3-2 抽油混合桿柱的設(shè)計(jì)方法

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1、抽油混合桿柱的設(shè)計(jì)方法中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程學(xué)院檀朝東應(yīng)用抽油混合桿柱的目的在于盡可能地提高有效沖程進(jìn)而提高泵效，因此設(shè)計(jì)中采用由多級(jí)抽油桿組成的混合抽油桿柱，并增大它在整個(gè)混合桿柱中所占的比例，各級(jí)鋼絲繩抽油桿仍采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，而在鋼絲繩和常規(guī)桿（加重桿部分）間不采用此原則設(shè)計(jì)桿柱長(zhǎng)度，但必須滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。1混合抽油桿上行程的力學(xué)分析[1-2]在上行程時(shí)混合抽油桿柱的受力主要有以下幾部分：1）柱塞上的靜液柱載荷上沖程中，游動(dòng)凡爾關(guān)閉，液柱作用在柱塞上的載荷：（1）2）柱塞的重量和慣性力（2）3）柱塞和襯

2、套間的摩擦力當(dāng)井液的含水不超過(guò)50％時(shí)，一般認(rèn)為柱塞和襯套間為邊界潤(rùn)滑，其摩擦力由下式計(jì)算：（3）當(dāng)含水超過(guò)50％時(shí)，認(rèn)為柱塞和襯套之間可能發(fā)生干摩擦，此時(shí)產(chǎn)生的摩擦力由下式計(jì)算：（4）4）桿柱與液體之間的摩擦力①鋼絲繩桿段與液體之間的摩擦力[3]鋼絲繩桿段與液體之間的摩擦力為.（5）（6）為鋼絲繩桿的表面特性的無(wú)量綱修正系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)確定。②加重桿段與液體之間的摩擦力（7）所以總摩擦力（8）5）流體的慣性力（9）6）液體與油管之間的摩擦阻力在上沖程，流體與油管之間的摩擦阻力作用在柱塞上，其最大值可由下式確定：（10）

3、67）抽油桿在液體中的重量（11）8）慣性載荷（12）9）縱振在懸點(diǎn)上引起的振動(dòng)載荷桿柱自由縱振在懸點(diǎn)上引起的振動(dòng)載荷為：（13）—自由振動(dòng)圓頻率，最大振動(dòng)載荷發(fā)生在、…處，實(shí)際上由于存在阻尼，振動(dòng)將會(huì)隨時(shí)間快速衰減，故最大值是在處。（14）式中，為從上沖程開(kāi)始算起的時(shí)間，s。當(dāng)油管錨定時(shí)，鋼絲繩頂部最大振動(dòng)載荷（15）當(dāng)油管未錨定時(shí)，鋼絲繩頂部最大振動(dòng)載荷（16）式中，、分別表示油管錨定和不錨定時(shí)，由下死點(diǎn)開(kāi)始至初變形結(jié)束期間曲柄所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，弧度；，（17），（18）—變形分布系數(shù)，桿柱變形與桿管變形之和的比值，2加

4、重桿下行程的受力分析[1-2]加重桿下行程時(shí)主要承受以下幾方面的力：1）柱塞和襯套間的摩擦力2）游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力6當(dāng)液體流過(guò)游動(dòng)閥時(shí)，由于摩擦的作用，它對(duì)柱塞產(chǎn)生一個(gè)向上的作用力，它等于流體通過(guò)游動(dòng)閥產(chǎn)生的壓力損失乘以柱塞和閥座孔間的環(huán)形面積，可由下式計(jì)算：（19）為流量系數(shù)，具體的數(shù)值和閥的結(jié)構(gòu)有關(guān)，可由下式?jīng)Q定：（20）（21）3)加重桿柱與液體之間的摩擦力抽油桿柱與液體間的摩擦發(fā)生在下沖程，摩擦力的方向向上，是桿柱在稠油井中下行遇阻的主要原因之一。4）抽油桿在液體中的重量（22）5)中和點(diǎn)下部抽油桿的慣性力在下沖程

