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(jì)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(diǎn)載荷，但改變了抽油桿柱的受力狀態(tài)，常規(guī)的多級(jí)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(jì)方法，并應(yīng)用當(dāng)量應(yīng)力條件對(duì)設(shè)計(jì)桿柱進(jìn)行強(qiáng)度校核，實(shí)現(xiàn)了加裝減載器的抽油桿柱設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：既降低了懸點(diǎn)載荷，又改善了桿柱應(yīng)力狀態(tài)，可延長(zhǎng)桿柱使用壽命。

抽油桿柱設(shè)計(jì)；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(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(xiàng)，以及在各油田應(yīng)用情況；文獻(xiàn)［6］對(duì)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(jì)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(jì)方法已不能適應(yīng)加裝減載器的桿柱設(shè)計(jì)。本文結(jié)合減載器對(duì)桿柱受力的影響，提出一套加裝減載器的桿柱設(shè)計(jì)方法與計(jì)算流程，為減載器的現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(gè)向上的舉升力，當(dāng)抽油機(jī)驢頭上行時(shí)，該舉升力減輕了上沖程的懸點(diǎn)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(shí)，該舉升力依然存在，減輕了下沖程懸點(diǎn)載荷［5－7］。

圖1 減載器結(jié)構(gòu)

1.2 減載力計(jì)算

根據(jù)管柱結(jié)構(gòu)和減載器的結(jié)構(gòu)及原理，可對(duì)減載力進(jìn)行定量計(jì)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(zhǎng)度相對(duì)于泵掛深度可以忽略不計(jì)，可設(shè)p1＝p3，則減載力可簡(jiǎn)化為

根據(jù)動(dòng)液面與呼吸孔之間的位置不同，p2的計(jì)算方法也不同，當(dāng)呼吸孔在動(dòng)液面以上時(shí)，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(dòng)液面以下時(shí)，則p2＝pC＋ρgh，減載力為

式中，h為減載活塞到油井動(dòng)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(jì)準(zhǔn)則

目前，抽油桿柱設(shè)計(jì)中所采用的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可分為等疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和靜等強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則2類。其中靜等強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則因計(jì)算簡(jiǎn)便而被廣泛采用。根據(jù)該準(zhǔn)則，即各級(jí)抽油桿柱頂端的靜等強(qiáng)度相等的原則，可得出各級(jí)桿柱長(zhǎng)度占桿柱總長(zhǎng)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(jí)抽油桿的重力；Ai為各級(jí)抽油桿的橫截面積。

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

3 加裝減載器的抽油桿柱設(shè)計(jì)

3.1 常規(guī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

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

現(xiàn)以3級(jí)桿柱組合為例分析減載器受力對(duì)抽油桿柱的影響，初步假設(shè)減載器安裝于第2級(jí)抽油桿中。由于方程組中計(jì)算各級(jí)抽油桿頂部各項(xiàng)受力時(shí)，僅以長(zhǎng)度比例Rj代表各級(jí)抽油桿長(zhǎng)度，所以相當(dāng)于將各項(xiàng)載荷均除以泵掛深度L，因此在考慮減載力時(shí)，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(jí)抽油桿頂部的應(yīng)力。在此分2種情況考慮，若未超出各級(jí)抽油桿頂部的應(yīng)力，可以僅考慮減載力對(duì)第2級(jí)抽油桿受力的影響，將其帶入抽油桿柱設(shè)計(jì)方 程組，3級(jí)桿組合設(shè)計(jì)方程組調(diào)整為

3.2 分級(jí)改進(jìn)設(shè)計(jì)

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

由于將原3級(jí)桿組合中的第2級(jí)桿柱從減載器處分為2級(jí)，形成4級(jí)桿柱組合，所以該方程組中第2與第3級(jí)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(diǎn)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，桿柱在工作中承受著不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的作用，因此，應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件對(duì)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(jì)的關(guān)鍵參數(shù)是懸點(diǎn)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(jì)算懸點(diǎn)最大、最小載荷的經(jīng)驗(yàn)公式，其中較常用的有著名的斯諾耐格經(jīng)驗(yàn)公式［8］，對(duì)于加裝減載器的桿柱，其懸點(diǎn)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(jí)抽油桿的長(zhǎng)度；H為動(dòng)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(diǎn)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(jì)計(jì)算流程

進(jìn)行加裝減載器抽油桿柱改進(jìn)設(shè)計(jì)分析時(shí)，假設(shè)了減載器的安裝位置處于第2級(jí)，實(shí)際情況可能處于任何一級(jí)；再者減載器處的抽油桿應(yīng)力存在是否超過各級(jí)抽油桿頂部應(yīng)力的可能，2種情況的設(shè)計(jì)方法是不一樣的。為解決上述2個(gè)問題設(shè)計(jì)了如圖2所示的加裝減載器的桿柱設(shè)計(jì)計(jì)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(jí)桿柱中，生成桿柱常規(guī)改進(jìn)設(shè)計(jì)方程組。

3） 計(jì)算得出桿柱組合，檢驗(yàn)減載器所處桿柱級(jí)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(jí)桿柱中，返回第2步重新計(jì)算。

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

5） 若未超出各級(jí)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(jì)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(jì)。

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

7） 計(jì)算得出桿柱組合，檢驗(yàn)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(jí)桿柱中，返回第6步重新計(jì)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(jì)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(jì)。

圖2 桿柱設(shè)計(jì)計(jì)算流程

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

應(yīng)用改進(jìn)設(shè)計(jì)方法對(duì)海拉爾油田希64－64油井進(jìn)行了抽油桿柱組合設(shè)計(jì)。該井抽油泵柱塞直徑32mm，泵掛深度2 000m，動(dòng)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(jí)桿組合，經(jīng)計(jì)算該減載器減載力為17.60 kN；各級(jí)抽油桿長(zhǎng)度依次為340、900、760m。

希64－64井已投產(chǎn)3a，現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)正常，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試懸點(diǎn)示功圖如圖3所示。該井理論最大懸點(diǎn)載荷為73.80kN，而實(shí)測(cè)最大懸點(diǎn)載荷為57.80kN，較未使用減載器的常規(guī)油井懸點(diǎn)最大載荷降低16 kN。經(jīng)計(jì)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(jí)抽油桿最大應(yīng)力130.6MPa。相比未改進(jìn)設(shè)計(jì)前抽油桿的當(dāng)量應(yīng)力91.2MPa以及各級(jí)抽油桿的最大應(yīng)力164.6MPa均明顯減小，改進(jìn)設(shè)計(jì)改善了桿柱的受力狀態(tài)。

圖3 希64－64井懸點(diǎn)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(jì)算方法。根據(jù)減載器的位置和減載力對(duì)桿柱的影響，提出了加裝減載器的抽油桿柱改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。

2） 針對(duì)加裝減載器桿柱改進(jìn)設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)算流程。

3） 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例表明，改進(jìn)方法設(shè)計(jì)的桿柱組合既可有效降低懸點(diǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析［J］.承德民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，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(chǎng)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(píng)價(jià)［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，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(chǎng)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(jì)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(jì)研究，E－mail：zhaohaiyang2003＠126.com。