桿柱受力分析

1、邳進(jìn)仕 在常規(guī)有桿泵抽油過程中，抽油桿柱受上、下交變負(fù)荷的作用，其各點(diǎn)的受力的大小和方向是不同的，隨其位移的變化而變化。在整個(gè)抽油桿柱全程上，光桿承受最大的拉應(yīng)力，與活塞相連的抽油桿承受最大的壓應(yīng)力。為了更好地對(duì)抽油桿柱進(jìn)行全面的受力分析，首先必須了解桿柱都承受哪些載荷以及這些載荷的作用方向。靜 載 荷抽油桿柱自身的重量而產(chǎn)生的重力載荷活塞上的液柱載荷P桿P液沉沒壓力P液井口回壓P回抽油桿抽油桿泵筒泵筒活塞活塞凡爾球凡爾球凡爾球凡爾球油管油管桿柱重力載荷 上沖程中光桿所承受載荷為抽油桿柱在空氣中的重量： 下沖程中，光桿所承受載荷為抽油桿柱在液體中的重量: )()(xLqxP桿桿)()()(/x

2、bLqxLqxP桿桿桿液柱載荷 活塞上的液柱載荷全程加載到抽油桿柱上，使得桿柱上的每一點(diǎn)均承受到相等的因液柱而產(chǎn)生的拉應(yīng)力。P P液液液桿活液LrfFP)(沉沒壓力 就是液體進(jìn)泵時(shí)，作用在活塞底部上的壓力，是由套管內(nèi)的壓力和環(huán)形空間內(nèi)的液柱壓力（或者叫地層流壓）產(chǎn)生的。P沉套液沉PhrP10損沉吸PPP井口回壓 井口回壓始終作用在活塞上，使光桿載荷增加，只不過在下行過程中，游動(dòng)凡爾打開，井口回壓加載到油管柱上，使桿柱減載；如果不能及時(shí)卸載，活塞上仍然要承受一部分回壓。P回)(桿活回上桿回fFpP桿回下桿回fpPP振P慣P沖動(dòng) 載 荷振動(dòng)載荷慣性載荷沖擊載荷摩擦載荷P摩 動(dòng)載荷是由桿柱和液桿的變

3、速運(yùn)動(dòng)以及由液液、固液、固固的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的載荷。其大小受多種因素影響，其方向也是不斷變化的。就某一點(diǎn)的受力來說，分析計(jì)算動(dòng)載荷是非常復(fù)雜的，只能做定性的描述。 振動(dòng)載荷 抽油桿本身是一種彈性體，由于抽油桿柱作變速運(yùn)動(dòng)和液柱載荷周期性地作用于抽油桿柱上，從而引起抽油桿柱的彈性振動(dòng)而產(chǎn)生的附加載荷。 慣性載荷 慣性載荷是由于運(yùn)動(dòng)著的物體在發(fā)生速度變化時(shí)而產(chǎn)生的一種力，抽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驢頭帶著抽油桿柱和液柱作變速運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生抽油桿柱和液柱的慣性力。液慣桿慣慣PPP 由于懸點(diǎn)加速度的大小和方向是變化的，故作用在桿柱上的慣性載荷的大小和方向也將隨著懸點(diǎn)加速度的變化而變化。在上沖程中，前半個(gè)沖程加速

4、度方向與運(yùn)動(dòng)方向相同，即加速度向上，則慣性力向下，從而增加桿柱載荷，后半沖程，加速度方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，即加速度向下，慣性力向上，從而減小光桿載荷，在下沖程中，情況恰好相反，前半沖程慣性力向上，減小桿柱載荷，后半沖程慣性力向下，將增加桿柱載荷，因在下沖程中液柱不隨桿柱運(yùn)動(dòng)，因此無液柱慣性載荷。上液慣上桿慣上慣PPP下桿慣下慣PP沖擊載荷 如果泵筒受供液不足影響，充滿程度差，就會(huì)發(fā)生活塞與泵內(nèi)液體的撞擊，將產(chǎn)生較大的沖擊載荷，若泵桿掛或防沖距過小，也會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊載荷。摩擦載荷 由于存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)在液由于存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)在液液液之間、液之間、液固之間和固固之間和固固之間，必然產(chǎn)生固之

