（工程力学专业论文）潜油电泵机组斜井通过能力与易失效部件研究.pdf

潜油电泵机组斜井通过能力与易失效部件研究 摘要 本文根据管柱能够靠自身重力下放到井下的四个判别条件：刚度条件、接触条件、强度条件、摩 阻力条件和由于潜油电泵机组在斜井内受到井眼曲率变化引起机组发生大变形以及机组下放受到的机 械阻力，提出了采用强度条件和摩阻力条件来评价电泵机组斜井通过能力，并建立了潜油电泵机组斜 井受力变形分析的三维计算有限元模型。应用a n s y s 软件的大变形、接触非线性理论对电泵机组在 斜井内的受力进行了分析，计算出w i d d - c 1 7 井，1 3 0 电泵机组，在3 0 。井斜角时能通过的极限曲率 为6 0 3 0 m ，此时下放推力为1 7 5 k n 。最后应用a n s y s 软件的二次开发功能a p d l 编制了潜油电泵机 组斜井通过能力评价的专用程序。可以根据给定的井眼轨道、电泵机组，模拟计算机组在不同曲率井 段内的受力变形状态，图形显示电泵机组复合应力等结果，并重新对机组在不同井眼曲率的通过能力 进行了评价。在电泵机组通过斜井段后，由于其潜油电泵轴和泵接头连接螺钉易失效，因此本文对电 泵轴和泵接头连接螺钉进行了有限元分析。通过对电泵轴与花键套接触的有限元分析，得到了电泵轴 的应力分布情况，泵轴最大应力发生在花键轴与过渡段连接处。泵轴与花键套由不同材料改为相同材 料蒙乃尔k 5 0 0 ，花键根部的应力集中系数下降了1 3 7 2 ；花键轴键侧根部圆弧由外圆弧改为内圆弧 设计，花键根部应力集中系数下降了1 0 7 7 ，为电泵轴花键段的设计和花键套材料的选用提供了依据。 针对潜油电泵机组连接螺钉在承受不同扭矩作用时的受力情况，以及对螺钉不同的排列时所能传递扭 矩和各螺钉受力情况的分析，得到了潜油电泵泵接头连接螺钉传递扭矩的规律，为判断螺钉的失效和 装配提供了理论方法。 关键词：非线性；有限元；接触分析；潜油电泵机组；电泵轴；连接螺钉 n t r a f f i cc a p a c i t yo fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pu n i ti nd e v i a t e dh o l ea n dv u l n e r a b l e c o m p o n e n tr e s e a r c h a b s t r a c t t h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt or e l y0 1 1i t so w ng r a v i t yi n t od o w nh o l es 仃i n go f f o u rc r i t e r i o n ：s t i f f n e s s ，c o n t a c t , s t r e n g t h ，f r i c t i o nc o n d i t i o n sa n db e c a u s ee s p u n i tt or e c e i v eh o l et h ec u r v a t u r ec h a n g ei nt h ed e v i a t e dh o l et o c a u s et h eu n i tt oh a v et h em e c h a n i c a lr e s i s t a n c ew h i c ht h eb i gd i s t o r t i o n w e l la st h eu n i td o w nr e c e i v e d ， p r o p o s e du s e dt h ei n t e n s i t yc o n d i t i o na n df r i c t i o nc o n d i t i o na p p r a i s e st h ee l e c t r i cp u m pu n i td e v i a t e dh o l et h e t r a f f i cc a p a c i t y , a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fa l le l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pd e v i a t e dh o l es t r $ d e f o r m a t i o n a n a l y s i sb yt h e3 - df i n i t ee l e m e n tm o d e l u s i n gt h ea n s y s s o f t w a r eb i gd i s t o r t i o n , t h ec o n t a c tn o n l i n e a r i z e d t h e o r yh a v ec a r r i e do f ft h ea n a l y s i st ot h ee l e c t r i cp u m pu n i t sd e v i a t e dh o l es t r e s s ，c a l c u l a t e st h ew i d d - c 1 7 w e l l ，1 3 0e l e c t r i cp u m pu n i t s ，w h e nw e l lp a s st h r o u g ha l la n g l eo f3 0 0c a nt h r o u g ht h el i m i tc u r v a t u r ef o f 6 。