加裝減載器的抽油桿柱設(shè)計方法研究

趙海洋，劉振東，丁康玉，王金東

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶鉆探鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)二公司，遼寧松原138000；3.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江大慶164325） ①

加裝減載器的抽油桿柱設(shè)計方法研究

趙海洋1，劉振東2，丁康玉3，王金東1

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶鉆探鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)二公司，遼寧松原138000；3.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江大慶164325） ①

減載器可降低抽油機(jī)懸點載荷，但改變了抽油桿柱的受力狀態(tài)，常規(guī)的多級抽油桿柱組合已不適用于加裝減載器的桿柱組合?？紤]減載力的影響，基于靜等強(qiáng)度準(zhǔn)則，結(jié)合減載器處桿柱應(yīng)力狀態(tài)，提出了桿柱組合的改進(jìn)設(shè)計方法，并應(yīng)用當(dāng)量應(yīng)力條件對設(shè)計桿柱進(jìn)行強(qiáng)度校核，實現(xiàn)了加裝減載器的抽油桿柱設(shè)計?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：既降低了懸點載荷，又改善了桿柱應(yīng)力狀態(tài)，可延長桿柱使用壽命。

抽油桿柱設(shè)計；減載器；強(qiáng)度；流程圖

隨著油田開發(fā)的不斷深入，開發(fā)方向逐漸向深層油藏轉(zhuǎn)移。對于這類油藏的開發(fā)，常規(guī)工藝無法滿足油田生產(chǎn)需要，目前主要采用小泵深抽工藝［1］，因抽油機(jī)懸點載荷和抽油桿強(qiáng)度限制，下泵深度受到限制。給抽油桿加裝減載器可以減輕抽油機(jī)懸點載荷，加深泵掛，有效解決了問題，提高油井采收率［2－4］。

文獻(xiàn)［1－5］闡述了減載器的結(jié)構(gòu)與工作原理、施工方法和注意事項，以及在各油田應(yīng)用情況；文獻(xiàn)［6］對減載器的減載力進(jìn)行了系統(tǒng)的分析；文獻(xiàn)［7］提出了加裝減載器桿柱的設(shè)計方法，但未考慮減載器處桿柱應(yīng)力。由于減載器改變了抽油桿柱的受力狀態(tài)，常規(guī)的抽油桿設(shè)計方法已不能適應(yīng)加裝減載器的桿柱設(shè)計。本文結(jié)合減載器對桿柱受力的影響，提出一套加裝減載器的桿柱設(shè)計方法與計算流程，為減載器的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 減載器技術(shù)分析

1.1 工作原理

減載器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在上密封管、減載活塞、柱塞管和下密封管之間形成1個環(huán)形空間，該環(huán)空通過下密封管上的呼吸孔與油套環(huán)空連通；減載活塞的下端面與井液相接觸，承受著井筒內(nèi)液柱的壓力。因此，減載活塞的上、下端面分別處于不同壓力環(huán)境中。由于油套環(huán)空與油管內(nèi)壓力存在巨大的壓差，使減載活塞產(chǎn)生1個向上的舉升力，當(dāng)抽油機(jī)驢頭上行時，該舉升力減輕了上沖程的懸點載荷和減載器上端抽油桿的拉力；當(dāng)抽油機(jī)驢頭下行時，該舉升力依然存在，減輕了下沖程懸點載荷［5－7］。

圖1 減載器結(jié)構(gòu)

1.2 減載力計算

根據(jù)管柱結(jié)構(gòu)和減載器的結(jié)構(gòu)及原理，可對減載力進(jìn)行定量計算［6］，減載力為

式中，F(xiàn)為減載力；p1為減載活塞下端面壓力；p2為減載活塞上端面壓力；p3為減載器上端壓力；S1為減載活塞截面積；S2為柱塞管截面積；S3為抽油桿截面積。

由于減載器長度相對于泵掛深度可以忽略不計，可設(shè)p1＝p3，則減載力可簡化為

根據(jù)動液面與呼吸孔之間的位置不同，p2的計算方法也不同，當(dāng)呼吸孔在動液面以上時，可以認(rèn)為p2等于油井套壓pC，則減載力為

當(dāng)呼吸孔在動液面以下時，則p2＝pC＋ρgh，減載力為

式中，h為減載活塞到油井動液面的距離；ρf為井筒液體密度；g為重力加速度。

2 常規(guī)抽油桿柱設(shè)計準(zhǔn)則

目前，抽油桿柱設(shè)計中所采用的等強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則可分為等疲勞強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則和靜等強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則2類。其中靜等強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則因計算簡便而被廣泛采用。根據(jù)該準(zhǔn)則，即各級抽油桿柱頂端的靜等強(qiáng)度相等的原則，可得出各級桿柱長度占桿柱總長度比例Rj的線性方程組［8］，即

