（石油与天然气工程专业论文）中排量螺杆泵专用抽油杆研制与应用.pdf

卜 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 中排量螺杆泵专用抽油杆研制与应用 摘要 螺杆泵举升技术经过近几年的完善配套，取得了较大的进步，随着螺杆泵采油 技术的日趋完善及螺杆泵的工业化推广，研制与中排量螺杆泵相配套的专用抽油杆 是今后发展的必然趋势。现场试验表明：小排量螺杆泵举升技术可以进行工业化推 广应用。但是，中排量螺杆泵在抽油杆方面暴露出较严重的断脱问题，制约了中排 量螺杆泵在油田上的大面积推广应用。 近几年，国内部分厂家已经开始研制应用螺杆泵防脱抽油杆，比较有代表性的 是大庆采油工程研究院和第三采油厂，二者都是采用插接式结构，并且见到了初步 效果，但也存在一定的问题，主要是由于制造工艺还不十分稳定，使抽油杆寿命尚 不能完全满足现场要求。在国外，还没有见到有关防脱专用抽油杆方面的报道。 经过现场调查和技术攻关，分析了引起杆柱断脱事故的主要原因。通过分析发 现，普通抽油杆的断脱原因是接头形式对螺杆泵适应性差、抽油杆的材质和加工质 量存在问题等。在研究螺杆泵用抽油杆的设计制造方法的基础上，全面、系统地研 究设计抽油杆材料和接头结构形式，为拓展螺杆泵的科研攻关提供研究思路和方法， 同时为螺杆泵推广应用提供技术支持。 通过采用插接结构及锥螺纹结构解决了抽油杆的脱扣问题，并利用有限元方法， 分析了杆头的应力集中问题，优化了结构参数，使螺杆泵专用抽油杆实现了等强度 设计。在抽油秆加工方面，严格控制锻造温度，合理确定锻造比，提高了锻造质量； 采用杆头跟踪预热处理技术，消除了杆头调质缺陷，提高了抽油杆应用的可靠性。 在综合上述研究的基础上，现场试验螺杆泵专用抽油杆1 3 2 0 口井，最长运转时 间8 2 1 d ，使中排量螺杆泵配套杆柱的断脱率由2 6 降低到6 9 ，满足了现场需要。 关键词：螺杆泵；专用抽油杆；插接结构；锥螺纹结构；断脱 a b s t r a c t d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fp c ps p e c i a lp u m p i n gr o d w i t h m i d d l ed i s p l a c e m e n t a b s 仃a c t p c p l i f t i n gt e c h n o l o g yh a sg o tag r e a tp r o g r e s st h r o u g hp e r f e c t i n ga n dm a t c h i n gi tf o r r e c e n ty e a r s p c p l i f t i n gt e c h n o l o g yw i t h l i t t l e d i s p l a c e m e n ta tf i e l d t r i a lm a yb e p o p u l a r i z e di n d u s t r i a l i z a t i o n ， s i n c et h ep c pt e c h n o l o g yh a sb e e np e r f e c t e dd a yb yd a y t h ep c p p u m p i n gr o dw i t hm i d d l ed i s p l a c e m e n te x p o s e dt oas e r i o u sp r o b l e mo rb r e a k i n g d r o po u tt ol i m i tt h a tp c p w i t hm i d d l ed i s p l a c e m e n tw o u l db el a r g e l yp o p u l a r i z e da tt h e o i l f i e l d i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pas p e c i a lp u m p i n gr o dm a t c h i n gp c pw i t hm i d d l e d i s p l a c e m e n t i nr e c e n ty e a r s ，s o m ed o m e s t i cm a n u f a c t u r e sh a sb e g u nt od e v e l o pa n da p p l yp c p a n t i d r o p o u tp u m p i n gr o d d a q i n go i lp r o d u c t i o ne n g i n e e r i n g i n s t i t u t ea n dn o 3 p r o d u c t i o np l a n ta r er e p r e s e n t a t i v e ， a n dt h ep r e l i m i n a r yr e s u l th a sb e e ng o t t h ei n s e r t e d a n dc o n n e c t e ds 仇l c