3 0 m ，t h i st i m et h et h r u s to ft h ed e c e n t r a l i z a t i o ni s1 7 5 k n f i n a l l ye s t a b l i s h e du s i n ga n s y ss o f t w a r e r e d e v e l o p m e n tf u n c t i o na p d l h a se l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pu n i td e v i a t e dh o l et h et r a f f i cc a p a c i t ya p p r a i s a l s p e c i f i cp r o g r a m ，m i g h ta c ta c c o r d i n gt ot h eh o l et r a c k ，t h ee l e c t r i cp u m pu n i tw h i c ha s s i g n e d ，m i g h t s i m u l a t i o ns t a t eo ft h eu n i ti nd i f f e r e n tc u r v a t u r ef o r c ed e f o r m a t i o n ，a n dg r a p h i c a ld i s p l a yt h er e s u l t so f e l e c t r i cp u m pu n i tc o m p o u n ds t r e s sa n ds oo n , a n dh a sc a r r i e do nt h ea p p r a i s a lt ot h eu n i ti nt h ed i f f e r e n th o l e c u r v a t u r et h et r a f f i cc a p a c i t ya g a i n i ne l e c t r i cp u m pu n i ta f t e rd e v i a t e ds e c t i o n ，b e c a u s ee l e c t r i cs u b m e r s i b l e p u m pa x i sa n dt h ep u m pj o i n tb o l ti se x t r e m e l ye a s yt oe x p i r e ，t h e r e f o r et h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do nt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i st ot h ee l e c t r i c i t yp u m pa x i sa n dt h ep u m pj o i n tb o l t t h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw h i c h c o n t a c t st ot h ee l e c t r i c i t yp u m pa x i sa n dt h es p l i n es e t , o b t a i n e dt h ee l e c t r i c i t yp u m pa x i ss t r e s sd i s t r i b u t i o n s i t u a t i o n ，s p l i n ea x i sw i t ht h em a x i m u ms t r e s si nt h et r a n s i t i o no f t h ej u n c t i o n p u m pa x i sa n ds p l i n es e ti n t o t h es a m em a t e r i a l sm o n e l k 一5 0 0f r o md i f f e r e n tm a t e r i a l s ，s p l i n er o o ts t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o rd r o p p e d 1 3 7 2 ：k e ys p l i n ea x i sa d j a c e n tt ot h er o o tc h a n g ei n t ot h ei n s i d ec i r c u l a ra r cf r o mt h eo u t s i d ea r cd e s i g n ， s p l i n er o o ts