螺杆泵问世于本世纪30年代,截至2001年,全球在用的螺杆泵井大约有50000口,其中约20000口集中在加拿大,其余分散在世界各大油田。我国从20世纪80年代中期引进螺杆泵,先后在大庆、辽河油田进行了矿场试验。螺杆泵采油系统主要有地面驱动单螺杆泵和潜油电机驱动单螺杆泵两种,目前国内油田应用的绝大多数是地面驱动单螺杆泵。近几年来螺杆泵采油技术日趋成熟,各项技术指标得以提高,尤其是螺杆泵寿命得到明显延长,已基本上能够满足油田的需要。但是,随着地面驱动大排量螺杆泵采油技术的进一步推广应用,尤其是在大庆油田聚驱井和定向井中的应州,抽油杆柱断脱问题越来越突出,据统计,大庆采油一厂2002年螺杆泵井共检泵33井次,其中抽油杆断脱16井次,占总检泵井次的48.5%。由此可以看出,螺杆泵抽油杆断脱已成为制约螺杆泵生产的主要矛盾,影响了螺杆泵采油技术的进一步推广应用。为此,本文在杆柱静力学分析的基础上,考虑离心力、杆柱振动、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,建立抽油杆柱瞬态非线性有限元模型,定性分析造成抽油杆柱偏磨、断脱机理,并对定向井螺杆泵抽油杆柱导向器及扶正器合理配置进行定量分析,以期达到减少偏磨,延长检泵周期的目的。 首先对抽油杆柱进行力学分析,对杆柱所承受的阻力矩、轴向力计算公式进行推导。定性分析了螺杆泵抽油杆柱断裂和脱扣的机理,并对部分影响因素进行定量计算。由计算知,杆柱的初始缺陷、杆柱振动及离心力是造成抽油杆柱偏磨的主要原因。 在对杆柱受力状态分析的基础上,通过对杆柱的边界条件进行简化,建立抽油杆柱瞬态有限元分析模型。由于在对抽油杆柱进行有限元计算时,涉及到了几何非线性和接触状态非线性问题,所以在对有限模型进行求解时,将杆柱离散为若干个“空间梁单元”,然后以梁单元为研究对象,进行求解。并运用有限变形理论推导了Kirchhoff动量方程,根据接触非线性理论,推导了满足抽油杆与油管接触界面的运动学条件和接触连续条件。将抽油杆柱变形的几何非线性、抽油杆柱与油管之间接触的状态非线性以及抽油杆柱运动过程中的动力学理论有机的结合在一起,利用ANSYS有限元分析软件对螺杆泵抽油杆柱及定向井螺杆泵抽油杆柱进行力学分析计算。 在对直井螺杆泵抽油杆柱进行计算分析时,考虑了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。通过对计算结果的分析,得出抽油杆柱扶正器的合理配置方案。对直井螺杆泵抽油杆柱,每3根杆柱安放一扶正器即可达到杆体无接触的要求。并讨论了转速及沉没度对杆柱变形的影响。随着转速的降低,杆柱的最大侧向位移逐渐减小,接触力也逐渐减小。随着沉没度的降低,杆柱最大侧向变形增大,接触力也变大。 应用计算软件,还对定向井螺杆泵抽油杆柱进行了定量分析。以3口实际生产井为例,对一个造斜点、井斜角不变和多个造斜点两种情况进行分析,针对两种情况分别给出了扶正器和导向器的合理布置准则。按此设计原则,现场实施9口井,这些油井目前运转正常,最长无故障工作时间超过一年,最短无故障工作时间已达3个月。而未按此原则设计的一口油井,其正常工作时间仅78天。这也验证本设计原则方法的正确及合理性。 本文建立的抽油杆柱瞬态有限元模型能够基本上描述抽油杆柱的实际运动和受力变形状态,所以通过对此模型的计算分析,对现场具有一定的指导意义,并且根据现场实际应用来看,应用本文的计算结果能够减少杆管偏磨,预防杆柱断脱,延长了检泵周期。