n l r ea r eu s e di nt h ep u m p i n gr o d t h e r ea r es o m ep r o b l e m st ob e s o l v e d t h em a i nq u e s t i o ni st h a tt h ep u m p i n gr o dl i f ew o u l dn o ts a t i s f yt h en e e d so ft h e f i e l ds i n c et h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sn o ts t a b l e t h er e p o r ta b o u tt h ea n t i d r o p o u t p u m p i n gr o dh a sn o tb e e ns e e na b r o a d w ea n a l y z e dt h em a i nr e a s o nt om a k et h ep u m p i n gr o dd r o p o u tt h r o u g hm a k i n gs p o t t e s ta n dt a c k l i n gk e yp r o b l e m st e c h n i c a l l y t h ec o m m o np u m p i n gr o dc o n n e c t o rs h a p ei s p o o r l ys u i t a b l et op c p ，a n dt h ep u m p i n gr o dm a t e r i a la n di t sp r o c e s s i n gq u a l i t yh a v ea l s o s o m ep r o b l e m sa n ds oo n o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gt h ep c pr o dd e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gm e t h o d ，t h ep u m p i n gr o dm a t e r i a la n dc o n n e c t o rs h a p ea r es t u d i e da n d d e s i g n e dc o m p l e t e l ya n ds y s t e m a t i c a l l yt op r e s e n tt h er e s e a r c ha p p r o a c ha n dm e t h o df o r t a c k l i n gk e yp r o b l e m st e c h n i c a l l y ， a tt h es a m et i m et o g i v et e c h n i c a ls u p p o r tf o r p o p u l a r i z i n gp c e t h ep r o b l e mo fp u m p i n gr o dd r o p o u tw a ss e t t l e dt h r o u g hi n s e r t e d c o n n e c t e d s t r u c t u r ea n dc o n et h r e a ds t r u c t u r e t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o dt oa n a l y z et h es t r e s sc o n n e c t i o np r o b l e mo fr o dh e a d ，r e a l i z i n gt h e u n i f o r ms t r e n g t hd e s i g no f p c p s p e c i a lp u m p i n gr o d a st ot h ep u m p i n gr o dp r o c e s s i n g ， t h ef - o r g e dt e m p e r a t u r ea n dr e a s o n a b l yd e t e r m i n i n gf o r g i n gr a t i o t h et h e r m a lr e f i n i n g d e f e c to fr o dh e a dw a se l i m i n a t e db yt h et r a c k i n gp r e h e a tt r e a t m e n to fr o dh e a dt o i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h ep u m p i n g r o d a p p l i c a t i o n o nt h eb a s i so fa b o v ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c