t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o rd e c r e a s e db y1 0 7 7 i th a sp r o v i d e dt h eb a s i sf o rt h ed e s i g no f t h e s p l i n ea x i sa n dm a t e r i a ls e l e c t i o no fs p l i n es e t s i nv i e wo fs t r e s ss i t u a t i o no f t h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p u n i tt oj o i nt h eb o l tw h e ni ti si nw i t h s t a n d i n gd i f f e r e n tt o r q u ef u n c t i o n ，a sw e l la sb o l tc a nt r a n s m i tt h et o r q u e a n dv a r i o u sb o l t ss t r e s ss i t u a t i o na n a l y s i sw h e nm e ya r ed i f f e r e n ta r r a n g e m e n t ，o b t a i n e dt h er o l eo ft h ej o i n t b o l t o f t h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pc o n n e c t i o n t r a n s f e r t o r q u e ，f o r j u d g e d t h ee x p i r a t i o n a n d t h eu n i to f t h e b o l th a sp r o v i d e dt h et h e o r ym e t h o d k e yw o r d s ：n o n l i n e a r i t y ；f i n i t ee l e m e n t ；c o n t a c ta n a l y s i s ；e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pu n i t ；e l e c t r i c i t yp u m p s h a f t ；j o i n tb o l t ； i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除文中f f _ j 经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意 作者签名： i 雪垒日期：筮晕；：1 2 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定。 学位论文作者签名：j 当局 日期：坼；1 7 导师签名：矛佗译导师签名：刀一y 匕盱 嗍：2 7 互纠 创新点摘要 1 提出了采用强度条件和摩阻力条件来评价潜油电泵机组斜井通过能力。 2 针对潜油电泵机组在斜井内的受力特点，采用空间壳单元建立了潜油电泵机组三维 有限元模型。 3 考虑了泵轴与轴套以及泵接头与连接螺钉三维接触问题，并分别选用实体单元建立 了电泵轴的非线性有限元模型和连接螺钉的非线性有限元模型。 i v 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 一、课题的来源及研究意义 计算机技术的迅猛发展，给工程分析、科学研究乃至人类社会带来急剧的革命性变 化，数值模拟即为这一技术革命在工程分析、设计和科学研究中的具体表现。数值模拟 技术通过吸取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件发展的最新成果，根据 不同行业的需求，在不断地扩展、更新和完善。 现代石油科技的一个突出特点就是把原有的石油及其它学科的理论、方法与不断发 展的计算机技术结合起来，采用多学科联合攻关，从而形成新的石油理论和方法或制造 出新型仪器、工具和设备。以现代化的计算机技术为手段，综合应用多学科技术解决石 油天然气工业中的技术难题，进而提高油气勘探、开发、开采、运输和油气加工工程的 科学技术水平和经济效益。 对于采油机械设备，由于其工作条件恶劣、结构受力复杂、要求无故障工作时间长、 自动化程度高等特点，用传统的设计方法已经不能满足现代高性能采油设备的设计要求。 随着计算机技术的飞速发展，使得采用有限元技术进行采油装备设计表现出极大的优越 性。 潜油电泵机组属采油机械设备，与地面的游梁式抽油机不同，其驱动设备全部安装 在井下。潜油电泵机组最初是为直井采油而设计的。如果将电泵机组安装在水平井的垂 直井段，由于气体干扰、段塞流或地层压力低等原因，产量可能太低。为了提高油井产 量和油田的最终采收率，我国各大油田已钻成一大批定向井和水平井。为了将电泵机组 下至大斜度或水平井段，由于机组受到油井套管内径尺寸的严格限制，在井眼狗腿度和 井斜作用下，电潜泵会发生很大的弯曲变形，产生过大的弯曲应力会影响密封效果和电 泵机组的正常工作i ”3 i 。