抽油混合杆柱的设计方法

1抽油混合杆柱的设计方法中国石油大学（北京）石油天然气工程学院檀朝东应用抽油混合杆柱的目的在于尽可能地提高有效冲程进而提高泵效，因此设计中采用由多级抽油杆组成的混合抽油杆柱，并增大它在整个混合杆柱中所占的比例，各级钢丝绳抽油杆仍采用等强度设计原则，而在钢丝绳和常规杆（加重杆部分）间不采用此原则设计杆柱长度，但必须满足强度要求。1混合抽油杆上行程的力学分析[1-2]在上行程时混合抽油杆柱的受力主要有以下几部分：1）柱塞上的静液柱载荷上冲程中，游动凡尔关闭，液柱作用在柱塞上的载荷：)(jrljzzlLLgAAF（1）2）柱塞的重量和惯性力)(zzZzgagALF（2）3）柱塞和衬套间的摩擦力当井液的含水不超过50％时，一般认为柱塞和衬套间为边界润滑，其摩擦力由下式计算：zzzzdVLpdLF2（3）当含水超过50％时，认为柱塞和衬套之间可能发生干摩擦，此时产生的摩擦力由下式计算：14094.0zddF（4）4）杆柱与液体之间的摩擦力①钢丝绳杆段与液体之间的摩擦力[3]钢丝绳杆段与液体之间的摩擦力为VmfLFrrwr)(2.（5）mmmmmmmmfrln11lnln21ln2222（6）为钢丝绳杆的表面特性的无量纲修正系数，一般由实验确定。②加重杆段与液体之间的摩擦力VmfLFjjwj)(2（7）1ln11)(222mmmmmfj所以总摩擦力VmfLmfLFFFjjrrwjwrw)().(2（8）5）流体的惯性力max)()(aLAALAAFjjtrrtlla（9）6）液体与油管之间的摩擦阻力在上冲程，流体与油管之间的摩擦阻力作用在柱塞上，其最大值可由下式确定：ptlLVmmmmFmax2221ln113.12（10）27）抽油杆在液体中的重量rrrrljjjjlfgLALAF18.918.9（11）8）惯性载荷maxaLALAFjjjrrra（12）9）纵振在悬点上引起的振动载荷杆柱自由纵振在悬点上引起的振动载荷vF为：002212sin1218nnjjjrrrvtnnaAEaAEVF（13）0—自由振动圆频率，La20最大振动载荷发生在20t、5…处，实际上由于存在阻尼，振动将会随时间快速衰减，故最大值是在20t处。'20sin2tSa（14）式中，'t为从上冲程开始算起的时间，s。当油管锚定时，钢丝绳顶部最大振动载荷jjrjjjrrrrrrvaLaaAEaLaaAESFsinsin2max（15）当油管未锚定时，钢丝绳顶部最大振动载荷aaLaaAESaaLaSaAEPjjjjjrrrrrvsin1sin2sin1sin2max（16）式中，ra、a分别表示油管锚定和不锚定时，由下死点开始至初变形结束期间曲柄所转过的角度，弧度；sa21cos1，sarr21cos1（17）trLjjjrrrrWAELAEL，tjLtAELW（18）—变形分布系数，杆柱变形与杆管变形之和的比值，2加重杆下行程的受力分析[1-2]加重杆下行程时主要承受以下几方面的力：1）柱塞和衬套间的摩擦力2）游动阀产生的阻力当液体流过游动阀时，由于摩擦的作用，它对柱塞产生一个向上的作用力，它等于流体通过游3动阀产生的压力损失乘以柱塞和阀座孔间的环形面积，可由下式计算：lfzfzkkkvAASnAAnKW222729（19）k为流量系数，具体的数值和阀的结构有关，可由下式决定：7.1)4(lg325.0225.0ekR410eR（20）6.0)3(lg225.0ekR431010eR（21）SNAAdfzlf60Re3)加重杆柱与液体之间的摩擦力抽油杆柱与液体间的摩擦发生在下冲程，摩擦力的方向向上，是杆柱在稠油井中下行遇阻的主要原因之一。4）抽油杆在液体中的重量jjjlfLqW18.9（22）5)中和点下部抽油杆的惯性力在下冲程中，抽油杆柱有一个加速下行的过程，产生的惯性力aW可由下式计算：jjaaLqmSNW18002（23）211hqlqaYRLRm（24）对于一般的常规抽油机65.0am式中：qR—曲柄旋转半径m，lL—连杆长度m，hY—游梁后臂长度m。