（机械设计及理论专业论文）柔性抽油杆的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士研究生论文 摘要 机械采油是国内外传统采油的主要方式，而有杆泵抽油方法是当 前世界采油行业中应用最广泛的技术，也是迄今采油工程中直占主导 地位的举升方式。世界上采用机械采油的井数大约是总生产井数的9 0 ， 而采用有杆泵抽油的井数是机械采油井数的8 0 8 5 。目前我国陆上机 械采油约9 0 左右的油井采用有杆泵抽油技术，产油量的8 0 是靠有杆 泵抽油采出的，有杆泵抽油设备的能耗已占油田总能耗的3 0 以上，随着 各油田进入开发后期，上述比例将成上升的趋势。然而，抽油杆的工作条 件十分恶劣，使它成为有杆泵抽油系统中最薄弱的环节成为制约这种采 油方式进一步发展应用的”瓶径”。据统计，因抽油杆松动、脱扣和接头 部位断裂而造成的事故占有杆抽油井事故总数的6 0 - - 7 5 。我国有不 少油田存在一些低渗、中小产量随着一些早期开发的油田逐步进入开发 后期、开采油层的深度增加，能耗也逐渐成为采油成本增加的主要因素 之一。 广 f 作者对圆钢抽油杆的使用状况进行了认真分析，认为圆钢抽油杆具 有以下优点： a 抽油系统的机械设备简单。 b 圆钢抽油杆制造工艺简单 c 运输方便、易于维护。 但，圆钢抽油杆存在以下难以克服的缺陷： a 单根圆钢抽油杆长8 米左右，靠多个接头和接箍连接才 能实现油井安装，若泵深达到1 6 0 0 米，就要采用近2 0 0 个接 箍，下泵深度越大，所需的接头和接箍就越多。这些接头和 接箍在长期承受交变、冲击和振动载荷的工作条件下经常发 生脱扣，甚至断裂。 b 接箍多，产生多级活塞效应( 接箍直径是杆直径的2 倍以上) ，降低了抽油效率。 c 圆钢抽油杆的起下作业是间断进行的，作业时间较 武汉理工大学硕士研究生论文 长、工人劳动强度大。 d 常规的圆钢抽油杆抗拉强度最大值在6 5 0 m p a 9 5 0 m p a ( 3 5 c r m o ) ，在深井和超深井中使用时因自身重量较大，只 能采用小泵深抽，使能耗高、效益差，而且钢杆的拉脱和断 裂更易发生。 本文抽油杆的受力和运动规率进行了分析，认为： a 采用常规抽油机的柔性杆柱抽油系统其运动规律与刚 性杆的相同。柔性杆柱抽油系统泵柱塞在上、下死点附近( 或 相应的时间) 其运动是随悬点处的强迫运动与弹性阻尼振动 的合成，杆柱弹性变形结束一段时间后，柱塞的运动规律与 刚性杆的相同。 b 采用常规抽油机的柔性杆柱抽油系统其运动规律与刚 性杆的相同。柔性杆柱抽油系统泵柱塞在上、下死点附近( 或 相应的时间) 其运动是随悬点处的强迫运动与弹性阻尼振动 的合成，杆柱弹性变形结束一段时间后，柱塞的运动规律与 刚性杆的相同。柔性杆柱在抽油运行中两端受到拉伸压 缩交变载荷的作用。尤其是柔性杆的两端这种交变载荷产生 的交变应力更为严重。c 为使柔性杆柱满足抽油功能，应具备 足够的抗拉强度和刚性，钢丝绳柔性抽油杆的结构伸长越小 越好。弦 、，一一_ 一“ 本文的贡献在于： ( 1 ) 提出钢丝绳柔性抽油杆的绳芯采用单股钢丝绳，外层捻制一 层异型钢丝。其捻向与内层捻向相反。这种结构的优点是： 钢丝绳密封性能好，而且耐磨耐腐蚀，结构致密，缝隙小， 承受载荷时结构伸长小，刚性好，弹性模量高，受轴向拉应 力时钢丝绳不旋转。捻制外层异型钢丝时再采用连续轧压、 大后变形量，使已捻制成型的钢丝绳再经受一次小变形量的 塑性变形，从而达到不松散。并使外层异型钢丝表面产生小 量压应力，以提高疲劳寿命。经x 光分析表明，捻成型的钢产 武汉望三杰堂亟主婴窒生堡壅 _ ，_ - - _ _ - _ 一 生一层0 0 5 一o 2 m m 的压应力层，有利于疲劳寿命的提高。 ( 2 ) 以上述理论为依据生产抗拉强度6 1 4 7 0 m p a ，整绳破断拉力 3 2 0 k n ；在拉伸载荷达到9 0 1 ( i n 时，结构伸长值小于o 1 o ， 弹性模量不小于1 6 1 0 jm p a 柔性抽油杆连续长度5 0 0 5 0 0 0 m ，整条缠绕在工字轮上交货，中间无接箍，在油泵安装 中可以连续起下，减轻劳动强度。抽油运行中无”活塞”效应， 提高液体抽吸量，提高泵效1 0 左右； 武汉理工大学硕士研究生论文 t h e s t u d ya n dd e v o l e m e n t o ft l e x e i a b l eo i ir o d a b s t r a c t ： m e c h a n i c a lo 订p u m p i n gi st h em a i nw a yt oc o n v e n t i o n a lo i lp u m p i n g a th o m ea n da b r o a d ，a n do i lp u m p i n gw i t hp o l ei st h et e c h n o l o g yu s e dm o s t e x t e n s i v eo nw o r l do i lp u m p i n gt r a d e ，t h ee l e v a t i o nd o m i n a t eo nt h eo i