工作转速高，其抽油杆承受扭矩大，杆柱在离心力作用下产生的偏心距也大。而且转速高使得抽油杆柱振动加剧，容易使抽油杆柱与油管内壁发生碰撞。不但使得杆柱发生偏磨，而且极容易造成抽油杆柱出现疲劳断裂，或者脱扣现象发生。确定合理的工作转速即可以避免提高抽油杆的安全性能，又可以防止杆管偏磨。根据现场调研，转速在100r/min-140r/min范围时可以取得较好效果。（5）提高抽油杆强度缩小杆径因为抽油杆在油管内是高速旋转运动，最直接的避免抽油杆与油管接触的方法就是缩小抽油杆的直径，但为了防止抽油杆断脱，应提高抽油杆的强度。使用连续抽油杆是一个很有效的方法。胜利油田胜利采油厂131口螺杆泵井中，使用连续抽油杆的井就有65口，免修期超过300天的螺杆泵井15口，其中使用连续抽油杆的井就占了11口，占总数的73.3%。大大的延长了螺杆泵井的检泵周期，起到了很好的防止杆管偏磨的作用。4.3油管柱轴向压力的计算完井作业时，有部分油管柱重力作用在油管锚上，使油管锚卡瓦卡住套管内壁。油管锚以上油管柱存在一中性点[13]，中性点以下油管柱受压，中性点以上油管柱受拉。螺杆泵从启动到正常生产，油管柱温度逐渐上升，油管柱因温度效应产生轴向力Ft使中性点上移，油管柱作用在油管锚上的压力增加。油井正常生产时，油管柱作用在油管锚上的力Fm可表示为： (4-1)式中 ——为完井作业时油管柱作用在油管锚上的力，KN。因温度效应引起的轴向力为 (4-2)式中 ——为油管的弹性模量， ； ——为油管柱线膨胀系数， =11 ； ——为油管柱的截面积； ——为因温度效应发生在整个管柱上的平均温度变化，即 （4-3）式中 ——为完井时井液温度，℃； ——为正常生产时井口温度，℃； ——为正常生产时井下油管锚处温度，℃。4.4油管柱受力弯曲变形量的计算 油管的受力比较复杂，现有油管弯曲计算模型往往只涉及管柱的自重，这会造成较大的偏差，现从多方面着手，分析各方面因素对地面抽油螺杆泵井油管弯曲所造成的影响。（1）活塞效应引起的变形量 因油管内、外压力作用在管柱直径变化处和密封管的端面上引起管柱长度的变化。 （4-4）式中 ——为坐封时管柱伸长长度，m； ——为环形空间压力，MPa； ——为油管内压力，MPa； ——为油管内截面积（以内径算），mm2； ——为油管外截面积（以外径算），mm2； ——为封隔器密封腔的横截面积，m2； ——为油管壁的横截面积，m2。 （2）螺旋弯曲效应引起的变形量因压力作用在密封管端面和管柱内壁面上引起： （4-5）式中 ——为坐封时管柱压缩长度，m； ——为单位长度油管在空气中的平均重量（包括接箍）； ——为单位长度油管中的流体重量； ——为单位长度的油管体积（以外径算）所排开套管中流体的重量。 （3）膨胀效应引起的变形量因压力作用在管柱的内、外端面上引起： （4-6）式中 ——为井口坐封压力，Pa； ——为油管锚下深，m； ——为弹性模量，Pa； 、 ——分别为油管外径、内径，m。（4）温度效应引起的变形量井内静止温度是随井深增加而升高的，管柱下入井中时，温度随之升高，直到与井中流体相等。当井内温度变化时，如向井内注冷流体或蒸汽等，管柱温度会随之变化。管柱受冷会缩短，受热会伸长。 （4-7）式中 ——为材料的热膨胀系数； ——为管柱长度，m； 综合以上诸效应，油管变形量为： = + + + (4-8)完井作业时，有部分油管柱重力作用在油管锚上，使油管锚卡瓦卡住套管内壁。油管锚以上油管柱存在一中性点，中性点以下油管柱受压，中性点以上油管柱受拉。当油管存在变形量时，中和点位置将发生变化。中和点位置（距井底）： （4-9）式中 ——为坐封压力，N； ——为油管产生的轴向力，N; ——为单位长度油管质量，kg。（5）油管失稳弯曲引起的变形量考虑到油管的失稳是其弯曲的主要原因，油管柱属细长杆，油管在轴向压力作用下失稳而发生弯曲[14]如图4-3。计算时作如下假设：① 油管锚牢牢卡住套管内壁，无相对位移；② 油管柱不考虑接箍的影响；③ 忽略失稳弯曲段油管质量。