一方面引起机组部件的塑性变形、机组连接螺钉及螺纹损坏、连 接法兰损坏，工作寿命降低；另一方面电泵机组与套管存在接触和摩阻力，引起电泵机 组电缆损坏、电缆与电机连接接头损坏，同时引起电泵机组下放阻力增大或遇阻。因此， 对电泵机组在弯曲井段内的受力分析和其通过能力的研究具有重要意义。 当潜油电泵机组通过斜井段后即电泵机组正常工作时，通过对电泵机组易失效部件 的统计发现，潜油电泵机组的花键轴和泵接头连接螺钉为其主要失效部件。由于受到油 井套管内径尺寸的严格限制，决定潜油电泵机组的结构都是又细又长，因而其轴类零件 也都是又细又长。在有限的空间内，轴类零件不仅关系到泵中过流空间的大小，而且也 决定了潜油电泵机组功率输出能力的大小，而机组各部件的驱动轴是通过花键来连接的， 导致花键轴容易发生失效。因此，轴类零件的安全性评价是潜油电泵机组设计的关键， 也综合反映了电泵机组最终的技术水平。潜油电泵各部件之间是通过连接螺钉连接的， 通过对连接螺钉的失效形式分析知道连接螺钉的失效模式主要是磨损断裂失效，占整个 引言 失效件的l o o ，由电泵机组连接螺钉断裂引起的机组落并事故时有发生，造成巨大的经 济损失。由此可见，本论文的研究不仅具有明显的理论研究意义，还有重要的工程应用 价值。 本课题来源于大庆潜油电泵公司技术开发项目中的部分研究内容，一方面是公司在 国际市场竞争的需要，急于准确掌握目前公司产品的技术水平，以和国外同类产品进行 对比；另一方面，意在缩小在技术设计上同国外同类产品存在的差距，以提高公司产品 在国际市场上的竞争力。 二、潜油电泵机组斜井通过能力和易失效部件研究现状 随者采油技术水平的提高和石油资源的逐渐减少，为了提高油井产量和油田的最终 采收率，水平井和斜井采油技术越来越受到关注1 4 - n j 。水平井技术于1 9 2 8 年提出，2 0 世 纪4 0 年代付诸实施，成为油气田开发、提高采收率的重要技术。2 0 世纪8 0 年代相继在 美国、加拿大、法国等得到工业化应用，并由此形成研究、应用水平井技术的高潮。水 平井钻井技术已日趋完善，并以此为基础发展了各项配套技术。在数量方面，目前世界 上应用水平井技术较多、技术水平较高的是美国和加拿大；国内也有较大的发展1 1 2 1 6 l ， 2 0 世纪9 0 年代后期，我国各大油田也已钻成一大批水平井和斜井。在水平井和斜井采油 中，螺杆泵和潜油电泵应用较为广泛，由于潜油电泵具有排量大、扬程高、使用寿命长 等特点，因此潜油电泵被广泛的应用在斜井采油技术中i ”一2 0 1 。在斜井采油中，必须将潜 油电泵机组下至大斜度或水平套管段。由于受到油井套管内径尺寸的严格限制，在将电 潜泵下至水平井中通过较大狗腿度时，潜油电泵机组会发生很大的弯曲变形，影响密封 效果和电泵机组的正常工作，并有可能引起电泵机组的损坏。因此，国内外对潜油电泵 机组在斜井内的受力情况都进行了分析。目前对电泵机组在斜井内工作状况的分析主要 集中在对现有直井用电泵机组的改进和机组在斜井内的受力分析上。 对斜井用潜油电泵机组的研究和对现有潜油电泵机组的改进是为了满足潜油电泵机 组在斜井中的广泛应用。由于受定向井和斜井井身结构的制约，普通潜油电泵机组用于 这类油井采油首先必须解决机组通过油共弯曲段时电缆受挤压损坏和机组产生永久变形 的问题，还要改进或重新设计相关防护装置。为了满足陆上和海上斜井原油开采的需要， 1 9 9 5 年，胜利石油管理局无杆采油泵公司开展了潜油电泵在定向井的应用工艺研究，研 制出斜井用潜油电泵机组口1 1 。这种电泵机组主要是通过改进机组底座联接法兰结构，设 计连接螺钉用碟形弹簧垫圈，设置由导向块和导向保护块构成的小扁电缆保护装置及三 腔胶囊式保护器等，增强了机组抗弯曲变形能力。 美国电潜泵大体上代表了当今的世界水平。据美国 w o r l do i l ) ) 杂志报导，近年来 美国在改进和提高电潜泵方面，进行了许多研究和探索工作，并且取得了许多成果，在 采油实践中取得了较好的社会效益和经济效益。美国利用电潜泵的电机与螺轩泵组合成 一体，成为新型井下驱动螺杆泵采油系统，也具有较好的采油性能。同时美国已经生产 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 和使用耐2 3 2 井温的电潜泵电机，可在高温井进行工作。同时高性能电潜泵动力电缆和 新型电缆保护器和控制板的使用。也为潜油电泵在斜井内的正常运行提供了保障。在北 海蒙特罗斯油田的斜井电潜泵采油实验中，电潜泵下在实测深度3 2 0 0 4 m ( 垂直深度 2 1 3 3 6 m ) ，井斜为6 0 0 ，因井的斜度高达6 0 0 ，所以下泵较困难。在大于2 3 0 4 8 m “狗腿” 的井中，机组要承受很大的挠曲应力。有些设备在下井过程中就已损坏，电机和电缆头 更是薄弱环节。后来采用了钢制电缆护罩，对电缆有了保护作用。 国内外许多学者都采用了许多方法对潜油电泵机组在斜井内的工作状况进行了简化 1 7 1 ，主要通过理论计算进行了受力分析，得到了潜油电泵机组在斜井弯曲段的力学模型i l l ， 并导出了潜油电泵机组在水平并狗褪段的变形微分方程式。利用叠加原理导出了套管和 潜油电泵机组的变形度计算公式，分析了机组在狗腿段受到的应力，得出了应力的计算 公式。