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有杆抽油系统——第2章 抽油杆.ppt

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有杆抽油系统——第2章 抽油杆.ppt
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第2章 抽油杆,有杆抽油系统,China University of Petroleum,第2章 抽油杆,抽油杆是抽油设备的重要部件,它将抽油机的运动和能量传递给井下抽油泵。抽油杆的疲劳强度和使用寿命决定和影响了整套抽油设备的最大下泵深度和排量。在抽油过程中,抽油杆柱承受的是不对称循环载荷的作用,其工作介质为原油、地层水和天然气。抽油杆主要失效形式为疲劳断裂或腐蚀疲劳断裂。抽油杆的断脱事故会严重影响原油的生产,增加修井作业费用,提高了原油的成本。为了提高抽油杆工作的可靠性和使用寿命,国内外在抽油杆的材料、制造、使用、管理及维护等方面开展了大量的研究工作,取得了可喜的成果。,第2章 抽油杆,2.1 抽油杆结构及制造工艺 2.2 特种抽油杆 2.3 抽油杆失效分析 2.4 抽油杆柱附属器具,2.1 抽油杆结构及制造工艺,一、抽油杆结构多根抽油杆通过接箍连成抽油杆柱,上面通过光杆与抽油机相连,下接抽油泵的柱塞,其作用是将地面抽油机的悬点的往复运动传递给井下抽油泵,从而带动泵作抽汲运动。普通抽油杆的杆体为实心圆形断面的钢杆,两端为镦粗的杆头。,普通抽油杆的结构示意图,2.1 抽油杆结构及制造工艺,2.1 抽油杆结构及制造工艺,外螺纹接头用来与接箍相连接,卸荷槽用来减轻由于螺纹和截面变化引起的应力集中,提高抽油杆的疲劳强度。推承面台肩在接箍与抽油杆连接时,使得接箍端面与推承面台肩的端面间产生足够大的应力,从而有效防止抽油杆在使用过程中脱扣及井液对螺纹的腐蚀。扳手方颈用来装卸抽油杆时卡抽油杆钳用。凸缘是作业时用来抽油杆的吊装。圆弧过渡区是避免构件截面和刚度的急剧变化,减小应力集中。,1-外螺纹接头;2-卸荷槽;3-推承面台肩;4-扳手方径;5-凸缘;6-圆弧过渡区,2.1 抽油杆结构及制造工艺,抽油杆的杆体直径分别为13、16、19、22、25、29mm,长度一般为8m或7.62m。为了调节抽油杆柱的长度,还有长度各为0.41、0.61、0.91、1.22、1.83、2.44、3.05、3.66m的短抽油杆。,抽油杆结构尺寸,2.1 抽油杆结构及制造工艺,抽油杆的主要尺寸 (mm),2.1 抽油杆结构及制造工艺,普通抽油杆分为C级、D级和K级三个等级。 C级抽油杆用于轻、中负荷的油井; D级杆用于中、重负荷的油井; K级杆用于轻、中负荷并有腐蚀性的油井。,2.1 抽油杆结构及制造工艺,接箍是抽油杆组合时的连接零件,按其结构特征可分为:普通接箍、异径接箍和特种接箍。1. 普通接箍 用于连接等直径的抽油杆。其中Ⅰ型带扳手平面;Ⅱ型不带扳手平面,又称小井眼接箍。2. 异径接箍 用于连接不同直径的抽油杆。同普通接箍一样,异径接箍也分为Ⅰ型和Ⅱ型。 3.特种接箍 特种接箍主要有滚轮式接箍和滚珠式接箍,又称滚轮式扶正器和滚珠式扶正器,用于斜井或普通油井中降低抽油杆柱与油管之间的摩擦力,减少对油管的磨损。,二、接箍,2.1 抽油杆结构及制造工艺,2.1 抽油杆结构及制造工艺,4.接箍的材料及性能要求: 一般都选用中碳结构钢,国内大都选用45钢。 满足强度要求和连接要求。 具有一定的耐磨性。对于特种接箍还应具有扶正与减磨作用。,2.1 抽油杆结构及制造工艺,三、抽油杆制造工艺,抽油杆工作时承受变动载荷,并处在不同的腐蚀介质中,工作条件恶劣。因次,要求抽油杆柱要有足够的疲劳强度和抗腐蚀能力,同时,还要求有足够的螺纹连接强度。抽油杆制造工艺是保证抽油杆成品质量的关键环节。抽油杆的结构特点:1.