杆柱受力分析
单元二 杆件和结构的受力分析受力图 建筑力学
本单元首先阐述了工程中常见 的约束及其约束反力，然后讨 论杆件和结构的受力分析，作 受力图。
单元重点
1
掌握常见典型约束的性质及约束反力的确定。
2
能够完整、准确的画出杆件和结构的受力图。
1
学习任务1 约束及约束反力
物体受到的力一般分为两类：一类是使物体运动 或使物体有运动趋势的力，称为主运动力，即前 述的荷载；另一类是约束对物体的约束反力，又 称为被动力。一般主动力是已知的，而约束反力
是未知的。在受力分析计算中，约束反力和已知
的主动力共同作用使物体平衡，利用平衡条件就 可以求解出约束反力来。
柔பைடு நூலகம்约束
由绳索、链条、皮带等柔性物体形成的约束，称为柔体约 束。柔体只能承受拉力，不能承受压力，所以作为约束， 他们只能限制物体沿柔体中心线且离开柔体的运动，而不 能限制物体沿其他方向的运动。因此，柔体约束的约束反 力是通过接触点，沿柔体中心线且背离物体的拉力，常用 T表示。
而处于平衡状态，故链杆也称为二力杆。链杆约束只能限 制物体沿链杆方向的运动，而不能限制其他方向的运动。
固定铰支座
用圆柱铰链把结构或构件与支座地板链接，并将底板固定 在支撑物上构成的支座，称为固定铰支座。固定铰支座只 能限制构件在垂直于销钉平面内任意方向的移动，而不能 限制构件绕销钉的转动，可见其约束性能与圆柱铰链相同。
圆柱铰链约束
圆柱铰链简称铰链，是由一个圆柱形销钉插入两个物体的圆孔中 构成，并且认为销钉和圆孔的表面都是光滑的。圆柱铰链的约束 反力可用一个大小与方向均未知的力F表示，也可用两个相互垂 直的未知分力来表示。
链杆约束
两端用铰链与物体分别连接且中间不受力（自重忽略不计）
抽油杆柱轴向受力分析
单级抽油杆柱轴向力的组成当游梁机工作时，任意井深处抽油杆柱的轴向力均由以下几项组成： 1)抽油杆柱自重，作用方向垂直向下；2)油井液体对抽油杆柱的液体浮力，作用方向垂直于抽油杆柱轴线向上； 3)油管内液柱在抽油泵柱塞有效面积(即柱塞截面积减去抽油杆截面积)上所产生的液体力，即油柱重，其方向垂直于柱塞表面向下；4)油管外液柱对柱塞下表面的浮力，其大小取决于泵的沉没度，方向垂直于柱塞表面向上；5)抽油杆柱于液柱运动所产生的惯性力。
惯性力正比于悬点运动的加速度，方向与加速度方向相反；6)抽油杆柱与液柱运动产生的振动力，其大小和方向都是变化的；7)各运动副之间的摩擦力，包括：泵筒与柱塞之间、抽油杆柱与油管之间的半干摩擦力、抽油杆柱与油柱之间、油柱与油管之间以及液体流过抽油泵游动阀时的液体摩擦力，它们均与抽油杆的运动方向相反。
上述(1)、(2)、(3)、(4)四项与抽油杆柱的运动无关，称为静载荷；(5)、(6)、(7)三项力与抽油杆柱的运动有关，称为动载荷。
1.单级抽油杆柱轴向力的计算方法下面将列出上述各力的计算公式，其公式中的各符号意义参考见本章后面的说明。
1)半干摩擦力14094.0-=δpM D P (2－1)2)液体通过泵阀时的水力阻力对柱塞底部所形成的向上的推力 先计算液体的雷诺数cp l e u d D s n .R 06352⨯⨯⨯=ρ (2－2)流量系数28.0=u (当4103⨯≤e R 时)n s d D u d u p l c ⨯⨯⨯⨯⨯=2020191ρ(当4103⨯>e R 时)下冲程液体通过游动阀时的水力阻力产生的向上推力L pp kld )n s (A)A A (A u n .P ρ⋅⋅⋅+⋅=2232172951 (2－3)上冲程液体通过游动阀时的水力阻力产生的向上推力L p lu v A A u P ρ⋅⋅⋅=220221 (2－4)3)作用于抽油杆柱底部液体向上的浮力gH A P L r f ⋅⋅⋅=ρ (2－5)4)液柱与抽油杆柱之间的摩擦力抽油杆柱与液柱之间的摩擦力主要与杆柱的运行速度以及油液本身的物性有关，其最大值可由下面的近似公式来确定：max p c lr v )m (m ln )m (m L u P ⋅--+-⋅⋅=1112222π (2－6)上述lr P 的计算中并未考虑抽油杆接箍的附加阻力，通常采用实验资料确定附加阻力。
工程力学中的杆件受力分析和应力分布
工程力学中的杆件受力分析和应力分布工程力学是研究物体在受力作用下的力学行为及其工程应用的学科。
在工程力学中，对于杆件的受力分析和应力分布是非常重要的内容。
杆件是指在力的作用下只能沿着轴向伸缩的直细长构件，通常用来承受拉力或压力。
在本文中，我们将探讨杆件受力分析的方法以及应力分布的计算方式。
一、杆件受力分析在杆件受力分析中，主要考虑的是杆件所受的外力作用以及杆件内部所存在的支反力。
首先，我们需要明确杆件所受的外力有哪些类型。
常见的外力包括拉力、压力、剪力和扭矩等。
在分析杆件受力时，我们通常采用自由体图的方法，即将杆件与其它部分分开，将作用在该部分上的所有外力和内力用矢量图表示出来。
对于杆件受力分析，我们需要应用平衡条件，即受力平衡和力矩平衡条件。
受力平衡条件要求受力杆件在平衡状态下，合力为零，合力矩为零。
力矩平衡条件要求受力杆件在平衡状态下，合力矩为零。
通过应用这些平衡条件，我们可以得到杆件内部的支反力以及所受外力的大小和方向。
二、应力分布计算一旦我们确定了杆件所受的外力以及杆件内部的支反力，接下来我们需要计算杆件上的应力分布情况。
应力是指杆件某一截面上内部单位面积上所承受的力的大小。
常见的应力类型有拉应力、压应力和剪应力等。
在杆件内部，由于受力的存在，会导致杆件内部存在正应力和剪应力。
正应力是指作用在截面上的力沿截面法线方向的分量，而剪应力是指作用在截面上的力沿截面切线方向的分量。
根据杆件破坏的准则，我们通过计算截面上的应力分布来评估杆件的强度是否满足要求。
在计算杆件的应力分布时，一种常用的方法是应用梁弯曲理论。
根据梁弯曲理论，我们可以通过计算杆件的弯矩和截面形状来确定截面各点上的应力分布。
杆件的弯矩可以通过受力分析和力矩平衡条件来计算，而截面形状可以通过测量或者根据设计参数确定。
另外，我们还可以利用有限元分析方法来计算杆件的应力分布。
有限元分析是一种数值计算方法，通过将复杂的结构分解为许多小的单元，然后通过数值模拟的方式来计算每个单元上的应力分布。
螺杆泵井测试诊断技术-
可发生在结蜡点以上位置)。
Q 1440 q n 10 6
式中： Q——螺杆泵理论排量，m3/d； q——螺杆泵每转排量，ml/r； n——转子转速，r/min。
应用实例
电机输出轴扭矩与时间变化关系曲线
29
应用实例
由测试曲线可以看出，电机的输入电流、功率、轴功率和轴 转矩在启动过程中没有正常测试曲线中的启动峰，结合该井不出 液的现状，判断该井为泵压头不足，为漏失故障，后经作业证实 该诊断结论正确。
30
应用实例
2）扭矩、轴向力法诊断 胜利油田9-2-704井，正常生产一段时间后，突然不出液，经现场测试扭矩、 轴向力，如图所示。
螺杆泵转子在定子内转动，定子受到一个反向扭矩的作用。它的大小不仅取
