基于应力比的延长抽油杆疲劳寿命设计方法_王治磊.pdf
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1、第 卷第期 年月非常规油气 引用:王治磊基于应力比的延长抽油杆疲劳寿命设计方法非常规油气,():,():基于应力比的延长抽油杆疲劳寿命设计方法王治磊(中石化华北油气分公司采油一厂,陕西 咸阳 )摘要:有杆泵采油是目前各油田最常用的采油方式。为研究交变载荷对油井下部抽油杆柱疲劳寿命的影响,模拟抽油杆真实受力环境,开展了不同应力比条件下抽油杆疲劳性能试验。结果表明:)抽油杆循环拉伸次数随抽油杆应力比增大而增大,当应力比大于 时趋于不变,抽油杆寿命与应力比关系进行曲线拟合,具有一元三次方程关系;)生产井因工作条件不同,最下一级抽油杆柱应力比不同,实测应力比为 ,平均值为 ;)生产井最下一级抽油杆疲劳
2、寿命拐点应力比为 ,推荐抽油杆抗疲劳设计应力比大于等于 ;)抽油杆柱底端采用加重抽油杆或加粗抽油杆可以提高最下一级抽油杆应力比。该设计方法对于延长抽油杆疲劳寿命具有实际指导意义。关键词:有杆泵采油;抽油杆疲劳寿命;疲劳性能试验;实测载荷;应力比设计中图分类号:文献标识码:(.,):,:),;),;),;)收稿日期:基金项目:国家科技重大专项“低丰度致密低渗油气藏开发关键技术”()作者简介:王治磊(),男,硕士,工程师,主要从事采油气工艺技术及井下工具研究工作。:非常规油气油气工程 :;引言致密油 藏 已 成 为 国 内 外 各 油 田 主 要 开 发 对象,油井普遍表现为低产、低能,同时伴有偏
3、磨、结垢和腐蚀现象。鄂尔多斯盆地西南缘红河油田为致密砂岩油藏,主要以水平井开发为主,主力生产层位为长、长油层,储层平均埋深为 ,综合含水为,平均动液面为 ,平均泵挂 ,地层供液不足,油井普遍存在结垢现象,同时具有一定腐蚀性,年,抽油杆因疲劳杆断躺井占总躺井比例分别为 和 。有杆泵采油是目前最为经济有效的举升方式,由于抽油杆工作环境的恶化,油井频繁出现疲劳杆断躺井。美国和前苏联先后研究出利用修正古德曼图、奥金格疲劳图建立应力范围比和折算应力对抽油杆疲劳强度进行设计,但都存在一定的局限性。在抽油杆柱中和点以下井段,抽油杆柱承受不对称拉压循环载荷,由于承受压应力作用最小应力为负值,超出了修正古德曼图
4、的范围,同时放大了奥金格疲劳图的范围,导致抽油杆过度疲劳使用。同时,抽油杆本体锻造加工过程中不可避免会有疲劳源存在,导 致 抽 油 杆 应 力 集 中,频 繁 发 生 疲 劳 杆断 。目前采用无限寿命疲劳设计法进行抽油杆强度计算,即当抽油杆工作循环次数大于 次时,抽油杆所受应力大小作为抽油杆最大许用应力。最大限度延长抽油杆疲劳寿命,减少失效。李大建、牛彩云和梁毅等人先后根据抽油杆疲劳性能试验,对抽油杆许用应力及折算应力进行了修正,同时拟合了 级抽油杆应力疲劳寿命曲线及在一定应力比条件下的极限疲劳强度 。樊松、梁毅等人模拟抽油杆真实使用环境,开展了抽油杆在不同含水介质中疲劳性能试验,并拟合出抽油