细长杆抽油杆是一种长径比很大的细长杆,刚度低、柔性大,易弯曲,制造过程中易变形。,2.1 抽油杆结构及制造工艺,2.变截面为了保证抽油杆柱的连接强度及抽油杆螺纹和卸荷槽部位的强度,要求抽油杆端部的截面积要比杆体截面积大很多,即推承面台肩外圆处的截面积与杆体截面积的比值为4左右。3.端部形状复杂、要求特殊为了便于作业时抽油杆的连接、悬紧、吊装,抽油杆端部要求带有外螺纹接头、扳手方径和凸缘。因次抽油杆端部是一个变截面的阶梯回转体、正方体与圆弧回转体相互衔接的复杂形状。,2.1 抽油杆结构及制造工艺,,抽油杆的工作环境及其结构对抽油杆的制造工艺提出了很高的要求。另外,不同等级的抽油杆除了材料不同外,其工艺方法及工艺流程也有所不同。抽油杆制造的典型工艺流程如图所示。,抽油杆典型工艺流程,2.1 抽油杆结构及制造工艺,抽油杆典型工艺流程中各工序的主要内容如下: (1)材料检验 检查原材料化学成分、机械性能、尺寸精度。 (2)冷校直 对验收合格但直线度不符合标准要求且在允许冷校直范围内的杆料进行校直。 (3)定长 将校直后的杆料根据锻造比确定毛坯长度。,2.1 抽油杆结构及制造工艺,(4)锻造杆头 将杆料的一端放入加热炉加热至锻造始锻温度。 将被加热的杆头镦粗并锻造成形,监控终锻温度。 将杆料的另一端加热至锻造始锻温度。 将被加热的另一端杆头镦粗并锻造成形,监控终锻温度。,2.1 抽油杆结构及制造工艺,(5)热处理 使整个抽油杆通过加热炉加热,整体正火、正火+回火或调质处理,使其达到预期的机械性能。 (6)热校直 热处理后的抽油杆在热状态下进行拉伸校直,或放置在冷却台上空冷到大约120℃滚动校直。 (7)装配 抽油杆一端的外螺纹按预紧力要求上好接箍。 (8)上护帽 ①抽油杆未上接箍一端外螺纹接头带上护帽,防碰伤螺纹。 ②接箍端上好护堵。,2.1 抽油杆结构及制造工艺,抽油杆典型工艺路线从钢抽油杆发明时起,一直是工业上通用的工艺路线。其特点是:工艺流程通用性强,通过选择不同的材料,相应的调整热处理工艺方法,不改变工序就可以制造出C级、D级等不同等级的抽油杆。另外,防腐工序中应用热浸漆、热浸铝或涂敷其它防腐材料的工艺方法,便可制造出抗不同介质腐蚀的防腐抽油杆。,2.1 抽油杆结构及制造工艺,在典型抽油杆工艺路线的基础上,增加表面加热淬火工序,并调整部分工序便可形成超高强度抽油杆的制造工艺路线。制造超高强度抽油杆的典型工艺流程,如图所示。,,超高强度抽油杆典型工艺流程,2.1 抽油杆结构及制造工艺,用压缩空气将钢丸或玻璃丸喷到零件上,以去除氧化皮及其他污物的工艺过程叫喷丸。也可将钢铁丸送至高速旋转的圆盘上,利用离心力的作用,使高速抛出的钢丸撞击零件表面,达到光饰的目的,这种工艺叫抛丸。这两种工艺都能使零件表面产生压应力,而且没有含硅粉末,对环境污染小。,2.1 抽油杆结构及制造工艺,主要用途如下:①使零件表面产生压应力,可提高它们的疲劳强度及抗拉应力腐蚀的能力;②对扭曲的薄壁零件进行校正;③代替一般的冷、热成型工艺,对大型薄壁零件进行成型加工,不仅可避免零件表面有残余拉应力,而且可获得对零件有利的压应力。,应注意的是:经喷丸或抛丸处理过的零件的使用温度不能太高,否则压应力在高温下会自动消失,因而失去预期的效果。它们的使用温度由零件的材质决定,对于一般钢铁零件约为260—290℃。,第2章 抽油杆,2.1 抽油杆结构及制造工艺 2.2 特种抽油杆 2.3 抽油杆失效分析 2.4 抽油杆柱附属器具,2.2 特种抽油杆,普通抽油杆的缺点:(发展特种抽油杆的原因) 适应不了深井采油、大泵强采需要 适应不了斜井开采的需要 适应不了高粘油井开采需要 适应不了高腐蚀性油井开采需要 适应不了严重结蜡油井的开采需要,2.2 特种抽油杆,超高强度抽油杆 玻璃钢抽油杆 空心抽油杆 电热抽油杆 连续抽油杆 柔性抽油杆 不锈钢抽油杆 非金属带状抽油杆 铝合金抽油杆 KD级抽油杆 焊接抽油杆,特种抽油杆的种类,2.2 特种抽油杆,主要型号: Oilwell公司生产的EL级超高强度抽油杆; Norris公司生产的97型超高强度抽油杆; LTV公司生产的HS型超高强度抽油杆。 