黨延祖

(吐哈油田公司三塘湖采油廠,新疆哈密839009) *

螺桿泵抽油桿柱瞬態(tài)有限元分析

黨延祖

(吐哈油田公司三塘湖采油廠,新疆哈密839009)*

運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件,建立了螺桿泵抽油桿柱瞬態(tài)非線性有限元模型,針對(duì)桿柱初始缺陷及振動(dòng)對(duì)桿柱的影響,采取在側(cè)向變形及接觸力較大的部位安裝扶正器的措施來消弱桿柱的振動(dòng)、減小桿柱側(cè)向變形。通過分析結(jié)果,得出了抽油桿柱扶正器的合理配置方案,該方案能夠減少桿管偏磨,預(yù)防桿柱斷脫,延長檢泵周期。

螺桿泵;抽油桿柱;防斷脫;有限元

隨著地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用,使得抽油桿失效問題越來越突出,特別是抽油桿斷脫事故的發(fā)生嚴(yán)重制約著采油效率,也制約著該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[1-4]。本文考慮振動(dòng)、離心力、慣性力、抽油桿柱變形后與油管接觸產(chǎn)生的側(cè)向力以及摩擦扭矩的影響,對(duì)螺桿泵抽油桿柱進(jìn)行瞬態(tài)有限元分析。

1 模型的建立

將細(xì)長桿件離散為若干個(gè)“空間梁單元”,然后以梁單元為研究對(duì)象建立抽油桿柱有限元分析模型,根據(jù)抽油桿柱的實(shí)際工作狀態(tài),選取井口至井底螺桿泵之間的整體抽油桿柱和油管柱為研究對(duì)象,并對(duì)桿柱的邊界條件進(jìn)行分析和簡化。

1.1 邊界條件的簡化

a) 井口邊界 由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩通過卡子傳遞到光桿上,而卡子又將抽油桿柱的軸向力(自重)傳遞到支座上,因此,井口邊界條件可以簡化為扭轉(zhuǎn)角速度為已知邊界,其他均為固定邊界。

b) 井底邊界 單頭螺桿泵的定子襯套斷面輪廓是由半徑為R(等于螺桿斷面的半徑)的半圓和2個(gè)直線段組成。直線段長度等于2個(gè)半圓的中心距e,而螺桿本身的軸線又相對(duì)襯套的軸線有同一個(gè)偏心距e,這樣2個(gè)半圓的中心距就等于4e。轉(zhuǎn)子在定子襯套中的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)行星運(yùn)動(dòng),該運(yùn)動(dòng)是轉(zhuǎn)子繞自身回轉(zhuǎn)中心的自轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子繞襯套中心的公轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)過程中,轉(zhuǎn)子斷面中心位于襯套斷面的長軸上,且隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)子斷面中心沿襯套斷面的長軸方向作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此,可以將井底邊界處理成橫向線位移彈性約束,軸向和扭轉(zhuǎn)角方向?yàn)橐阎吔纭?/p>

c) 抽油桿柱與油管柱內(nèi)壁碰撞接觸邊界 抽油桿柱與油管柱內(nèi)壁的碰撞接觸狀態(tài)不僅沿井深和軸向呈隨機(jī)分布,而且還隨時(shí)間變化,當(dāng)抽油桿柱與油管柱內(nèi)壁接觸時(shí),伴隨著能量損失、接觸反力、摩阻力、速度和加速度的變化,反之抽油桿柱做自由運(yùn)動(dòng),這是一種自由邊界。

1.2 載荷簡化

抽油桿柱的靜載荷主要有液體浮力和阻力矩、抽油桿柱自重、螺桿泵舉升液體時(shí)產(chǎn)生的軸向力及反扭矩等載荷作用。抽油桿柱的動(dòng)載荷經(jīng)簡化,主要考慮如下2種:

a) 抽油桿柱運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力和離心力的作用。

b) 抽油桿(包括扶正器)與油管內(nèi)壁碰撞接觸時(shí)產(chǎn)生的接觸反力,以及由此引起的摩擦阻力和阻力矩。

上述建立的抽油桿柱非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模型基本上能夠描述抽油桿柱的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和受力變形狀態(tài),它不僅是一個(gè)結(jié)構(gòu)幾何非線性問題,也是接觸邊界非線性問題,理論分析和求解難度都比較大,這里借助于ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行求解。

2 抽油桿柱特征值屈曲分析

由于抽油桿柱長細(xì)比較大且存在初始缺陷,在外力作用發(fā)生變形時(shí),表現(xiàn)出極強(qiáng)的幾何非線性效應(yīng),即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性的,應(yīng)變位移關(guān)系是非線性的,屬于有限變形范疇,需用物體有限變形的平衡方程進(jìn)行描述,并通過虛位移原理獲得平衡方程的弱形式,以采用有限元方法進(jìn)行求解,得到抽油桿柱的屈曲狀態(tài)。

