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,針對桿柱初始缺陷及振動對桿柱的影響,采取在側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、減小桿柱側向變形。通過分析結果,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

隨著地面驅動螺桿泵采油技術的進一步推廣應用,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)生嚴重制約著采油效率,也制約著該技術的進一步推廣應用[1-4]。本文考慮振動、離心力、慣性力、抽油桿柱變形后與油管接觸產(chǎn)生的側向力以及摩擦扭矩的影響,對螺桿泵抽油桿柱進行瞬態(tài)有限元分析。

1 模型的建立

將細長桿件離散為若干個“空間梁單元”,然后以梁單元為研究對象建立抽油桿柱有限元分析模型,根據(jù)抽油桿柱的實際工作狀態(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象,并對桿柱的邊界條件進行分析和簡化。

1.1 邊界條件的簡化

a) 井口邊界 由于電機驅動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個直線段組成。直線段長度等于2個半圓的中心距e,而螺桿本身的軸線又相對襯套的軸線有同一個偏心距e,這樣2個半圓的中心距就等于4e。轉子在定子襯套中的運動是一個行星運動,該運動是轉子繞自身回轉中心的自轉和轉子繞襯套中心的公轉的合成運動。由于運動過程中,轉子斷面中心位于襯套斷面的長軸上,且隨著轉子的轉動,轉子斷面中心沿襯套斷面的長軸方向作直線往復運動,因此,可以將井底邊界處理成橫向線位移彈性約束,軸向和扭轉角方向為已知力邊界。

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分布,而且還隨時間變化,當抽油桿柱與油管柱內(nèi)壁接觸時,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動,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、螺桿泵舉升液體時產(chǎn)生的軸向力及反扭矩等載荷作用。抽油桿柱的動載荷經(jīng)簡化,主要考慮如下2種:

a) 抽油桿柱運動時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)動力學模型基本上能夠描述抽油桿柱的實際運動和受力變形狀態(tài),它不僅是一個結構幾何非線性問題,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有限元分析軟件進行求解。

2 抽油桿柱特征值屈曲分析

由于抽油桿柱長細比較大且存在初始缺陷,在外力作用發(fā)生變形時,表現(xiàn)出極強的幾何非線性效應,即應力應變關系是線性的,應變位移關系是非線性的,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理論進行求解的,它主要是預測壓桿的理論屈曲強度和理論屈曲狀態(tài),不能用于實際工程問題的分析。在抽油桿柱的計算中,首先對抽油桿柱進行特征值分析,獲得理想狀態(tài)下的屈曲狀態(tài),將此屈曲狀態(tài)作為實際結構中抽油桿柱的初始缺陷施加在抽油桿柱體上,以進行抽油桿柱的非線性屈曲計算。

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行單元劃分生成有限元模型,再根據(jù)Euler理論對抽油桿柱進行特征值計算,通過計算可得到抽油桿柱的理想屈曲狀態(tài)和對應狀態(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:

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,方向是隨機的。

圖1 抽油桿的特征值屈曲變形

3 抽油桿柱井下運動狀況分析

3.1 運動速度分析

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

圖2為抽油桿柱最底部的旋轉角速度曲線。由于在建立模型時,將井口主動力矩簡化成角位移施加,所以井口的旋轉角速度為一條直線,在進行圖形分析時,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,波動范圍為11.489 6～10.515 1 rad/ s;抽油桿柱在做旋轉運動過程中不是一直以一個恒定速度運轉的,而是有一個微小的波動。由于抽油桿柱的旋轉速度不是均勻的,所以就會產(chǎn)生一個加速度,加速度在-1.464 48～1.464 32 m/s2范圍內(nèi)浮動,由于這個加速度的存在,抽油桿柱一直處于一種振動的運行狀態(tài)。

圖2 抽油桿柱旋轉角速度曲線

根據(jù)計算結果可以看出,抽油桿柱在運動過程中并不是勻速運動,而是在平均值上下波動。因此,抽油桿柱在整個工作過程中都存在著振動。

3.2 扭矩分析

在主動力矩的驅動下,抽油桿柱由靜止開始運動,螺桿泵的啟動過程是一個加速運動過程。當抽油桿柱所受的阻力矩與主動力矩相等時,抽油桿柱開始勻速運轉。這是桿柱在理想狀況下的運動狀態(tài)。實際上,抽油桿柱在運轉過程中是在不斷振動,所以其所受的阻力矩也是在不斷變化的,阻力矩是在主動力矩的上下周期性波動的。

4 抽油桿柱變形分析及扶正器的合理安放

抽油桿柱的振動引起桿柱的側向變形,桿柱在作旋轉運動的過程中,在離心力的作用下桿柱側向變形變大,使桿柱與油管發(fā)生接觸或加劇桿管接觸,造成偏磨,當接觸嚴重時桿柱將被磨斷。桿柱在底部變形較大,接觸也較為嚴重,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,接觸較嚴重的部位都集中在300 m以下,桿管接觸的最大接觸力可達到-22.192 N,當桿柱以-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。

強烈的橫向振動可以使抽油桿與接箍的螺紋預緊力下降甚至全部消失,導致螺紋連接松動,長時間作用將造成抽油桿柱脫扣;并且在長時間反復的接觸摩擦作用下,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,采取在桿柱振動及變形較嚴重的部位加放扶正器的措施[5-7]。在對扶正器進行合理配置時,主要以桿柱的側向位移和接觸力2個參數(shù)作為依據(jù),在側向位移、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)井為例進行計算分析,對扶正器的安放間距進行合理配置,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向位移為26 mm,加扶正器之后最大側向位移為9.4 mm。加扶正器的變形與不加扶正器相比最大側向位移小了1.66 mm,這說明扶正器起到了消弱桿柱振動、減小桿柱側向變形的作用。抽油桿柱在正常工作時,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個扶正器的計算結果,從表中可以看到,當抽油桿柱每3根安放1個扶正器時,其接觸都發(fā)生在扶正器處,桿體沒有接觸,接觸點明顯減少,接觸力也顯著降低,這保證了抽油桿柱不會發(fā)生偏磨。綜上所述,螺桿泵抽油桿柱每3根安放1個扶正器可以削弱振動,減小桿柱的側向變形,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個扶正器的計算結果

5 結論

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

2) 通過對實際生產(chǎn)井的計算分析,對扶正器的間距進行了合理的配置。計算結果表明:每3根桿柱安放1個扶正器時,接觸點均在扶正器處,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備制造及油田設備管理工作。