特点: 疲劳强度与屈服强度均较高,分别比API C级杆高37%与38.5%; 应力腐蚀的敏感性小,耐腐蚀性好; 适应于深井、稠油井和大泵强采井,一、超高强度抽油杆,2.2 特种抽油杆,1) 超高强度抽油杆的许用工作应力,2.2 特种抽油杆,在载荷比R=0.1,频率20Hz下,以106循环周次为基数,测得EL级超高强度抽油杆的疲劳强度。 EL级抽油杆的疲劳强度,2) 疲劳性能,2.2 特种抽油杆,对EL II型超高强度抽油杆进行现场试验,采用API第86号杆柱。结果使杆柱总重量减轻了15%,光杆峰值载荷减小了9%,减速箱平均功率减少了6%,抽油杆704天未断脱。70年代初期,美国和加拿大使用的EL I型和EL II型超高强度抽油杆,已超过60.96万米,失效一直很少。,3) 超高强度抽油杆的现场试验,2.2 特种抽油杆,与金属材料相比,玻璃钢制品具有重量轻、抗腐蚀、疲劳性能好等独特优点,近十几年的开发研究,已成功地用玻璃钢材料试制成抽油杆,现场使用证明,玻璃钢杆有很大发展潜力。迄今已有多家公司生产玻璃钢抽油杆,其中最具代表性的是美国Flex公司。,二、玻璃钢抽油杆,2.2 特种抽油杆,1.玻璃钢抽油杆的结构玻璃钢抽油杆是由玻璃钢杆体和两端带外螺纹的钢接头组合而成,如图所示。玻璃钢抽油杆结构示意图 1—头部;2—杆体;3—护套,2.2 特种抽油杆,接头内腔由数级锥面组成,利用特殊粘接工艺,使环氧树脂粘接剂牢固地粘在玻璃钢杆体上,形成相应的锥面。服役时靠钢接头内腔与环氧树脂粘接剂的多级锥面承受工作应力。其结构如图所示。,玻璃钢抽油杆接头结构示意图1—外螺纹;2—台肩;3—扳手方径;4—空腔部分;5—护套,2.2 特种抽油杆,2.玻璃钢抽油杆的制造方法 拉挤杆体; 加工金属接头; 将两个金属接头粘接到杆体的两端。,杆体是用玻璃纤维无捻粗纱做增强料,用树脂作基体,以拉挤方法成型。,2.2 特种抽油杆,杆体拉挤过程,2.2 特种抽油杆,玻璃纤维通过梳理板后进入浸渍槽,浸渍了树脂的玻璃纤维在高频加热炉中预热,然后在模具内成型,最后由牵引机将固化的玻璃钢杆向外拉。杆头粘接工艺:先在钢接头内孔表面涂一薄层脱膜剂,并将杆体两端喷砂。预先估计好树脂粘接剂用量,灌入接头内孔,将杆头插入钢接头内孔。树脂固化在杆体上,从而完成了钢接头和杆体的粘接。,2.2 特种抽油杆,3.玻璃钢抽油杆的类型按杆身直径、最高工作温度和端部接头的级别划分。例如: 7/8—93℃-A 其中:7/8—杆身直径; 93℃—最高工作温度; A—端部接头强度级别,A级为620793MPa,B级为793965MPa。,2.2 特种抽油杆,4.性能特点 1) 重量轻杆体密度为2.022.05×103kg/m3,加上金属接头其单位长度的重量约为普通钢杆的1/3。因此采用玻璃钢杆后,可减小抽油机的悬点载荷,降低峰值扭矩和功率消耗。,2.2 特种抽油杆,2) 玻璃钢杆的弹性好D级杆的弹性模量为20.86×104MPa,而玻璃钢杆的弹性模量为4.96×104MPa,因此玻璃钢抽油杆具有更好的弹性。玻璃钢杆比普通杆具有更低的固有频率。普通抽油杆的工作频率与固有频率之比N/N01。,2.2 特种抽油杆,,机械共振对柱塞冲程的影响,2.2 特种抽油杆,由于玻璃钢杆的刚度比普通钢杆小得多,所以在相同液柱载荷作用下,玻璃钢杆的无量刚伸长Fo/SKr比钢杆柱要大得多,减小Fo/SKr值有利于提高Sp/S。因此玻璃钢抽油杆更适合于小泵深抽。,2.2 特种抽油杆,3) 耐腐蚀,减少抽油杆的断脱事故 玻璃钢杆体抗腐蚀性能好,杆头采用K级杆钢,耐腐蚀。 玻璃钢杆适于在酸性油井 (含硫化氢、二氧化碳等)中使用。 4)玻璃钢杆不能承受轴向压缩载荷由于玻璃钢杆不能承受轴向压缩载荷,因此一般与钢杆组成混合杆柱使用,而且在保证玻璃钢杆不受压力的情况下,尽量加大玻璃钢杆在混合杆柱中的比例。