螺杆泵井杆柱受力分析及优化设计讲解
螺杆泵井杆柱组合设计研究
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以前 的螺杆 泵 杆 柱 设 计 主 要 依 靠 经验 ， 设 计 且 多为单 级 杆柱 ， 成钢 材 浪费 、杆 柱受 力不 好 等 造 问题 。为 了改善 这 种 情 况 ， 出 了把 抽 油 杆 柱 设 计 提
螺 杆 泵 井 杆 柱 组 合 设 计 研 究
赵 仁 宝 于 鹏 ， 井 波。 ， 周
（． 庆 石 油 学 院 提 高 油 气 采 收 率 教 育 部 重 点 实 验 室 ， １大 黑龙 江 大 庆 １ ３ １ ； ６ ３ ８ ２ 大 庆 油 田 第 四采 油 厂 ， 龙 江 大 庆 １３ １ ） ． 黑 ６ ３ ８
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水平井求产螺杆泵排液杆柱力学分析及防偏磨技术
水平井求产螺杆泵排液杆柱力学分析及防偏磨技术王金东;张帆;高一淇;丛蕊【摘要】In the process of horizontal wells seeking production,the screwrod string is liable to produce the phenomenon of eccentric wear due to motion characteristics and environmental im-pacts.In order to prevent drilling accidents and economic losses,a mechanical analysis for screw rod string in the process of horizontal wells seeking production is made.Adrain rod string finite element analysis model based on mechanical analysis results established and an anti-eccentric wearing measures about reasonable placement methods of guide apparatus and centralizers is pro-posed.Aiming at the practical example of oil field,ANSYS software is developed to calculate stress and deformation when the drain rod string under its dead load and to arrange reasonable placement ofguide?apparatus and centralizers according to the analysis results.With the com-parison of parameters of torque,stress,average contact force and average contact frequency before and after,it reveals this technology may effectively prevent eccentric wear of the drain rod string due to the oversize lateral displacement.%在油田水平井求产过程中，螺杆泵排液杆柱因受其运动特性及井内环境的影响极易发生偏磨现象。
工程类机抽井泵型及杆柱设计优化
市场应用前景
高效能：提高泵型 和杆柱设计的效率， 满足市场需求
智能化：结合先进 技术，实现智能化 设计和管理
环保节能：注重环 保和节能，符合可 持续发展要求
定制化服务：根据 客户需求，提供定 制化的泵型和杆柱 设计服务
未来研究方向
智能化设计：利用人工智能和大数据技术进行泵型和杆柱的优化设计
高效能材料：研发更耐磨、耐腐蚀、高强度的材料，提高泵型和杆柱的 使用寿命
