抽油桿柱下部失穩(wěn)分析與加重桿設(shè)計(jì)方法解析

1、抽油桿柱下部失穩(wěn)分析與加重桿設(shè)計(jì)方法時(shí)間： 2011-04-14 09:38:10.0 作者：網(wǎng)絡(luò)來源：網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)摘在有桿泵抽油過程中，抽油桿柱下行過程中受到阻力。在其下部自重不能抵消阻力，處于受壓狀態(tài)。當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí)， 抽油桿發(fā)生彎曲變形， 這種彎曲變形在油管內(nèi)徑的約束下，呈螺旋狀。桿柱失穩(wěn)彎曲至少有三方面的危害：增大沖程損失，降低泵效；增加超應(yīng)力破壞的機(jī)會(huì)；增大桿管間的磨損，容易造成抽油桿斷脫和油管漏失。一、抽油桿柱受壓段分析抽油桿柱下部在下行過程中受到的阻力被一定長(zhǎng)度的桿柱重量抵消，桿柱上出現(xiàn)一個(gè)中和點(diǎn)，中和點(diǎn)以下桿柱處于受壓狀態(tài)。自中和點(diǎn)向下抽油桿壓應(yīng)力逐漸增大，在其下端達(dá)到最大。

2、受壓應(yīng)力變化的影響，受壓桿段發(fā)生三種形態(tài)的過渡。靠近中和點(diǎn)部分由于桿柱的剛度和較小的壓應(yīng)力，桿柱保持挺直，不會(huì)彎曲。向下隨著壓應(yīng)力的增大，抽油桿發(fā)生彈性彎曲變形。再向下，當(dāng)壓應(yīng)力超過彈性極限后，桿柱將發(fā)生不可恢復(fù)的塑性彎曲變形。當(dāng)然，如果下行時(shí)阻力不夠大，或者抽油桿的材料、結(jié)構(gòu)性能較好，桿柱就可能不存在塑性變形 段或彈性變形段。由于桿柱最下端壓應(yīng)力最大，所以靠近下端是桿柱最容易受到失穩(wěn)彎曲變形破壞 的薄弱部分。這部分的螺旋狀彎曲變 形最大，螺距最短。以前，人們認(rèn)為，桿柱下行時(shí)，下端受到的阻力主要包括，液流通過游動(dòng)閥的阻力和柱塞與泵筒間的摩擦力。但是，通過分析，阻力并不僅此兩項(xiàng)，在桿柱下端面還受

3、到向上的浮力。1. 液流阻力液流阻力來源于液流通過游動(dòng)閥時(shí)發(fā)生的水頭損失作用于柱塞和閥座孔間的環(huán)行面積的力。Pv = nk ? A pv ? （F - fo ）其中， Apv = hv ? p l ?gw = 2 n n/60U = f （ Re ）分析以上關(guān)系式，可以看出：.隨著V l值增大，Re減小，U減小，hv減小，Pv增大，即液流阻力 Pv與液體的運(yùn)動(dòng)粘度 V I成正比。.隨著F增大，一方面（F-fo ）增大（對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)游動(dòng)閥，F(xiàn)/fo的值近似常數(shù)，為 （D/do）2 -22=4）, Pv增大；另一方面 do增大，Re增大，使 Pv 減小。通過實(shí)例計(jì)算表明，隨著泵徑D 的增大，液流阻力

4、Pv 靜增大。.隨著S*n值增大，Vo增大，hv增大，但同時(shí)Re增大，g增大，使hv減小，通過實(shí)例計(jì)算表明，隨著抽汲速度（由沖程S和沖次n決定）的增大，通過游動(dòng)閥的局部水力損失hv 靜增大，進(jìn)而使液流阻力Pv 增大。2. 柱塞摩擦力柱塞和襯套間的半干摩擦力采用文獻(xiàn)1推薦公式計(jì)算。3. 浮力 可以證明，一端插入液體中的圓桿所受的浮力是作用在下端面中心、方向向上的力，其大小為該中心點(diǎn)位置所受液體壓力與圓桿橫截面積的乘積。如果把包括柱塞在內(nèi)的抽油桿柱下端面簡(jiǎn)化為抽油桿的橫截面進(jìn)行分析，斷面所受的浮力就是斷面處液體的壓力與抽油桿橫截面積的乘積。Pb = Fr ?H- p l ?g4. 向上合力 下沖程