决于泵本身，同时与原油物性有关。如果原油粘度高、含蜡高，反扭矩大，螺杆 泵下部锚定工具不灵或没有锚定，在反扭矩作用下，使定子上部油管卸扣，造成 油管脱落。 (2)油管脱落特征 油管脱落后，油井没产量；电机运转电流小：停机光杆不反转；抽油杆下放 探不到底。
存在压差，当压差大于泵定、转子过盈配合密封能够承受的压差，则产生“击穿”
18
螺杆泵井故障分析
3 卡泵 (1)卡泵的原因
卡泵的原因很多，任何导致转子旋转阻力过大的原因均可能造成卡泵。
定转子的静摩擦力和动摩擦力增加，加大了螺杆泵的启动和工作扭矩。 螺杆泵每个腔室相互并不连通，泵转子在运转过程中，不同腔室内的液体压 力由于油管内液体的作用逐渐增加；同时因定、转子是窄面接触，所以每个腔室 的液压力表现为静吸附力。螺杆泵启动时，转子必须克服静摩擦力又要克服吸附 力。 螺杆泵停机过长。启机时，转子的启动扭矩因静摩擦力和静吸附力所产生的
杆管偏磨原因分析及治理
√
√+√ 2008.12
√+√
√
2009.1
√+√
√
2009.3
√+√ 2009.2
二、杆管偏磨机理及影响因素分析
㈣、偏磨现象总结
3．对于直井，偏磨位置集中在中下部位。 直井的磨损部位集中在抽油杆中和点以下的部分，在杆下
行时受压产生弯曲，与油管内壁接触，同时部分供液不足井发 生液击，瞬间的冲击力加重了抽油杆的弯曲，导致杆管磨损， 这类井的治理主要采取下部加重的措施，强行下移中和点，减 少受压部分杆长，目前的工具有加重杆及加重锤。
二、偏磨机理及影响因素分析
㈡、斜井中的杆管偏磨机理
图3 杆管在斜井中的状态
二、偏磨机理及影响因素分析
㈢、影响偏磨的主要因素 目前，大多数油田都存在杆管偏磨的现象，对于杆管偏磨的主
要影响因素的讨论也非常多，已经形成了一些共识性的东西，为 了更清楚地分析、掌握其主要影响因素，2008年以来对所发现的 40口偏磨井的生产数据、工作制度（沉没度、含水、泵效、泵型、 生产参数等）进行统计分析，与偏磨的主要影响因素做对比验证， 寻找偏磨的共性特征，便于制定对策和完善配套工艺。
为了搞清楚井下杆柱的受力状况，便于指 导使用配套工具，开展了井下应力测试工作， 截止目前已开展了5口井的测试，根据测试结 果，采取了合理的加重措施配套，效果明显， 测试使用的仪器为大庆油田研制，该仪器主要 由传感单元、CPU 单元、数据变换单元、电源 稳定单元、数据存储单元、数据转换器、地面 计算机等组成。
近几年新投的斜井多，偏磨问 4
题加剧；蒙古林的偏磨与隐蔽 2
斜井、三次采油注聚合物及产 出液有关；边采作业区的偏磨
0 哈南 蒙古林 锡林 边采 合作 淖尔
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。
抽油杆加重受力分析
抽油杆加重受力分析张鹏举 王 兴(中原油田特种车辆修造总厂,河南 濮阳 457001) 摘 要 本文分析了抽油杆在工作时的受力情况,及抽油杆在下端加重时受力情况的变化和对提高泵抽吸效率的影响。
关键词 抽油杆;加重;冲程 抽油杆是有杆抽油装置的一个重要部分,在抽油机和泵之间传递动力,在抽汲循环中,抽油杆反复地被拉伸、压缩,使下部活塞和泵套的相对运动距离,即泵的有效冲程减小,降低了泵的抽汲效率。
由下表可以知道,抽油杆在下放中,上部受拉,下部受压,冲程损失在0.2～0.6m之间。