教训。
案例启示：从 案例中获得启 示，为今后的 工程类机抽井 泵型及杆柱设 计提供参考和
借鉴。
案例对工程类 机抽井泵型及 杆柱设计的意 义：强调案例 分析对工程类 机抽井泵型及 杆柱设计优化
的重要性。
案例对其他类 似工程的启示： 从案例中提炼 出的启示，对 于其他类似工 程的设计和优 化也有一定的
参考价值。
06
总结与展望
01 工程类机抽井泵型介绍
常见泵型及其特点
离心泵：利用离心 力将液体吸入和排 出，适用于各种工 程领域。
柱塞泵：利用柱塞 在缸体中往复运动， 产生高压流量，适 用于高压、高流量 场合。
螺杆泵：利用螺杆 的旋转运动产生压 力，输送粘性、含 颗粒的液体。
隔膜泵：利用隔膜 的往复运动，将输 送的液体与电机隔 离，适用于输送腐 蚀性液体。
技术建议
优化泵型设计，提高泵效和可靠性 杆柱设计应考虑不同工况下的载荷和应力分布 引入智能化技术，实现远程监控和故障预警 注重材料选择和热处理工艺，提高杆柱的耐磨性和抗腐蚀性
管理建议
建立完善的机抽井泵型及杆柱设计优化管理制度，确保优化工作的有序进 行。 加强技术培训和交流，提高优化人员的专业素质和技术水平。
建立优化效果评估机制，对优化成果进行科学合理的评价和反馈。
螺杆泵抽油杆柱受力分析
螺杆泵抽油杆柱受力分析作者：螺杆泵来源：/抽油杆柱受力分析与抽油机井的工作原理不同，螺杆泵抽油井在正常工作时即要受到轴向的载荷作用，同时又要受到周向扭转载荷的作用。
1.水力计算l)泵压头的确定在螺杆泵的受力分析当中，泵进出口压差是一个重要的参数，它直接影响了负载扭矩及轴向力计算的准确性。
根据螺杆泵的工作原理，确定泵压头的计算公式，其关键是对泵出口至井口流体流动的沿程压力损失的处理。
根据螺杆泵抽油井杆管环空内流体的流动特征，泵出口至井口流体流动的沿程损失包括两部分，流体沿泵以上的油管和抽油杆的环形空间向上作螺旋流动的沿程摩擦阻力损失和流体在杆管环空中流动时所产生的局部阻力损失，建立了相应的模型，得出泵井出口压差的计算公式。
2)采出液粘度的确定螺杆泵油井采出液中包括两种液相:油相和水相，水驱时，油井的采出液是原油和水的混合物，为牛顿流体，只要含水一定，混合物的粘度就为一定值，可用粘度加权法进行计算。
对于聚驱油井，采出液是聚合物溶液与原油的混合物，是非牛顿流体，并且聚合物采出液的粘度要高于水驱采出液的枯度。
通常在螺杆泵抽油井杆管的环空中，剪切速率通常较低，因此可以认为，采出液中水相和油相主要表现出粘性流体，且符合幂律模式，对于采出液的粘度可以采用加权法进行计算。
2.杆柱负载扭矩的计算与抽油机井的工作原理不同，螺杆泵抽油井在正常工作时即要受到轴向的载荷作用，同时又要受到周向扭转载荷的作用。
地面驱动螺杆泵抽油杆柱负载扭矩是螺杆泵抽油生产中的一个重要参数，其数值的精确计算对螺杆泵工况的诊断、抽油杆柱的合理设计以及泵的选择具有重要的价值，地面驱动螺杆泵抽油井在正常工作时，原动机通过抽油杆柱带动螺杆泵旋转，抽油杆柱受到五种扭矩的作用，抽油杆柱与井液的摩擦扭矩、举升流体的有功扭矩、抽油杆柱与油管间的摩擦扭矩、由于泵定子与转子间存在过盈而产生的摩擦扭矩及抽油杆的惯性扭矩。
在杆柱负载扭矩的计算当中考虑了泵压头的准确计算及粘度的影响。
螺杆泵优化设计
南美公司螺杆泵优化设计及建议来信中提到螺杆泵在使用过程中，杆柱断脱现象比较严重，为此需要对螺杆泵杆柱受力情况进行受力分析，以期做到对选泵、转数选择、杆柱选用起到优化指导的作用。
第一章基础理论1 抽油杆柱扭矩的计算抽油杆驱动螺杆泵工作时所承受的扭矩有：（1）泵举升时的工作扭矩；（2）克服抽油杆与井液的粘滞力对抽油杆表面所产生的与抽油杆旋转方向相反的摩擦扭矩；（3）克服螺杆泵内转子和定子间的摩擦阻力矩，其数值一般在50-100Nm 之间。
其中前两者较大，是引起扭矩增大的主要矛盾，为了达到简要说明问题的目的，本文对螺杆泵内转子和定子间的摩擦阻力矩不做分析。