式中，Ap為柱塞橫截面積；Wj為各級抽油桿的重力；Ai為各級抽油桿的橫截面積。

該方程組的意義為：第i級抽油桿頂部的應(yīng)力與第i＋1級抽油桿頂部的應(yīng)力相等，且各級桿柱長度占總長度的比例Rj之和等于1。

3 加裝減載器的抽油桿柱設(shè)計

3.1 常規(guī)改進(jìn)設(shè)計

抽油桿柱中安裝的減載器降低了懸點載荷，同時也改變了桿柱的受力狀態(tài)。常規(guī)抽油桿設(shè)計方法已不能適應(yīng)加裝減載器的桿柱設(shè)計，應(yīng)結(jié)合減載力對抽油桿柱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，以適應(yīng)實際應(yīng)用的需要。

現(xiàn)以3級桿柱組合為例分析減載器受力對抽油桿柱的影響，初步假設(shè)減載器安裝于第2級抽油桿中。由于方程組中計算各級抽油桿頂部各項受力時，僅以長度比例Rj代表各級抽油桿長度，所以相當(dāng)于將各項載荷均除以泵掛深度L，因此在考慮減載力時，應(yīng)將減載力F變換成FD，即FD＝F／L。常規(guī)抽油桿柱的受力是從底部到上部逐漸增加的，而加裝減載器的桿柱在減載器安裝處的受力發(fā)生了突變，在減載器安裝處的桿柱最大應(yīng)力可能超出各級抽油桿頂部的應(yīng)力。在此分2種情況考慮，若未超出各級抽油桿頂部的應(yīng)力，可以僅考慮減載力對第2級抽油桿受力的影響，將其帶入抽油桿柱設(shè)計方 程組，3級桿組合設(shè)計方程組調(diào)整為

3.2 分級改進(jìn)設(shè)計

若減載器安裝處的最大應(yīng)力超出各級抽油桿頂部的應(yīng)力，便破壞了靜等強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則。因此，應(yīng)在減載器處將減載器所在這1級抽油桿分為2級考慮，使減載器安裝處抽油桿的最大應(yīng)力與各級抽油桿頂部的應(yīng)力相等，這樣相當(dāng)于將3級桿設(shè)計方程組調(diào)整為4級桿設(shè)計方程組，即

由于將原3級桿組合中的第2級桿柱從減載器處分為2級，形成4級桿柱組合，所以該方程組中第2與第3級桿柱的重力和截面積是相同的。

3.3 桿柱疲勞強(qiáng)度校核方法

由于抽油機(jī)在懸點作往復(fù)運動，桿柱在工作中承受著不對稱循環(huán)應(yīng)力的作用，因此，應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件對抽油桿進(jìn)行強(qiáng)度校核。抽油桿柱疲勞強(qiáng)度校核中較常用的分別是當(dāng)量應(yīng)力條件和API推薦的最大許用應(yīng)力強(qiáng)度條件。在此選用當(dāng)量應(yīng)力條件進(jìn)行校核。

抽油桿柱設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)是懸點載荷，它不僅是估算抽油桿強(qiáng)度安全的基本參數(shù)，也是選擇和校核抽油桿性能的重要參數(shù)。相關(guān)學(xué)者提出了許多計算懸點最大、最小載荷的經(jīng)驗公式，其中較常用的有著名的斯諾耐格經(jīng)驗公式［8］，對于加裝減載器的桿柱，其懸點最大、最小載荷在常規(guī)抽油機(jī)桿柱載荷的基礎(chǔ)上減去減載力F，改為

式中，S為沖程；n為沖次；Li為各級抽油桿的長度；H為動液面高度。

根據(jù)當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度校核條件，加裝減載器的桿柱懸點的應(yīng)力幅值為

當(dāng)量應(yīng)力為

當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度校核條件為

式中，［σd］為抽油桿許用應(yīng)力。若σd≤［σd］，則抽油桿柱滿足疲勞強(qiáng)度條件。

3.4 桿柱設(shè)計計算流程

進(jìn)行加裝減載器抽油桿柱改進(jìn)設(shè)計分析時，假設(shè)了減載器的安裝位置處于第2級，實際情況可能處于任何一級；再者減載器處的抽油桿應(yīng)力存在是否超過各級抽油桿頂部應(yīng)力的可能，2種情況的設(shè)計方法是不一樣的。為解決上述2個問題設(shè)計了如圖2所示的加裝減載器的桿柱設(shè)計計算流程。

1） 初始化桿柱與減載器的結(jié)構(gòu)及位置參數(shù)。

2） 初始假設(shè)減載器位于第1級桿柱中，生成桿柱常規(guī)改進(jìn)設(shè)計方程組。

3） 計算得出桿柱組合，檢驗減載器所處桿柱級別位置與假設(shè)是否一致，若不一致，假設(shè)減載器處于下一級桿柱中，返回第2步重新計算。

4） 判斷減載器處抽油桿最大應(yīng)力是否超出各級抽油桿頂部的應(yīng)力。

5） 若未超出各級抽油桿頂部的應(yīng)力，則進(jìn)行桿柱強(qiáng)度校核，若強(qiáng)度符合要求，顯示桿柱組合計算結(jié)果。若強(qiáng)度不符合要求，顯示無正確結(jié)果，可改變初始參數(shù)重新設(shè)計。