图4-3 油管弯曲受力模型图建立相应数学模型计算油管柱弯曲变形时，将油管柱简化为一端固定，另一端自由的细长杆模型，其失稳临界力P为： （4-10）式中 ——为油管锚以上油管长度，m； ——为油管截面惯性矩， ，m4， 、 ——分别为油管内、外径。在失稳临界力P作用下，油管柱失稳而发生弯曲，并靠在套管内壁上。以油管柱与套管接触点为固定点，依次计算下一个失稳弯曲段。各弯曲段长度的计算式为： （4-11）式中 ——为每米油管质量，kg/m； ——为重力加速度，m/s2。（6）油管弯曲角度的计算当油管发生弯曲变形时，其最大绕度即油管外壁与套管内壁发生接触时的距离。如图4-4所示：
1-套管 2-油管 3-油管轴线 4-弯曲角度β图4-4 油管柱弯曲变形角度示意图
则有： （4-12）式中 ——为套管内径，mm；
螺杆泵井杆管柱力学研究-气田试井论文 ——为油管外径，mm； ——为弯曲角度，°。4.5抽油杆柱扶正器下放位置计算在螺杆泵采油系统中，扶正器安放位置设计[15]也十分重要。因此需建立相应的模型，对扶正器的安放位置进行设计计算。模型如图4-5所示：模型假设如下：① 抽油杆柱为均质，连续的弹性杆柱；② 杆柱上的扶正器为固定约束；③ 两扶正器之间的杆柱简化为简支梁模型。 图4-5 扶正器位置示意图
在图4-5中，假设扶正器之间的抽油杆柱以扶正器的中心线[16]为轴做旋转运动，那么对于任一微小侧向位移y产生的离心力： （4-13）式中 ——为扶正器间抽油杆柱的重量，kg； ——为抽油杆柱的旋转角速度，rad/s。抽油杆柱在离心力作用下发生弯曲变形的同时，由于抽油杆柱的自身弹性和轴向拉力迫使抽油杆柱竖直，因此相邻扶正器间产生弹性恢复力： （4-14）式中 ——为相邻扶正器间抽油杆柱在轴向力作用下的恢复力系数；当恢复力Fi与离心力Fc平衡时，可得： （4-15）式中 ——为扶正器间抽油杆柱的重量，kg； ——为抽油杆柱正常工作时的转速，rad/s。考虑抽油杆柱运动的临界状态，即抽油杆柱与油管内壁刚好接触，侧向最大位移 ，则离心力： （4-16）相邻扶正器间的抽油杆柱在离心力Fc的作用下发生弯曲变形，根据材料力学中挠曲线近似微分方程，知 （4-17）其边界条件为： （4-18） (4-19)式中 ——为抽油杆与油管内壁之间的间隙，m； ——为抽油杆的弹性模量， ； ——为抽油杆柱截面惯性矩， ，m4， ——为抽油杆直径，m； ——为扶正器间的最长距离，m。解微分方程 (4-17) 得其挠曲线方程： （4-20）最大挠度表达式为： （4-21） 当抽油杆贴上油管内壁时即为最大挠度： (4-22) 将式（4-22）代入式 (4-21) 得： （4-23）得： （4-24）解方程（4-15）、（4-24），可得扶正器间的临界距离为： （4-25）式中 ——为抽油杆柱的线密度，kg/m； ——为两扶正器间的最小距离。 因此确定第一个扶正器的下放位置后，就可以准确计算出下一个扶正器的下放位置。4.6计算实例胜利油田梁13-26井为螺杆泵井，采用上提下放式油管锚锚定螺杆泵。螺杆泵下入深度为1300米；油管锚以上采用外径为88.9mm油管，油管内径为76mm，套管内径为127.3mm；完井作业时井液温度为20℃；正常生产时井口温度约为38℃，井下油管锚处温度约为40℃；完井作业时油管柱作用在油管锚上的力为76KN。光杆扭矩实测值为164.3 N•m，抽油杆采用D级杆，直径为 mm，抗拉强度为 MPa。由于本计算较为复杂，需借助于计算机来完成，其步骤如下： （1）用公式（4-4）、（4-5）、（4-6）、（4-7）分别计算ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4； （2）利用公式（4-1）计算Fm； （3）用公式（4-9）计算Lz；（4）用公式（4-12）计算弯曲角度β。采用VB编程后其界面如图4-6所示： 图4-6 油管弯曲计算程序图
计算详细结果见表4-1：表4-1 油管柱弯曲计算结果ΔL1 (m) ΔL2 (m) ΔL3 (m) ΔL4 (m) ΔL (m) Fm (KN) β(°)3.54 2.76 1.03 1.72 9.95 121.1 2.15