1.1泵举升时的工作扭矩：M1=110.5Q△P/n (N·m) (1) 式中：n –泵的转数或抽油杆旋转速度，rpm；Q –日产液量，m3/d；△P–泵进出口压差，Mpa，该值系由动液面高度，套压及油压共同决定，且有△P=ρy gH+Pt-Pc (MPa) (2) 式中：ρy –为井液的密度，kg/m3H –为动液面高度，m，Pt–油管回压，MPaPc–套管压力，MPa1.2克服井液粘滞力对抽油杆表面所产生的摩擦扭矩：M2=μnLπ2D2d2/3000(D2-d2) (N·m) (3) 式中：μ—流体粘度, mPa·s;L—抽油杆柱长度，m;D —油管内径, m;d —抽油杆外径，m;1.3泵内摩擦阻力扭矩泵内摩擦阻力扭矩包括转子与定子间的初始过盈配合所产生的反扭矩、在井下高温、高压下热涨和溶胀所产生的反扭矩，相对而言，此部分扭矩较小，并且可近似看做为一个恒定值，通常该值小于100Nm，本文将其视为常数C，暂不对其进行探讨。
1.4螺杆泵总扭矩以上三个扭矩值相加即为螺杆泵工作时产生的总扭矩M=M1+M2+C (N·m) (4) 2 螺杆泵转数的优化工作制度优化的目的是使转数控制在合理的范围内，达到工作扭矩最小的目的，为合理选择泵型奠定基础。
螺杆泵驱动杆柱力学分析及稳定器布置
螺杆泵驱动杆柱力学分析及稳定器布置
李敬元;魏继德
【期刊名称】《石油机械》
【年(卷),期】1998(26)1
【摘要】就工作原理而言，螺杆泵兼有离心泵和容积泵两者的优点，其缺点是驱
动杆柱断裂较频率。
根据螺杆泵的工作状况，考虑抽油杆柱的重力、浮力、拉力、扭矩、井眼轨道等因素的影响，给出了驱动杆柱动力学基本方程，建立了三个模型，即对驱动抽油杆柱作整体力学分析的稳态拉力－扭矩模型；对井口处的驱动杆柱作局部弯曲分析的数学模型，以及对与螺杆泵转子相连接的下部杆柱作动力分析的数学模型，并提出了稳定器布置方法。
【总页数】6页(P13-17,28)
【作者】李敬元;魏继德
【作者单位】大庆石油学院;大庆石油管理局采油工艺研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TE933.2
【相关文献】
1.螺杆泵井驱动杆柱的偏磨和断裂动力学分析 [J], 王伟章;闫相祯;王海文;张先锋
2.地面驱动螺杆泵抽油杆柱弯曲的力学模型 [J], 师国臣;陈卓如;吴晓东;王世展
3.基于转子动力学方法研究螺杆泵抽油杆柱扶正器的布置 [J], 邹龙庆;魏丽;祝娟
4.螺杆泵抽油杆柱稳定器安装位置的确定 [J], 朱小平;吴伟
5.地面驱动螺杆泵抽油杆柱动力学分析技术及其应用 [J], 刘巨保;罗敏;李淑红
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定向井螺杆泵抽油杆柱力学分析及防磨损措施
定向井螺杆泵抽油杆柱力学分析及防磨损措施摘要：定向井本身的井身结构比较特殊，因此在实际作业的过程中采取螺杆泵抽采方式如果不能采取合理的措施，很容易导致柱杆出现严重的磨损甚至出现卡死等现象。
为了能够有效消除柱杆在实际抽采作业中出现的磨损等问题，针对抽油杆造斜点设置了相应的导向器，并在合理的位置配套使用扶正器等相关的措施，在实际确定扶正器合理的位置的时候主要是通过建立模型进行分析计算得出。
这种方式在抽采现象的应用中得到了广泛应用。
关键词：定向井；螺杆泵；管杆磨损；扶正器引言在直井的抽采作业中螺杆泵抽采工艺的应用已经逐渐趋于成熟，但是螺杆泵抽采工艺在定向井中的应用比较少，对此的相关研究也比较少。
与直井相比较定向型本身的结构以及井身受力情况都更加复杂，当处于造斜段的时候，感触非常容易受到重力作用与油管壁发生接触。
根据定向井本身井眼轨迹具体特征可以知道，螺杆泵在抽采作业过程中抽油杆的旋转运动使得在纵横方向上出现了弯曲状态，这样就非常容易导致感度出现损坏或者是断脱等现象。
为了能够最大程度避免这种现象的出现，本文主要通过建立抽油杆的力学模型，并通过模型分析计算对导向器以及扶正器的布置方式进行了合理研究。
1 抽油杆柱受力情况分析螺杆泵的抽油杆在实际作业这个过程中主要是通过地面动力端来进行扭矩传递，并以此来带动驱动轴旋转，驱动头经过减速处理之后通过方卡子将扭矩传递到光杆上，最终将扭矩传递到抽油杆柱上面。
通过分析可以知道在井口位置抽油杆柱实际受到的是主动力矩的作用，在旋转作业过程中同时还会受到走向产生的力F，在举升液体的过程中不会受到一个摩擦力矩，此外，转子与电子之间由于采取的是过盈配合，因此两者之间也会产生还会产生一个摩擦力，在泵的出口位置由于会存在一定的压差，因此也会在抽油杆柱上产生的反扭矩。