通过这些分析和简化，我们可以从理论上计算出给定的电泵机组能通过的最大狗 腿度和其通过狗腿度时的受力情况。但是这种理论计算方法在计算过程中，忽略了机组 各段之间连接部位的刚度变化，只能针对给出的电泵机组的外径和机组长度以及井眼曲 率，粗略计算出机组的挠度和应力。而对于机组在下井过程中由于受到井眼曲率变化引 起的机组与套管之间的摩阻力和机组下放所遇到的机械阻力并不能进行计算。目前也可 以通过电泵机组弯曲试验田l ，从试验的角度对电泵机组进行弯曲力学分析，但是这种试 验往往仅选取部分机组进行计算，而不能对整个机组进行试验分析。因此，我们急需一 种新型和较为精确的方法来计算潜油电泵机组斜井通过能力。 国内外从理论和实验的手段，对上述问题都进行了研究，并在原有的电泵基础上进 行了改进，形成了适合于斜井工作状态的电泵机组产品。据文献介绍，国内可以在7 ”套 管内1 0 2 系列电泵机组通过1 0 3 0 m 的曲率井段，也可以在4 8 。井斜内安全工作：国外可 以在9 ”套管内电泵机组通过2 0 1 0 0 f t 的曲率井段，改进后电泵机组最大可以通过 1 5 0 l o o f t 的曲率井段。也可以在6 0 0 井斜内安全工作，在3 3 0 5 m 曲率段内机组不会产生 永久变形2 “。 当电泵机组通过曲率段正常工作时，通过对现场数据的调研知道，电泵机组的花键 轴和泵接头连接螺钉为其主要失效部件。针对泵轴失效分析与控制问题，国内外目前主 要从泵轴材料性能分析与选材入手 2 4 - 2 8 1 ，而对花键套的材料选用还没有进行有效的分析； 在泵轴花键结构设计方面，国外己采用内圆弧进行键侧根部设计，但未见分析计算报道， 而国内电泵轴键侧根部仍采用外圆弧设计，有些公司也开始了内圆弧设计的探讨，但还 没有成型的产品和设计分析文献。对于机组泵接头采用的高强度螺钉国内外都对其进行 了广泛应用，研究了螺钉连接的接触摩擦问题1 2 ”，分别提出了许多简化模型和公式；也 有不少学者通过对螺钉采取不同的假定和单元选择，对螺钉连接中的接触问题进行了有 限元分析。 三，本文主要研究内容 引言 本论文所进行的潜油电泵机组斜井通过能力评价和易失效部件的有限元分析不同于 以往所采用的理论计算的方法。在对电泵机组的研究过程中主要考虑了潜油电泵机组在 通过斜并段时由于与套管壁摩擦而产生的摩阻力以及机组下放到并下时所遇到的机械阻 力，采用壳单元三维建模的方法对电泵机组的通过能力进行仿真。在花键轴和泵接头连 接螺钉的有限元分析中，也采用了三维实体建模的方法对其进行仿真计算。由于本论文 涉及大量非线性力学分析问题，研究方法主要采用理论研究和有限单元法【3 0 】。考虑到 a n s y s 软件在处理几何非线性和边界非线性的功能，本文将运用a n s y s 软件对潜油电 泵机组中的接触非线性问题进行研究。 本论文所采用的潜油电泵机组斜井通过能力评价和易失效部件有限元分析方法是一 个较新的课题，研究内容包括以下三方面： 1 措油电泵机组斜井通过能力研究： 分析潜油电泵机组在斜井内安全工作的前提条件，提出采用强度条件和摩阻力条件 来评价潜油电泵机组的通过能力。同时对潜油电泵在斜井内的受力情况进行分析，基于 机组在斜井内由于井眼曲率发生变化发生弯曲变形、摩擦和下放遇阻的特点，建立了机 组在斜井内的有限元模型。利用a n s y s 软件的大变形和接触非线性功能对w i d d c 1 7 井，1 3 0 电泵机组，在9 ”套管内，泵挂深度为1 3 7 1 6 m ，井斜角为3 0 0 时的通过能力进 行了分析计算。 并提出了潜油电泵机组通过能力参数化评价方法，用a n s y s 软件的二次开发功能 a p d l 编制了电泵机组斜井通过能力评价程序，对上述机组再次进行计算，针对机组在不 同井眼曲率的通过能力进行评价。 2 潜油电泵机组花键轴非线性有限元分析： 针对泵轴传递扭矩时花键轴与花键套的受力变形状态和接触状态，建立了花键轴和 花键套的三维接触非线性有限元模型，对泵轴正常工作时其应力状态进行分析。并分别 针对改变花键套材料和改变花键轴键侧根部圆弧设计的方法来计算泵轴的应力分布情 况。 3 潜油电泵机组泵接头连接螺钉的非线性有限元分析： 针对泵接头传递扭矩时，泵接头与连接螺钉的受力状态以及接触状态，建立了泵接 头和连接螺钉的三维接触非线性有限元模型。采用温度法模拟泵接头连接螺钉由于上扣 扭矩而引起的螺钉初始预紧力。并分别通过改变失效螺钉的分布和泵接头接触面的摩擦 系数以及连接螺钉的预紧力来分析泵接头传递扭矩规律。 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第一章潜油电泵机组工作状态描述 1 1 潜油电泵机组的组成及特点 l _ 潜油电泵机组的组成i “ 潜油电泵机组是一种机械采油设备，其作用就是将井下的液体抽送到地面。潜油电 泵机组主要由三个部分组成，其管柱示意图如图1 1 所示。 图1 - 1 潜油电泵机纽管柱示意图 f i g l 一1e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pu n i tt u b i n gs k e t c h 图中：1 变压器；2 控制柜；3 接线盒；4 出油干线：5 井口；6 电缆；7 泄油阀：8 单流阀：9 泵：1 0 分离器；1 1 保护器：1 2 电机。 