5、杆应力疲劳寿命曲线和极限疲劳强度 ,指导抽油杆抗疲劳设计。以上方法仅对抽油杆最大应力进行计算和修正,没有开展油井最下一级抽油杆柱受不对称交变载荷对抽油杆疲劳寿命影响的相关理论研究。油井最下一级抽油杆柱受到的最大应力虽然小于抽油杆极限疲劳强度,但 以上抽油杆断井都发生在最下一级抽油杆柱。因此,通过不同抽油杆应力比条件下室内疲劳性能试验,分析抽油杆受交变载荷作用下对疲劳寿命的影响,并拟合应力比与抽油杆寿命关系曲线,同时结合油井生产中抽油杆断实测载荷对应力比与抽油杆寿命曲线进行修正,实现定量化指导抽油杆疲劳设计。采用应力比作为抽油杆抗疲劳强度设计指标,对抽油杆柱疲劳 设 计 和 延 长疲劳寿命具有实
6、 际 指 导意义。抽油杆疲劳性能试验模拟油井中抽油杆受循环交变载荷对其疲劳寿命的影响,设计抽油杆在不同应力比条件下进行疲劳性能试验,并记录抽油杆疲劳寿命与应力比对应试验数据,分析抽油杆受一定应力作用下,在不同应力比条件下与抽油杆疲劳寿命关系。试验条件)试 件。按 照 标 准 抽 油杆 中的要求,设计组试验,每组根试件。抽油杆试件直径为,钢级为级。试件要求为型试样,长度为()短杆,示意图如图所示。图疲劳试验抽油杆试件示意图 )电磁谐振高频疲劳试验机。试验所用疲劳试验机设备为 电磁谐振高频疲劳试验机,如图所示。该电磁谐振高频疲劳试验机原理如图所示,能够自动检测加载在试样上的应力,并反馈给控制器自动
7、调节和加载载荷,试验精度高。其工作原理如下:给定信号并通过伺服控制器,将控制信号送到伺服阀控制从高压液压源来的高压油,推动作动器变成机 年月王治磊:基于应力比的延长抽油杆疲劳寿命设计方法械运动作用到试样上,同时载荷传感器、应变传感器及位移传感器把力、应变和位移转化成电信号后反馈到伺服控制器中,与给定信号进行比较,将差值信号送到伺服阀,调整作动器位置,反复此过程,直至试样上承受的力(应变和位移)达到要求精度,同时应力、应变、位移传入读出器上,进行记录。图疲劳试验机实物图 图疲劳试验机原理图 试验结果根据标准 抽油杆 钢制抽油杆疲劳性能要求和试验方法,加载频率在 ,试验应力为 ,采用正弦波,取应力
8、比分别为,和 ,观察其循环次数,可得组抽油杆抗疲劳拉伸试验结果平均值,详细数据见表。表疲劳试验结果 编号直径等级最大应力 应力比循环次数()根据表试验数据可拟合出抽油杆寿命与应力比关系曲线,如图所示。图抽油杆寿命与应力比关系曲线图 根据图可知,抽油杆循环次数随应力比增大而增大,增大到一定值后出现拐点,当应力比大于 时,随着应力比增加,抽油杆循环次数趋于不变,即为在此工作环境中抽油杆的极限疲劳寿命。此试验结果原因在于,当抽油杆应力比增大时,抽油杆所受最大应力与最小应力越接近,抽油杆受交变载荷的波动幅度较小,所以抽油杆疲劳劳损减小,寿命延长。抽油杆最大循环次数随应力比增大到一定值后趋于不变,主要是
9、因为抽油杆在当前应力比条件和空气环境中存在极限疲劳寿命。根据图拟合结果,抽油杆寿命与应力比具有一元三次方程关系,曲线计算式为:.()式中:为抽油杆寿命,次数;为最小应力和最大应力的比值,无量纲;通过式()可以计算得到任意应力比条件下抽油杆疲劳寿命,为抽油杆抗疲劳设计提供具体量化参考依据。生产井抽油杆应力比计算 新井实测数据分析抽油杆疲劳性能试验是在空气环境中做的,相非常规油气油气工程 对于空气,油井内抽油杆真实工作环境恶劣,对抽油杆疲劳寿命影响较大,根据抽油杆疲劳性能试验得到的应力比与寿命关系,通过现场油井实际数据对其进行修正。根据油井机抽数据统计分析,抽油杆疲劳杆断主要分布在最下一级抽油杆柱