5、時(shí)抽油桿柱下部承受的通過端面向上集中作用的合力就是上述三種力之和。Pu = Pv + Pf + Pb顯然，合力主要受下泵深度的影響，其次受下部抽油桿直徑的影響，還與泵徑、液體粘度、沖程和沖次等有關(guān)。二、使用加重桿防治抽油桿柱失穩(wěn)防治抽油桿柱失穩(wěn)彎曲變形的基本方法有兩種，即使用扶正器或加重桿。扶正器可修正桿柱彎曲變形，增強(qiáng)穩(wěn)定性，但受到井下工具使 用的限制，一般不使用。 最好的方法是使用加重桿來防治這種彎曲變形。抽油桿柱下行程中，受壓段呈螺旋狀彎曲，并且螺距是向下逐漸減小的。螺距可用下式計(jì)算。假設(shè)當(dāng)螺距不小于一定的長(zhǎng)度（如一根抽油桿長(zhǎng)度，約 8 米）時(shí)，桿柱失穩(wěn)彎曲產(chǎn)生足夠小的危害（此時(shí)抽油桿接

6、箍能起到一定的扶正 作用），那么可推倒出抽 油桿允許承受的壓力為當(dāng)抽油桿的某點(diǎn)壓力超過 Pcr 時(shí)，則可將此點(diǎn)以下桿柱換為較粗的加重桿，以克服下行阻力，增大抗彎強(qiáng)度，其桿柱截面直徑可用下式計(jì)算再以不小于 dz 的數(shù)值確定標(biāo)準(zhǔn)桿徑 dz' 。最后根據(jù)Pu - Per = Fz ? Lz ?（ p s- p I） ?g得到加重桿長(zhǎng)度三、計(jì)算實(shí)例例1 有某抽油井下泵深度為 720m 抽油泵直徑為 70mm 柱塞有兩個(gè)游動(dòng)閥，抽油桿柱組合為 $ 25.4mn K 400m+ $ 22mr W320m 沖程長(zhǎng)度為 2.7m ，沖次是 11 次/分，采出液體的運(yùn)動(dòng)粘度為5X10-6 m2 /s ，

7、問下沖程時(shí)抽油桿柱下端所受到的阻力，并進(jìn)行加重桿設(shè)計(jì)。通過計(jì)算，得到：Pv=88N , P 仁 1102N , Pb=2607N, Pu=3797N, dz=23.5mm，選 dz'=25.4mm，貝U Lz=25.7m。例2 有某抽油井下泵深度為 1800m, 抽油泵直徑為 38mm 柱塞有兩個(gè)游動(dòng)閥，抽油桿柱組合為$ 25.4mmX 720m+ $ 22mnX 540m+ $ 19mnX 540m,沖程長(zhǎng)度為5m,沖次是6次/分，采岀液體的運(yùn)動(dòng)粘度為5X 10-6 m2 /s，問下沖程時(shí)抽油桿柱下端所受到的阻力，并進(jìn)行加重桿設(shè)計(jì)。通過計(jì)算，得到：Pv=325N, P 仁 534N，

8、Pb=4861N, Pu=5721N dz=26.0mg 選 dz'=28mm,貝 Lz=99.1m 。68.7% 和 85.0%從上面兩例可以看岀，下沖程時(shí)抽油桿柱下端所受到的阻力主要來自浮力，分別占四、結(jié)論1. 抽油桿柱下行過程中受到阻力，在其下部處于受壓狀態(tài)，發(fā)生螺旋狀彎曲變形。因素計(jì)方法。2. 抽油桿柱下行時(shí)，下端受到的阻力包括，液流通過游動(dòng)閥的阻力、柱塞與泵筒間的摩擦力和下端面受到向上的浮力，其中浮力是主要3. 使用加重桿是防治抽油桿柱下部彎曲變形的有效方法。加重桿設(shè)計(jì)應(yīng)按細(xì)長(zhǎng)壓桿的穩(wěn)定性原理來設(shè)計(jì)。本文介紹了一種螺距限定的設(shè) 符號(hào)說明Pv 抽油泵柱塞產(chǎn)生的液流阻力，N;nk

9、 抽油泵柱塞游動(dòng)閥個(gè)數(shù)； pv 采出液體流過游動(dòng)閥的壓力損失，Pa；F 泵柱塞的全面積，m2fo 游動(dòng)閥閥座孔的斷面積， m2;hv采岀液體流過游動(dòng)閥的水力損失壓頭，mp l 采出液體密度， kg/ m3 ;g - 重力加速度， m/s2 ;g 流量系數(shù)；Vo 液體通過流動(dòng)閥的流速，m/s ;Vp 抽油桿的最大瞬時(shí)速度，m/s ;S沖程，mN沖次，min-1 ;co 抽油機(jī)曲柄旋轉(zhuǎn)角速度， rad/s ;Re 雷諾數(shù)；do 游動(dòng)閥閥座孔的直徑，mV l采岀液的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s ；Pf柱塞與襯套間的摩擦力，N;D抽油泵的直徑，m8 柱塞與襯套的間隙，m；Pb 抽油桿柱下端所受到的浮力，N;Fr 抽油桿的斷面積，m2H泵深，mPu -抽油桿柱下端所受向上的合力,L螺距，m ；E 彈性模