l p u m p i n ge n g i n e e r i n gu pt o n o w t h ew e l lu s e dm e c h a n i c a lo i lp u m p i n g h o l da b o u t9 0 t ot o t a lw e l la n dt h ew e l lu s e do i lp u m p i n gw i t hp o l eh o l d a b o u t8 0 8 5 t ow e l lu s e dm e c h a n i c a lo i lp u m p i n g a tp r e s e n t ，t h e r ea r e a b o u t9 0 w e l l su s e d o i l p u m p i n g w i t h p o l e t ow h o l ew e l l su s e d m e c h a n i c a lo i i p u m p i n g o nl a n da n d 8 0 p e t r o l e u mp u m p e db y o i l p u m p i n gw i t hp o l e ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nb yf a c i l i t i e s o no i lp u m p i n g w i t hp o l et a k eu pa b o v e3 0 o nt o t a le n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n da l o n gw i t h t h ec o m i n go fe v e n i n gt oe x p l o i t a t i o n ，t h ep r o p o r t i o nt e n dt oa s c e n d b u t b e c a u s eo ft h es e r i o u sc o n d i t i o no fo i lp u m p i n gp o l e ，i th a sb e e nt h em o s t f e e b l ep o r t i o ni no i lp u m p i n gw i t hp o l et h a tr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n ta sa s o f ts p o to no i lp u m p i n gm e t h o d o ns t a t i s t i c ，t h e r ea r e6 0 7 5 a c c i d e n t s t ot h et o t a l 、i mt h er e a s o ns u c ha so i lp u m p i n gp o l e sr e l a x a t i o n d r o po u t a n dr u p t u r eo ft i e i np a r t s i nn a t i o nm a n yo i l f i e l d sh a v el i a l el e a k a g e sa n d a l o n gw i t ht h ee x p l o i t a t i o nf r o mf o r e p a r ti n t ot h el a t es t a g ea n da u g m e n t o n p e t r o l e u ml a y e r sd e e p n e s s ，e n e r g yc o n s u m p t i o n h a sb e e no n eo ft h em a i n f a c t o r st om a n yo i l f i e l d sw i t hm e d i u mo rs m a l lo u t p u t 一 a u t h o re a r n e s t l ya n a l y s e st h e u s ei n s t a n c ef o ro i lp u m p i n gp o l ew i t h b a rr o u n ds e c t i o n ，a n dt h i n ki tf o rt h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ： a s i m p l e m e c h a n i c a l e q u i p m e n t s o no i lp u m p i n g s y s t e m s b s i m p l ep r o d u c t i v et e c h n o l o g yo n o i lp u m p i n g p o l ew i t hb a r r o u n d s e c t i o n c c o n v e n i e n tt r a n s p o r t a t i o na n de a