井号级数×总长地面冲程(m)泵冲程(m)地面负荷(K N)泵负荷(KN)马11-14×2237.29Umax=2.931Umin=-0.0072.410-0.421Fmax=63.95Fmin=46.315.67-3.01马19-63×1409.56Umax=2.978Umin=-0.0022.645-0.175Fmax=58.80Fmin=33.0814.68-2.43马11-172×1293.82Umax=2.968Umin=-0.0072.723-0.104Fmax=58.43Fmin=37.1210.90-3.96桥10-214×1856.21Umax=2.996Umin=0.0032.478-0.287Fmax=75.71Fmin=52.1919.76-2.75桥4-84×1795.77Umax=3.119Umin=-0.0412.473-0.170Fmax=62.74Fmin=42.3119.89-8.34桥18-184×1710.98Umax=2.062Umin=-0.0022.715-0.102Fmax=80.67Fmin=27.9718.78-11.81和采收率。
②在气井钻井、完井、投产、措施、生产、修井等各个环节系统采取气层保护措施,可以有效防止和减少气层损害,明显提高气井采气指数。
单井分析优化
单井分析优化一、单井分析优化平台工作流程主要步骤第一步：通过单井实时采集数据结合宏观控制图确定需要几类可以进行措施的油井；1、采集数据报警1）传感器自身工作状态（无线传感器供电状态）；2）电参：电流、电压是否缺相、过高、过低等；3）载荷、扭矩是否超限；4）井口压力是否超限；发现异常、报警后进行相关处理。
2、宏观控制图分析输出分析结果：一系列问题油井；第二步：针对问题油井进行深入的分析诊断；1、功图综合分析1）相关参数的计算2）井下示功图诊断3）泵效分析4）管柱、杆柱受力分析2、系统效率分析1）地面效率分析2）井下效率分析第三步：在分析诊断的基础上进行相应的优化调参和优化设计；1）产能预测2）抽汲参数优选3）杆柱、管柱设计第四步：措施效果评价转入下一轮的采集分析。
二、油井常见问题及对应措施三、工作流程举例以一口抽油机井（4055-1）为例、演示平台工作流程3.1采集信息报警图3-1采集信息报警截图4055-1井传感器电池电量低，报警后及时更换传感器电池，同时该井采集功图波动大。
需要查看该井宏观控制图。
3.2宏观控制图图3-2宏观控制图图形显示图3-3宏观控制图井名列表通过宏观控制图分析发现4055-1井生产参数偏大。
需要对其进行更进一步的分析。
3.3单井功图综合分析3.3.1 4055-1井基础数据A相电压(V):219.00B相电压(V):218.28C相电压(V):217.68A相电流(A):4.36B相电流(A):4.34C相电流(A):3.93油压(MPa): 油温(℃):抽油泵:38管式泵泵深(M):1370.00油藏中深(m):1448.50杆柱组合:22/19 570.00/800.00动液面(m):1200.003.3.2 4055-1井排液参数计算结果理论排量(t):11.51有效冲程(m):0.76计算泵效(%):33.42图3-4 功图综合分析图形集合表3-1杆柱受力分析结果3.3.3 4055-1 单井综合分析综合工况分析结论：功图显示供液不足，略带气体影响；泵效饼图分析显示该井容积损失较大，达到48%以上；杆柱受力分析表明该井杆柱组合基本合理，受力比较安全。
油气井杆管柱力学
三、管柱的屈曲研究及发展现状
1.垂直井眼中管柱屈曲
