螺杆泵井杆柱受力分析及优化设计讲解

测试扭矩 （N.m）
254
计算扭矩 （N.m）
272
轴向力 （KN）
79.2
轴向应力 （MPa）
161.4
扭矩 （N.m）
272
剪应力 （MPa）
44.3
复合应力 （MPa）
安全系数
180
4.3
2、杆柱简单设计
杆柱优化设计
※杆柱设计：生产压差的影响
通过计算分析，我们发 现，生产压差是影响扭矩的 动态因素，其影响值很大。
GLB800-14 型泵转子扭矩曲线
结论： 1、减小生产压差就能减小扭矩，实际生产中应解放地层、解除堵塞； 2、在杆柱的优化时，应考虑生产压差的影响。
杆柱优化设计
※杆柱设计：应力集中影响
复合应力公式：
σ d=(σ 2+3τ 2)1/2
（MPa）
式中:σ ——轴向力引起的正应力； τ ——扭矩引起的剪应力。
杆柱优化设计
※简单设计优化
类
别
屈服极限应力(Mpa)
屈服极限扭矩(N.m)
25mmD级抽油杆
875
1097
25mmH级抽油杆
1231
1403
36mm空心抽油杆
2150
2397
1、通过“实测扭矩”和“计算复合应力”判断杆的受力情况，并以此为优 化杆柱提供依据；
2、屈服极限扭矩与应力共同参考，保证其安全系数n≥2； 3、简单杆柱的设计原则： 小于300的泵：泵挂小于1200米，采用25D杆； 350-500的泵：泵挂小于800米，压差小于3，采用25H杆；
杆柱受力分析
①.计算分析——轴向力
Fb——螺杆泵产生的轴向载荷：1、泵进出口压差引起的；2、液体内漏失
的摩擦力，液体相对于螺杆泵出口流动的摩擦力引起；3、干摩擦或半干摩
擦，螺杆泵轴向运动趋势引起。
Fb=106(π R2+16eR)Δ P+750kδ （N）
e:转子偏心距；R:转子截面圆半径；Δ P：泵进出口压差；k：泵衬套全长
905
657
100
678
Ф 25D
13 M14-6-7 GLB433-19
958
937
70
581
Ф 25H新
14 M12-10-11 GLB433-19
958
937
60
695
Ф 25H新
15 M4-8-33 GLB600-23
895
335
80
750
Ф 36空心杆
16 M4-6-X28 GLB800-14
上的螺距数；δ ：螺杆衬套副的过盈值。
Fw——抽油杆自重。Fw=0.245π (D2-d2)γ L （N）
γ ：抽油杆密度；D、d：抽油杆的外径、内径；L：抽油杆的长度
Fl——抽油杆柱浮力。Fl=0.245π D2γ 1L
（N）
γ 1：液体密度；
轴向力：N=Fb+Fl+Fw（L-x），其中x=0是为井口，轴向载荷最大。
763
412
90
768
Ф 36空心杆
17 M4-5-X261 GLB900-16
714
1
85
644
Ф 36空心杆
18 M12-P2 GLB900-16
759
491
90
1040
Ф 36空心杆
3、结论与认识
结论与认识
螺杆泵井杆柱强度分析和计算，为杆柱的优化设 计提供了依据，根据安全系数结合生产实际中主要因 素的影响，对螺杆泵井生产杆柱进行了简单的设计。
★扭转载荷引起的剪应力：τ =16M/π D3(1-(d4/D4))
复合应力
由于抽油杆处于复合应力状态、且为塑性材料，采用第四强度理论计算较
为合理：
σ d=(σ 2+3τ 2)1/2
（MPa）
安全系数：n=σ c/σ d （σ c：材料屈服极限应力）
安全系数n大于等于1.5时，杆柱处于安全状态，安全系数越高越安全。
生产转数 r/min 90
生产扭矩 N.m 106
所用抽油杆 Ф 25D
2 M4-4-x291 GLB120-36
969
576
100
245
Hale Waihona Puke Baidu
Ф 25D
3 M22-4-9 GLB120-36
995
73
120
190
Ф 25D
4 M22-8-13 GLB120-36
952
325
110
218
Ф 25D
5 M14-13-21 GLB160-36
Fl——抽油杆柱浮力。Fl=0.245π D2γ 1L
（N）
γ 1：液体密度；
★轴向拉压载荷引起的正应力：σ =N/A=4N/π (D2-d2)
（MPa）
N=Fb+Fl+Fw（L-x），其中x=0是为井口，轴向载荷最大。
扭矩引起的剪应力
Mb——螺杆泵产生的反扭矩：1、泵进出口压差作用在转子上的扭矩Mb1；
剪应力公式：τ =16M/π D3(1-(d4/D4))；正应力公式：σ =N/A=4N/π (D2-d2)
1、扭矩引起的剪应力在复合应力中占主要部分； 2、生产过程中，扭矩引起的剪应力远远大于正应力； 3、螺杆泵杆柱扭矩至上而下变化不大，如果杆柱直径变小，势必引 起剪应力的增大，反而造成了应力集中； 结论：建议不采用2级或3级杆柱。
擦，螺杆泵轴向运动趋势引起。
Fb=106(π R2+16eR)Δ P+750kδ （N）
e:转子偏心距；R:转子截面圆半径；Δ P：泵进出口压差；k：泵衬套全长