s ym a i n t e n a n c e y e t ，t h e o i lr o dw i t hr o u n ds t e e lh a st h ef o l l o w i n gd e f e c ts w o u l d n tb e c o n q u e r e d ： 4 武汉理工大学硕士研究生论文 a b e c a u s et h a to n eo i ir o dw i t hr o u n ds t e e lj sa b o u t8 m ，i f t h ew i l d c a t h a s16 0 0 md e e p n e s s ，t h e r em u s th a v e2 0 0t i e i nt oc o n n e c tt h e ni t c a nb e i n s t a l l e do nt h eo i l f i e l d ，s ow h e nt h ep u m pi s i n t ot h em o r ed e p t ht h a t m e a n i n g m o r et i e i na n da d a p t o rf o ru s e t h o s et i e i l la n da d a p t o rr e g u l a r l y d r o po u to ns e c u l a rc y c l i c a ll o a d i n g ，i m p u l s i o na n dv i b r a t i o nf o r c e ，e v e n b r e a k i n g b m u l t i l e v e l - p i s t o n e f f e c tw o u l d h a p p e nr e a s o n i n g t os om u c h a d a p t o r st h e nd e p r e s se f f i c i e n c y o no i l p u m p i n g ( a d a p t o r sd i a m e t e ri s 2 t i m e st op o l e sd i a m e t e r ) c t h e u pa n dd o w n w o r ko fo i lr o dw i t hr o u n ds t e e li sd i s c o n t i n u o u s m e a n i n gl o n gw o r k i n g t i m ea n dl a r g ei n t e n s i t yo fl a b o rt ow o r k e r g e n e r a lo i lr o dw i t hr o u n ds t e e lh a st h el a r g e s tt e n s i l es t r e n g t ho n 6 5 0 m p a 9 5 0 m p a ( 3 5 c r m o ) ，t h u s i tc a n o n l y b eu s e d s m a l l - p u m p d e e p p u m p i n gt e c h n o l o g y b e c a u s ei nt h e d e e p w i l d c a ta n de x t r ad e e p w i l d c a ti t sd e a d w e i g h ti ss ob i g ，t h e nt a k ep l a c eh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ， l o w e f f i c i e n c ya n dm a n yd r o po u ta n db r e a k i n g o n p o l e t h e r ea r ea n a l y s i so nt h eo i ir o d sf o r c e sa n da t h l e t i cm e t h o d s ，a n d t h i n kf o rf o l l o w i n g ： t h ef l e x i b l eo i lr o dh a st h es a m ea t h l e t i cm e t h o dt or i g i do i lr o du s e do n g e n e r a lo i l p u m p i n ge q u i p m e n t s t h ea c t i o nn e a rt h eu pa n dd o w nf i x e d p o i n t s 矗f l e x i b l eo i l p u m p i n gs y s t e m sp l u n g e r i sc o m p o s e db yc o m p u l s i v e a c t i o nf o l l o wt oh a n g e d p o i n ta n d e l a s t i cd a m p e dv i