上述几个参数可以通过以下计算公式来进行计算。
上述公式中R主要表示的是转子截面半径，m；e主要表示的是转子的偏心距m；主要表示的是在泵进出口产生的压差，Pa；上述公式中主要表示的是定转子之间在初始状态下的过盈值，mm；n主要表示的是在螺杆泵在运行过程中的转速，r/min；上述公式中主要表示的是井下液体动力粘度，Pa·s；主要表示的是油管的内径，m；d主要表的是抽油杆直径，如果都抽油杆本身是空心抽油杆，那么d主要表示的就是其外径，m。
螺杆泵采油井抽油杆柱力学行为研究
［ 参考 文献 ］ ［］ 崔 振 华 ， １ 安锦 高 ， 国安． 杆 抽 油 系 统 ［ ． 余 有 Ｍ］ 北 京 ： 油 工 业 出版 社 ， ９ ４ ５ ～ ６ ， ７ ～ 石 １９ ：９ ６ １０
２５ ３ ￣ ２ ． ０， ００ － －３ ０
均有不同程度的提高 ， 取得了一定的成效 ， 达到了预 期使 用 防气 装置 的 目的 。 ７ 结论 在 油 田开发 后 期 ， 由于气 体影 响 ， 使抽 油泵 的 致 泵 效 降 低 ， 重影 响 油 田的开 发 生 产 。针对 这 一 现 严
体载荷和流体流动摩阻的综合作用 。 抽 油杆柱 在井筒 流体 内的重力 可 以表示 为 ：
ｎ
Ｆ：∑Ｇ ｘｉ ｉ （ △ ）
ｉ＝ １
式 中 ： 抽 油杆 柱 在井 液 中 的重力 ， Ｇ（） Ｆ一 Ｎ； ｉ一第 ｉ 段 杆柱 在井液 中 的重量 ， ｍ。 Ｎ／ 井 筒 内流 体载 荷可 以表 示为 ：
ｍ－ １
Байду номын сангаас
Ｆ ＝ （； ｒ） ｚ ｄ 一ｄ ｐ ￣
ｄｐ ｊ ，， … ， ；ｉ 一１ ２… ｍ一１
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（ １ ｄ ） ｊ 一 ｄ＋－ ￣ｐ １ ＋
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了便于分析抽油杆柱受力状况 ， 将总长Ｌ ｐ的抽油杆 分为 ｎ段 ， 每段 长度 为 。 １ 轴 向力分 析 抽 油 杆 柱 在井 筒 内受 到抽 油 杆 柱 自身 重 力 、 流
收稿 日期 ：０ １ ７ ５ ２ １ ～Ｏ —１ 作 者简介 ： 士同（９ ６ ， 山东茌平人 ， 单 １ ６ 一） 男， 工程师 ， 主要从事采油工 艺、 井下作业方面的管理工作。
２１ 年第 １ 期 ０１ ９
１ ２
内 蒙 古石 油化 工
螺杆泵抽油杆柱的动态受力分析与工艺设计
（22.23） 1507.6 35.4 （9.66） 915.1 21.7 （8.02） 1489.6 35.1 （4.16） 4.0 （2.9） 4.8 （2.47） 7.4 （3.48） 4.1 （2.37） 4.6 （2.2） 6.1 （4.8） 9.5 （ 8.7 3.62） 104.5 117.3 147.8 432.9 387.2 443.8 1059.7 917.8
中图分类号： TE 833.2 文献标识码： A 文章编号：1006 - 768X （2003） 02 - 061 - 04
在地面驱动螺杆泵采油技术中， 抽油杆柱所承 受的外载荷主要有螺杆泵产生的轴向力和反扭矩、 抽油杆柱自重、 液体对抽油杆柱的浮力和阻力、 井口 驱动转矩等， 受力分析如图 1 所示。
・ 62 ・ 推导单元运动方程 e e · （ ）（ e ‥（ ） （ ） （ ） Me d e t + C t d e t + K 0 + KN t +
e （ ） K t） d（ = F（ e t） e t） σ e 式中： Ke Ke K Me 、 Ce N、 0、 σ、
钻
采
工
艺
2003 年
（1） 分别为单元的线性刚度矩 2.3
率 Rc 和平均碰撞接触力Rn ， 根据这 2 个参数建立的 扶正器安放位置判别条件为：
N
1 N max M max 1 N min M min （ ） ） + - （ + σa = 2 A W 2 A W Mnm τm = W n Mn max - Mn min τa = 2 Wn
