现阶段,我国大部分油田已经进入高含水阶段,采出液含水率逐年上升。截至2016年底,中石油国内油田含水率超过95%的油井约44119口,这种现象一方面使得采油产生的收益不断减少,很多油井因不再具备经济价值而被迫停产,另一方面由于含水率不断升高,污水处理量加大,运行费用高,并严重威胁着环境安全。采用有杆泵同井注采技术可以有效解决上述问题,但由于同井注采井的特殊结构,导致同井注采井相比于常规井外载荷加大,交变载荷增加,抽油机光杆断裂现象频繁发生,作业费用增加。因此,开展光杆力学分析和方卡子优化研究十分必要。首先,在分析有杆泵同井注采系统组成结构及工作原理的基础上,建立悬绳器倾斜、驴头井口不对中、以及两因素双重作用的光杆力学分析模型,为建立三维数值仿真模型奠定基础;其次,综合考虑悬点载荷、弯曲载荷、应力集中三个因素对光杆疲劳破坏的影响,模拟光杆弯曲特性,分析螺栓力矩、悬绳器倾斜角度、抽油机冲程等因素对光杆疲劳破坏以及连接强度的影响,并采用Plackett-Burman试验设计筛选出影响光杆疲劳断裂的显著因子,确定出响应曲面设计需要优化的参数;最后利用响应曲面分析法,选取各参数的合理变化范围,对方卡子进行优化,确定最优结构参数组合。研究结果表明:在同井注采工况下,摩擦式方卡子螺栓力矩适用范围为200N·m～350N·m,钳牙式方卡子螺栓力矩适用范围为100N·m～160N·m;悬绳器倾斜时摩擦式方卡子作用下光杆疲劳断裂界限值为2.5°,钳牙式方卡子作用下光杆疲劳断裂界限值为1°;当悬绳器倾斜设定为倾斜界限值2.5°时,光杆不对中度疲劳断裂界限值为50mm;冲程和材料泊松比的增加有利于延长光杆使用寿命。方卡子结构参数最优组合方案为:方卡子厚度80mm,方卡子边缘倒角1.2mm,方卡子孔曲率35.318m^-1。优化后光杆复合应力值最大值为186.61MPa,降低为原来的59.1%,并且应力梯度分布更均匀,减少了方卡子应力集中的影响,能够有效延长光杆寿命。