第一章潜油电泵机组工作状态描述 ( 1 ) 井下部分：潜油泵、分离器( 吸入口) 、保护器、潜油电机、潜油电缆。 ( 2 ) 地面设备：变压器和控制柜。 ( 3 ) 辅助设备：扶正器、测温测压装置、单流阀、泄油阀、专用井口、接线盒。 潜油电泵机组有两种控制方式，即定频控制和变频控制。一般情况下，在油井上常用 的为定频控制方式。 潜油电泵机组按适用于套管直径可分为适用于5 ”和7 ”以上套管的各种系列潜油电 泵机组。在5 0 h z 下适用于5 ”套管机组的额定排量范围为1 5 7 0 0 m 3 d ，扬程在3 0 0 0 m 以下。在6 0 h z 下，机组的额定排量范围为1 8 8 4 0m 3 d ( 1 1 3 5 2 8 5 b b l d ) ，扬程在3 0 0 0 m 以下；适用于7 ”以上套管机组的额定排量范围为2 0 0 1 2 0 0m 3 d ，扬程在3 0 0 0 m 以下。 在6 0 h z 频率下，机组的额定排量范围为2 4 0 1 4 4 0m ( 1 5 0 9 9 0 5 7 b b 砌) ，扬程在3 0 0 0 m 以下。机组耐温度等级分别适用于井温9 0 c ，1 2 0 ，15 0 c 。 2 潜油电泵机组的特点 潜油电泵杌组以电能为动力源。电网电压首先经过降压变压器改变电压后，输送到 变频器中，经过变频器变换至所需的电源频率后，输入到升压变压器，将电压提升到电 机所需电压，通过潜油电缆将电能传输给潜油电机，潜油电机将电能转换为机械能，带 动潜油泵高速旋转，潜油泵中的每级叶轮、导壳使井液压力逐步提高，在潜油泵出口处 达到潜油泵要求的举升扬程，井液通过油管被举升至地面，再通过地面管线传输至地面 集输系统。 潜油电泵机组的特点如下： ( 1 ) 排量范围大： ( 2 ) 扬程高： ( 3 ) 可以根据产液变化要求进行变频调速； ( 4 ) 地面设备占用面积和空闯小，适用于海上平台： ( 5 ) 使用寿命长； ( 6 ) 便于管理； ( 7 ) 适用于斜井、水平井。 1 2 潜油电泵机组各主要部件原理及特点 1 2 1 潜油电泵的工作原理及组成特点 1 潜油电泵工作原理阻3 3 1 潜油离心泵是一种多级离心泵，它是潜油电泵机组的重要组成部分，控制着整个潜 油电泵机组的正常工作，主要由泵轴、泵壳体、叶轮、导壳、泵下接头、泵上接头和连 接花键套等组成，见图1 2 所示。在油井中潜油电机将机械能传递给潜油泵，潜油泵内的 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 时轮高速旋转，将原油从油井中抽送至地面集油系统。潜油泵作为一种重要的机械采油 设备，在国内、外油田得到广泛的应用和发展。 2 潜油电泵组成特点 潜油电泵一般由1 5 节组成。在下井施工中，每节泵之间利用泵接头的法兰连接( 法 兰接口处用橡胶密封圈密封) ，而泵轴与泵轴之间用花键套连接。 潜油电泵的重要组成部分是电泵轴，它的主要作用是用来传递扭矩的，图1 3 是电泵 轴示意图。由于每节泵叶轮、导轮级数多，所以泵轴又细又长。泵轴都是实心轴，轴径 】7 4 m m 3 0 m m ，单根轴最大长度达到7 1 5 m 。在泵轴上有一条通长的键槽，轴两端 为花键。它将来自电机的扭矩通过方键传递给泵内的每一级叶轮，同时通过花键传递给 上一节泵。由于泵轴细而长，传递的功率较大，以及在工作状态下扭转角较大，因此泵 轴成为潜油电泵甚至整个电泵机组的主要易失效部件。同时由于电泵轴所处的工作状态 要求泵轴的材料不但要有较高的强度，而且要有较好的塑性和韧性。潜油离，t l , 泵是浸在 井液中工作，多数井液都具有腐蚀性介质，因此要求泵轴的材料还应具有较高的耐腐蚀 性，目前泵轴材料一般采用蒙乃尔k 5 0 0 。由于潜油电泵本身的重要性，因此本文第三章 和第四章将着重对潜油电泵主要易失效部件的花键轴和泵与泵之间连接用的泵接头连接 螺钉的安全性进行评价。 图1 - 2 电泵示意图 f i g l - 2e l e c t r i cp u m ps k e t c h 1 2 2 油气分离器的工作原理 图1 - 3 电泵轴示意图 f i g l 一3e l e c t r i cp u m pa x i ss k e t c h 油气分离器是潜油电泵机组四大部件之一，它位于保护器和多级离心泵之间。油气 分离器有两个基本作用：一是作为井液进入多级离一t l , 泵的吸入口：二是当混合气液体进 入离心泵之前，先通过分离器进行气、液两相分离。被分离出的气体进入油、套管环形 7 第一章潜油电泵机组工作状态描述 空间，减少气体对泵工作性能的影响，从而提高泵效和延长泵的使用寿命，使潜油电泵 机组能够正常运转。图卜4 所示为旋转式油气分离器的结构示意图，主要由轴、壳体、吸 入口接头、诱导轮、导流轮、分离转子、交叉导轮和上接头等组成。 油气分离器轴的结构形式和潜油离心泵轴的结构形式基本相同，长度般在l m 左 右，由于和井液接触，所以材料一般也采用蒙乃尔k 一5 0 0 。 1 2 3 电机保护器 保护器主要是保护潜油电机的，最终目的是阻止井液进入潜油电机，避免烧毁潜油 电机。因此保护器直接与潜油电机相连。目前使用的电机保护器主要有两种，沉淀式保 护器和胶囊式保护器，图1 5 所示为胶囊式保护器的示意图。 