5、中，抽油桿柱有一個(gè)加速下行的過(guò)程，產(chǎn)生的慣性力可由下式計(jì)算：（23）（24）對(duì)于一般的常規(guī)抽油機(jī)式中：—曲柄旋轉(zhuǎn)半徑，—連桿長(zhǎng)度，—游梁后臂長(zhǎng)度。6）柱塞的重量和慣性力（25）7）液柱作用在抽油桿上的力（26）8）流體的慣性力（27）3多級(jí)鋼絲繩抽油桿柱設(shè)計(jì)[1]對(duì)于鋼絲繩抽油桿，目前沒(méi)有一套成熟的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，一般采用生產(chǎn)廠家提供的鋼絲繩破斷拉力與安全系數(shù)之比，再與鋼絲繩的橫截面積之比作為其許用應(yīng)力，即（28）式中—鋼絲繩的許用應(yīng)力，Pa；—鋼絲繩的破斷拉力，N；6—鋼絲繩安全使用的最低極限值，即最小安全系數(shù)，=4

6、~5；將鋼絲繩桿柱實(shí)際受到的最大工作應(yīng)力（隨下泵深度LP而變）作為等效應(yīng)力，只要保證其不超過(guò)許用應(yīng)力即可，即：（29）（30）對(duì)于多級(jí)鋼絲繩抽油桿柱設(shè)計(jì)采用了等應(yīng)力范圍設(shè)計(jì)法，即通過(guò)迭代計(jì)算，使各級(jí)鋼絲繩桿的頂端應(yīng)力范圍滿(mǎn)足以下條件：（31）其中（32）式中：SF——鋼絲繩抽油桿使用系數(shù)；Tr——鋼絲繩抽油桿最大抗拉強(qiáng)度，N/mm2；i——自上而下抽油桿的級(jí)數(shù)；σmax.i、σmin.i——第i級(jí)抽油桿頂端的最大、最小應(yīng)力，N/mm2。4加重桿設(shè)計(jì)[1]對(duì)于加重桿的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)可以根據(jù)常規(guī)抽油桿疲勞強(qiáng)度校核和設(shè)計(jì)的方法進(jìn)

7、行。即采用美國(guó)石油學(xué)會(huì)推薦的修正的古德曼圖來(lái)進(jìn)行抽油桿強(qiáng)度校核和設(shè)計(jì)。為保證鋼絲繩抽油桿在下行程時(shí)，始終保持拉伸狀態(tài)，且下端的結(jié)構(gòu)伸長(zhǎng)也能消除，則要求所加的加重桿重不僅能抵消鋼絲繩、加重桿本身所受的浮力、襯套與柱塞間的半干摩擦力、混合液流過(guò)游動(dòng)閥時(shí)產(chǎn)生的阻力、加重桿本身的慣性力和液體摩擦力，也能消除鋼絲繩的部分結(jié)構(gòu)伸長(zhǎng)。因此，加重桿的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：①保證鋼絲繩在下行程中不受壓，則加重桿必須滿(mǎn)足下式：（33）即：（34）將上式中各力的表達(dá)式代入(34)式得：進(jìn)一步簡(jiǎn)化可得：（35）②保證鋼絲繩桿滿(mǎn)足井深的需要，則加重

8、桿必須滿(mǎn)足下式：—為滿(mǎn)足泵深的抽油桿總長(zhǎng)；對(duì)于要求實(shí)現(xiàn)較高泵沖程的油井，鋼絲繩桿的桿長(zhǎng)建議按下式確定：6（36）其中，為克服鋼絲繩連續(xù)桿結(jié)構(gòu)伸長(zhǎng)所需的力，20kN[4]③加重桿在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)不應(yīng)失穩(wěn)研究表明，假設(shè)泵端抽油桿柱固支(即沒(méi)有轉(zhuǎn)角)，如果盤(pán)根盒距離中和點(diǎn)足夠遠(yuǎn)，則無(wú)論假設(shè)盤(pán)根盒處抽油桿柱是鉸支(即沒(méi)有彎