（3）
e 式中： Ke G 和 R G 分别为动力间隙元刚度矩阵和附加 力向量。
杆柱受力分析
一、抽油杆和油管间的摩擦力，上行增大载荷， 下行减小载荷，与抽油杆长度、井斜度及扶正块数 量有关。
二、柱塞与衬套之间的摩擦力。上行增大载荷， 下行减小载荷，其大小与活塞长度、配合间隙以及 介质的粘度有关。
三、 液柱与抽油杆之间的摩擦力(或称粘滞阻 力)，在上行过程中，不存在相对运动，不产生摩擦 载荷，只有在下行过程中。才产生摩擦阻力，使杆 柱载荷减小，除了与抽油杆长度和运动速度有关外， 主要取决于液体的粘度。
振动载荷 惯性载荷 冲击载荷 摩擦载荷
P振
P惯 P冲 P摩
动载荷是由杆柱和液杆的变速运动 以及由液—液、固—液、固—固的相对 运动而产生的载荷。其大小受多种因素 影响，其方向也是不断变化的。就某一 点的受力来说，分析计算动载荷是非常 复杂的，只能做定性的描述。
振动载荷
抽油杆本身是一种弹性体，由 于抽油杆柱作变速运动和液柱载荷 周期性地作用于抽油杆柱上，从而 引起抽油杆柱的弹性振动而产生的 附加载荷。
hr液 10
P 套
P吸 P沉 P损
P回
井口回压
井口回压始终作用在活塞上， 使光杆载荷增加，只不过在下行 过程中，游动凡尔打开，井口回 压加载到油管柱上，使杆柱减载； 如果不能及时卸载，活塞上仍然 要承受一部分回压。
P
上 杆回
p回 ( F活 f杆 )
P
下 杆回
p回 f 杆
动 载 荷
四、液柱与油管之间，除了与液流速度有关外， 主要取决于液体的粘度，在上行过程中产生，增大杆 柱载荷。 五、液体通过游动凡尔产生的磨擦力，除了与凡 尔结构有关外，主要取决于液体的粘度和液流速度。 六、盘根密封部分与光杆之间的磨擦力，其大小 与盘根盒的松紧程度有关，它仅作用光杆部分，对悬 点载荷产生影响，对井下杆柱不产生作用。
螺杆泵井抽油杆柱校核及下泵深度设计计算
依据 。
１ 目前 螺杆 泵抽 油杆 柱 设计 原 则
螺 杆 泵 抽 油 杆 柱 的工 作 状 态 与 常规 有 杆 泵 不
同 ， 受 力 状 况 也 有 本 质 区别 。 其
பைடு நூலகம்
抽 油杆 柱是 螺杆 泵 生 产 唯一 的转 动 件 ， 杆 泵 抽 油 螺 杆 柱在 井下 受力 比较 复杂 。目前 采用 的抽 油杆 柱 要 解 决 的主要 问题 为杆 柱强 度确 定及 最大 下泵 深度 确 定 。本 文就 上述 问题 进行 了公 式推 导 、 算 ， 到 了 计 得
抽 油杆 选 型计算模 型 ， 并采 用计 算机 编程 计算 ， 出 了精 确 的 强度校 核 结果 。经 现 场应 用检 验 ， 得 该 方法较现 有 计算 方 法得 出的抽 油杆 选用 方案 更加 经 济 实用 ， 为螺 杆 泵 井抽 油杆 的选 型提 供 了有效
的计算 方 法。 关 键 词 ： 杆 泵 ； 油杆 ； 度 校 核 ； 泵 深 度 螺 抽 强 下
（ ｓａ ｃ ｎ ｔｔ ｔ ｏ ｑｎ ｔｏ ｅ ｍ ｕ ｐ ｎ ｏ ｐ， ｑｎ ６ ３ ２， ｉａ Ｒｅｅ ｒｈ Ｉ ｓｉｕ ｅ ｆ Ｄａ ｉ ｇ Ｐｅｒ ｌｕ Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔＧｒ ｕ Ｄａ ｉｇ １ ３ １ Ｃｈ ｎ ）
Ａｂｓｒ ｃ ： ｏ ｅ ｓｖｅ Ｃａ ｉｙ Ｐｕｍｐ ｒ ｔ ｉ ｓ ｉ ｏ ｔａ ｔ Ｐｒ ｇｒ ｓ ｉ ｖ ｔ ｏｄ ｓ ｒｎｇ ｉ ｎ ｃ ｍｐｌｃ ｔ ｄ ｄ ｗｎｈ ｅ ｓ ｒ ｓ ｏ ｉｉ ｎｓ Ａｃ ｕ— ｉａ ｅ ｏ ｏｌ ｔｅ ｓ ｃ ｎｄ ｔｏ ． ｃ ｒ ｔ ａ ｃ ａ ｉｎ ｉ ｔａ ｑ ｒ ｂ ｅ ｄ ｏ ｐ ｅ ｅ ｔ ｅ ｔ ｃ ｃ ｉ ｎｄ ｒ ｄ ｔ ｐ ｅ ｅ ｔｏｎ ｍｅ ｈ ｓ ａ ｅ ｃ ｌｕｌ ｔｏ ｓｎｏ ｃ ｕｉａ ｌ ｕｅ ｔ ｒ ｓ ｎｔｓ ｒ ｎｇ ｈ— ｈｅ ｋ ｎｇ ａ ｏ ｙ ｅ ｓ ｌ ｃ ｉ ｔ ｏｄ ． Ｔｈｅ ｅ ｏ ｅ， ａｌ ｅ ｏ ｓ ｅ ｃ ｒ ｆ ｒ ｆ ｉｕｒ ｒ ｗａ ｔ ｏｍｅ ｕｔｆ ｅ ｕ ｎｔｙ． ｉ ｅ ｔ ｈ ｓ ｅ ｔ ｂｌｓ ｄ ａ ｍｏ １ｏ ｕ ｋｅ ｏ ｓ ｏ ｒ ｑ ｅ ｌ Ｔｈ ｓ ｔ ｘ ａ ｓ ａ ｉ ｈｅ ｄｅ ｆｓ ｃ ｒ ｒ ｄ
