基于力學的抽油桿斷裂分析

龔 雪，李 鵬，馬 玉，畢德純

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001； 2. 河南油田分公司石油工程技術研究院， 河南 南陽 473132）

基于力學的抽油桿斷裂分析

龔 雪1，李 鵬2，馬 玉2，畢德純1

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001； 2. 河南油田分公司石油工程技術研究院， 河南 南陽 473132）

抽油桿是將抽油機的動力和運動傳遞給抽油泵進行抽汲的部件。由于抽油桿斷脫現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，不僅給生產(chǎn)帶來很多不便，又增加了生產(chǎn)成本。斷脫的原因卻很復雜，其中，嚴重的抽油桿偏磨為主要原因，為了更好地分析斷裂，對單級抽油桿的受力情況進行分析。

抽油桿；力學分析；偏磨斷裂

1 簡述抽油桿工作原理

上沖程中，抽油桿柱帶動活塞向上運動，活塞上的游動閥受井液柱壓力關閉。如果油管中充滿油液，則在井口將排出液體，上沖程實際上是泵內(nèi)吸入液體，井口排出液體的過程。下沖程中，抽油桿柱帶動活塞向下運動，若泵內(nèi)壓力增大至液體壓力和游動閥自重時，游動閥被頂開，液體進入活塞上面，下沖程實際上是泵向油管排出液體的過程。［1,2］

2 單級抽油桿柱軸向力學分析

假設忽略抽油桿接箍的影響，將抽油桿整體視作直徑與桿部相同的細長桿。因此，①抽油桿自重qr,垂直向下；②油井液體對抽油桿柱的液體浮力qf，垂直軸線向上；③油柱重，垂直柱塞表面向下；④油管外液柱對柱塞下表面的浮力，垂直柱塞表面向上；⑤抽油桿柱與液柱運動產(chǎn)生的慣性力qg，與加速度方向相反；⑥抽油桿柱與液柱運動產(chǎn)生的振動力，方向是變化的；⑦各運動副間的摩擦力，與抽油桿柱的運動方向相反。不難發(fā)現(xiàn)，其中：①②③④與抽油桿柱的運動不相關，稱為靜力，而⑤⑥⑦與抽油桿柱的運動相關，稱為動力［3］。

根據(jù)分析可知：在上沖程中，抽油桿在抽油機的帶動下向上運動，抽油桿整體處于受拉狀態(tài)。在下沖程中，抽油桿受力較復雜，上部分受拉，下部分受壓，因此，在抽油桿上會存在一點既不受拉也不受壓，即受力為零，該點稱為中和點。中和點以下受力模型如圖1所示。其中，Lx為下行過程中與泵的距離，PM為抽油泵柱塞與襯套之間的半干摩擦力，qlr為井液與單位長度抽油桿柱之間的摩擦力，PLd為井液通過游動閥的阻力［4］。

圖1 中和點以下受力模型Fig.1 Stress model under the neutral point

3 抽油桿的斷裂分析

3.1 受載導致斷裂

抽油桿在上沖程中，抽油桿在自重、油柱重、慣性力以及摩擦力作用下，由于作用方向均為垂直向下，可以推斷抽油桿整體受到較大的拉伸，不會發(fā)生彎曲變形，所以只要保證其工作強度條件，不易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

抽油桿在下沖程中，根據(jù)中和點受力模型分析，柱塞在泵筒摩擦力和井液通過游動閥的阻力的作用下，使抽油桿下部受到壓縮，因此，中和點以下可以處理成壓桿穩(wěn)定問題，由于井液通過游動閥的阻力與柱塞運動速度的平方成正比，假想柱塞運動速度近似等于抽油桿懸點運動速度，而懸點又近視做簡諧運動，則下沖程中點處，柱塞運動速度達到最大，進而得到井液通過游動閥的阻力最大位置就在中點附近，若抽油桿下部的受載過大，超過壓桿彎曲的臨界載荷，就使抽油桿發(fā)生屈曲失穩(wěn)，最終導致管與桿發(fā)生偏磨。當屈曲后，井液通過流動閥阻力減小，抽油桿有可恢復原來的形狀，依此不斷的循環(huán)作用，使抽油桿下部脫扣并斷裂［5］。

3.2 影響游動閥阻力的因素

3.2.1 液體含水量

含水量越大，液體密度越大，流動閥阻力越大，發(fā)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象越明顯，導致偏磨現(xiàn)象越嚴重。

3.2.2 連接泵徑大小

泵徑越大，產(chǎn)生的與襯套和柱塞的摩擦力越大，許用彎曲載荷變小，導致偏磨現(xiàn)象嚴重。

3.2.3 生產(chǎn)參數(shù)

液體流量越大，游動閥阻力越大，慣性力越大，沖擊越大；隨著沖程沖次的增加，游動閥阻力也增加，而且也增加了彎曲頻率，增大了偏磨程度［6,7］。

3.3 其它斷裂原因分析

由于抽油桿不停地改變受力方向，加之受井內(nèi)液流的阻力，和各種摩擦力的作用，使抽油桿扣產(chǎn)生松動，造成脫扣；由于抽油桿在抽油過程中，不停地受交變應力的作用產(chǎn)生疲勞或因砂卡、蠟卡造成的過載斷裂；抽油桿上緊矩過大，損壞抽油桿螺紋。

4 結 論

基于力學分析，下沖程對抽油桿影響較大，主要產(chǎn)生壓桿屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，導致抽油桿發(fā)生偏磨，是抽油桿斷裂的主要原因。液體含水量高和砂卡、蠟卡造成的過載等外在因素也會影響抽油桿的斷裂發(fā)生。偏磨可以通過扶正器、加重桿等方法進行緩解。

［1］王鴻勛, 張琪,等. 采油工藝原理[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1990.

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［4］苗長山,黃源琳,王旱祥,等．抽油桿偏磨一維力學模型的建立與分析[J]．石油機械，2007，35(12)：28-31．

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Fracture Analysis of the Sucker Rod Based on the Mechanics

GONG Xue1，LI Peng2, MA Yu2，BI De-cun1
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Henan Oilfield Company，Research Institute of Petroleum Engineering and Technology, Henan Nanyang 473132, China）

The sucker rod is a part that can pass power and movement of the pumping unit to the pump for pumping. The pumping rod breaking phenomenon often appears, which not only brings a lot of inconveniences, but also increases production cost. Breaking causes of the sucker rod are very complex; serious partial abrasion of the sucker rod is the main reason. In this paper, in order to accurately analyze breaking causes of the sucker rod, force conditions of the single sucker rod were analyzed.

Sucker rod; Mechanical analysis; Partial abrasion fracture.

TE 933

A

1671-0460（2012）02-0208-02

2011-11-26

龔雪（1983-），女，遼寧撫順人，助教，碩士在讀，2006年畢業(yè)于沈陽農(nóng)業(yè)大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，研究方向：從事工程力學疲勞斷裂方向。E-m ail：32432580@qq.com。