6） 若超出各級抽油桿頂部的應(yīng)力，則假設(shè)減載器位于第1級桿柱中，進(jìn)行分級桿柱改進(jìn)設(shè)計，生成分級改進(jìn)設(shè)計方程組。

7） 計算得出桿柱組合，檢驗減載器所處桿柱位置與假設(shè)是否一致，若不一致，假設(shè)減載器處于下一級桿柱中，返回第6步重新計算。

8） 進(jìn)行桿柱強(qiáng)度校核，若強(qiáng)度符合要求，顯示桿柱組合計算結(jié)果。若強(qiáng)度不符合要求，顯示無正確結(jié)果，可改變初始參數(shù)重新設(shè)計。

圖2 桿柱設(shè)計計算流程

4 現(xiàn)場應(yīng)用

應(yīng)用改進(jìn)設(shè)計方法對海拉爾油田希64－64油井進(jìn)行了抽油桿柱組合設(shè)計。該井抽油泵柱塞直徑32mm，泵掛深度2 000m，動液面深度1 500m，減載器深800m，減載活塞直徑70mm，密封活塞直徑44mm。抽油桿柱采用25mm－22mm－19 mm的3級桿組合，經(jīng)計算該減載器減載力為17.60 kN；各級抽油桿長度依次為340、900、760m。

希64－64井已投產(chǎn)3a，現(xiàn)運行狀態(tài)正常，現(xiàn)場測試懸點示功圖如圖3所示。該井理論最大懸點載荷為73.80kN，而實測最大懸點載荷為57.80kN，較未使用減載器的常規(guī)油井懸點最大載荷降低16 kN。經(jīng)計算該抽油桿柱當(dāng)量應(yīng)力為83.6MPa，該抽油桿許用當(dāng)量應(yīng)力為110MPa，符合當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度條件，各級抽油桿最大應(yīng)力130.6MPa。相比未改進(jìn)設(shè)計前抽油桿的當(dāng)量應(yīng)力91.2MPa以及各級抽油桿的最大應(yīng)力164.6MPa均明顯減小，改進(jìn)設(shè)計改善了桿柱的受力狀態(tài)。

圖3 希64－64井懸點示功圖

5 結(jié)論

1） 分析了減載器的結(jié)構(gòu)、工作原理及減載力的計算方法。根據(jù)減載器的位置和減載力對桿柱的影響，提出了加裝減載器的抽油桿柱改進(jìn)設(shè)計方法。

2） 針對加裝減載器桿柱改進(jìn)設(shè)計方法中存在的減載器位置和桿柱最大應(yīng)力問題，提出了桿柱設(shè)計計算流程。

3） 現(xiàn)場應(yīng)用實例表明，改進(jìn)方法設(shè)計的桿柱組合既可有效降低懸點載荷，又可改善桿柱受力狀態(tài)。

［1］ 杜 勇，賈耀勤，鄒 群，等.有桿泵減載器在深抽井中應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（4）：74－76.

［2］ 楊建平，姜 輝.抽油機(jī)減載器的研制與應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2004，33（4）：71－73.

［3］ 韓春文，劉延文.抽油機(jī)減載器減載節(jié)能實驗結(jié)果與分析［J］.承德民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004（2）：94－95.

［4］ 龔大利，王金東，趙海洋.加裝減載器的有桿抽油系統(tǒng)數(shù)值分析及應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（12）：72－75.

［5］ 王 義，潘 昊，楊 文.抽油機(jī)減載器在南梁油田的應(yīng)用效果評價［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報，2011，13（1）：33－36.

［6］ 黃 偉，甘慶明，姚 斌，等.抽油機(jī)減載器原理及應(yīng)用研究［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（7）：25－27.

［7］ 趙海洋，王金東，于振東.加裝減載器的抽油系統(tǒng)桿柱設(shè)計及節(jié)能分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（14）：4143－4145.

［8］ 吳則中，李景文，趙學(xué)勝，等.抽油桿［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994：312－321.

Study on Design Method of Sucker Rod with Load Reducer

ZHAO Hai－yang1，LIU Zhen－dong2，DING Kang－yu3，WANG Jin－dong1
（1.Mechanical Science and Engineering Institute，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.Daqing Drilling Wells the Technique of Production Service Company，Songyuan138000，China；3.Downhole Service Company，Daqing Oilfield Limited Company，Daqing164325，China）

This paper presents an improved design method and calculation process of sucker rod string with load reducer.For load reducer alters the stress states of sucker rod，reducer force is taken account into the design equations of sucker rod based on static equivalent strength criterion.Two improved design method and a calculation process are presented based on the stress states of sucker rod near load reducer.The designed rod string is checked with equivalent stress criterion.Application indicates that sucker rod designed by the method can not only reduce polished rod load but also improve the stress states of sucker rod.

rod string design；load reducer；strength；flow chart

1001－3482（2012）08－0055－04

TE933.202

A

2012－02－20

趙海洋（1979－），男，黑龍江甘南人，講師，主要從事石油鉆采機(jī)械與設(shè)備故障診斷技術(shù)設(shè)計研究，E－mail：zhaohaiyang2003＠126.com。