保护器轴的结构形式和潜油离心泵轴的结构形式基本相同，长度一般在2 m 左右，材 料一般也采用蒙乃尔k 5 0 0 。 图1 4 分离器示意图 f i g l 一4s e p a r a t o rs k e t c h l 。2 4 潜油电机 图l - 5 保护器示意图 f i g l - 5p r o t e c t o rs k e t c h 潜油电机胂i 为两极三相鼠笼式感应电机，为立式悬挂结构，主要由定子、转子、止 推轴承、扶正轴承、电机头和下接头等组成，见图1 6 所示。电机为密闭式，腔内注满高 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 纯度、介电强度高的矿物油，它在电机内起到润滑、绝缘和传递 热量的作用。 潜油电机轴是一根细长的空心轴，其作用是连接和固定各转 子节、扶正轴承。在转轴上，按一定的距离间隔开有许多小孔至 转轴中心的空腔，其作用是润滑油可通过空腔、小孔来润滑扶正 轴承内外套，并使润滑油能得到一定的流动循环。 1 3 本章小结 本章主要介绍了潜油电泵机组的组成及工作原理，对潜油电 泵机组的工作状态进行了描述。并重点介绍了机组井下部分的四 大组成部分，包括潜油离心泵、油气分离器、电机保护器和潜油 电机的组成及工作原理，进而了解潜油电泵机组各部分在井下的 工作状态和部件结构形式及特点。 通过对潜油电泵机组的四大部件的分析，得出潜油离心泵、 油气分离器、电机保护器和潜油电机都属于壳体部件，并且主要 图1 6 电机示意图 f i g l 6m o t o rs k e t c h 通过轴类零件在机组中传递力和扭矩，每个部件之间通过接头和连接螺钉进行连接，因 而对潜油电泵机组各部件的壳体零件和轴类零件以及泵接头连接螺钉的安全性评价就显 得尤为重要，本文主要针对这类问题进行分析。 9 第二章潜油电泵机组在斜井内的通过能力评价 第二章潜油电泵机组在斜井内的通过能力评价 2 1 潜油电泵机组力学分析模型 由于斜井采油具有直井所不可比拟的优点，因此潜油电泵设备被大量地应用于斜井 采油。自2 0 世纪6 0 年代以来，国外斜井采油工艺技术就有了较大的发展，从目前国外 斜井潜油电泵采油的情况来看，应用比较成熟的有美国、俄罗斯、英国和印度尼西亚等 国家。自2 0 世纪9 0 年代以来，斜井采油在我国得到了比较迅速的发展，经过十多年的 应用，己取得了较大的成功，其工艺技术日趋完善，应用井数大幅度增加。为了满足陆 地和海上定向井采油应用潜油电泵的需要，研究斜井潜油电泵采油工艺技术具有重要的 现实意义。 2 1 1 潜油电泵机组在斜井内的受力分析 在斜并中应用潜油电泵，不仅要求潜油电泵的各种参数与油并的生产情况相匹配。 同时，要考虑到井筒曲率的变化对潜油电泵设备下井和正常运行的影响。针对规格已被 确定的潜油电泵设备，研究和计算机组下并最大允许曲率是非常重要的内容。所以，在 研究和计算时，必须考虑套管内径、潜油电泵设备的长度及最大外径等因素。 潜油电泵机组在斜井中除了和在直并中受到相同的机组的重力、井液的浮力、油管 对机组的作用力外，由于斜井中井眼曲率的变化，因而还受到套管壁对电泵机组的支反 力和机组与套管壁的接触摩擦力。 对于斜井，由于井眼轴线存在着曲率变化，给潜油电泵机组下井带来很大困难。在 下井安装过程中，当潜油电泵机组通过弯曲并段时，将会导致并下设备、油管及电缆与 套管之间的挤压和摩擦，从而产生附加载荷，严重时会导致电缆挤坏或刮伤，甚至使潜 油电泵设备卡死在井中。曲率段导致电泵机组弯曲，可能引起机组部件的塑性变形、机 组连接螺钉及螺纹损坏、连接法兰损坏；电泵机组与套管存在接触和摩阻力，引起电泵 机组电缆损坏、电缆与电机连接接头损坏，同时引起电泵机组下放阻力增大或遇阻。 2 1 2 潜油电泵机组三维力学模型的建立 通过对潜油电泵机组的受力分析知道，潜油电泵机组在斜井中主要受到机组的重力、 井液的浮力、油管对机组的作用力、套管壁对电泵机组的支反力和机组与套管壁的接触 摩擦力作用。 通过以上分析，对潜油电泵机组在斜井内的受力分析首先做以下假设： ( 1 ) 电泵机组在斜井中只产生平面弯曲； 大庆石油学院硕士研究生学位论文 ( 2 ) 套管不发生变形，截面始终保持圆截面； ( 3 ) 电泵机组各部件连接处的局部刚度进行等效。 由于机组的截面是圆形的，且其外径比套管的内径小得多，所以它与套管内壁的接 触沿圆周方向是点接触，沿轴线方向为多点不同方位接触。根据电泵机组在水平井中的 受力状态，其受力状态示意图如图2 1 所示。 通过简化，由图2 - 1 可以看出潜油 电泵机组在斜井内受到机组下放推力 局、来自井底对机组的机械阻力r 、 机组由于与套管壁发生接触而产生的 随机摩阻力 机组自身的重力g 和套 管壁对电泵机组的随机支反力p 。 通过对潜油电泵机组斜井内的受 力分析知道，如果要保证潜油电泵机组 通过斜井段后安全工作，必须保证四个 条件：刚度条件一即保证潜油电泵 机组内部各部件在通过曲率段时不发 生相对转角过大而导致内部发生破坏 现象：接触条件即保证潜油电泵 j 图2 1 潜油电泵机组斜井受力状态示意图 f i 9 2 - 1e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pu n i t i nd e v i a t e dh o i es t r e s ss t a t u ss k e t c h 机组各部件之间的连接法兰和电缆等在通过曲率段时不发生挤压损坏；强度条件一 即保证潜油电泵机组的各部件在通过曲率段后不发生塑性变形，在通过曲率段后能恢复 直线状态而正常工作：摩阻力条件即保证潜油电泵机组具有足够的推力在通过曲 率段时由于套管壁对机组的摩擦阻力引起机组下放不发生困难。 