螺杆泵抽油杆柱瞬态有限元分析

党延祖

(吐哈油田公司三塘湖采油厂,新疆哈密839009) *

螺杆泵抽油杆柱瞬态有限元分析

党延祖

(吐哈油田公司三塘湖采油厂,新疆哈密839009)*

运用ANSYS有限元分析软件,建立了螺杆泵抽油杆柱瞬态非线性有限元模型,针对杆柱初始缺陷及振动对杆柱的影响,采取在侧向变形及接触力较大的部位安装扶正器的措施来消弱杆柱的振动、减小杆柱侧向变形。通过分析结果,得出了抽油杆柱扶正器的合理配置方案,该方案能够减少杆管偏磨,预防杆柱断脱,延长检泵周期。

螺杆泵;抽油杆柱;防断脱;有限元

随着地面驱动螺杆泵采油技术的进一步推广应用,使得抽油杆失效问题越来越突出,特别是抽油杆断脱事故的发生严重制约着采油效率,也制约着该技术的进一步推广应用[1-4]。本文考虑振动、离心力、惯性力、抽油杆柱变形后与油管接触产生的侧向力以及摩擦扭矩的影响,对螺杆泵抽油杆柱进行瞬态有限元分析。

1 模型的建立

将细长杆件离散为若干个“空间梁单元”,然后以梁单元为研究对象建立抽油杆柱有限元分析模型,根据抽油杆柱的实际工作状态,选取井口至井底螺杆泵之间的整体抽油杆柱和油管柱为研究对象,并对杆柱的边界条件进行分析和简化。

1.1 边界条件的简化

a) 井口边界 由于电机驱动扭矩通过卡子传递到光杆上,而卡子又将抽油杆柱的轴向力(自重)传递到支座上,因此,井口边界条件可以简化为扭转角速度为已知边界,其他均为固定边界。

b) 井底边界 单头螺杆泵的定子衬套断面轮廓是由半径为R(等于螺杆断面的半径)的半圆和2个直线段组成。直线段长度等于2个半圆的中心距e,而螺杆本身的轴线又相对衬套的轴线有同一个偏心距e,这样2个半圆的中心距就等于4e。转子在定子衬套中的运动是一个行星运动,该运动是转子绕自身回转中心的自转和转子绕衬套中心的公转的合成运动。由于运动过程中,转子断面中心位于衬套断面的长轴上,且随着转子的转动,转子断面中心沿衬套断面的长轴方向作直线往复运动,因此,可以将井底边界处理成横向线位移弹性约束,轴向和扭转角方向为已知力边界。

c) 抽油杆柱与油管柱内壁碰撞接触边界 抽油杆柱与油管柱内壁的碰撞接触状态不仅沿井深和轴向呈随机分布,而且还随时间变化,当抽油杆柱与油管柱内壁接触时,伴随着能量损失、接触反力、摩阻力、速度和加速度的变化,反之抽油杆柱做自由运动,这是一种自由边界。

1.2 载荷简化

抽油杆柱的静载荷主要有液体浮力和阻力矩、抽油杆柱自重、螺杆泵举升液体时产生的轴向力及反扭矩等载荷作用。抽油杆柱的动载荷经简化,主要考虑如下2种:

a) 抽油杆柱运动时的惯性力和离心力的作用。

b) 抽油杆(包括扶正器)与油管内壁碰撞接触时产生的接触反力,以及由此引起的摩擦阻力和阻力矩。

上述建立的抽油杆柱非线性瞬态动力学模型基本上能够描述抽油杆柱的实际运动和受力变形状态,它不仅是一个结构几何非线性问题,也是接触边界非线性问题,理论分析和求解难度都比较大,这里借助于ANSYS有限元分析软件进行求解。

2 抽油杆柱特征值屈曲分析

由于抽油杆柱长细比较大且存在初始缺陷,在外力作用发生变形时,表现出极强的几何非线性效应,即应力应变关系是线性的,应变位移关系是非线性的,属于有限变形范畴,需用物体有限变形的平衡方程进行描述,并通过虚位移原理获得平衡方程的弱形式,以采用有限元方法进行求解,得到抽油杆柱的屈曲状态。

抽油杆柱特征值屈曲分析主要是根据理想压杆的Euler理论进行求解的,它主要是预测压杆的理论屈曲强度和理论屈曲状态,不能用于实际工程问题的分析。在抽油杆柱的计算中,首先对抽油杆柱进行特征值分析,获得理想状态下的屈曲状态,将此屈曲状态作为实际结构中抽油杆柱的初始缺陷施加在抽油杆柱体上,以进行抽油杆柱的非线性屈曲计算。

以长为896 m、杆径为«25 mm的抽油杆柱为例分析杆柱的屈曲模态。首先建立几何模型,然后采用空间梁单元进行单元划分生成有限元模型,再根据Euler理论对抽油杆柱进行特征值计算,通过计算可得到抽油杆柱的理想屈曲状态和对应状态下的临界载荷。图1为抽油杆柱模型在屈曲状态为10、42和80时的曲线,由图1可知在理想状态下抽油杆柱的屈曲状态具有以下特点:

a) 抽油杆柱的特征值屈曲变形是平面变形。

b) 随着临界载荷的增加,抽油杆柱的屈曲状态加剧。

c) 随着抽油杆柱屈曲状态的加剧,抽油杆柱弯曲程度增大,且发生屈曲的位形偏向一侧,方向是随机的。

图1 抽油杆的特征值屈曲变形

3 抽油杆柱井下运动状况分析

3.1 运动速度分析

从地面观察,螺杆泵抽油杆柱是作匀速转动的,但是由于转子的偏心作用在转子与抽油杆的连接处,抽油杆除了转动外,还沿衬套的长轴方向作往复运动,由此造成了其上部抽油杆的横向振动,这一振动将导致抽油杆柱的瞬时速度始终在变。同时,抽油杆柱在运转的过程中还要与液体产生摩擦、与杆体发生碰撞。当抽油杆柱与油管发生碰撞接触时将产生摩擦阻力矩,摩擦阻力矩由接触状况决定,当接触严重、接触力较大时,摩擦阻力矩就大,反之则小。接触摩擦扭矩变化的同时造成抽油杆柱所承受的总的阻力矩变大或减小,总扭矩的变化会引起抽油杆的旋转速度发生变化。