b r a t i o n a f t e rs o m et i m e w h e nt h ep o l e se l a s t i cd e f o r m a t i o nh a sb e e ne n d e d ，t h ep l u n g e rh a st h e s a m ea t h l e t i cm e t h o dt or i g i dp o l e t h ef l e x i b l eo i lr o dh a st h es a m ea t h l e t i cm e t h o dt or i g i do i lr o du s e d o ng e n e r a lo i l - p u m p i n ge q u i p m e n t s t h ea c t i o nn e a rt h eu pa n dd o w n f i x e dp o i n t so ff l e x i b l e o i l - p u m p i n gs y s t e m sp l u n g e r i s c o m p o s e db y c o m p u l s i v ea c t i o n f o l l o wt o h a n g e dp o i n ta n de l a s t i cd a m p e dv i b r a t i o n a f t e rs o m et i m ew h e nt h ep o l e se l a s t i cd e f o r m a t i o nh a sb e e ne n d e d ，t h e e 武汉理工大学硕士研究生论文 p l u n g e rh a st h es a n l ea t h l e t i c m e t h o dt o r i g i dp o l e t w oe n d sw o u l db e d r a w e do nt h ec o u r s eo fo i lp u m p i n gt of l e x i b l ep o l ew i t ht h en a m ea c t i o n o f c o m p r e s s i n ga l t e r n a t i v el o a d e s p e c i a l l y o nt h et w oe n d st h eg e n e r a n t a l t e r n a t i v es t r e s sf r o ma l t e r n a t i v el o a dp r e s e n t sm o r es e r i o u ss t a t u s c t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf o ro i lp u m p i n g t h ef l e x i b l ep o l es h o u l d t a k eo ns u f f i c i e n ti n t e n s i t ya n dr i g i d i t y , a n dt h es t r u c t u r a ls t r e t c hm u s tb et h e m o s ts h o r to f f l e x i b l ep o l e t h ec o n t r i b u t i o no ft h i sa r t i c l ei st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a u t h o rs e t sf o r t ht h a tt h er o p ec o r eo ff l e x i b l eo i lr o ds h o u l dt a k e s i n g l e s t r a n ds t e e lw i r er o p ew i t ht h eo u t s i d eal a y e ro fp e c u l i a rw i r e s ，i t s d i r e c t i o no f l a y s h o u l db e o p p o s i t e t oi n s i d e l a y w i t ht h e f o l l o w i n g a d v a n t a g e s ：f i n e c o n f i n e m e n t p e r f o r m a n c e ，a b r a s i o n r e s i s t a n c ea n d c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，l i t t i eg a p ，s m a l ls t r u c t u r a ls t r e t c ho n l o a d ，g o o dr i g i d i t y ，h i g he l a s t i cm o d u l u s ，n or o t a t i o nt