,2.2 特种抽油杆,玻璃钢杆存在以下缺点: 1) 价格贵; 2) 使用温度不能超过限定温度; 3) 报废杆不能熔化回收利用。,2.2 特种抽油杆,空心抽油杆是为开采稠油井和结蜡井而研制的。1.空心抽油杆的结构这里只介绍两种典型结构1) 前苏联空心抽油杆结构前苏联空心抽油杆结构如图所示,杆头一端为内螺纹,另一端为外螺纹,组成抽油杆柱时,不需要接箍。前苏联空心抽油杆结构图 1、3-焊接杆头;2-杆体,三、空心抽油杆,2.2 特种抽油杆,2) 奥地利空心抽油杆结构奥地利空心抽油杆结构如图所示。外形结构与普通抽油杆相似,需要用接箍将它们连接成抽油杆柱。,奥地利空心抽油杆结构图 1-焊接杆头;2-杆体,2.2 特种抽油杆,,,空心抽油杆,2.2 特种抽油杆,,,2.我国空心抽油杆的规格,2.2 特种抽油杆,由空心圆管制成,成本较高,具有降低抽油机悬点载荷、节能等优点。 除传递动力外,还可以通过其内孔加入各种化学剂等降低原油的粘度,有助于改善井筒中原油的流动性质。降低原油的粘度,清除油井结蜡。 和无管泵配套使用,使原油从空心抽油杆的内孔流出,空心抽油杆既起抽油杆的作用,又起油管的作用。 空心抽油杆的流道小,流速快,不易沉积砂粒,适用于含砂油井 。 空心杆抗扭能力比普通杆大,适用于驱动井下螺杆抽油泵。 便于向井中安装各种控制器。 适用于高含蜡井、稠油井、小井眼井、套管变形井、带动螺杆泵。,3.空心杆的使用特点,2.2 特种抽油杆,泵上降粘 泵下降粘油套环空化学或稀油降粘工艺管(杆)柱结构示意图1-掺液器;2-深井泵;3-封隔器,2.2 特种抽油杆,泵上降粘 泵下降粘 空心杆化学或稀油降粘工艺管(杆)结构示意图 1—化学剂入;2—空心抽油杆;3—油管;4—抽油泵;5—环流泵,2.2 特种抽油杆,4.空心杆存在问题,空心抽油杆既当抽油杆,又当油管时,必须与相应的深井泵相匹配,才能得到合理使用。 在制造过程中必须解决杆体与杆头的连接质量和同心度问题。,2.2 特种抽油杆,电热抽油杆: 是在抽油杆轴向上的孔内装有电阻加热元件。 电热抽油杆的种类: 一种是输入直流电产生电阻热的直流电热杆(简称直流杆); 另一种是输入交流电产生集肤效应热的交流电热杆(简称交流杆) 两种杆的异同点: 两种杆的基本功能相同,都是用于开采原油时加热升温; 结构相似,都是在钢杆中穿入电阻元件(直流杆)或电缆(交流杆),底部短路,上部在钢管和电热元件之间加电源,使电热杆发热。 作用:降粘、防止结蜡。,四、电热抽油杆,2.2 特种抽油杆,电热杆加热降粘,电热杆的长度和每米加热功率对井筒温度分布和降粘效果有较大影响。,电热杆泵上加热 电热杆过泵加热 电热杆加热结构示意图 1—电热杆;2—油管;3—抽油泵;4—环流泵;5—泵下电热杆,2.2 特种抽油杆,电热杆之间连接结构如图所示。在每根抽油杆的内孔中安装有电阻加热元件。为避免电阻加热元件与抽油杆直接接触,在电阻丝周围包有电绝缘体。为使组成杆柱的相邻抽油杆中的电阻丝连接起来,在接箍的中心安装有轴向电导元件,从而使相邻抽油杆中的电阻丝相连。该电导元件利用绝缘体置于轴向位置,这样既可以使电阻丝连接起来,又可以与接箍和抽油杆相隔开。电热抽油杆连接结构图,1.电热抽油杆连接结构,2.2 特种抽油杆,2.2 特种抽油杆,形成回路的终端结构如图所示。一根电缆线与抽油杆的电阻丝相连,另一根电缆线与光杆的外表相连,而每根抽油杆的外表是相连的,所以需要有一种装置使连接电阻丝的电缆线与连接抽油杆外表的电缆线相连才能构成回路。整体式电导体装置把电阻丝与接箍连接起来构成回路。,电热抽油杆形成回路的终端结构图,2.形成回路的终端结构,2.2 特种抽油杆,连续抽油杆是用连续的圆钢制成的,没有抽油杆接箍,从而减少了抽油杆丝扣连接所引起的事故,加速了起下操作业过程,也减小了抽油杆与油管间的摩擦及流体流动的阻力。1.连续抽油杆的规格连续抽油杆的规格如下表所示。