5、間，必然產(chǎn)生各種摩擦阻力，其方向總是和物體的運(yùn)動(dòng)方各種摩擦阻力，其方向總是和物體的運(yùn)動(dòng)方向相反的，以阻止物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在抽向相反的，以阻止物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在抽油機(jī)工作過程中，摩擦載荷由以下六部分組油機(jī)工作過程中，摩擦載荷由以下六部分組成：成： 一、抽油桿和油管間的摩擦力，上行增大載荷，下行減小載荷，與抽油桿長(zhǎng)度、井斜度及扶正塊數(shù)量有關(guān)。 二、柱塞與襯套之間的摩擦力。上行增大載荷，下行減小載荷，其大小與活塞長(zhǎng)度、配合間隙以及介質(zhì)的粘度有關(guān)。 三、 液柱與抽油桿之間的摩擦力(或稱粘滯阻力)，在上行過程中，不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生摩擦載荷，只有在下行過程中。才產(chǎn)生摩擦阻力，使桿柱載荷減小，除了與

6、抽油桿長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)外，主要取決于液體的粘度。 四、液柱與油管之間，除了與液流速度有關(guān)外，主要取決于液體的粘度，在上行過程中產(chǎn)生，增大桿柱載荷。 五、液體通過游動(dòng)凡爾產(chǎn)生的磨擦力，除了與凡爾結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要取決于液體的粘度和液流速度。 六、盤根密封部分與光桿之間的磨擦力，其大小與盤根盒的松緊程度有關(guān)，它僅作用光桿部分，對(duì)懸點(diǎn)載荷產(chǎn)生影響，對(duì)井下桿柱不產(chǎn)生作用。 在稠油井中，由于液體的粘度比較大，所產(chǎn)生的磨擦載荷是非常大的，不但可以大大增加桿柱的負(fù)荷，而且可以完全阻止桿柱下行，這就是我們常說的光桿“打架”現(xiàn)象。 從以上分析不難看出，光桿和接泵桿是承受各種交變負(fù)荷最大的受力點(diǎn)。 抽油機(jī)在上行過

7、程中，各種阻力阻止光桿上行，光桿產(chǎn)生最大載荷，使桿柱始終呈拉伸狀態(tài)。桿柱上的每一點(diǎn)L(x),均產(chǎn)生拉應(yīng)力，不存在光桿失穩(wěn)的現(xiàn)象；在下行過程中，各種阻力阻止光桿下行，光桿產(chǎn)生最小載荷。下行速度越快，則產(chǎn)生的阻力也越大。當(dāng)這種阻力足夠大，能夠抵消抽油桿柱自身重量時(shí)，就會(huì)使桿柱受壓，從而產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著壓應(yīng)力的逐漸增大，能夠完全抵消抽油桿柱的彈性形變，這時(shí)，抽油桿柱就會(huì)發(fā)生彎曲變形。這種彎曲變形在油管內(nèi)徑的約束下，呈類螺旋狀。L（x） 在整個(gè)抽油桿柱上，主要受三種力的作用，在這三種力中只有P桿的自身重力始終向下的，使抽油桿呈拉伸狀態(tài)，不使抽油桿發(fā)生彎曲變形。P慣載荷，在下沖程的前半個(gè)沖程是向上的，從