h ，p c ps p e c i a lp u m p i n gr o d sw e r e t e s t e da tf i e l di n1 3 2 0w e l l s t h el o n g e s tr u n n i n gt i m ew a s8 2 1 d t h ed r o p o u tr a t i oo f r o d s t r i n gm a t c h i n gp c p w i t hm i d d l ed i s p l a c e m e n td e c r e a s e df r o m2 6 t o6 9 t om e e tt h e n e e d so f f i e l d k e yw o r d s ：p c p ：s p e c i a lp u m p i n gr o d ： i n s e r t e d c o n n e c t e ds n l l c t l l r e ：c o n e t h r e a ds t r u c t l l r e ：d r o p o u t i t 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 前言 1 1 国内外研究现状、存在问题及发展趋势 1 1 1 国外研究现状、水平及发展趋势 以美国和原苏联为代表的常规抽油杆国际先进生产技术，采用高质量的抽油杆 钢材，并进行1 0 0 探伤；杆头镦锻自动化，锻模设计合理，锻造成品率达9 7 ， 一副锻模可锻杆头1 0 0 0 0 个。原苏联斯密特厂采用2 5 0 0k n 平锻机锻造1 3 - - - 2 8 衄抽 油杆，采用整体结构的锻模；热处理采用抽油杆电阻炉热处理机组或气体( 煤气或 天然气) 炉机组，炉内采用螺旋式输送器输送抽油杆，炉温自动控制，炉温均匀度 为士1 0 。c ；采用杆头不旋转加工杆头，螺纹滚压成型，滚压卸载槽：利用多轴自动 机床加工接箍，内螺纹挤压成型；斯密特厂生产的抽油杆大部分采用抽油杆表面感 应淬火机床做表面淬火，可同时对6 根抽油杆进行表面淬火，生产效率为每小时7 0 根。 加拿大阿尔伯塔w e a t h e r f o r d 公司研制了大型螺杆泵和驱动装置。由于抽油杆和 接箍尺寸的增加，连接驱动装置和螺杆泵的抽油杆扭矩也在相应增加。能常采用的 方法是研制较大的抽油杆，但这会限制液流流动和增加杆柱的质量和扭矩，并需要 较大的、且昂贵的驱动装置。为此，w e a t h e r f o r d 公司研制出一种新型超高强度抽油 杆，使上述问题得以解决。e l 抽油杆能够满足新型驱动装置和螺杆泵大扭矩的需求。 为进一步增加抽油杆的高扭矩值，又研制了高扭矩接箍。该接箍采用了新的抽油杆 扭矩值，并设定了超出传统工业范围的运转系数。由于这一安全系数，与已颁布的 传统抽油杆一样，无须增加新型抽油杆扭矩值。新型抽油杆与接箍的超高扭矩值可 使操作者使用低于传统的抽油杆尺寸，即将2 5 4l r l l n 抽油杆变为2 2m i l l 。减轻了抽 油杆柱的质量，增大了液流面积，减小了扭矩 2 1 。 1 1 2 国内研究现状、水平及发展趋势 我国抽油杆制造厂由1 9 8 1 年的2 家发展到1 9 9 8 年的2 7 家( 其中实心抽油杆制 造厂1 8 家，空心抽油杆制造厂6 家，玻璃钢抽油杆制造厂2 家，柔性抽油杆制造厂 1 家) ，抽油杆的品种由1 种增加到1 2 种，抽油杆年产能力由2 0 0 x 1 0 4m 增加到 2 6 9 3 x l o m ( 其中实心抽油杆2 3 7 0 x 1 0 4m ，空心抽油杆2 4 3 x 1 0 4m ，玻璃钢抽油杆 8 0 l o m ) ，抽油杆质量大大提高，不仅满足了国内各油田的生产需要，而且出口美 国、加拿大、印度、印尼、巴基斯坦、墨西哥、苏丹、俄罗斯、哈萨克斯坦、土库 前言 曼斯坦和乌兹别克斯坦等1 1 个国家。我国己形成一支由抽油杆制造厂、油田公司和 1 0 个研究院所、9 所高等院校组成的高水平的抽油杆研制队伍。 为适应我国石油工业发展，科技进步使抽油杆的研制水平不断提高，常规抽油 杆的生产技术水平基本稳定，抽油杆锻造机械手、杆头不旋转j w t 自动线和接箍加 工自动线得到发展；研究了抽油杆缺陷评定技术理论、旧抽油杆检测与修复技术、 抽油杆中频感应炉用j h - - 1 2 0 0 红外光导智能测温仪、几8 9 5 0 抽油杆热处理机组、 抽油杆中频感应加热淬火、有杆抽油系统优化设计软件、抽油杆锻造成型新工艺； 空心抽油杆、电加热抽油杆、超高强度抽油杆、非调质钢抽油杆、玻璃钢抽油杆、 防腐抽油杆和柔性抽油杆的应用规模不断加大；超高强度空心抽油杆、摩擦焊接抽 油杆、连续抽油杆、t f g 非调质钢抽油杆、涂层防腐抽油杆、f g 2 0 非调质抽油杆、 螺杆泵专用空心抽油杆和新型超高强度强韧性抽油杆取得突破 3 - 1 1 】。 近几年，国内部分厂家已经开始研制应用螺杆泵防脱抽油杆，比较有代表性的 是大庆采油工程研究院和第三采油厂，都是采用插接式结构，并且见到了初步效果， 但也存在一定的问题，主要是由于制造工艺还不十分稳定，使抽油杆寿命尚不能完 全满足现场要求。 随着螺杆泵采油技术的日趋完善及螺杆泵的工业化推广，研制与中排量螺杆泵 相配套的专用抽油杆，是今后发展的必然趋势。 