图2为抽油杆柱最底部的旋转角速度曲线。由于在建立模型时,将井口主动力矩简化成角位移施加,所以井口的旋转角速度为一条直线,在进行图形分析时,将这条直线看作平均速度大小为11 rad/s。由图2可以看出:抽油杆柱底部的角速度在平均速度上下波动,波动范围为11.489 6～10.515 1 rad/ s;抽油杆柱在做旋转运动过程中不是一直以一个恒定速度运转的,而是有一个微小的波动。由于抽油杆柱的旋转速度不是均匀的,所以就会产生一个加速度,加速度在-1.464 48～1.464 32 m/s2范围内浮动,由于这个加速度的存在,抽油杆柱一直处于一种振动的运行状态。

图2 抽油杆柱旋转角速度曲线

根据计算结果可以看出,抽油杆柱在运动过程中并不是匀速运动,而是在平均值上下波动。因此,抽油杆柱在整个工作过程中都存在着振动。

3.2 扭矩分析

在主动力矩的驱动下,抽油杆柱由静止开始运动,螺杆泵的启动过程是一个加速运动过程。当抽油杆柱所受的阻力矩与主动力矩相等时,抽油杆柱开始匀速运转。这是杆柱在理想状况下的运动状态。实际上,抽油杆柱在运转过程中是在不断振动,所以其所受的阻力矩也是在不断变化的,阻力矩是在主动力矩的上下周期性波动的。

4 抽油杆柱变形分析及扶正器的合理安放

抽油杆柱的振动引起杆柱的侧向变形,杆柱在作旋转运动的过程中,在离心力的作用下杆柱侧向变形变大,使杆柱与油管发生接触或加剧杆管接触,造成偏磨,当接触严重时杆柱将被磨断。杆柱在底部变形较大,接触也较为严重,整根抽油杆柱都有接触现象,且都发生在接箍处,接触力较大,接触较严重的部位都集中在300 m以下,杆管接触的最大接触力可达到-22.192 N,当杆柱以-20 N的力与油管发生碰撞接触,其反作用力将造成抽油杆柱的振动。

强烈的横向振动可以使抽油杆与接箍的螺纹预紧力下降甚至全部消失,导致螺纹连接松动,长时间作用将造成抽油杆柱脱扣;并且在长时间反复的接触摩擦作用下,抽油杆柱很容易被磨断。可见抽油杆柱碰撞接触和振动是造成杆管偏磨和杆柱脱扣的主要原因。为消除或减弱杆柱振动的影响以及避免抽油杆柱直接与油管发生接触,避免杆管偏磨降低杆柱断脱事故的发生,采取在杆柱振动及变形较严重的部位加放扶正器的措施[5-7]。在对扶正器进行合理配置时,主要以杆柱的侧向位移和接触力2个参数作为依据,在侧向位移、接触力较大或杆体有接触的部位加扶正器,尽量使井眼曲线趋于中心轴线。本文以吐哈油田某生产井为例进行计算分析,对扶正器的安放间距进行合理配置,该井的参数如表1所示。

表1 吐哈油田某生产井参数

加扶正器之前杆柱最大侧向位移为26 mm,加扶正器之后最大侧向位移为9.4 mm。加扶正器的变形与不加扶正器相比最大侧向位移小了1.66 mm,这说明扶正器起到了消弱杆柱振动、减小杆柱侧向变形的作用。抽油杆柱在正常工作时,发生接触的部位都在接箍处,因此只在接箍处安放扶正器。表2是每3根杆柱安放1个扶正器的计算结果,从表中可以看到,当抽油杆柱每3根安放1个扶正器时,其接触都发生在扶正器处,杆体没有接触,接触点明显减少,接触力也显著降低,这保证了抽油杆柱不会发生偏磨。综上所述,螺杆泵抽油杆柱每3根安放1个扶正器可以削弱振动,减小杆柱的侧向变形,避免了杆管偏磨,能够延长检泵周期,可以满足生产需要。

表2 每3根杆柱安放1个扶正器的计算结果

5 结论

1) 影响杆柱断脱的主要原因是杆柱的振动所引起的杆柱侧向变形,在离心力作用下,杆柱的侧向变形加大,当侧向位移超过杆柱与油管内壁的间隙值时,杆柱就会与油管发生碰撞接触,造成杆管偏磨。提出对杆柱扶正器进行合理配置来减弱杆柱的振动,减小杆柱的侧向变形。

2) 通过对实际生产井的计算分析,对扶正器的间距进行了合理的配置。计算结果表明:每3根杆柱安放1个扶正器时,接触点均在扶正器处,杆体无接触,且接触力较小。

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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

党延祖(1972-),男,甘肃武威人,工程师,主要从事油田三抽设备制造及油田设备管理工作。