,五、连续抽油杆,2.2 特种抽油杆,连续抽油杆的规格表,2.2 特种抽油杆,1) 可大幅度降低抽油杆的失效频率根据调查,普通抽油杆连接部分失效,占抽油杆总失效数的60%80%。抽油杆能消除螺纹连接从根本上解决这一问题。 2) 可减轻抽油杆与油管的磨损普通抽油杆在油管中工作时,由于井身轨迹等原因会造成抽油杆柱与油管发生接触。通常接触只发生在接箍与油管之间,这样抽油杆柱对油管的正压力集中作用在接箍上,造成接触部分磨损加剧 。,2.连续抽油杆的优点,2.2 特种抽油杆,从油管横截面看,由于接箍与油管内表面是点接触,这更加剧了磨损。而连续抽油杆的横截面为半椭圆形,曲率半径为38.1mm,而任何油管的内径均小于76.2mm。因此连续抽油杆在油管内有两个以上的接触点, 如图。连续抽油杆与油管的接触面积可能为普通抽油杆的100150倍,所以其对油管磨损的严重程度也远小于普通抽油杆。,2.2 特种抽油杆,连续抽油杆在油管中的接触情况,2.2 特种抽油杆,3) 可降低抽油杆的工作应力连续抽油杆柱的重量比相应普通杆柱减小8%10%。4) 可提高安装和起升抽油杆的速度,减轻劳动强度由于连续抽油杆没有接箍,每口井所用的为一根连续抽油杆柱,劳动强度大大降低。,2.2 特种抽油杆,5) 可减少结蜡普通杆杆体上结蜡很少,而多发生在接箍周围。这是由于接箍周围区域压力降低,且会导致气体析出,使这个区域被冷却而结蜡。而连续抽油杆没有接箍,且表面又喷镀了一层3M205号溶性环氧树脂涂料,更利于除蜡。 6) 可减小流体的流动阻力由于连续抽油杆取消了接箍,使杆、管环空截面积增大,因而减小了流体的流动阻力。,2.2 特种抽油杆,3.连续抽油杆存在的问题,运输困难装有连续抽油杆卷盘的拖车高4.58m,宽3.66m,由于铁路隧道高度有限,有些公路路面狭窄,因此铁路和公路运输都比较困难。,2.2 特种抽油杆,3.连续抽油杆存在的问题,焊缝局部热处理质量有待进一步提高无论是在制造厂,还是在现场焊接时,都必须对焊缝进行局部热处理,由于局部加热而引起的过渡区金相组织的变化,会降低疲劳性能。因此,要进一步提高局部热处理的质量。,2.2 特种抽油杆,六、其它几种特种抽油杆,1.柔性抽油杆具有代表性的柔性抽油杆是钢丝绳抽油杆。钢丝绳抽油杆是由多根高强度的钢丝作成的一根单根钢丝绳。断面如图所示。,2.2 特种抽油杆,柔性抽油杆 (钢丝绳抽油杆)的特点: 接头少,可消除常规抽油杆接头的断脱事故 钢丝绳可连续起下,减少修井作业的时间与工作量 钢丝绳本身缺少稳定刚性,易变形与弯曲,配适当加重杆可使抽油杆在常拉力工况下工作 由于钢丝绳结构关系,需专门设计井口密封装置,2.2 特种抽油杆,2.带状抽油杆带状抽油杆是一种由石墨复合材料制成的抽油杆。,带状抽油杆没有接头,这样可减少由于接头所引起的杆柱断脱现象。 带状抽油杆材料的许用应力很高,这样就可大幅度减轻抽油杆自身重量,(15.2m不足68Kg)从而降低了抽油设备的工作载荷和能耗。 连续的带状抽油杆可绕在直径2.43m的卷筒上,便于装卸、运输和起下作业。 耐腐蚀,使用寿命长 抗疲劳强度高,提高了泵抽深度,2.2 特种抽油杆,3.铝合金抽油杆铝合金抽油杆的接头,采用与铝电势相近的不锈钢,以防止电化学腐蚀。铝合金抽油杆具有以下优点:(1) 重量轻,仅为钢质抽油杆的三分之一;(2) 抗盐水、硫化氢、二氧化碳等介质的腐蚀能力是钢质抽油杆的3~5倍。 4.KD级抽油杆KD级抽油杆既有D级抽油杆的强度,又有K级抽油杆耐腐蚀性能。所以KD级抽油杆可用于负荷较大且具有腐蚀性的油井。,2.2 特种抽油杆,5 .不锈钢抽油杆 具有抗腐蚀和疲劳性能; 适用于强化采油和含CO2较多的油井上使用 6 .焊接抽油杆前苏联研制。两种材料制造,接头易损坏,采用高级合金材料,抽油杆本体采用45号钢,两者利用摩擦焊实现焊接连接,强度高,没有气孔等缺陷,大大提高使用寿命。,第2章 抽油杆,2.1 抽油杆结构及制造工艺 2.2 特种抽油杆 2.3 抽油杆失效分析 2.4 抽油杆柱附属器具,2.3 抽油杆失效分析,产品丧失其规定功能的现象称为失效。