1 2 目的、意义 通过本论文的研究，可以探讨出一套适合中排量螺杆泵专用抽油杆的设计制造 和使用方法，解决中排量螺杆泵的抽油杆配套问题，为拓展螺杆泵的科研攻关提供 研究思路和方法，同时为螺杆泵推广应用提供技术支持，有利于完善和工业化推广 螺杆泵采油技术。 1 3 主要研究内容及研究思路 1 3 1 主要研究内容 针对大庆油田实际排量为8 0 1 2 0m 3 ( 1 的中排量螺杆泵井在现场应用中出现的杆 柱断脱问题，在分析杆柱断脱原因的基础上，依据理论计算设计出中排量螺杆泵专 用抽油杆，通过采用插接结构及锥螺纹结构，解决螺杆泵井杆柱脱扣问题，并通过 合理选材、改进加工工艺、加强检验措施来保证杆体质量，延长杆体使用寿命，实 现螺杆泵专用抽油杆与中排量螺杆泵配套，满足生产要求，使中排量螺杆泵用于生 产成为适用的举升方式。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 ( 1 ) 寿命的影响因素研究 通过对抽油杆实物试样的疲劳试验研究，分析抽油杆材质的抗疲劳性能和影响抽 油杆疲劳寿命的因素。研究抽油杆材料特性对杆体寿命的影响；研究锻造、热处理、 杆头机加工质量对杆体寿命的影响；研究抽油杆柱承受应力对杆体寿命的影响；研 究腐蚀介质环境对杆体寿命的影响。 ( 2 ) 材料优选 根据螺杆泵的杆柱服役条件，通过试验优选出专用抽油杆的材料，以保证专用抽 油杆的强度、可靠性和寿命。 ( 3 ) 防脱结构及连接方式优化设计 建立一种专用抽油杆的受力分析模型，通过该模型对所设计的专用抽油杆进行理 论计算，优选出专用杆的防脱结构；从技术和经济两个方面综合考虑，比较空心和 实心两种结构进行优选加工。 ( 4 ) 整体质量控制技术 为保证杆体的质量，研究如下几方面问题。 1 ) 锻造工艺参数的确定：确定始锻温度和终锻温度，防止锻造时出现过热、过 烧及微观裂纹。 2 ) 热处理工艺参数的优选：根据专用抽油杆的具体结构，确定合理的热处理工 艺参数。 3 ) 杆体、杆头校直：通过采用滚动校直、拉伸校直等方法消除杆体的弯曲及杆 头与杆体之间的弯曲对杆体寿命的影响。 4 ) 杆体表面强化工艺：通过表面强化措施，使专用抽油杆产生表面残余压应力， 从而提高专用抽油杆的疲劳强度。 1 3 2 研究思路 首先建立一套螺杆泵抽油杆柱力学分析模型，利用该模型对螺杆泵采油井抽油杆 受力状况进行全面系统的分析，然后结合现场出现的问题，找出出现断脱事故的具 体原因，并运用理论和实验方法，对抽油杆的结构、材料和螺纹连接方式等进行优 选，确定专用抽油杆的防断脱方法，选取强度较高的抽油杆进行现场试验。在设计 上，通过对杆体连接方式和接箍结构的改进，实现抽油杆柱的防脱性能。在加工上， 通过合理的加工工艺来保证杆体质量，防止出现原始缺陷，实现杆体的防断性能。 前言 进行室内及现场试验，在质量监督检验部门协助下，解决专用杆的金相组织分析 及机械性能、疲劳强度检验工作，分析影响杆体寿命的主要因素，优选专用抽油杆 的材料和结构。总结经验，进一步优化设计方案，评价专用杆性能，控制整体加工 工艺，保证杆体的质量达到设计水平，满足螺杆泵现场应用。 拟采用2 种方案进行研究。方案一是采用扇形牙体对插式结构实现杆体的防脱 性能，采用该种结构，实现拉扭分开，接箍仅承受轴向载荷，靠插接结构承受扭矩 作用。另外，通过改变扣型及内孔缩径方案进一步提高防脱结构的抗扭强度，以增 加杆体可靠性。方案二是采用锥形螺纹连接方式，使其具有较强的抗扭能力和防脱 性能。通过理论定量分析，其抗扭强度可增加2 0 左右，采用该种连接方式，不影 响目前的作业方式和进度。针对中排量螺杆泵井，最终研制出与之配套的螺杆泵专 用抽油杆，解决杆柱的断脱问题，使螺杆泵专用抽油杆满足现场使用需要，详细思 路见图1 。 4 总结 图1 中排量螺杆泵专用抽油杆研制与应用框图 f i g 1 t h ed i s t r i b u t i o nm a po f s t r u c t u r e 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第1 章应用现状及断脱原因分析 螺杆泵举升工艺已在油田得到广泛应用，并取得明显的经济效益和社会效益【”】。 但螺杆泵采油设备的可靠性及配套工艺技术的完善程度与常规机采方式相比还存在 一定的差距，特别是抽油杆的工作状态与常规机采方式不同。抽油杆柱在油管内复 杂的旋转运动使抽油杆断脱失效问题愈来愈严重。许多学者从不同角度研究了这一 问题，提出了一些理论方法和预防措施【1 3 埘】，但这些方法都不能从根本上解决抽油 杆的失效或断裂问题。抽油杆失效螺杆泵井检泵作业的主要原因之一，抽油杆失效 的主要类型有抽油杆断裂、连接螺纹滑脱以及抽油杆与接箍连接螺纹剪切破坏等【4 4 1 。 1 1 断脱情况统计 统计1 9 9 9 年以前大庆油田应用的1 5 0 口螺杆泵井的检泵情况，其中杆断问题占 4 1 6 。从1 9 9 9 年应用情况看，问题井中抽油杆柱断脱比例占7 3 【4 5 1 。随着螺杆泵 技术的发展，螺杆泵本体技术有了很大改善。统计2 0 0 1 年以前中排量螺杆泵井配套 杆柱及杆柱事故情况( 表1 - 1 ) ，可以看出，中2 5 m md 级抽油杆应用于中排量螺杆泵井， 明显高于其他杆柱，随着杆体强度的增加，断脱事故率有逐渐降低的趋势。 