o s t e e lw i r er o p eo n m i n e p u l l i n gs t r e s s t h es u r f a c el a yo fw i r ep r o d u c e do n c o n t i n u a lr o l l i n g a n dl a r g el a t ed e f o r m a t i o nw h e nt w i s t e d ，i tw o u l db et a k e na n o t h e rl i t t l e p l a s t i c d e f o r m a t i o nw h i l e t w i s t i n g t h es t e e lw i r e r o p e ，t h e n h a st h e p e r f o r m a n c eo fn o n r e l a x a t i o n t h e no nt h es u r f a c eo f o u t s i d el a yo fw i r e s t h e r eh a sal i t t l ec o m p r e s s i n gs t r e s st h a tc a ni n c r e a s et h ef a t i g u el i f e t h e x - r a d i a l a n a l y s i s i n d i c a t et h a tt h e r eh a v eal a y e ro fo 0 5 o 2 m mw i t h c o m p r e s s i n gs t r e s s o np e c u l i a rw i r es u r f a c ew h e nt h e - s t e e lw i r er o p eh a s b e e nt r e a t e dw i t ha 3 6 p l a s t i c d e f o r m a t i o nw h i c hc a l l e d a s s u r f a c e - p l a s t i c sr a t i o ，a n di t si nf a v o ro ff a t i g u el i f e b t h es t e e lw i r e r o p ef l e x i b l eo i lr o dp r o d u c e db yt h ea b o v em e t h o dh a v e t h ef o l l o w i n gp e r f o r m a n c e ： t e n s i l e s t r e n g t h6 1 4 7 0 m p a t o t a lb r e a k i n g f o r c e ，3 2 0 k n s t r u c t u r a ls t r e t c hl e s st h a n0 1 oa n de l a s t i cm o d u l u sn o tl e s st h a n1 6 1 0 5 m p aw h e n t h ep u l l i n gf o r c ea r r i v ea t9 0 k n ，w i t ht h et o t a ls t e e lw i r e r o p es p o o l i n go nt h ed r u m i tw o u l d b ed e l i v e r e dw h e nt h ef l e x i b l eo nr o d 武汉理工大学硕士研究生论文 h a st h el e n g t hf r o m5 0 0 5 0 0 0 m w h e ni n s t a l l i n gp u m p ，i tc a nc o n t i n u a l l y w o r ku pa n dd o w nw i t hl e s s i n t e n s i t y o fl a b o r t h e r eh a v er i o p l u n g e r n e f f e c ta tt h ec o u r s eo fo i l p u m p i n g t h e ni n c r e a s e t h e l i q u i dp u m p i n g c a p a c i t ya n da b o u t1o p u m p i n ge f f i c i e n c y t h ef l e x i b l e o i lr o dh a sb e e n c o a t e da l a y e r o f p r o t e c t i v e m a t e r i a lw i t hc o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，h i g h t e m p e r a t u r er e s i s t a n c ea n da b r a s i o nr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c