抽油桿柱下部失穩(wěn)分析與加重桿設計方法解析

1、抽油桿柱下部失穩(wěn)分析與加重桿設計方法時間： 2011-04-14 09:38:10.0 作者：網(wǎng)絡來源：網(wǎng)絡轉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)。當壓力增大到一定程度時， 抽油桿發(fā)生彎曲變形， 這種彎曲變形在油管內徑的約束下，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；增加超應力破壞的機會；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度的桿柱重量抵消，桿柱上出現(xiàn)一個中和點，中和點以下桿柱處于受壓狀態(tài)。自中和點向下抽油桿壓應力逐漸增大，在其下端達到最大。

2、受壓應力變化的影響，受壓桿段發(fā)生三種形態(tài)的過渡?？拷泻忘c部分由于桿柱的剛度和較小的壓應力，桿柱保持挺直，不會彎曲。向下隨著壓應力的增大，抽油桿發(fā)生彈性彎曲變形。再向下，當壓應力超過彈性極限后，桿柱將發(fā)生不可恢復的塑性彎曲變形。當然，如果下行時阻力不夠大，或者抽油桿的材料、結構性能較好，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，人們認為，桿柱下行時，下端受到的阻力主要包括，液流通過游動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，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閥時發(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與液體的運動粘度 V I成正比。.隨著F增大，一方面（F-fo ）增大（對于標準游動閥，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。通過實例計算表明，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Re增大，g增大，使hv減小，通過實例計算表明，隨著抽汲速度（由沖程S和沖次n決定）的增大，通過游動閥的局部水力損失hv 靜增大，進而使液流阻力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1推薦公式計算。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的抽油桿柱下端面簡化為抽油桿的橫截面進行分析，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。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。螺距可用下式計算。假設當螺距不小于一定的長度（如一根抽油桿長度，約 8 米）時，桿柱失穩(wěn)彎曲產生足夠小的危害（此時抽油桿接

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抽油桿的某點壓力超過 Pcr 時，則可將此點以下桿柱換為較粗的加重桿，以克服下行阻力，增大抗彎強度，其桿柱截面直徑可用下式計算再以不小于 dz 的數(shù)值確定標準桿徑 dz' 。最后根據(jù)Pu - Per = Fz ? Lz ?（ p s- p I） ?g得到加重桿長度三、計算實例例1 有某抽油井下泵深度為 720m 抽油泵直徑為 70mm 柱塞有兩個游動閥，抽油桿柱組合為 $ 25.4mn K 400m+ $ 22mr W320m 沖程長度為 2.7m ，沖次是 11 次/分，采出液體的運動粘度為5X10-6 m2 /s ，

7、問下沖程時抽油桿柱下端所受到的阻力，并進行加重桿設計。通過計算，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 柱塞有兩個游動閥，抽油桿柱組合為$ 25.4mmX 720m+ $ 22mnX 540m+ $ 19mnX 540m,沖程長度為5m,沖次是6次/分，采岀液體的運動粘度為5X 10-6 m2 /s，問下沖程時抽油桿柱下端所受到的阻力，并進行加重桿設計。通過計算，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，下沖程時抽油桿柱下端所受到的阻力主要來自浮力，分別占四、結論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。因素計方法。2. 抽油桿柱下行時，下端受到的阻力包括，液流通過游動閥的阻力、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。加重桿設計應按細長壓桿的穩(wěn)定性原理來設計。本文介紹了一種螺距限定的設 符號說明Pv 抽油泵柱塞產生的液流阻力，N;nk

9、 抽油泵柱塞游動閥個數(shù)； pv 采出液體流過游動閥的壓力損失，Pa；F 泵柱塞的全面積，m2fo 游動閥閥座孔的斷面積， m2;hv采岀液體流過游動閥的水力損失壓頭，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 液體通過流動閥的流速，m/s ;Vp 抽油桿的最大瞬時速度，m/s ;S沖程，mN沖次，min-1 ;co 抽油機曲柄旋轉角速度， rad/s ;Re 雷諾數(shù)；do 游動閥閥座孔的直徑，mV l采岀液的運動粘度，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