抽油杆的失效类型可分为断裂与脱扣两类,其主要失效形式是疲劳断裂。材料或构件在交变应力的重复作用下,发生突然破坏的现象称作疲劳断裂。疲劳断裂一般总是起源于构件的表层,由于表层的材料缺陷、尺寸和几何形状的变化引起应力集中,而形成裂纹并不断扩展,直到剩余的材料不再能承担应力或应变而突然发生断裂。影响疲劳的因素可归纳为四个方面,即材料特性、载荷、构件的形状和尺寸以及工作环境。,,抽油杆的受力分析: (1)在工作时,抽油杆柱在油管中上下往复运动,上行时整个杆柱全部承受拉应力,但应力分布是由上至下逐渐增大,靠自重下行时,杆柱下部又出现压应力,而在杆柱中和点以上仍为拉应力,但此时的拉应力远远小于上行程时的拉应力,因此,抽油杆柱在工作时,上部杆柱承受的是忽大忽小的脉动应力,而下部杆柱主要承受交变应力。,2.3 抽油杆失效分析,,(2)当油稠、泵径大、下行速度快时,下行阻力会很大,需要很长的抽油杆柱自重才能克服这一阻力。细长的抽油杆在自重作用下,将会产生多次弯曲,使这部分抽油杆工作条件更加恶化,有可能在工作中首先疲劳破坏。另外,杆柱在上下运动时还会产生与油管壁的摩擦阻力。,2.3 抽油杆失效分析,,影响抽油杆疲劳寿命的主要因素,(1)钢材的质量影响:包括钢材的化学成分、冶炼质量、轧制质量等 (2)制造质量影响:主要包括锻造、热处理和干头机加工质量的影响 (3)载荷的影响:抽油杆各个截面承受的应力水平和应力幅度的影响 (4)腐蚀介质的影响:抽油井中的腐蚀主要有氧、硫化氢、二氧化碳和微生物腐蚀,2.3 抽油杆失效分析,2.3 抽油杆失效分析,一、失效类型抽油杆及其接箍的失效类型有两种:一种是断裂;另一种是脱扣。抽油杆断裂主要是疲劳断裂。抽油杆疲劳断裂部位通常是在外螺纹接头、扳手方颈、锻造热影响区和杆体。接箍的疲劳断裂大多数是从内部与外螺纹接头第一个完整螺纹相重合的地方开始,也有发生在外表面的磨损、凹坑、刻痕处或扳手平面的圆角处。,2.3 抽油杆失效分析,,,a.螺纹根部疲劳断裂,b.扳手方径疲劳断裂,2.3 抽油杆失效分析,,,c.热影响区疲劳断裂,d.扳手平面圆角处断裂,2.3 抽油杆失效分析,,e.严重磨损的抽油杆和接箍抽油杆及其接箍的断裂部位,2.3 抽油杆失效分析,1.抽油杆外螺纹接头断裂的原因1)预紧力过大或不足;2)材料缺陷或热处理质量不符合要求;3)螺纹加工质量差;4)台肩侧面与接箍端面接触不紧密,流入井液,引起腐蚀;5)抽汲载荷超载。,二、失效原因,2.3 抽油杆失效分析,2.扳手方径区断裂的原因1)由锻造缺陷引起,主要是折叠和裂纹;2)扳手方径两端过度圆角太小,引起应力集中;3)机械损伤。3.热影响区断裂的原因1)晶粒粗大,表面存在残余拉应力;2)锻造后在热影响区的杆体上有压痕或局部直径变小;3)锻造加热温度太高,产生过热组织;,2.3 抽油杆失效分析,4.杆体断裂的原因1)由于制造、运输和储存过程引起弯曲;2)使用过程中造成的杆体弯曲;3)材料缺陷或热处理质量不符合要求;4)表面刻痕、凹坑引起应力集中;5)抽油杆柱设计不合理;6)腐蚀。,2.3 抽油杆失效分析,5.抽油杆接头脱扣原因1)抽油杆台肩侧面和接箍端面的垂直度不符合要求;2)预紧力不足;3)装配前没有将抽油杆外螺纹接头和接箍清洗干净;4)选用的螺纹润滑剂不合适;5)液击、碰泵的冲击载荷的影响;6)悬绳器的扭摆;7)抽油系统的振动;8)抽油杆柱下部弯曲。,2.3 抽油杆失效分析,6.接箍断裂的原因1)接箍与油管摩擦;2)预紧力不足;3)材料缺陷或热处理质量不符合要求;4)表面刻痕、凹坑引起应力集中;5)内螺纹牙底形状不佳,引起应力集中;6)腐蚀。,2.3 抽油杆失效分析,抽油杆在工作中承受不对称循环载荷作用,因此抽油杆的失效主要表现为疲劳失效,所以在设计中应使抽油杆柱满足疲劳强度条件。抽油杆柱设计中比较常用的疲劳强度条件有两个:当量应力强度条件和API推荐的最大许用应力条件。1.