Lubinski 首先研究了钻柱在垂直井眼中的稳定性, 导出了钻柱在垂直平面内的 弯曲方程, 并利用边界条件给出了钻柱在垂直平面内发生失稳弯曲的临界载荷计算公 式。对抽油井中油管及抽油杆柱的螺旋弯曲进行了研究。提出了抽油杆和油管在轴 压及内外压作用下发生空间螺旋屈曲的概念和内压引起管柱失稳的概念。1996 年, 高国华等分析了管柱在垂直井眼中的屈曲, 将管柱的3 种平衡状态( 稳定、正旋屈曲、 螺旋屈曲) 有机地统一起来。
五、参考文献
[9] 于永南, 韩志勇, 路永明. 斜直井眼中钻柱侧向屈曲的研究[J]. 石油大学学报, 1997, 21(3): 65-67. [10] 于永南, 胡玉林, 韩志勇, 路永明. 井眼中钻柱稳定性分析的有限元法[J]. 石油大学 学报, 1998, 22(6): 74-78. [11] 李子丰. 油气井杆管柱力学及应用[M]. 北京: 石油工业出版社, 2008. [12] 高德利. 油气井管柱力学与工程[M]. 山东东营: 中国石油大学出版社, 2006. [13] 刘峰, 王鑫伟, 周宏. 斜直井眼中钻柱螺旋屈曲的非线性有限元分析[J]. 南京航空 航天大学学 报, 2004, 36(1): 62-66. [14] 刘健, 林铁军, 练章华等. 考虑残余应变的连续油管螺旋屈曲载荷新公式[J]. 石油 机械, 2008, 36(1): 25-29. [15] Chen Yuche, Yuhsu, Cheatham J B. Tubing and casing buckling in horizontal wells[J]. JPT, February 1990: 140-141, 191.
2003 年, 冷继先利用经典微分方程法对三维弯曲井眼中管柱屈曲进行了系统的分 析 。高德利利用经典微分方程法建了在弯扭组合作用时管柱的屈曲微分方程, 并求得屈 曲方程对应管柱正旋屈曲和螺旋屈曲构型的解析解, 确定了管柱处于初始平衡状态、正 旋屈曲平衡状态、螺旋屈曲平衡状态所对应的载荷范围。刘峰等摒弃了等螺距、无重 力和小位移假设条件, 考虑了重力、井眼轨迹、曲率半径和钻柱上端井斜角对管柱屈曲 的影响, 用有限单元法对钻柱的屈曲问题进行了深入的研究。
抽油杆管受力状况分析与优化策略
抽油杆管受力状况分析与优化策略在抽油泵抽汲循环的上、下冲程过程中，液柱的重力从固定凡尔上转到游动凡尔上，使抽油杆柱和油管交替加载和卸载。
本文建立抽油泵正常工作过程中的力学模型，根据抽油杆的弹性伸长量，计算了防冲距的合理取值，从而改善了抽油泵防冲距设计中常因采用经验值而使泵效降低的问题。
结合抽油泵泵阀的开启条件，推导了抽油泵柱塞的滞后位移，进而得到抽油泵在一定杆管泵组合下的排量系数及防冲距对泵效的影响关系式，为合理确定防冲距提供了依据。
标签：抽油杆；受力状况；弹性变形量；泵效提升在有杆泵采油生产中，影响抽油泵泵效的因素主要有杆管柱的伸缩、井液中的含气量、泵的充满度及漏失等。
由于余隙空间的存在，使得泵在抽油过程中，余隙空间被弹性能大的气体所占据，致使上冲程时泵的固定凡尔开启滞后或根本打不开（气锁），井液进泵数量减少甚至进不了泵，极大地影响了抽油效率。
而且余隙越大，余隙内残留气体越多，则气体影响越大，造成有效冲程越小，泵效越低。
在高油气比油田的有杆泵采油中这种影响尤为明显。
目前人们主要从增加泵的沉没度、加大冲程、降低冲次等方面进行研究[，以提高抽油泵效率。
本文对抽油杆的受力状况及其弹性变形量的分析，研究合理的余隙容积，以提高泵效。