抽油桿柱特征值屈曲分析主要是根據(jù)理想壓桿的Euler理論進(jìn)行求解的,它主要是預(yù)測壓桿的理論屈曲強(qiáng)度和理論屈曲狀態(tài),不能用于實(shí)際工程問題的分析。在抽油桿柱的計(jì)算中,首先對(duì)抽油桿柱進(jìn)行特征值分析,獲得理想狀態(tài)下的屈曲狀態(tài),將此屈曲狀態(tài)作為實(shí)際結(jié)構(gòu)中抽油桿柱的初始缺陷施加在抽油桿柱體上,以進(jìn)行抽油桿柱的非線性屈曲計(jì)算。

以長為896 m、桿徑為?25 mm的抽油桿柱為例分析桿柱的屈曲模態(tài)。首先建立幾何模型,然后采用空間梁單元進(jìn)行單元?jiǎng)澐稚捎邢拊Ｐ?再根據(jù)Euler理論對(duì)抽油桿柱進(jìn)行特征值計(jì)算,通過計(jì)算可得到抽油桿柱的理想屈曲狀態(tài)和對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的臨界載荷。圖1為抽油桿柱模型在屈曲狀態(tài)為10、42和80時(shí)的曲線,由圖1可知在理想狀態(tài)下抽油桿柱的屈曲狀態(tài)具有以下特點(diǎn):

a) 抽油桿柱的特征值屈曲變形是平面變形。

b) 隨著臨界載荷的增加,抽油桿柱的屈曲狀態(tài)加劇。

c) 隨著抽油桿柱屈曲狀態(tài)的加劇,抽油桿柱彎曲程度增大,且發(fā)生屈曲的位形偏向一側(cè),方向是隨機(jī)的。

圖1 抽油桿的特征值屈曲變形

3 抽油桿柱井下運(yùn)動(dòng)狀況分析

3.1 運(yùn)動(dòng)速度分析

從地面觀察,螺桿泵抽油桿柱是作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的,但是由于轉(zhuǎn)子的偏心作用在轉(zhuǎn)子與抽油桿的連接處,抽油桿除了轉(zhuǎn)動(dòng)外,還沿襯套的長軸方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng),由此造成了其上部抽油桿的橫向振動(dòng),這一振動(dòng)將導(dǎo)致抽油桿柱的瞬時(shí)速度始終在變。同時(shí),抽油桿柱在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中還要與液體產(chǎn)生摩擦、與桿體發(fā)生碰撞。當(dāng)抽油桿柱與油管發(fā)生碰撞接觸時(shí)將產(chǎn)生摩擦阻力矩,摩擦阻力矩由接觸狀況決定,當(dāng)接觸嚴(yán)重、接觸力較大時(shí),摩擦阻力矩就大,反之則小。接觸摩擦扭矩變化的同時(shí)造成抽油桿柱所承受的總的阻力矩變大或減小,總扭矩的變化會(huì)引起抽油桿的旋轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。

圖2為抽油桿柱最底部的旋轉(zhuǎn)角速度曲線。由于在建立模型時(shí),將井口主動(dòng)力矩簡化成角位移施加,所以井口的旋轉(zhuǎn)角速度為一條直線,在進(jìn)行圖形分析時(shí),將這條直線看作平均速度大小為11 rad/s。由圖2可以看出:抽油桿柱底部的角速度在平均速度上下波動(dòng),波動(dòng)范圍為11.489 6～10.515 1 rad/ s;抽油桿柱在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中不是一直以一個(gè)恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)的,而是有一個(gè)微小的波動(dòng)。由于抽油桿柱的旋轉(zhuǎn)速度不是均勻的,所以就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加速度,加速度在-1.464 48～1.464 32 m/s2范圍內(nèi)浮動(dòng),由于這個(gè)加速度的存在,抽油桿柱一直處于一種振動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 抽油桿柱旋轉(zhuǎn)角速度曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出,抽油桿柱在運(yùn)動(dòng)過程中并不是勻速運(yùn)動(dòng),而是在平均值上下波動(dòng)。因此,抽油桿柱在整個(gè)工作過程中都存在著振動(dòng)。

3.2 扭矩分析

在主動(dòng)力矩的驅(qū)動(dòng)下,抽油桿柱由靜止開始運(yùn)動(dòng),螺桿泵的啟動(dòng)過程是一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)過程。當(dāng)抽油桿柱所受的阻力矩與主動(dòng)力矩相等時(shí),抽油桿柱開始勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。這是桿柱在理想狀況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)際上,抽油桿柱在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中是在不斷振動(dòng),所以其所受的阻力矩也是在不斷變化的,阻力矩是在主動(dòng)力矩的上下周期性波動(dòng)的。