当量应力强度条件根据奥金格的定义,当量应力计算公式为:,三、强度计算,2.3 抽油杆失效分析,威尔诺夫斯基将奥金格公式首次用于计算抽油杆的强度。当量应力强度条件为:式中 —当量应力;—最大循环应力;—循环应力幅;—标准疲劳试件在对称循环应力作用下的疲劳极限;—许用当量应力;—安全系数。使用奥金格当量应力计算公式,实质是将抽油杆所承受的不对称循环应力转化为对称循环应力进行校核。,2.3 抽油杆失效分析,2.API推荐的最大许用应力条件美国石油学会(API)推荐使用的许用最大循环应力计算公式为:式中 —使用系数,无腐蚀介质时, ;存在腐蚀介质 时, ;—抽油杆最小抗拉强度;—最小循环应力;—许用最大循环应力。,2.3 抽油杆失效分析,抽油杆许用最大循环应力强度条件为:许用最大循环应力计算公式是由修正古德曼图得出的。由于目前国内抽油杆制造厂家均已采用等效API规范的国家标准,抽油杆级别根据其抗拉强度 划分为C、D、K级。因此,现场较普遍地使用许用最大循环应力强度条件进行校核。根据循环应力定义,应力幅与最大、最小循环应力的关系为:,2.3 抽油杆失效分析,利用上式可将当量应力强度条件改写成:从而可在 - 坐标系中将这两个疲劳强度条件分别表示的曲线进行比较,如下图。在疲劳理论中称这种曲线为等寿命曲线,或疲劳极限曲线。所谓满足疲劳强度条件是指:实际循环应力的最大值与最小值在 - 坐标系中所确定的点必须在所给定的相应的疲劳极限曲线以下。,2.3 抽油杆失效分析,第2章 抽油杆,2.1 抽油杆结构及制造工艺 2.2 特种抽油杆 2.3 抽油杆失效分析 2.4 抽油杆柱附属器具,2.4 抽油杆柱附属器具,抽油杆柱附属器具: 抽油光杆 抽油光杆卡 抽油光杆衬套 光杆密封盒 抽油杆扶正器 加重杆 抽油杆减振器 抽油杆防脱器等,抽油光杆卡,抽油井口光杆密封器,光杆密封阀,可退式抽油杆打捞筒,2.4 抽油杆柱附属器具,光杆是将抽油机悬点的往复运动传递给抽油杆的一个重要部件,它通过光杆卡、悬绳器与抽油机连接,并通过光杆接箍与抽油杆连接。在抽油机的带动下,光杆在抽油光杆密封盒内作往复运动。,一、光杆,2.4 抽油杆柱附属器具,1.光杆的工作条件及使用要求光杆与抽油杆一样承受不对称循环应力,同时又在大气和井液中往复运动,其外表面与光杆密封盒形成滑动摩擦。因此,光杆是在大气腐蚀、井液腐蚀、不对称循环载荷以及滑动摩擦条件下工作的。这就要求光杆必须具备耐大气腐蚀、井液腐蚀,具有一定的腐蚀疲劳强度和耐磨性能。同时应保证光杆与抽油杆连接可靠,且连接成的抽油杆柱具有较高的直线度。,2.4 抽油杆柱附属器具,2.抽油光杆的分类,按不同的强度和使用条件分为C级、D级和K级三个等级。,3.抽油光杆的结构形式,抽油光杆有两种结构形式,即普通型抽油光杆和一端镦粗型抽油光杆。,2.4 抽油杆柱附属器具,1.加重杆的用途用大直径抽油泵或抽稠油时,柱塞在下冲程时将受到较大的阻力,随着泵径和原油粘度的增大,阻力越大,杆柱下部发生弯曲,使杆柱承受附加弯曲应力,引起抽油杆的早期断裂。为了防止这种现象的发生,减少杆柱断脱事故,可在抽油杆柱下部采用加重杆。,二、加重杆,2.4 抽油杆柱附属器具,2.加重杆的型式、基本尺寸加重杆国内外尚未标准化,一般采用图示的结构型式。加重杆的结构形式,2.4 抽油杆柱附属器具,3.加重杆的技术要求,所匹配的重量应满足要求; 两端螺纹应按普通抽油杆的要求进行设计和制造; 材料及热处理方式的选择,应考虑到与所连接的抽油杆的强度相匹配。,2.4 抽油杆柱附属器具,1.抽油杆扶正器的基本功能1)使抽油杆处于油管中心,不与油管接触,减少抽油杆与油管之间的磨损。2)由于抽油杆不直接与油管接触,可以减少抽油杆的振动和弯曲,改善抽油杆的受力状况。3)扶正适于用于斜井、丛式井和水平井。,三、抽油杆扶正器,2.4 抽油杆柱附属器具,2.抽油杆扶正器的类型,抽油杆扶正器按其与油管的摩擦性质可分为滚动式扶正器和滑动式扶正器两种。