6）柱塞的重量和惯性力)(zzZzgagALW（25）7）液柱作用在抽油杆上的力gLAWljlg（26）8）流体的惯性力max)()(aLAALAAWjjtrrtlla（27）3多级钢丝绳抽油杆柱设计[1]对于钢丝绳抽油杆，目前没有一套成熟的疲劳强度设计方法，一般采用生产厂家提供的钢丝绳破断拉力与安全系数之比，再与钢丝绳的横截面积之比作为其许用应力，即rrprAnF（28）式中r—钢丝绳的许用应力，Pa；pF—钢丝绳的破断拉力，N；4rn—钢丝绳安全使用的最低极限值，即最小安全系数，rn=4~5；将钢丝绳杆柱实际受到的最大工作应力（随下泵深度LP而变）作为等效应力，只要保证其不超过许用应力即可，即：rrrAFmax（29）maxmaxvafgtllawdzgzlFFFFFFFFFF（30）对于多级钢丝绳抽油杆柱设计采用了等应力范围设计法，即通过迭代计算，使各级钢丝绳杆的顶端应力范围满足以下条件：1.minmax.min.maxiiii（31）其中irFiTS.minmax5625.025.0（32）式中：SF——钢丝绳抽油杆使用系数；Tr——钢丝绳抽油杆最大抗拉强度，N/mm2；i——自上而下抽油杆的级数；σmax.i、σmin.i——第i级抽油杆顶端的最大、最小应力，N/mm2。4加重杆设计[1]对于加重杆的疲劳强度设计可以根据常规抽油杆疲劳强度校核和设计的方法进行。即采用美国石油学会推荐的修正的古德曼图来进行抽油杆强度校核和设计。为保证钢丝绳抽油杆在下行程时，始终保持拉伸状态，且下端的结构伸长也能消除，则要求所加的加重杆重不仅能抵消钢丝绳、加重杆本身所受的浮力0rW、衬套与柱塞间的半干摩擦力dW、混合液流过游动阀时产生的阻力wW、加重杆本身的惯性力vW和液体摩擦力riW，也能消除钢丝绳的部分结构伸长jW。因此，加重杆的设计应满足以下要求：①保证钢丝绳在下行程中不受压，则加重杆必须满足下式：0lglaawvdzgfg（33）即：zgvdlawaflg（34）将上式中各力的表达式代入(34)式得：maxlgmax2)()()(2180018.9aLAA进一步简化可得：max2lg)()(2180018.9aAAVmfqmSNq（35）②保证钢丝绳杆满足井深的需要，则加重杆必须满足下式：rjLLLL—为满足泵深的抽油杆总长m；对于要求实现较高泵冲程的油井，钢丝绳杆的杆长建议按下式确定：5jrjqGpLL4.0~3.0（36）其中，Gp为克服钢丝绳连续杆结构伸长所需的力，20kN[4]③加重杆在其长度范围内不应失稳研究表明，假设泵端抽油杆柱固支(即没有转角)，如果盘根盒距离中和点足够远，则无论假设盘根盒处抽油杆柱是铰支(即没有弯矩)还是固支，底部抽油杆柱的临界长度都可由下式计算。275.36zhjjzhjLIELq（37）3175.36jjjzhqIEL（38）式中：jI—加重杆截面的惯性矩，m4；zhL—加重杆柱在临界载荷作用下中和点到泵端的距离，m。本章符号说明：zA—柱塞截面的面积，2m；fA—阀孔横截面的面积，2m；tA—油管内截面积，2m；rA、jA—分别为钢丝绳杆和钢杆横截面积，2m；Ar1，…，Arn—各级杆的横截面积，2m；0a—悬点加速度，m/s2；za—柱塞的加速度，2/sm；ra、ja—分别为钢丝绳杆和钢杆中波的传播速度，m/s；fd—游动阀阀孔的直径，m；zd—抽油泵的直径，m；rd、jd—分别为钢丝绳杆和加重杆的直径，m；E—油管弹性模量，Pa；rE、jE—分别为钢丝绳和钢杆的弹性模量，Pa；E1，…，En—各级杆的弹性模量，Pa；Fw—含水率,%；Fo=1-Fw；g—重力加速度，2/sm；J—采液指数，m3/d·MPakK—考虑抽油杆柱振动的影响系数，通常取5.1kK；rL—钢丝绳杆长度，m；jL—加重杆长度，m；zL—柱塞长度，m；Lp—泵挂深度，m；Lr1，…，Lr2—各级杆长度，m；zm—柱塞质量,kg；N—冲次，1/min；6kn—泵游动阀的数目；jq—单位长度加重杆质量，mkg/；S—冲程，m；V—抽油杆柱的运动速度，sm/；zV—柱塞的运动速度，sm/；WL—作用在泵活塞全面积上的液柱载荷，kg；Wr1，…，Wrn——各级杆在空气中的质量，kg；—油井液体的动力粘度，sPa；—柱塞和衬套之间的间隙值，m；l—井液的密度，3/mkg；r、j—分别为钢丝绳杆和加重杆的密度，3/mkg；—曲柄角速度，l/s；—油管不锚定时抽油杆和油管静变形，m；r—油管锚定时抽油杆变形，m；惯—由于惯性的作用，使活塞冲程增加的数值，m；p—柱塞上下两端压差，Pa；1.檀朝东.钢丝绳抽油杆抽油系统工作理论和设计方法的研究：博士学位论文，石油大学，北京：2003年6月2.檀朝东.钢丝绳抽油杆振动阻尼计算及分析[J].石油矿场机械,2004，33（2）：27-29.3.赵洪激.装有扶正器的斜直井抽油杆柱摩阻力的理论研究[J].石油机械，1992，№5：10-144.葛文学.钢丝绳机械性能研究：硕士论文，石油大学，北京：1998年6月