4 抽油桿柱變形分析及扶正器的合理安放

抽油桿柱的振動(dòng)引起桿柱的側(cè)向變形,桿柱在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中,在離心力的作用下桿柱側(cè)向變形變大,使桿柱與油管發(fā)生接觸或加劇桿管接觸,造成偏磨,當(dāng)接觸嚴(yán)重時(shí)桿柱將被磨斷。桿柱在底部變形較大,接觸也較為嚴(yán)重,整根抽油桿柱都有接觸現(xiàn)象,且都發(fā)生在接箍處,接觸力較大,接觸較嚴(yán)重的部位都集中在300 m以下,桿管接觸的最大接觸力可達(dá)到-22.192 N,當(dāng)桿柱以-20 N的力與油管發(fā)生碰撞接觸,其反作用力將造成抽油桿柱的振動(dòng)。

強(qiáng)烈的橫向振動(dòng)可以使抽油桿與接箍的螺紋預(yù)緊力下降甚至全部消失,導(dǎo)致螺紋連接松動(dòng),長時(shí)間作用將造成抽油桿柱脫扣;并且在長時(shí)間反復(fù)的接觸摩擦作用下,抽油桿柱很容易被磨斷。可見抽油桿柱碰撞接觸和振動(dòng)是造成桿管偏磨和桿柱脫扣的主要原因。為消除或減弱桿柱振動(dòng)的影響以及避免抽油桿柱直接與油管發(fā)生接觸,避免桿管偏磨降低桿柱斷脫事故的發(fā)生,采取在桿柱振動(dòng)及變形較嚴(yán)重的部位加放扶正器的措施[5-7]。在對(duì)扶正器進(jìn)行合理配置時(shí),主要以桿柱的側(cè)向位移和接觸力2個(gè)參數(shù)作為依據(jù),在側(cè)向位移、接觸力較大或桿體有接觸的部位加扶正器,盡量使井眼曲線趨于中心軸線。本文以吐哈油田某生產(chǎn)井為例進(jìn)行計(jì)算分析,對(duì)扶正器的安放間距進(jìn)行合理配置,該井的參數(shù)如表1所示。

表1 吐哈油田某生產(chǎn)井參數(shù)

加扶正器之前桿柱最大側(cè)向位移為26 mm,加扶正器之后最大側(cè)向位移為9.4 mm。加扶正器的變形與不加扶正器相比最大側(cè)向位移小了1.66 mm,這說明扶正器起到了消弱桿柱振動(dòng)、減小桿柱側(cè)向變形的作用。抽油桿柱在正常工作時(shí),發(fā)生接觸的部位都在接箍處,因此只在接箍處安放扶正器。表2是每3根桿柱安放1個(gè)扶正器的計(jì)算結(jié)果,從表中可以看到,當(dāng)抽油桿柱每3根安放1個(gè)扶正器時(shí),其接觸都發(fā)生在扶正器處,桿體沒有接觸,接觸點(diǎn)明顯減少,接觸力也顯著降低,這保證了抽油桿柱不會(huì)發(fā)生偏磨。綜上所述,螺桿泵抽油桿柱每3根安放1個(gè)扶正器可以削弱振動(dòng),減小桿柱的側(cè)向變形,避免了桿管偏磨,能夠延長檢泵周期,可以滿足生產(chǎn)需要。

表2 每3根桿柱安放1個(gè)扶正器的計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1) 影響桿柱斷脫的主要原因是桿柱的振動(dòng)所引起的桿柱側(cè)向變形,在離心力作用下,桿柱的側(cè)向變形加大,當(dāng)側(cè)向位移超過桿柱與油管內(nèi)壁的間隙值時(shí),桿柱就會(huì)與油管發(fā)生碰撞接觸,造成桿管偏磨。提出對(duì)桿柱扶正器進(jìn)行合理配置來減弱桿柱的振動(dòng),減小桿柱的側(cè)向變形。

2) 通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)井的計(jì)算分析,對(duì)扶正器的間距進(jìn)行了合理的配置。計(jì)算結(jié)果表明:每3根桿柱安放1個(gè)扶正器時(shí),接觸點(diǎn)均在扶正器處,桿體無接觸,且接觸力較小。

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Finite Element Analysis on Thread-off Prevention for Screw Pumping Rod

DANG Yan-zu
(Santanghu Oil Production Plant,Tuha Oilf ield Company,Hami839009,China)

ANSYS finite element analysis was used to establish sudden FEA mode of non-linear of screw pumping rod.Aiming at the effecting by initiated failure and shocking,measures were taken to eliminate side deformation and high contacting force by using a stabilizer.The analysis showed that the reasonable installation of stabilizer,which could reduce side-wearing and thread-off and extend maintenance period.

screw pump;suck rod;thread-off;FEA

1001-3482(2010)12-0037-04

TE933.2

A

2010-05-28

黨延祖(1972-),男,甘肅武威人,工程師,主要從事油田三抽設(shè)備制造及油田設(shè)備管理工作。