水平井求产螺杆泵排液杆柱力学分析及防偏磨技术
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大 ，促进 疲劳腐 蚀 Ｏ 的形成 和扩 展 ，更 容 易 产生 应 力 集 中 开 裂 。
综上所述 ，实 际使用 中由于存在严 重的腐蚀介 质 ，在 停止钻 井作 业 期 间这 些 腐 蚀物 质 继 续 残 留 附 着于钻 杆 内壁处 ，并 与外 露 于 空 气介 质 共 同作用 产 生严重 的钻 杆腐蚀 ，钻杆 的腐 蚀面 不断扩 大 ，在后期 的作业 中由于应 力集 中的存 在 ，腐 蚀坑 开裂扩 展 ，引
起 失 效 发 生 。
３ 结 论
［２］ 张 毅 ，赵 鹏 ．Ｏ１２７ ＩＴＩＩ￣×９．９ ｍｍ ＩＥＵ Ｓ－Ｉ ３５钻 杆 腐 蚀 失 效 分 析 ［Ｊ］．钢管 ，２００３（４）：１０—１６．
Ｅ３１ 吕拴 录 ，骆 发 前 ，周 杰 ，等 钻 杆 接 头 纵 向裂 纹 原 因 分 析 ［Ｊ］．机 械 工程 材 料 ，２００６（４）；９５—９７．
［７］ 吕拴 录 ，骆 发 前 ，高林 ，等 ．钻 杆 刺 穿 原 因 统 计 分 析 及
预 防 措 施 ［Ｊ］．石 油 矿 场机 械 ，２００６，３５（ＳＩ）：１２－１６． Ｅ８１ 余 世 杰 ，袁 鹏 斌 ，龚 丹 梅 ，等 ．￥１３５钻 杆 刺 漏 原 因分 析
ＥＪ１．金 属 热 处 理 ，２０１１（Ｓ１）：１７３—１７７． Ｅ９３ 聂 采 军 ，吕拴 录 ，袁 鹏 斌 ，等 ．Ｓ１３５钻 杆 管 体 断 裂 原 因
分 析 ，表 明该 防偏磨 技 术可有 效地预 防排 液杆 柱 由于横 向位 移过 大 引起 的偏磨 。 关 键 词 ：水 平 井 ；螺 杆 泵 ；排 液 杆 柱 ；导 向 器 ；扶 正 器
螺杆泵井杆柱受力分析及优化设计
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螺杆泵
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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=10 6 (π R 2 +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 (D 2 -d 2 )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 D 2 γ 1 L （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。
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 实验测试值推到经验公式得出： Mb2=91.3δ -n 0.45 +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 D 3 (1-(d 4 /D 4 )) （MPa） M=Mb1+Mb2+Ms+Mr(L-x)
杆柱优化设计
※简单设计优化
螺杆泵抽油杆柱受力分析及断脱研究
二 、辽 河油 田螺杆 泵使用 情况 与问题分 析
根据辽河油 田兴隆台采 油厂２ ０ ￣２ ０ 年螺杆 泵 ０７ ０９
井 作业情 况统计 ，螺杆泵在使用 中存在 的主要 问题 是 断杆 、脱扣 、撸扣 。
（ 抽 油杆 断 杆 问题 分 析 一）
螺杆泵在运转过程 中，动力要通过抽 油杆柱传递 给井下 的螺杆泵 ，因此抽 油杆丝 扣要 附加一个传递动 力的扭矩 ，这个扭矩通过丝扣转变成轴 向力作用在抽 油杆丝扣 台阶处 ，这样丝扣要承受 台肩对丝扣 的反作
率高、维修方便和能举升 由油、气 、水和砂组成 的多相 液体，在国外发展较快。俄、美、加拿大等国在应用螺 杆泵开采重质粘油、含砂油和高气油 比原油方面取得 了
显著的成效 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ我国于８年代初开始应用螺杆泵采油。 ０