滚动式抽油杆扶正器又分为滚轮式扶正器和滚珠式扶正器两种。 滑动式扶正器可分为具有刮蜡作用的和不具有刮蜡作用的两种,前者叫刮蜡器,后者叫扶正器。,插入式抽油杆扶正器,抽油杆短接活动式刮腊扶正器,抽油杆扶正器,抽油杆尼龙扶正器,扭卡式抽油杆扶正器,2.4 抽油杆柱附属器具,滚动式抽油杆扶正器的用途,滚轮式扶正器又称滚轮接箍,滚轮式扶正器除了具有普通接箍的连接作用外,在加长接箍圆周上装有滚轮,这样改善了油井中抽油杆与油管之间的工作条件,变滑动摩擦为滚动摩擦,减少了抽油杆与油管的磨损。 滚珠式扶正器是用半嵌在加长接箍上的肘形座孔里的滚珠代替滚轮,起到与滚轮扶正器相同的作用,而且滚珠滚动不受方向的影响,所以更进一步减小了杆柱与油管的摩擦力。,2.4 抽油杆柱附属器具,,图1 滚轮式扶正器 图2 滚珠式扶正器,2.4 抽油杆柱附属器具,滑动式抽油杆扶正器的用途,刮蜡器的结构是两端带有较大圆角中间有孔的圆柱体,其外圆直径较油管内径小,内孔比抽油杆体稍大。在外圆柱上开有数条均匀的螺旋槽作为油流通道,其中一条较宽的螺旋槽与内孔相连,作为往抽油杆上安装的入口,通道的螺旋槽上宽下窄,它所形成的油流通道总面积,应在保证螺旋齿有一定强度的情况下,尽量采用最大值。 普通扶正器外圆上无刮蜡片,不具备刮蜡作用,能够减少抽油杆与油管的磨损,从而延长其寿命。,2.4 抽油杆柱附属器具,图1 刮蜡器 图2 普通扶正器,2.4 抽油杆柱附属器具,3.滑动扶正器的安装要求,(1)对于要求安装刮蜡器的抽油杆,需要在抽油杆上设置一定数量的限位器,限位器之间的距离为冲程的一半。当抽油机的悬点上下运动时,刮蜡器既在杆体上相对杆体做上下滑动和转动,又随着杆体相对于油管做上下滑动和转动。这样既覆盖了抽油杆杆体的全长,也覆盖了油管内壁的全长,起到清除抽油杆杆体和油管积蜡的作用。,2.4 抽油杆柱附属器具,(2)对于主要用做扶正作用的刮蜡器,不需要在所有抽油杆上安装,只要在斜井段和抽油杆柱的弯曲部位安装一些就可以了。 (3)在油井中使用刮蜡器以后,抽油杆在上下冲程时的阻力增加,这将使悬点最大负荷增加,使抽油杆在下冲程时产生附加的弯曲应力,为此,应采取必要的措施,一般应在抽油杆下部使用加重杆。,3.滑动扶正器的安装要求,2.4 抽油杆柱附属器具,刮蜡器的安装图1—限位器;2—抽油杆;3—刮蜡器,2.4 抽油杆柱附属器具,抽油杆减振器安装在抽油光杆上,置于悬绳器和光杆卡之间,其作用是减少抽油杆柱的振动。当抽油机驴头带动抽油杆柱做上下往复运动时,由于载荷大小和方向的变化引起抽油杆柱产生不同程度的振动,这种振动给抽油杆柱带来附加冲击载荷,使抽油杆载荷增加并使连接螺纹松脱。抽油杆减振器的作用就是把这种振动加以缓冲和减小,从而降低抽油杆柱断脱的次数。抽油杆减振器的结构如图。它主要由弹性元件和安装弹性元件的壳体或框架组成。弹性元件随抽油机型号规格和油井井况的变化而有所不同,主要有橡胶的,有蝶型弹簧的等。,四、抽油杆减振器,2.4 抽油杆柱附属器具,抽油杆减振器,2.4 抽油杆柱附属器具,在抽油杆柱上下往复运动的过程中,由于井斜、杆柱弯曲以及杆柱振动等原因,容易造成抽油杆柱受到一附加扭矩的作用,这一扭矩可能会形成对抽油杆柱连接螺纹的旋松力矩。另外,抽油杆本身的螺纹轴线与台肩面的垂直度偏差以及组装抽油杆柱过程中预紧力不足,使得抽油杆柱的抗松脱能力大大降低。旋松力矩的存在以及抗松脱能力的降低容易造成抽油杆柱脱扣。而在抽油杆柱适当位置安装防脱器后,可以将杆柱产生的旋松扭矩释放掉,从而避免了杆柱接头螺纹的松动。,五、抽油杆防脱器,2.4 抽油杆柱附属器具,目前通常使用的抽油杆防脱器结构如图,短杆和连接套分别与杆柱的两部分连接,它们之间通过套筒和止推轴承发生转动,当杆柱附加扭矩大于防脱器转动的扭矩时,短抽油杆或外壳转动,消除了附加扭矩,从而起到了防止抽油杆脱扣的作用。,,抽油杆防脱器,
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