表l - 1 杆柱断脱情况统计 t a b l e l 一1s t a t i s t i c so f r o ds t r i n gd r o p o u tf o rp c pw i t hm i d d l ed i s p l a c e m e n t 项目 杆体破坏形式 事故井数试验井数事故率 杆柱类垂 断裂脱扣 ( 井次) ( 口)( ) ( 井次)( 井次) 由2 5 d 级 4371 16 4 中2 5 h l 级 5382 43 3 由2 8 h y 级 42 62 52 4 由3 8 x 6 d 级22 42 l 1 9 1 2 扬程一扭矩变化规律 统计1 5 台不同批次g l b 8 0 0 1 4 螺杆泵检泵数据，其举升扬程在6m p a 时扭矩 数据( 表1 - 2 ) 表明，对于g l b 8 0 0 1 4 螺杆泵，初始扭矩平均为1 1 0n m ，当扬程 为6l j l p a 时，扭矩平均为8 5 7n m 。由于螺杆泵扭矩与扬程之间存在线性关系，因 此可以得知，扬程每增加1i v i p a ，扭矩提高1 2 4n m ，这样，可以根据螺杆泵在6m p a 第1 章应用现状及断脱原因分析 时杆柱所承受的扭矩，得出g l b 8 0 0 1 4 螺杆泵在不同扬程时杆柱承载情况( 表1 - 3 ) 。 表1 - 2g l b 8 0 0 1 4 检泵数据表 t a b l e l 2d a t ao f p u m pd e t e c t i o nf o rg l b 8 0 0 - 1 4p c p 检测转速 初始扭矩 扬程 扭矩 序号 ( r m i n ) ( n m )( d 口a )( n m ) 11 5 0 9 0 6 8 4 5 21 5 0 7 968 2 8 31 5 0 1 0 068 4 5 41 5 0 1 0 168 4 2 51 5 0 1 3 568 5 7 61 5 0 9 l68 8 2 71 5 01 0 4 68 8 6 81 5 01 1 8 68 6 3 91 5 01 1 66 8 7 2 1 01 5 01 1 8 68 4 5 1 11 5 01 1 76 8 4 5 1 21 5 01 2 46 8 6 4 1 31 5 01 1 86 8 6 7 1 41 5 01 1 5 68 6 0 1 51 5 01 2 6 68 5 6 平均 1 1 0 68 5 7 表1 - 3g l b 8 0 0 1 4 扭矩扬程变化规律 t a b l e l 3v a r i a t i o nr u l eo f p u m pt o r q u e - p u m pl i f tf o rg l b 8 0 0 1 4p c p 扬程( m p a )o 6 891 0 扭矩( n m ) 1 1 08 5 7 1 1 0 61 2 3 01 3 5 5 g l b 8 0 0 1 4 螺杆泵的额定扬程为8m p a ，螺杆泵在该扬程下工作，杆体所承受 的扭矩为1 1 0 6n m ，大庆油田中排量螺杆泵井平均泵挂为9 0 0m 左右，因此，当动 液面达到泵吸入口时，g l b 8 0 0 1 4 螺杆泵杆体承受扭矩将会提高到1 2 3 0n - m 。分析 螺杆泵抽油杆断脱情况发现：在抽油杆断脱部位通常在抽油杆柱下部距螺杆泵转子 8 0 2 5 0 m 。 1 3 断脱原因分析 通过对抽油杆柱失效部位和杆头失效形式分析认为：普通抽油杆接头形式不太 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 适合螺杆泵；抽油杆柱系统缺少应有的过载保护和运动限制，抽油杆扶正器安装数 量及位置缺乏技术依据：抽油杆的材质和加工质量存在问题，摩擦焊接式空心抽油 杆杆体焊口部位的应力集中问题或镦锻式防脱空心抽油杆的杆头质量问题，脱扣原 因是：不是防脱结构或防脱不彻底。因此，从改变抽油杆接头结构形式入手，加大 杆体外径以提高杆体的安全系数，设计插接式防脱结构中排量螺泵抽油杆；利用螺 杆泵与钻杆运动的相似性，选择了钻杆锥螺纹抽油杆进行可行性研究【4 ”。 1 3 1 巾2 5 m m 实心抽油杆的断脱原因分析 由表1 3 可知，在额定扬程8i v i p a 下，用于g l b 8 0 0 1 4 的抽油杆所承受的扭矩 为1 1 0 6n m 。现对由2 5m l t l 实心抽油杆进行抗扭强度校核。 对于由2 5i t l l nd 级普通实心抽油杆，其屈服点不小于6 2 0 m p a ，由2 5i t u t ih 级实 心抽油杆屈服点为7 9 3 8 6 2i , i p a ，泵挂深度取9 0 0m ，则此时上部杆体所承受的拉力 为5t 。拉应力为9 9 8m p a ，利用连续介质力学的有限元分析方法，计算出中2 5m md 级、巾2 5i n i nh 级实心抽油杆最低承载扭矩分别为9 3 3n m 和1 1 8 8n m ，并得到 中2 5i t l l n 实心抽油杆在不同扬程下的安全系数( 表1 4 ) 。计算结果表明，巾2 5 m m 实心抽油杆应用于中排量螺杆泵井，在额定举升扬程8m p a 下工作，抗扭强度达不 到要求。 