辽河油田从１９年开始大面积应用螺杆泵采油，但 ９６
由于在设计杆柱时没有完整的理论依据 ，采油时 出现杆
则抽油杆所受的总扭矩为：
Ｍ ＝ ２ Ｍ＋ Ｍ 总 Ｍ＋ ３ ４ （ ） ５
（ ） 柱 受 力计 算 三 杆 １ ．抽 油 杆 自重
Ｐ ＝Ｊｒ Ｔ ＝ 杆 Ｉ ｌ ｐ， Ｇ Ｌ Ｌ （ ） ６
三 、螺 杆泵抽 油杆柱 受力分析 和计算
（ 一）螺杆泵 抽 油 杆 柱受 力 分析
性 井液 中转动所受摩擦 力矩 ； 泵进 出口压差作 用在转子上所产 生的反扭矩及所受作 用力进行 了分析 ，得
出抽 油杆及其螺纹强度的校核公 式 ，以一 口螺杆 泵生产 井为例进行 了计算判 断，并结合现场经验 ，得 出
了螺 杆 泵抽 油杆 柱 断脱 的预 防 方 法 ， 以指 导 实 际生 产 。
螺杆泵抽油杆在运转 的过程 中断开 ，其原 因之一
定向井螺杆泵抽油杆柱力学分析及防磨损措施
目前 ， 杆 泵 采 油 技 术 在 直 井 中 的应 用 已经 比较 成 螺 熟” ， ｊ但在定 向井 中的应 用还 较 少 ， 目前 为止 未 见相 关报 道 。定 向井较直井的井身 结构及 受力情 况更为 复杂 ， 柱 的 杆 造斜 段在重力的作用下不可避免地与油管壁发生接触。根据 定 向井的井眼轨迹特性知 ， 油杆在做旋 转运 动的过 程中处 抽 于纵横 弯曲状 态 ， 这使杆 柱更 易磨损 和断脱。为避 免或 减缓 这种 现象 ， 本研 究建立了定 向井螺杆泵抽油杆柱力学模型 ， 提 出了合理 布置导 向器及 扶正 器的技术 措施 ， 为防止 抽油杆 柱 磨损提供理论指导Ｍｅｓｒｓ ｆ ｉ ｕ ｅａｐｒ ｕ ｔ ｅ ｅｔｎｐｉ ｆ ｈ ｄ ｎ ｓｒ ｈｎｕｉ ｒｇ ｓ ｎ ａｉ ｐｍ ｄｔ ｐ ｉ ｅ ｎ ｅｉ ｙ ｔ ｏ ｏｍ ｌ ａｕｅ Ｌｎ ｇｉ ｐａａ ｓａ ｄｆｃ ｏ ｎ ｏ ｅｒ ｆ ｏ ｘｇ ｄ ｔ ｌ ｉ ｏ ｔ ｔ ｏ
Ｄ ｅｔ ｌ ｐ ｃａ ｔ ｃｕｅｏ ｏｔｏ ｅ ｉ ｃｉ ｅｌ ｔ ａ ｅｄ ｔ ｅ ｅ￣ａ ｒ ｉｎ ｅｅ ａｍｎｎ ｏ ｕ ｏｔｅｓｅ ｉ ｓｒ ｔｒ ｆｃｎｒｌ ｄｄｒ ｔ ｎ ｗ ｌ，ｉ ｃ ｎｌａ ｏ ｓｖ ｌ ｂ ａ ｏ ｖｎ ｉＩ ｌｇ ｉ ｎ ｔ￣ｏ ｔ ｉ ａ ｙ ｌ ｌ ｕ ｌ ｅ ｏ ｓ ｆ ｐ ｒ ｎ ｉｇ
维普资讯
第３ ４卷 第 ４期
２０ ０ ６年 ７月
东
北
林
业
大
学
学
报
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ４ １３ ．
Ｊ ＯＵＲＮＡＬＯＦ Ｎ ＯＲＴ ＡＳ Ｏ ＨＥ Ｔ Ｆ ＲＥｓ Ｙ ＵＮ ＶＥ Ｉ Ｙ １ Ｉ ＲＳＴ
Ｊ１ Ｏ ６ ｕ．２ Ｏ
式中 ： 为泵进 出口压差产生 的反扭矩 （ ｉ） ｅ Ｎ・ｎ ； 为转子 偏 心距 （ ｍ） Ｄ为转子直径 （ｎ ； ｍ ； ｉ） Ｔ为定子 导程（ｎ 。 ｉ） 由于定 向井在造 斜点 以下存 在不 同程 度 的“ 狗腿角 ” 现 象， 必须在抽油杆柱上安装扶 正器 ， 以避免抽油杆与油管壁接 触摩擦而损坏 抽 油杆。 由于扶正 器较 短且 与 油管 的 间隙很 小， 对抽油杆来说相 当于活动铰支座 ， 取造斜点附近两个相邻 扶正器之间的一跨作为研 究对象 。其 力学模 型如 图 ２所 示 ， 抽油杆主要受重力 、 体 的摩 擦 阻力 矩 Ｊ 主 动力 矩 液 Ｉ ｌ ｆ 以及 轴向拉力 等作用 。
螺杆泵井杆柱失效诊断及应对措施
螺杆泵井杆柱失效诊断及应对措施摘要：螺杆泵采油技术在存在安全性、稳定性等问题。
螺杆泵杆柱由于受到挤压，所受应力改变导致断裂、螺纹脱扣、撸扣、粘扣、偏磨的工况事故时有发生，基于此进行井杆柱失效诊断研究。
针对每个抽油井杆柱环境的特殊性，选取适宜的杆柱参数、安装扶正器和防反转设备，在井杆柱运行工作中对抽油杆柱安装过载保护，能够提高杆柱的稳定性和持久性，可降低防断脱事故的发生。
实践证明，通过采取选配适宜强度的杆柱，适当安装扶正器，采用插接式连接机构等措施能有效地解决螺杆泵杆柱断脱问题，减少了生产故障率，提高了油田的生产效率。
