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1、·38·第23卷 第1期 大庆石油地质与开发 P1G1O1D1D12004年2月 文章编号:100023754(2004)0120038204抽油机井振动载荷对杆管偏磨的影响研究1,2222韩修廷,王秀玲,侯 宇,郑国兴(11国家地震局哈尔滨力学所,黑龙江哈尔滨 150080;21大庆油田有限责任公司采油工程研究院,黑龙江大庆 163453)摘要:建立有杆泵杆柱振动力学偏微分方程并求解和分析,研制了可测出抽油杆工作过程中瞬时受力状况的测试仪器,进行了现场测试,获得了抽油杆不同部位受拉压和侧向力的周期性变化曲线,
2、发现了振动载荷由下至上逐步增大的规律。当轴向压力增大到一定程度时,杆柱将屈曲变形,增加径向接触力,会使杆管偏磨的程度增加,为抽油机井杆管防偏磨提供了依据。通过采取合理加重、优化参数等技术措施,使杆柱受力中和点下移或减轻振动影响,措施在不同油田的几千口井上实施后见到了下移中和点、减小振动载荷、延长检泵周期的明显效果。关键词:抽油机;振动;杆柱偏磨;分析计算中图分类号:TE35515文献标识码:A 大庆油田进入特高含水期,抽油机井杆管偏磨井数不断增加,杆断比例上升,检泵周期缩短,作业费用增加。通过对抽油机井杆柱载荷的测
3、试发现,抽油[1]杆柱在往复运动中存在着由振动引起的附加动载。通过对抽油杆柱振动载荷进行分析计算,搞清了振动载荷的变化规律,提出相应的预防措施,对于减缓抽油机井杆管偏磨,降低杆断比例,提高泵效,延长抽油机井的检泵周期是十分必要的。1 杆柱振动机理分析111 振动载荷产生的原因抽油杆柱联结在一起属细长杆,是一根长弹簧。在弹簧下端突然增加一个交变载荷,就会产生振动。当[2] 在抽油杆x处取一微段进行受力分析(图1b),悬点从下死点开始向上时,液柱载荷逐渐加到柱塞和抽油杆柱上,随着杆柱的向上运动,抽油杆柱就产生有下式2振
4、动。同样,当驴头从上死点开始向下运动时,同样5u5u5N(1)N+cdx+QA2dx=N+5t5t5x也产生振动,理论上在上下冲程内外加载荷共发生两式中 c——液柱对抽油杆柱的阻尼系数;Q——单位次变化(加、卸载),但在抽油杆上的载荷一个冲程交长度抽油杆的质量,kgöm;A——抽油杆柱的横截面变多次。2积,m;N——抽油杆柱内的轴向力。112 振动载荷力学模型建立11211 偏微分方程的建立N=RA=EEA=EA5uö5x(2)在假设抽油杆为均质弹性杆的条件下,抽油杆的将式(2)代入式(1)整理得22动力学模型如图1
5、a所示。图中x(t)=BsinXt为驴头5u=a25u+r5u(3)225t5x5r悬点的位移;l为抽油杆的长度;F为抽油泵及其杆液柱的重力。式中 a——声波在钢中的传播速度,mös;a=FöQ;收稿日期:2003210224作者简介:韩修廷(1957-),男,山东郓城人,教授级高级工程师,大庆油田有限责任公司采油工程研究院总工程师。©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.2004年2月 韩修廷等:抽油机井振动载荷对
6、杆管偏磨的影响研究·39·r——相对阻尼系数,r=cöQA。(2)底部振动小,上部振动大。由式(3)确定的振动微分方程边界条件为(3)振动值较大,振动幅度达2519kN。u(0,t)=BsinXt(4)(4)水驱及其它其它方式驱动也存在井振动。F测试分析表明,抽油杆柱在一个冲程中单程振动ux(l,t)=-utt(l,t)(5)EA3～4次,抽油杆弯曲一次将对油管产生一次冲击,增11212 悬点位移方程加了偏磨的程度和范围。在抽油杆受力中和点附近,若由于抽油杆的悬点是运动的,故由微分方程式振幅大于抽油杆失稳力,抽油杆偏
7、磨点受的冲击的次(3)和边界条件式(4)和式(5)确定的振动问题不数增加3～4倍。易求解。这可作以下变换,先求抽油杆柱相对于悬点213 泵速对振动载荷的影响的运动,然后再将相对运动与牵连运动叠加,求得抽图2是振动载荷的计算曲线。根据其计算结果可油杆柱的绝对位移响应。以看出,振动载荷的大小受冲次的影响很大,而且随经整理,得抽油杆柱的振动位移响应为井深的增加逐渐减小,这与实验测试的结果相吻合。2FXxu=2+1BsinXt+EA-mlX∞pnx6sin[CnsinXt+DncosXt](6)n=1a11213 振动载荷方
8、程抽油杆柱的振动载荷可由式(6)对x的偏导数求得,即25uEABFXFv=EA=2sinXt+5xEA-FlX∞pnxpnxEA6cos[CnsinXt+DncosXt]n=1aa=AFsin(Xt+U)(7)22-1式中 AF=AF1+AF2,U=tg(AF1öAF2)3 振动对偏磨的影响2∞BFX1pnxAF1=EA2+6pnCncos抽油