et h e ni t c a nb e w o r k e di na l lk i n d so f c o r r o s i v em e d i u m k e yw o r d s ：f l e i x a b l e o i l r o d ，s t e e l w i r e r o p e ，s t r u c t u r a ls t r e t c h ， e l a s t i cm o d e ，t h e e f f i c i e n c yo f o i lp u m p ， 7 武汉理工大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 本课题研究意义 机械采油是国内外传统采油的主要方式，而有杆泵抽油方法是当前 世界采油行业中应用最广泛的技术，也是迄今采油工程中一直占主导地 位的举升方式。世界上采用机械采油的井数大约是总生产井数的9 0 ， 而采用有杆泵抽油的井数是机械采油井数的8 0 8 5 。目前我国陆上机械 采油约9 0 左右的油井采用有杆泵抽油技术，产油量的8 0 是靠有杆泵抽 油采出的，有杆泵抽油设备的能耗已占油田总能耗的3 0 以上，随着各油 田进入开发后期，上述比例将成上升的趋势。然而，抽油杆的工作条件十 分恶劣，使它成为有杆泵抽油系统中最薄弱的环节成为制约这种采油方 式进一步发展应用的”瓶径”。据统计，因抽油杆松动、脱扣和接头部 位断裂而造成的事故占有杆抽油井事故总数的6 0 7 5 。我国有不少 油田存在一些低渗、中小产量随着一些早期开发的油田逐步进入开产后 期、开采油层的深度增加，能耗也逐渐成为采油成本增加的主要因素之 一。 目前，常用的有杆泵的抽有杆主要有：圆钢组合式抽油杆、玻璃钢 抽油杆、空一心圆钢抽油杆三大类型。圆钢组合式抽油杆结构简单、制造 容易、成本低，主要用作有杆泵的泵杆，连接井下抽油泵与地面抽油机。 这种刚性抽油杆由于本身结构特点及加工工艺造成的会属内部组织缺 陷( 主要在靠近刚性抽油卡t 端头部位的热处理过渡区) ，加之整根圆钢 抽油杆长度短、强度低等缺陷，存在难以克服的弱点，据玉门油田统计： 圆钢组合式抽油杆的失效造成油井故障停机的比率占总故障率的8 5 以 上。玻璃钢抽油杆主要特点是耐腐蚀、重量轻，有利于降低抽油机的悬 点负荷，减少电机能耗，弹性模量小，适用于含腐蚀介质严重的油井， 在深井中应用可降低抽油机负荷、加深泵挂。空心圆钢抽油杆由圆钢管 制成，两端有连接螺纹，制造成本较高，适用于高含蜡、高凝固点的 稠油井中有利于热油循环、电缆加热等特殊抽油工艺，还可通过空心向 井内添加化学药品。 武汉理工大学硕士研究生论文 钢丝绳柔性连续抽油杆相对于上述三种抽油杆，特别是圆钢组合 抽油杆具有以下优点：1 ) 连续、超长，单根长度达到4 0 0 0 米，根据泵 挂深度需求而任意截取、组合，大幅度减少了圆钢抽油杆因接箍多造成 的抽吸阻力，降低了“活塞效应”，提高采液量。2 ) 钢丝绳柔性抽油杆 抗拉强度高，是普通圆钢抽油杆和玻璃钢抽油杆的两倍以上，提高了抽 油杆在运行中的可靠性，减少了井下事故和修井次数。可以长期在上下 往复、冲击、震动条件下工作。为大泵深抽创造了条件，在现有抽油机 条件下使泵挂深度达到3 0 0 0 m ，而悬点负荷不增加。3 ) 可以连续起下， 大幅度降低了操作工的劳动强调。4 ) 可以适用于斜井和定向井的采油， 而不会产生象圆钢抽油杆那样的别劲弯曲力。钢绳柔性连续抽油杆能 在机械采油中充分发挥其独特的优势，具有十分广泛的应用前景，对于 发展我国石油工业有着十分重要的意义。 1 2 圆钢抽油杆的现状 目前，世界上采用机械产油的系统中9 0 以上使用圆钢抽油杆作泵 杆，是其具备以下优点： ( 1 ) 抽油系统的机械设备简单。 ( 2 ) 抽油杆制造工艺简单，运输方便、易于维护。 但，圆钢抽油杆存在以下难以克服的缺陷： ( 1 ) 单根圆钢抽油杆长8 米左右，靠多个接头和接箍连接才能实 现油井安装，若泵深达到1 6 0 0 米，就要采用近2 0 0 个接箍，下泵深度 越大，所需的接头和接箍就越多。这些接头和接箍在长期承受交变、 冲击和振动载荷的工作条件下经常发生脱扣，甚至断裂。据玉门石油管 理局统计，该局每年因圆钢抽油杆断裂、脱扣原因造成油井停产的井数 占总运行井数的2 0 以上，减产原油8 5 0 2 0 0 0 吨年。 ( 2 ) 接箍多，产生多级活塞效应( 接箍直径是杆直径的2 倍以上) ， 降低了抽油效率。 ( 3 ) 圆钢抽油杆的起下作业是削断进行的，作业时间较长、工人 9 武汉理工大学硕士研究生论文 劳动强度大o ( 4 ) 常规的圆钢抽油杆抗拉强度最大值在6 5 0 m p a - 9 5 0 m p a ( 3 5 c r m o ) ，在深井和超深井中使用时因自身重量较大，只能采用小泵 深抽，使能耗高、效益差，而且钢杆的拉脱和断裂更易发生。 ( 5 ) 圆钢抽油杆的端头由热加工而成型，在端头的热加工和杆体 的过度段存在热应力区，是导致圆钢抽油杆端头疲劳断裂的主要原因。 1 3 国外柔性抽油杆的发展状况 针对圆钢抽油杆的缺陷，自6 0 年代以来国外工业发达国家积极研制 连续抽油杆以求获得有杆泵抽油的技术突破，获取最佳的综合经济效 益。