螺杆泵井杆管柱力学研究-气田试井论文结 论本文结合螺杆泵采油方式在油田的应用情况，在介绍了螺杆泵采油系统的国内外发展现状、发展趋势和其工作原理的基础上，对螺杆泵采油系统杆管柱的力学模型、杆柱受力技术、螺杆泵井杆管偏磨等问题进行了研究，主要有以下研究内容和成果。（1）建立了螺杆泵井杆柱的力学模型根据地面驱动螺杆泵的工作特点，分析了传递动力的抽油杆柱的受力情况，认为抽油杆柱受复合载荷的作用，在承受扭矩的同时承受较大的轴向力，并且给出了各种载荷的计算方法。（2）研究了螺杆泵井偏磨现象从杆管受力角度分析了螺杆泵井偏磨现象产生的原因，提出了防治螺杆泵井偏磨现象的具体方法。研究了螺杆泵井油管受力弯曲机理，给出了油管弯曲个数及弯曲长度的计算公式。建立了模型对杆柱扶正器下放位置进行计算，得出了确定扶正器下放位置的计算公式。（3）对螺杆泵采油系统杆管柱进行力学研究是十分必要的。随着油田开发的不断深入，螺杆泵独特的性能优势在油田生产中的作用越来越明显，已成为油田的主要举升方式之一。但由于其高转速、大扭矩等问题带来的杆柱失效问题和杆管偏磨问题日益突出，因此对螺杆泵采油系统杆管柱进行力学研究是十分必要的，对完善其工作理论具有重要的实际意义。 www.lwfree.cn参考文献[1] 张连山.螺杆泵采油系统技术发展现状与动向研究[J].石油机械，1994， 22（1）：16－50. [2] 陈涛平，胡靖邦著.石油工程[M].北京:石油工业出版社，2000，328-335.[3] 韩修廷，王秀玲，焦振强著. 螺杆泵采油原理及应用[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998，1-130.[4] 高圣平.井下单螺杆抽油泵杆柱受力分析与设计[J].石油机械，1997，25（1）： 8－10.[5] 杨玉生.螺杆泵抽油杆柱轴向力的计算[J].石油矿场机械，1991，20（1）：27－29. [6] 王旱祥，张彦廷，李淑萍.地面驱动单螺杆杆柱的组合设计[J].石油机械，1998，26（8）：45－48.[7] Вестиик бкровых подрядчиков 2006, Ио3.[8] Совершенствование технологий устранения негерметичиности колонн/Л.М козупица ,К.В .Стрижнев Е А Румянцева РМ Назметдинов /Интервал .-2005 -Ио 4.[9] 许军.螺杆泵井杆管磨损原因及治理措施.石油机械，2005，33（10）：63—65.[10] 魏志刚，胡小兵.斜井扶正技术研究与应用[J].石油钻采工艺，1996，18（4）：80—84.[11] 牟刚，罗文波.螺杆泵井防偏磨方法探讨.油气田地面工程，2005，24（12）：21—22.[12] 师国臣，陈卓如，李修文.螺杆泵采油杆柱断裂机理及其对策[J].石油机械，2000，28（9）：42—45.[13] 祝庆远，王民轩等.螺杆泵采油油管柱弯曲对抽油杆柱的影响.石油机械，1999，10：38—42.[14] 师国臣，吴晓东.地面驱动螺杆泵抽油杆柱弯曲的力学模型.石油大学学报（自然科学版），2003，27（2）：45—46.[15] УметбаевВ.Г. Мерзляков В.Ф.Калитальный ремоинт как средство экономического оздоровления фонда скважин .-Уфа: 1995.[16] 隋允康，任旭春.斜井单螺杆抽油泵柱和扶正器间距的最优设计.计算力学学报，2002，19（1）：58—62. 致 谢在毕业设计过程中，得到了**老师的悉心指导，从选题、研究、撰写直到成稿，导师都倾注了大量的心血。**老师渊博的专业知识及严谨的治学态度使我受益匪浅。导师强调勇于探索，鼓励创新，从严把关，在完成论文的过程中使我的独立科研能力得到了积极的锻炼。同时提供了在毕业设计过程中所用到的基本设备、书籍、资料。使我的毕业设计能够顺利完成。在此，对**老师致以衷心地感谢！同时**学哥在设计过程中也给予了许多帮助，对毕业设计中出现的问题进行耐心的讲解，在此同样致以衷心地感谢！在毕业设计过程中，同组的其他同学也给予了很大的帮助，在此表示感谢！在此向所有曾对本论文的完成给予我各种形式帮助和支持的同志们表示最诚挚的谢意!