表1 4 中2 5 m m 抽油杆在不同扬程时的安全系数 t a b l e l 一4 s a f e t yc o e f f i c i e n ta td i f f e r e n tp u m pl i f to f 42 5 m mp u m p i n gr o d 泵型g l b 8 0 0 1 4 扬程( m p a ) 6891 0 安全i 由2 5 d1 0 8o 8 4o 7 60 6 9 系数iq b 2 5 h1 3 81 0 7o 9 70 8 8 抽油杆接头靠螺纹接触面之间的摩擦力，以及在预紧力作用下外螺纹接头的台 肩垂直面与接箍端面之间的摩擦力来抵抗脱扣扭矩的作用。在螺杆泵抽油系统中， 由于抽油杆柱的扭转变形较大，在螺杆泵停机后抽油杆柱中储存的弹性变形能要释 放出来，此外，油管内液体回流驱动转子带动抽油杆反转，使抽油杆柱承受较大的 反向扭矩，造成抽油杆接头脱扣。 从上述的分析可知，由2 5i t u t i 实心抽油杆的断裂原因是抽油杆在额定扬程下工 作，抗扭强度达不到要求，脱扣原因是接头的防脱扣性能差。 第1 章应用现状及断脱原因分析 1 3 2 巾2 8 m m h 级实心抽油杆的断脱原因分析 ( 1 ) 焊缝及焊接热影响区的疲劳强度低于杆体 大庆油田所应用的由2 8i t l l n 抽油杆均为h 级摩擦焊接式抽油杆，抽油杆制造厂 多采用3 5 c r m o 优质钢材，在摩擦焊接前分别对杆头和杆体进行调质处理，焊后只 对焊缝进行局部热处理，而没有对抽油杆进行整体热处理，致使焊缝和焊接热影响 区的疲劳性能低于杆体，引起疲劳断裂。 ( 2 ) 焊缝的飞边清理不干净，存在凸台，引起应力集中，成为裂纹源。 ( 3 ) 抽油杆接头的防脱扣性能差。 大庆油田所应用的巾2 8t r i a lh 级抽油杆均是采用摩擦焊接制造，其接头有两种 形式，即普通型和防脱型。普通型抽油杆脱扣原因与中2 5i n l t l 抽油杆相同；而防脱 型抽油杆的脱扣原因是由于：该抽油杆在设计时，利用了传统抽油机用抽油杆的结 构尺寸，即接箍外径大于锁紧台肩外径。这样在抽油杆旋转时，接箍首先与油管接 触发生摩擦，产生卸扣扭矩，从而引起杆柱脱扣。 对于巾2 8m mh 级实心抽油杆，屈服点为7 9 3 8 6 2m p a ，在井深9 0 0m 时，上 部杆体所承受的拉力为6t ，拉应力为9 3 4 4m p a ，则巾2 8i t l l nh 级抽油杆承载扭矩 在1 9 5 9n m 以上，在不同扬程下其抗扭安全系数不同( 表1 5 ) 。 表1 - 5由2 8 m m h 级抽油杆在不同扬程时的安全系数 t a b l e l 5 s a f e t yc o e f f i c i e n ta td i f f e r e n tp u m pl i f to f q b2 8 m mhg r a d ep u m p i n gr o d 泵型g l b 8 0 0 1 4 扬程( m p a )6891 0 安全系数2 2 91 7 71 5 91 4 5 从上述的分析可知，中2 8 m m h 级实心抽油杆的断裂原因是抽油杆强度问题和摩 擦焊1 2 1 的应力集中问题，脱扣原因是接头防脱性能差或防脱不彻底。 1 3 3 空心抽油杆的失效原因分析 大庆油田空心抽油杆主要是中3 8 x 6d 级抽油杆，其中有摩擦焊接式空心抽油杆 和早期的镦锻式防脱空心抽油杆。 ( 1 ) 摩擦焊接式空心抽油杆断脱原因分析 摩擦焊接式空心抽油杆断裂位置多发生在焊口附近热影响区部位，其断脱原因 与巾2 8 m m h 级抽油杆断裂原因大体相同，即： 1 ) 焊缝及焊接热影响区的疲劳强度低于杆体； 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 2 ) 焊缝的内外飞边清理不干净，存在凸台，引起应力集中，成为裂纹源； 3 ) 抽油杆接头不是防脱结构或防脱扣性能差。 ( 2 ) 镦锻式防脱空心抽油杆断脱原因分析 早期镦锻式防脱空心抽油杆的故障位置均发生在杆头镦粗位置( 图1 1 ) 。断裂 主要原因是： 1 ) 由于温度控制问题，使锻造时出现过烧现象，引起杆体性能降低； 2 ) 由于抽油杆采用感应加热方式，在加热时抽油杆匀速通过感应线圈，这样， 由于杆头与杆体的壁厚差异，使得杆体达到正常回火温度时，杆头部位却仍处于相 对冷却的状态之中，从而引起杆头部位组织缺陷： 3 ) 由于锻造模具问题及锻造比确定不合理引起微观裂纹。 图1 1 早期镦锻式防脱空心抽油杆断裂杆柱 f i g 1 一ir u p t u r a lr o ds t r i n go f e a r l yf o r g e da n t i d r o p o u t h o l l o wp u m p i n gr o d 镦锻式防脱空心抽油杆的脱扣原因与由2 8 咖h 级防脱抽油杆的脱扣原因基本 相同，即：虽具有防脱结构，但防脱不彻底。 对于中3 8 x 6d 级抽油杆，屈服点不小于6 2 0m p a ，在井深9 0 0m 时，上 部杆体所承受的拉力为5t 。则该抽油杆承载扭矩不低于2 9 7 4n m ，在不同扬 程下其抗扭安全系数不同( 表1 - 6 ) 。 