8、而增大下行阻力，只有在后半個(gè)沖程才是向下的，使下行阻力減弱。故在抽油桿整個(gè)下行過程中，抽油桿失穩(wěn)發(fā)生在下沖程的前半個(gè)沖程中。如果摩擦阻力足夠大，抽油桿柱彎曲變形嚴(yán)重，失穩(wěn)現(xiàn)象在下半個(gè)沖程中也不會(huì)完全消失。 假設(shè)桿柱離開井口的距離為x，隨著x的增加，該點(diǎn)所受到的下部桿柱的重力減小。當(dāng)桿柱重量被在下行過程中產(chǎn)生的阻力抵消后，桿柱上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中和點(diǎn)X中，中和點(diǎn)以下的桿柱處于受壓狀態(tài)。該點(diǎn)也是抽油桿最容易斷脫的部位。x繼續(xù)增大，桿柱壓應(yīng)力也增大，在其下端達(dá)到最大。中和點(diǎn) 由于受壓應(yīng)力逐漸增大的影響，受壓桿段發(fā)生三種形態(tài)的過渡。靠近中和點(diǎn)部分，由于桿柱的剛度和較小的壓應(yīng)力，桿柱保持挺直，不會(huì)彎曲；向下

9、隨著壓應(yīng)力的增大，抽油桿發(fā)生彈性彎曲變形，再向下，當(dāng)壓應(yīng)力超過彈性極限后，桿柱將發(fā)生塑性彎曲變形。當(dāng)然，如果下行時(shí)阻力不夠大，或者抽油桿的材料結(jié)構(gòu)性能較好，桿柱就可能不會(huì)發(fā)生塑性變形。 從桿柱的受力分析不難看出，桿柱下行時(shí)的阻力主要包括：（1）液流阻力，（2）浮力，（3）柱塞磨擦力，（4）桿柱在液體中下行產(chǎn)生的粘滯阻力。對(duì)于稠油油田，粘滯阻力的存在，是導(dǎo)致抽油桿失穩(wěn)的主要原因。 桿柱失穩(wěn)彎曲產(chǎn)生的危害 增大沖程損失，降低泵效。 造成抽油桿偏磨，損壞泵桿和油管。 使交變負(fù)荷增大，從而產(chǎn)生越應(yīng)力破壞。 容易造成抽油桿斷脫。 根據(jù)抽油桿全程受力分析，找到影響抽油桿失穩(wěn)的各種因素，從而找到解決抽油桿失

10、穩(wěn)的方法: 1.應(yīng)用抽油桿扶正技術(shù)。在抽油桿的失穩(wěn)段，采用抽油桿扶正器，可修正桿柱彎曲變形。不過，采用扶正塊以后，就會(huì)增大桿柱的磨擦阻力，增大拉應(yīng)力，并使中和點(diǎn)上移。對(duì)于油稠的井，不宜采用此方法。 2.應(yīng)用加重桿加重技術(shù)。就是在桿柱的最下部采用一段加重桿，從而增大桿柱重量。使用加重桿是解決抽油桿柱彎曲變形的有效方法。可以減輕或避免下部抽油桿柱受壓應(yīng)力作用而發(fā)生彎曲變形象，從而改善抽油桿柱的工作狀況，提高抽油桿的工作壽命和泵效。 3.采取泵下?lián)剿嫡彻に嚰夹g(shù)。通過此種方法，可以大大降低液體的粘度，改善液體的流動(dòng)性能，從而降低磨擦阻力和液流阻力。 4.采取降低S*N值的方法?，F(xiàn)場(chǎng)常用降低抽油機(jī)沖次的方法，主要通過各種電機(jī)調(diào)速技術(shù)來改變驢頭懸點(diǎn)的運(yùn)行速度。當(dāng)懸點(diǎn)的運(yùn)行速度降低以后，通過游動(dòng)閥的局部水力損失減小，同時(shí)，下行時(shí)的粘滯阻力也得到大大的降低。 5.采取變換泵徑的方法，即由大泵更換為小泵。我們知道，柱塞和襯套間的半干磨擦力的大小由下面的公式確定： 從上式可以看到，更換小泵后，降低了柱塞與泵筒間的半干磨擦力，從而減小了泵桿的下行阻力。14094.0pfdP 6.通過調(diào)整泵的配合間隙的方法。就是由一級(jí)泵降為