由于现有数据还不能确定保证电缆等不被挤压破坏对机组内部各部件剐度要求、套 管与机组的接触力的大小，因此本文主要针对后两个条件，强度条件和摩阻力条件对潜 油电泵机组的斜井通过能力进行评价。 2 2 潜油电泵机组斜井通过能力评价的力学理论 通过分析知道潜油电泵机组在斜井中的通过能力评价有两个需要解决的问题，即强 度条件和摩阻力条件。潜油电泵机组的强度条件就是要判断当电泵机组通过曲率段时， 各部件受到弯曲变形后是否发生破坏，因而这一强度条件就转化为电泵机组各部件的受 力弯曲问题。由于潜油电泵机组属于细长壳体，机组各部件的弯曲是通过电泵机组的大 变形来实现的，因而，需要解决的第一个问题就是潜油电泵机组的大变形问题。摩阻力 条件是判断机组下放到井下时是否受到套管的摩阻而遇阻。潜油电泵机组与套管壁的摩 第二章潜油电泵机组在斜井内的通过能力评价 阻力是通过机组与套管壁的接触摩擦产生的，因而我们需要解决的第二个问题就是潜油 电泵机组与套管壁的接触问题。 这样潜油电泵机组在斜井内通过能力评价问题就转化为管柱的大变形问题和接触问 题。考虑到a n s y s 软件在处理几何非线性即大位移问题和边界非线性即接触问题的功 能，因此，本文将采用a n s y s 软件对潜油电泵斜井通过能力所遇到的大位移和接触问题 进行计算。 2 2 1 大变形几何非线性的基本解法 几何非线性问题包括大位移、小应变以及大位移、大应变。潜油电泵机组是典型的 薄壁壳体结构，在通过斜井段过程中的位移比较大，属于大位移问题，分析时必须考虑 几何非线性问题。 1 基本公式 首先，用虚位移原理建立有限元平衡方程组。用列阵v 表示每个节点广义内力和广 义外力矢量的总和，根据虚位移原理，外力因虚位移所做的功，等于结构因虚应变所产 生的应变能，那么由虚位移原理可以写成下式 d 6 7 妒；陋7 0 d v d 6 7 p = 0 ( 2 - 1 ) 式中：砌为虚位移；如为虚应变；p 代表载荷列阵。 再用应变的增量形式写出位移和应变的关系 出=面彤(2-2) 利用式( 2 - 2 ) 消去彩，得到非线性问题的平衡方程组如下： 缈p ) = 陋o d v p = 0 ( 2 3 ) 式中的积分运算是应用通常的方法，由各个元素的积分对于结点平衡所作的贡献总 合而成，因此，式( 2 3 ) 不论位移( 或应变) 是大的或是小的，都应完全适用。 在大位移的情况下，应变和位移的关系是非线性的，因此矩阵面是占的函数。为了 运算方便起见，可以写成 b=bo+bl(2-4) 式中；玩为线性应变分析的矩阵项，与巧无关；墨为由非线性变形丽引起的，与占有关， 通常，口，是位移列阵d 的线性函数。 在大多数情况下，尽管位移很大，结构的应变并不大，应力应变关系还是线弹性关系， 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 因此有 d = d g s o ) + 盯。 式中：d 是材料的弹性矩阵，是初应变列阵，是初应力列阵。 ( 2 5 ) 通常用牛顿一拉夫逊方法求解( 2 3 ) ，因此，需要建立咖和彩之间的关系，由式( 2 3 ) 取l f ，的微分，得到 如= 妒1 d r d v + p l d a d v 在式( 2 5 ) 中，忽略初应变和初应力的影响，得到 d a = d d = l 豆d 6 在式( 2 - 4 ) 中，风与6 无关，所以 代入式( 2 6 ) ，得到 d b = d b ， 却= p 碗删+ - 1 其中 雷= j 面1 面d y = 民+ 玩r d 慨+ b 。 d v = k 。+ k 。 k o = 佩d b o d v k l = f b7 d b l + b l 7 d b l + b l 7 d o ) l v 式中：k 。为小位移的线性刚度矩阵；k l 为初始位移矩阵或大位移矩阵。 式( 2 - 7 ) 中的右边第1 项可以写成如下形式： 妒? d r d v = k ，d 6 式中：眉。是关于应力盯的对称矩阵，称为初应力矩阵或几何刚度矩阵。 于是，式( 2 - 7 ) 可以写成 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) i 历v ) ( 2 1 0 ) ( 2 “) 却= ( 眉o + 置，+ 置如= k r 彩 ( 2 1 2 ) 毒寺 k t = k + kd 七k t 式中：k ，为切线刚度矩阵。 2 求解方法 第二章潜油电泵机组在斜井内的通过能力评价 对于大位移问题，通常采用牛顿一拉夫逊( n e w t o n r a p h s o n ) 求解，迭代公式为 4 蛾= 一眉r y 。 ( 2 - 1 3 ) 瓯。= 巩+ 4 瓯 ( 2 1 4 ) 牛顿一拉夫逊迭代方法，可以总结步骤如下： 用线性弹性解作为d 的第一次近似值磊； 由式( 2 4 ) 计算否，由式( 2 5 ) 计算应力矿，由式