表1 - 6中3 8 x 6d 级抽油杆在不同扬程时的安全系数 t a b l e l 一6 s a f e t yc o e f f i c i e n ta td i f f e r e n tp u m pl i f to f 由3 8 x 6dg r a d ep u m p i n gr o d 泵型 g u b 8 0 0 1 4 扬程( h 但a ) 6891 0 安全系数 3 4 72 6 82 4 72 1 9 从上述的分析可知，由3 8 x 6d 级空心抽油杆的断裂原因是摩擦焊接式空心抽油 杆杆体焊口部位的应力集中问题或镦锻式防脱空心抽油杆的杆头质量问题，脱扣原 因是结构不合理或防脱不彻底。 第1 章应用现状及断脱原因分析 螺杆泵旋转采油过程中，由于各种因素的影响，使螺杆泵的工作扭矩不断变化， 而积聚的扭转能量以冲量矩的方式反加到抽油杆上，并以应力波的形式向上传播。 一方面由于阻尼作用应力波会快速减弱，另一方面由于停机到开始工作时间很短， 反加到抽油杆上动力矩也很大，这就是导致下部抽油杆产生断脱的主要原因。螺杆 泵井抽油杆柱中上部抽油杆失效的原因主要是由于加工质量问题或静强度储备低造 成的。抽油杆偏磨的原因是扶正器设置不合理。 针对现场中排量螺杆泵抽油杆出现的问题，确定了下一步的研究方向：加大杆 体外径以提高杆体的安全系数，设计插接式防脱结构及锥螺纹式防脱结构，采用小 直径接箍方案，解决杆柱脱扣问题，杆头采用镦锻方式加工、采用跟踪预热处理技 术提高杆头的加工质量，研制中排量螺杆泵专用抽油杆。 1 0 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 2 1 插接结构设计 第2 章抽油杆设计 2 1 1 确定安全系数 根据国内几十年来机械设计的经验，研究人员总结了抽油杆安全系数选择方法 ( 表2 1 ) 。 表2 - 1 不同工作条件下安全系数选择 t a b l e 2 1 s a f e t yc o e f f i c i e n ts e l e c t i o na td i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s 安全系数适用场合 1 2 5 1 5 0对特别可靠的材料在完全受控的情况下应用，载荷和应力的变化是非常稳定的场合 1 5 0 2 o o对材料性质了解充分，使用条件不会改变，载荷和应力可以较好求出的场合 2 o o 一2 5 0对中等质量的材料，一般使用条件，载荷和应力可以求出的场合 2 5 0 一3 0 0 对未经充分试验的材料及脆性材料，中等使用条件的场合 30 0 - - 40 0 对于未经检验的材料，中等使用条件的场合 抽油杆材料均属于中等质量的材料，抽油杆工作时承受拉扭组合应力的作 用，属于一般使用条件，因此，抽油杆的安全系数应选2 2 5 0 。由于抽油杆在使 用过程中，单根杆的损坏就会引起作业事故，属于比较重要的场合，因此应取上 限值的安全系数2 5 0 ，这也是对一般石油矿场机械所要求的安全系数。 2 1 - 2 确定杆体尺寸 根据前面的螺杆泵扭矩与扬程的变化规律，对于g l b 8 0 0 1 4 螺杆泵，在额 定举升扬程8m p a 下，所需扭矩为1 1 0 6n - m ，因此为使专用杆具有2 5 0 倍的安 全系数，应使杆体的抗扭强度达到2 5 0 x 1 1 0 6 = 2 7 6 5 ( n m ) 。因此，依据杆体的 承载扭矩，为使专用杆能够在g l b 8 0 0 1 4 螺杆泵的额定举升扬程下工作，应优 选由3 8 x 6 d 级抽油杆( 表2 2 ) 。 表2 2 不同扬程条件下抽油杆尺寸与安全系数之间的关系 t a b l e 2 - 2r e l a t i o nb e t w e e np u m p i n gr o ds i z ea n ds a f e t yc o e f f i c i e n ta td i f f e r e n tp u m pl i f t c o n d i t i o n s 泵型 g l b 8 0 0 1 4 扬程( m p a ) 5678 安 击2 5 d1 2 71 0 80 9 50 8 4 全 击2 5 h1 6 21 3 81 2 l1 0 7 系击2 8 h2 6 72 2 91 9 91 7 7 数 巾3 8 d 4 0 63 4 73 0 32 6 8 第2 章抽油杆设计 2 1 3 材料优选 抽油杆原材料的选择不仅要保证未来的杆体强度、可靠性，还必须兼顾热处理 工艺和制造工艺、材料的经济性等因素。 国内抽油杆生产厂所用原材料比较复杂，其中d 级抽油杆材料有：2 0 c r m o 、 3 5 c r m o 、3 5 m n 2 、4 0 c r m n m o 。大庆油田的抽油杆腐蚀问题并不严重，因此在选材 上，可不考虑具有防腐蚀性质的抽油杆材料，而是从目前常用的抽油杆材料中进行 优选( 表2 - 3 ) 。 