螺杆泵井杆管柱力学研究-气田试井论文本文所用到的计算程序代码如下：（1）抽油杆轴向载荷、扭矩载荷和应力计算程序代码Public bj, zj, zl, pl, md, jy, ty, yc, ck, px, dc, zs, nj, nd, mc, sd, zz, yz, fz, z, M1, M2, M, zyl, jq, fh As SinglePrivate Sub Command1_Click()bj = Val(Text1.Text)zj = Val(Text2.Text)zl = Val(Text3.Text)pl = Val(Text4.Text)md = Val(Text5.Text)jy = Val(Text6.Text)ty = Val(Text7.Text)yc = Val(Text8.Text)ck = Val(Text9.Text)px = Val(Text10.Text)dc = Val(Text11.Text)zs = Val(Text12.Text)nj = Val(Text13.Text)nd = Val(Text14.Text)mc = Val(Text15.Text)sd = Val(Text16.Text)Form1.HideForm2.ShowEnd SubPrivate Sub Form_Activate()zz = (md * 10 * sd + zj * 10) / 1000yz = ((3.14 * bj ^ 2 + 16 * px * bj) * yc) / 1000fz = (3.14 * bj ^ 2 * (jy + ty)) / 1000z = zz + yz - fzText1.Text = Format(zz, ".00")Text2.Text = Format(yz, ".00")Text3.Text = Format(fz, ".00")Text4.Text = Format(z, ".00")M1 = (2 * 3.14 ^ 2 * nd * zs * (zj / 1000) ^ 2 * (nj / 1000) ^ 2 * sd) / ((nj / 1000) ^ 2 - (zj / 1000) ^ 2)M2 = 110.5 * pl * yc / zsM = M1 + M2 + mcText5.Text = Format(M1, ".00")lwfree.cn")zyl = z * 1000 / ((3.14 / 4) * zj ^ 2)jq = 16 * M * 1000 / (3.14 * zj ^ 3)fh = (zyl + 3 * jq ^ 2) ^ 0.5Text8.Text = Format(zyl, ".00")Text9.Text = Format(jq, ".00")Text10.Text = Format(fh, ".00")End Sub（2）油管弯曲计算程序代码Public l, dw, dn, t, t1, t2, d, fj, dz, w, e, c, p0, pi, md1, md2, r, t0, pz, g, p1 As SinglePrivate Sub Command1_Click()Text11.Text = fj + e * 3.14 * c * dw ^ 2 * ((t1 + t2) / 2 - t) / 4Text12.Text = -l * ((d ^ 2 - dw ^ 2 - dn ^ 2) * pi - (d ^ 2 - 2 * dw ^ 2) * p0) / (e * dw ^ 2 - dn ^ 2)Text13.Text = -(dn ^ 2 * 3.14 * (d ^ 2 - dw ^ 2) ^ 2 * (pi - p0) ^ 2) / (2 * e * (dw ^ 4 - dn ^ 4) * (w + md1 * g * 3.14 * dn ^ 2 / 4 + md2 * 3.14 * dw ^ 2))Text14.Text = 0.6 * p1 * dn ^ 2 * lText15.Text = r * l * t0Text16.Text = l1 + l2 + l3 + l4Text17.Text = (fm + pz) / (w * g)lwfree.cnEnd SubPrivate Sub Command2_Click()EndEnd Sub