据资料介绍，美国自6 0 年代起就丌展了研究开发连续柔性抽油杆的 工作。b e t h l e h e m 钢铁公司和m o b i l 石油公司经过多年的试验室研 究，1 9 6 2 年试制出外层包覆防腐材料的1 3 7 钢绞线柔性抽油杆，1 9 7 2 年初在h u g o t o n 油田安装试用，泵挂深度1 2 1 9 米：后来陆续在西德克萨 斯的油井上也进行了试验。这种l 3 7 绞线的伸长较大，油泵的净冲程 损失较大。为解决这一问题，将游粱式抽油机进行了彻底改造，直径为 1 2 2 m 缠绕钢绞线的工字轮安装到抽 f h 机机架上，钢绞线经过机架顶部 安装的导轮放入油井中，抽油机的连杆带动工字轮转动，使钢绞线做往 复运动，实现柱塞上下运动，达到抽油的目的，缺点是：改装抽油机的成 本高。若每台游梁式抽油机都按此法改装，费用很高，油罔难以承受。 l 3 7 绞线和普通圆股钢丝绳6 w ( 1 9 ) 、6 x ( 1 9 ) 等本身结构缺陷而产生 的结构伸长大、弹性模量低是无法弥补的，在抽油中产生的伸长是无法 克服的，是这几种柔性抽油杆陆续试运行3 年后无法推广应用的主要原 因。八十年代初，美国a x e l s o n 公司的h e n s l e y 等人采用高级石墨、玻 璃纤维、芳纶纤维和乙烯基树脂等材料研制出一种复合材料带，该带的 弹性模数高柔性好抗饶性强，用直径为2 4 4 米、宽0 1 5 米滚筒可缠绕 1 5 2 4 米长的带。其抗拉强度为8 7 9 m p a ，单位长度的重薰为0 1 0 9 k g m 。 复合带的主要缺点是成本较高，约为圆钢抽油杆的2 倍。复合带本身不 耐高温，推荐的工作温度约为( 7 6 ，不适合井深大于1 8 0 0 油井中使 武汉理工大学硕士研究生论文 用。美国6 j f sj l 丌发连续柔性抽油杆替代圆钢抽油杆的工作仍在进行。前 苏联是石油发达国家之一，有自己独特的采油技术和装备。为提高抽油 装置的可靠性和使用寿命，在解体| i f 也不断地开展柔性抽油杆的研制。 七十年代末、八十年代初苏联伊万诺夫司基等人在总结了前人研究柔性 抽油杆的经验后，采用2 0 一r b - h - 1 6 0 矿井提升钢丝绳作柔性抽油杆。 该种钢丝绳在阿里迈吉耶夫油气管理局进行了下井试验，泵深达到1 0 1 8 米。为了解决提升钢丝绳受载荷后的结构伸长、弹性伸长引起的柱塞冲 程损失，研制出三级差动式深井泵。试验证明，采用提升钢丝绳代管圆钢 抽油杆是可行的，但需要对油用使用的抽油系统进行更新改造，带来诸 多不便。苏联解体后，这研制工作基本上停止。1 9 6 5 年加拿大艾尔伯 达c o r o d 制造有限公司提出了半刚性金属连续抽油杆的概念，开始研制 连续金属抽油杆。1 9 6 8 年研制成功。这种半刚性金属连续抽油杆的横截 面为椭圆，把半刚性抽油秆收卷到直径为5 5 m 的卷筒上，卷简装到特殊 设计的运输拖车上，安装时由卡车牵引拖车到矿井，再利用专门设汁的 巨型作业车将半刚性连续抽油杆通过直径为1 2 米的导向管，由液压驱动 的履带和矫直系统为动力进行起下作业。8 0 年代，我国大庆油阳曾引进 这种抽油杆和特种作业车，但由于运输时体积过于庞大，推广应用受到 限制。 1 4 本论文完成的工作 论文开题开展以来，对国几家大油阐使用圆钢抽油杼的：状况、使用 环境等进行了详细分析，对钢丝绳的结构进行改进，设计出一种新型结 构的连续柔性抽油杆并设计和制定出特殊的生产工艺和工装设备，根据 现有有杆泵抽油系统的特点，攻克诸多技术难关，研制成功特殊结构的柔 性抽油杆，克服了普通钢丝绳结构伸长大、弹性模量低的弱点，采用柔性 抽油杆两端加金属连接套的方式解决了圆钢抽油杆与柔性抽油杆间的 联接；无须对现有的机械抽油系统做任何改造就可以使用，大大简化了 产品在油田推广应用的难度。在莫教授的指导下成功地将柔性抽油杆表 面包覆一层防腐、耐磨材料，这种特殊的包覆材料耐硫化氢、酸、碱、 盐的腐蚀且耐磨损，包覆材料的工作温度在一4 0 一1 8 0 。为便于柔性 f i 武汉理工大学硕士研究生论文 第二章钢丝绳柔性抽油杆的研制方案 2 1 柔性抽油杆结构选择 2 1 1 普通钢丝绳的结构分析 钢丝绳是由若于根钢丝，按一定的规则捻制成一束即致密又有一定 抗拉强度又具柔性的钢丝束。钢丝绳按其钢丝围绕中心钢丝或绳芯捻制 的情况分为单捻钢丝绳，双捻钢丝绳和三捻钢丝绳。钢丝绳内的钢丝 不是占有整个钢丝的断面，而是钢丝i s j 存在许多问隙，以及纤维芯 占据了许多断面积。钢丝绳中全部钢丝断面积之和与钢丝绳外接圆 断面积之比，称为钢丝绳的密度，或称密度系数、充填系数。钢丝 绳的密度系数是钢丝绳的重要性质之一，在相同直径和相同抗拉强 度的条件下，密度系数越大则总和破段拉力也越大。在捻制质量相 当时，密度系数越大时其结构仲长率越小。 ( 1 ) 单捻钢丝绳通常称为单股钢丝绳，是以一根钢丝为中心，在它 的周围由一层或数层钢构成：也可由异型钢丝构成；可由等直径或不等 直径钢丝组成，其层数可由l 5 层。