关键词：油田；螺杆泵；失效类型；诊断预防采油螺杆泵广泛应用于我国各大油田，尤其在低产井和被列为无开采价值的油井上应用后，使其重新获得了可观的经济效益。
螺杆泵杆柱失效类型主要分为杆柱断裂失效，螺纹脱扣、撸扣、粘扣失效，杆柱、油管偏磨失效三种类型，失效类型产生的原因也各不相同。
针对每个抽油井杆柱环境的特殊性，选取适宜的杆柱参数、安装扶正器和防反转设备，在井杆柱运行工作中对抽油杆柱安装过载保护，采用插接式连接机构，改良杆柱连接状况，提高杆柱的稳定性和持久性，不断加强施工管理制度完善，可降低防断脱事故的发生。
1 杆柱失效诊断随着我国大部分油田进入开发中后期，深井、斜井、定向井数量不断增加，螺杆泵杆柱失效问题突出。
根据采油螺杆泵的应用实例，杆柱失效类型大概分为三类：①杆柱断裂失效；②螺纹脱扣、撸扣、粘扣失效；③杆柱、油管偏磨失效。
1.1 杆柱断裂失效原因杆柱断裂是杆柱失效的常见形式，主要原因如下：（1）杆柱外径小，安全系数低。
不同于往复泵抽油杆柱，螺杆泵杆柱不仅受到轴向应力作用，而且受到因杆柱扭转带来的剪应力作用。
另外，高速旋转的杆柱还可能因杆柱偏心、井斜等造成横向不稳定运动，弯矩加大。
杆柱受力形变复杂，而目前油田生产中应用的抽油杆柱设计方法仅考虑了静载荷部分，忽略了动载荷，势必影响安全系数。
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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，
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。
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
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
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
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
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；
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。
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
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。
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
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
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
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
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
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
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。
GLB200-33 GLB300-26
895 908
884 358
75 9Ф 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
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。
★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。
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)