上的螺距数；δ ：螺杆衬套副的过盈值。
Fw——抽油杆自重。Fw=0.245π (D2-d2)γ L （N）
γ ：抽油杆密度；D、d：抽油杆的外径、内径；L：抽油杆的长度
2、泵内摩擦阻力产生的Mb2。
Mb1=9.55Nb/nη
（N.m）
n：泵的转速；η ：泵效；泵的功率Nb=11.574QtΔ P；泵的理论排量
Qt=nq；泵每旋转一周的理论排量：q=16eRt；t:定子的导程
实验测试值推到经验公式得出：
Mb2=91.3δ -n0.45+46.5
（N.m）
Ms与Mr在实际生产过程中，作用在杆柱上的扭矩很小，一般为10-20N.m
为合理：
σ d=(σ 2+3τ 2)1/2
（MPa）
安全系数：n=σ c/σ d （σ c：材料屈服极限应力）
安全系数n大于等于1.5时，杆柱处于安全状态，安全系数越高越安全。
M4-4-X291
杆管结构尺寸
25mm抽油杆×969m、31/2″油管969m
螺杆泵与工艺参数
泵型：GLB120-36，泵效：0.665；泵深：969m，粘度60MPa.s，液体密度： 0.978g/cm3，定子导程t=400mm，转子半径R=24mm， 转子偏心距e=7mm，螺距数k=14，衬套过盈值δ =0.15mm，测试生产扭矩M=154N.M，泵转 速n=100r/min，产液量：11.3m3/d，液面深度lt=576m，油压：0.8MPa，套压：0MPa， 空心杆密度：7.84g/cm3，
GLB200-33 GLB300-26
895 908
884 358
75 90
480
Ф 25D
270
Ф 25D
10 M1-8-5 GLB300-26
1015
791
100
465
Ф 25D
11 M1-11-64 GLB433-19
849
224
90
412
Ф 25修复杆
12 M4-2-17 GLB433-19
结论：当生产参数确定后，轴向力的动态参数仅为△P。
杆柱受力分析
②.计算分析——扭矩
Mb——螺杆泵产生的反扭矩：1、泵进出口压差作用在转子上的扭矩Mb1；
2、泵内摩擦阻力产生的Mb2。
Mb1=9.55Nb/nη
（N.m）
n：泵的转速；η ：泵效；泵的功率Nb=11.574QtΔ P；泵的理论排量
Qt=nq；泵每旋转一周的理论排量：q=16eRt；t:定子的导程
989
407
110
261
Ф 25D
6 按M照5-杆P9 柱设GL计B19原0-3则3 ，匹8配68 抽油杆，470有效的防12止0 了抽油35杆3 杆断。Ф截25止D
20712年8M月14 ，杆G断LB1仅903-3井3 次，8据58 扭矩与使400用时间判85断为抽油17杆2 、扶正Ф器25质D
量89问题MM11。4--161--171
972 1040
扭矩N.m 1200 1000
计算扭矩 实测扭矩
800
600
400
200
0
结论：计算抽油杆复G合LB应12力0-3时6 ，GLB便20于0-3操3 作GL，B4扭33-矩19 可GL直B6接00使-23用G实LB测900扭-16矩。
泵型
杆柱受力分析
③.计算分析——复合应力
由于抽油杆处于复合应力状态、且为塑性材料，采用第四强度理论计算较
杆柱受力分析
井号 泵型号 计算扭矩N.m 实测扭矩N.m
M22-8-13 GLB120-36
196 218
螺杆泵计算与实测扭矩对比表
M14-6-1
M4-2-17
GLB200-33 GLB433-19
465
692
480
678
M4-8-33 GLB600-23
787 750
M12-P2 GLB900-16
泵挂大于1000米，压差大于3，采用36空心杆； 大于600的泵：泵挂小于800米，采用36空心杆。 （GLB300-26型螺杆泵，100r/min生产，日理论产液43m3）
杆柱优化设计
螺杆泵井使用杆情况
序号 井号 1 J5-X298
井下泵
泵型
泵深 m
GLB120-36
1143
动液面 m
912
生产情况
但油井实际生产时，地下因素千变万化，下一步 我们将继续总结工作，深入分析，细化螺杆泵井的杆 柱设计，为螺杆泵井长期稳定生产提供保障。
汇报结束
欢迎大家批评指正
实验测试值推到经验公式得出：
Mb2=91.3δ -n0.45+46.5
（N.m）
Ms与Mr在实际生产过程中，作用在杆柱上的扭矩很小，一般为10-20N.m
★扭转载荷引起的剪应力：τ =16M/π D3(1-(d4/D4))
（MPa）
M=Mb1+Mb2+Ms+Mr(L-x)
结论：当泵型与泵挂确定后，扭矩的动态参数仅为△P、n。
螺杆泵井杆柱受力分析及优化设计
2012年9月
1、杆柱受力分析
方卡子
接箍 抽油杆 螺杆泵
M Mr Fw Ms
Fl Mb
Fb
杆柱受力分析
螺杆泵杆柱受力分析
轴向力引起的正应力
Fb——螺杆泵产生的轴向载荷：1、泵进出口压差引起的；2、液体内漏失
的摩擦力，液体相对于螺杆泵出口流动的摩擦力引起；3、干摩擦或半干摩