当由等直径钢丝组成时，各层内捻 角相等捻距不同，层与层之间的钢丝相互交叉；当由不等直径钢丝组成 时，各层内捻距相等捻角不同，层与层之间的钢丝相互平行；单股钢丝 绳的横断面内金属密度系数在o 7 8 、0 8 3 之间，弹性模量在0 9 xl o 3 m p a 、i 1 1 0 5 m p a 。是铡丝绳中刚度最大的一利r 铜丝绳。如l x7 ，l 1 2 ，i x l 6 ，1 1 9 ，1 x3 7 ，等( 图21 ) 。 ( 2 ) 双捻钢丝绳是由若j r 单股佣丝绳或股围绕一根有机芯或金属 芯螺旋缠绕捻制成的。就钢丝绳中的单根钢丝而吉双捻钢丝绳中的钢丝 被捻制二次存在较大的捻制应力。当这种应力低于钢丝的弹性力时钢丝 绳极易松散，钢丝绳受到轴向力作 武汉理工大学硕士研究生论文 l x f l x l 2 l x 3 7 图2 1 ：l 7 ，l 1 2 等单股钢丝绳的断面图 用时钢丝极易沿受力方向产生位移而导致钢丝绳产生较大的伸长。在双 捻或三捻钢丝绳中钢丝经过多次反复捻制钢丝的受力状况极为复杂。双 捻或三捻钢丝绳的横断面内金属密度系数在0 5 0 6 5 之间，弹性模量在 o 4 7 1 0 5 m p a o 6 8 1 0 3m p a 。与单股钢丝绳相比极易缠绕，而且较 为柔软。典型结构如，6 1 9 ，6 s w ( 1 9 ) ，6 s w ( 3 6 ) ，8 s w s ( 4 9 ) 等( 图 2 2 ) 。 攀r 露蛰喾 图2 2 ：双捻或三捻钢丝绳的断面图 ( 3 ) 钢丝绳按钢丝绳股的结构和捻制方式有点接触、线接触、砸 接触三种主要形式。点接触钢丝绳的股是分层捻制而成的，各层的捻制 方向相反，各层内捻角相等捻距不同，层与层之问的钢丝相互交叉，这 种结构的钢丝绳股内钢丝间的空隙较大，不柔软。其弯曲寿命、疲劳 寿命低；线接触钢丝绳的股是一次捻制而成的，钢丝的直径不等，捻角 不同捻距相等，层与层之间的钢丝相互平行，股内钢丝的填充率较点接 触钢丝绳高出2 0 2 5 ，线接触钢丝绳比点接触钢丝绳柔软，弯曲寿 命、疲劳寿命高；目前制造厂生产的面接触钢丝绳股的结构比较简单， 一般为6 t ( 7 ) ，6 t ( 2 5 ) ，外层钢丝由t 型或不规则形状的钢丝组成， 武汉理工大学硕士研究生论文 丝与丝之间呈面与面的接触。这种结构的钢丝绳股内钢丝间的空隙最 小，股内钢丝的填充率较点接触钢丝绳高出3 0 以上，钢丝绳受到轴向 力作用时而产生的伸长也最小，其疲劳寿命和耐磨寿命比点接触钢丝绳 高出3 0 以上：但生产工艺也最复杂，对生产设备的要求也较高。钢丝 绳不同的捻制方法和不同的结构形式，其密度系数也不尽相同，见 表2 1 钢丝绳的密度系数。 表2 1 常用钢丝绳的密度系数表 钢丝绳结构密度系数钢丝绳结构密度系数 ( k n )( k n ) l 70 7 86 3 0o 3 9 1 1 9o 7 66 1 9s0 5 2 1 3 70 7 66 f 9 wo 5 1 1 1 9so 8 36 1 9 f io 5 2 t 1 7o 9 06 3 6 w so 5 2 t l 1 9 s0 9 318 7o 5 3 【密封钢丝绳o 9 0 以上l8 1 90 5 2 6 70 4 8t 6 1 9so 5 9 6 1 90 4 8 一t 6 1 9 wo 5 8 6 3 70 4 86 1 9 f io 5 8 6 2 4o 4 26 v 3 0o 5 0 通过以上的介绍不难看出，钢丝与钢丝之间、股与股之间、股与 芯子之间总存在间隙，而且，捻制时钢丝及股的变形存在捻制应力，该 捻制应力又使间隙呈加大趋势，所以，当钢丝绳在纵向受自重和外加载 荷时，随着其间隙的消除而结构变得更加紧密，并且将发生“时效”作 用而使捻制应力逐渐消除，纤维芯又被压缩，导致卸载后钢丝绳比使用 武汉理工大学硕士研究生论文 前要长，即发生了钢丝绳结构仲长，其长出量叫结构伸长量，其结构仲 长量与钢丝绳原始氏度的比值称为结构仲长率。可见结构伸【毛是永久仲 长。钢丝绳在正常使用受外力时产生的伸长通常还有弹性伸长和蠕变伸 长。弹性伸长量取决于钢丝绳自有的性能一一主要取决组成钢丝绳 的母材以及钢丝绳结构，即钢丝绳的弹性模量。当外力除去后其弹 性伸长即可恢复，习惯称之为非永久伸长。蠕变伸长与时间和钢丝 绳物理性能有关，但变形量很小，仅在结构件中考虑，如斜拉桥绳 索、大型屋面板。低松弛预应力钢绞线便是一种很重点考虑蠕变变 形的钢丝绳。 结构伸长和蠕变伸长均属永久仲长，当外力消失后其身长不 再恢复。钢丝绳的弹性模量( e ) 与钢丝绳的结构有关，表2 2 列出了几种常用结构钢丝绳的弹性模量。不同结构钢丝绳中钢丝数 量、捻法、种类、钢丝绳绳：6 ：，以及钢丝绳的捻制质量等的不同而 不同，通过预张拉、紧压、锻打等工艺，能提高其弹性模量，降低 弹性伸长。但是通过预张拉、紧压、锻打等工艺加工，不但要提高 钢丝绳的生产成本，而且由于紧压、锻打工艺伴有刚性的提高，从 而会限制了钢丝绳的使用，所以这些加工工艺必须根据钢丝绳的用 途，选用相应的加工工艺。通常情况下，钢丝绳的使用是不考虑其 弹性模量的影响因素，但是随着科技进步和生产力不断提高，钢丝 绳的弹性模量也开始越来越受到重视。 表2 - 2 钢丝绳弹性模量 序号钢丝绳结构弹性模量io ；m p a l密封绳1 4 5 l ，7 2 2 钢绞线 1 2 5 1 4 5 3 多股钢丝绳 1 0 0 1 2 j 4 钢芯钢丝