10、,占杆断井 以上。油井最下一级抽油杆主要受偏磨、高温、腐蚀和结垢等恶劣工作环境影响,同时受拉压不对称循环载荷作用,在上下往复工作中最容易发生疲劳杆断。根据图中抽油杆在不同应力比条件下试验结果可知,抽油杆受应力比越小,循环次数减小,即抽油杆受不对称循环载荷波动幅度越大,则其疲劳劳损加重,使用寿命缩短。油井内抽油杆柱自下而上受不对称循环载荷变化幅度依次减小,疲劳劳损减小,自下而上依次发生杆断的几率降低,使用寿命延长,符合生产油井杆断普遍发生在最下一级抽油杆柱的规律。因最下一级抽油杆柱工作环境相近,杆径相同,所受交变载荷不同,为简化研究,对最下一级抽油杆柱顶端受力和疲劳寿命进行分析,作为最下一级抽油
11、杆柱工作状态。为了真实反映抽油杆疲劳寿命的影响因素,排除管理和井况差异造成的干扰,选择新投产井抽油杆实际数据进行分析。新投产井采用新抽油杆,从而避免了旧抽油杆重复下井所造成的统计寿命失真,同时井筒干净,结垢和腐蚀轻微,对抽油杆疲劳寿命影响较小,实现了抽油杆应力比单因素对抽油杆疲劳寿命的影响。红河油田生产层相同,下泵深度均接近 ,油井最 下 一 级 抽 油 杆 柱 长 度 基 本 相 同,长 度 约 ,因此,文中提到的抽油杆柱应力比均指最下一级抽油杆顶端应力比,即柱塞以上 处抽油杆应力比。根据以上要求统计了 口新投产水平井第一次因杆断躺井的实测数据,见表。抽油杆寿命是指新投产油井内下入新抽油杆柱
12、生产,当抽油杆断躺井时油井累计生产天数。表生产井抽油杆载荷及寿命统计表 序号井号实测光杆载荷 最大最小生产井抽油杆寿命序号井号实测光杆载荷 最大最小生产井抽油杆寿命 表中实测光杆最大载荷和最小载荷分别是在油井正常生产时,抽油机在上冲程和下冲程中测得的抽油杆柱最上端最大、最小载荷数据,通过该载荷可以倒算至油井最下一级抽油杆柱顶端受力。生产井抽油杆柱组合及泵挂深度相近,但实测载荷不同,主 要 是 受 产 液 量、抽 汲 参 数 及 井 斜 不 同 造成的。应力及应力比计算根据表中油井实测功图载荷数据,综合抽油杆柱在上、下冲程中受力分析,可以计算出最下一级抽油杆柱顶端所受应力及应力比。上冲程应力及应
13、力比计算利用油井测斜数据计算三维井眼中任意抽油杆柱微元体受力(如图所示)。采用迭代法从抽油杆柱最底端进行迭代受力计算,规定受力向下为正方向,当时,边界条件为轴向力等于柱塞所受的力。则抽油杆在点的轴向载荷 可以用表示为:年月王治磊:基于应力比的延长抽油杆疲劳寿命设计方法图冲程抽油杆柱微段载荷图 惯上 ()式中:为第段抽油杆柱所受轴向力,;为第段抽油杆柱所受重力,;惯上为第段抽油杆柱相对液柱运动产生的惯性力,;为第段抽油杆与油管间的摩擦力,;为第段液柱相对油管运动产生的摩擦力,;和 分别为第段抽油杆柱与第段抽油杆柱之间的井斜角,()。下冲程应力及应力比计算抽油杆受力计算方法与上冲程类似,考虑三维井
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