表2 - 3 常用d 级抽油杆材料性能比较 t a b l e 2 3p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f c o m m o ndg r a d ep u m p i n gr o dm a t e r i a l 热处理温度( )力学性能 材料 抗拉强 屈服伸长 断面收 特 性 淬火回火 度 u b o息，吼率，6 5缩率，妒 ( m p a )( i p a )( )( ) 强度和韧性较好，淬 2 0 c r m o8 8 05 0 0 8 8 5 6 8 51 2 5 0透性良好，无回火脆 性，加工性能良好 加工性能良好，强 3 5 c r m o8 5 05 5 09 8 08 3 51 24 5 度、韧性、淬透性均 高，无回火脆性 加工性能中等，有回 3 5 m n 28 4 05 0 08 3 56 8 51 24 5 火脆性倾向，水淬易 产生裂纹 调质后具有较高的 综合机械性能，淬透 4 0 c r m n m o8 5 06 0 09 8 07 8 51 04 5 性良好，有较好的回 火稳定性 比较以上4 种常用的d 级抽油杆材料可以看出，3 5 c r m o 和4 0 c r m n m o 在综合 机械性能方面，较其他两种杆材具有比较明显的优势，而在这2 种材料中，3 5 c r m o 材料的屈服点明显高于4 0 c r m n m o ，而3 5 c r m o 的韧性指标也优于4 0 c r m n m o 。以 上4 种抽油杆材料在价格相当，因此优选3 5 c r m o 作为d 级抽油杆的首选材料。 2 1 4 加工方式的选择 空心抽油杆可以由摩擦焊接方式或镦锻方式生产。摩擦焊接式空心抽油杆的主 要缺点是：杆体焊接后没有进行整体调质热处理而只是进行局部热处理，因此焊口 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 附近存在热影响区；另外，焊缝存在突台，会引起应力集中。镦锻式抽油杆主要是 由于锻造时温度控制不当，出现过烧现象，杆头回火温度不够引起组织缺陷，造成 杆体性能下降。 分析认为镦锻式抽油杆杆头过烧及杆头回火温度低引起组织缺陷等问题，可以 通过一系列管理手段和技术手段来解决。而摩擦焊接式空心抽油杆热影响区问题， 通过整体调质热处理方法完全可以消除，但焊口附近的应力集中现象却很难避免， 这是由摩擦焊接式空心抽油杆加工方式本身所决定的。因为摩擦焊接方式是将杆体 高速旋转，杆头固定在机床的尾架上，靠两端头的摩擦生热将金属融化然后冷凝的 方法，将杆体与接头焊接在一起。由于需要焊接的两部件内外径都在一定的公差范 围内变化，因此在焊接前两端尺寸就很难相同，同时受到机床的精度及杆体旋转时 震动的影响，摩擦焊接后很难保证两端同心，焊接后主要会出现下面两种情况： 当焊接的两个部件不同心时，在焊口的内外表面会出现凸台，引起应力集中。 如果在切削焊缝飞边时强行将凸台切去，就会造成管壁薄厚不均；当焊接的两个部 件具有较好的同心度时，如果将飞边完全切去，则会降低焊接部位的强度，如果切 削时留有一定的余量，同样会出现凸台，引起应力集中( 图2 - 1 ) 。 q i 图2 - 1 摩擦焊接部位示意图 f i g 2 1f r i c t i o n a lw e l d i n 2l o c a t i o n 总之摩擦焊接方式所生产的抽油杆，其焊口的应力集中问题很难消除，因此选 择杆头锻造工艺来加工螺杆泵专用抽油杆。 2 1 5 防脱结构及连接方式的确定 螺杆泵专用抽油杆由杆体上接头、杆体和杆体下接头组成。杆体上下接头各有 两个密封槽，杆体上接头有一个台肩推承面和一个扳手六角体。空心抽油杆的两端 各有牙体和叉口。组装抽油杆接头时，两根空心抽油杆端部的牙体互相插入对方的 叉口中，并用接箍将两根空心抽油杆的上下接头连接起来。空心抽油杆的两端各用 两个“o ”型密封圈进行密封( 图2 - 2 、2 - 3 ) 。 第2 章抽油杆设计 图2 - 2 螺杆泵专用抽油杆结构示意图 f i g 2 2s p e c i a lp u m p i n gr o ds u c t i l r eo f p c p 图2 3 螺杆泵专用抽油杆接头示意图 f i g 2 3s p e c i a lp u m p i n gr o dc o n n e c t i o no f p c p 1 杆体上接头；2 - 0 形密封圈；3 嵌箍；4 - 杆体下接头 这种空心抽油杆的主要结构特点是：相连接的两根空心抽油杆之间靠互相插入 配合的牙体来传递扭矩。由于牙体有足够的抗剪切强度，且始终处于插接状态，因 此达到了防脱扣的目的。 另外，采用大直径锁紧台肩与小直径接箍相配合，这样当杆头部位与油管摩擦 时，锁紧台肩先接触杆体，从而缓解了接箍与油管内壁的摩擦。同时加强杆柱扶正， 尽量减少抽油杆接箍与油管产生摩擦的几率，以提高防脱性能。 2 1 6 插头形状的优选 从牙体形状的复杂性和加工的难易程度考虑，用于防脱结构的抽油杆可以有以 下三种插接结构，即半圆型、直槽型和对称扇型( 图2 4 ) 。 1 4 图2 4 几种常见扭矩传递结构 f i g 2 4t r a n s m i s s i o ns 仃i l c n l r eo f s o m ec o m m o nt o r q u e s m 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 为了便于比较，有限元模型取相同的牙体外径、牙厚，在同等受力条件下，取 牙体外径由4 0 2 5n l n l ，内径由2 4i n l n ，跟部倒角r 4l n l n ，在扭矩1 1 0