1 防冲距的理论分析因静液柱重力引起的抽油杆柱和油管柱在工作过程中发生弹性伸长，使抽油杆下冲程时下移的距离大于實际冲程的长度，故防冲距的目的主要是考虑到抽油杆在轴向拉力的作用下会伸长，避免杆柱与泵筒底部发生碰撞而上提的一定距离，杆柱的实际伸长量一般都小于所提距离，所以活塞的实际冲程也小于理论冲程。
1.1 抽油杆受力分析根据抽油杆柱在工作过程中的受力状态，建立力学模型。
由采油工艺可知杆柱所受合力为F′r =W′r +Wfd +Wrd=（1 -0.127ρf）Wr +Wr +ξWf）a/g式中W′r 为抽油杆柱在液体中的自重（kN）；Wrd 为抽油杆柱动载荷（kN）；Wfd 为液柱动载荷（kN）；ρf 为井液密度（kg/m3）；W r 为抽油杆柱自重（kN）；Wf 为作用于柱塞环形面积上的液柱重量（kN）；a 为抽油杆加速度（m/s2）；ξ为泵杆管的截面差之比，ξ=（Ap -Ar）/（Ai -A r）；Ai 为油管内径的流通面积（m2）；Ap 为柱塞面积（m2）；Ar 为抽油杆截面积（m2）。
第4章 静定杆系结构内力分析01
解：用截面法分别求各段杆 上的内力。
A
Ⅰ
C
Ⅱ
D Ⅲ
B
AC段：截面Ⅰ－ Ⅰ 截开，取 1.5kN Ⅰ 左段杆 FN1＝1.5kN（拉力）
2kN
Ⅱ 2.5kN Ⅲ
2kN
CD段：截面Ⅱ－Ⅱ截开，取 1.5kN FN1 左段杆 FN2＝1.5-2＝-0.5kN y 1.5 （压力）
2
⊕
⊕
0.5
DB段： 截面Ⅲ－ Ⅲ截开，取 右段杆 FN3＝2kN（拉力）
个力相互错动并保持它们之间的距离不变时，杆件将产 生剪切变形。
F
P
F
P
F
F
FQ
F
8
一、杆件的基本变形和内力
2、剪切与剪力：
F
F
FQ
F
F
F
FQ
FQ
(a)
FR
FR
FR
(b)
(a)
FR
FR
FR
(c)
FQ
(b)
FQ
(c)
FQ
FQ(+) FQ(+ )
(b)
FQ(–) FQ(–)
(c)
9
横截面的切向内力的合力称为剪力，记作FQ
第4章 静定杆系结构的内力分析
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 杆件的基本变形与内力 单跨静定梁的内力计算与内力图 多跨静定梁的内力计算与内力图 静定平面刚架的内力计算与内力图 静定三铰拱 静定平面桁架
4.1 杆件的基本变形及内力
一、杆件的基本变形和内力
二、截面法求内力
三、轴向拉压杆件的内力计算
F
F M 上侧受压
上侧受压 M M 截面转动 截面转动
1.2_典型结构受力分析——结构是怎样受力的
－－结构是怎样受力的
• 上节回顾
• 1、什么是架构？ 物体的主体框架与构造形式 • 2、结构的定义，什么是构件？
结构是指物体各个组成部分之 间的搭配和排列。 构件：结构的各组成部分。
• 3、结构的本质是什么？ 结构的本质是承受力、抵抗变形
• 4、结构分为哪三种常见类型？
• （1）实心结构 • （2）框架结构 • （3）壳体结构
例子：拉面、油条、拉力器
（3）趁热打铁——
压力：挤压物体的力，产生压缩变形 。
例子：压订书机、坐板凳、压路机压路
（4）修理草坪——
剪切力：两个距离很近，大小相等，方向相 反， 且作用于同一物体上的平行的力。 例 子：剪刀剪纸、钢丝钳钳钢丝
（5）拧干衣服——
扭转力：反方向向物体两端均匀施力，使 物体发生扭转形变的力。
• 5、实心，框架，壳体结构的特征和受 力特点？ （1）实体结构：能承受较大的压力 （2）框架结构：几何外形比较复 杂，能承受垂直和水平荷载 （3）壳体结构：壳体内空，形态稳 定，受力合理
阅读材料
• 构件受外力作用时，要发生形状或大小的 改变，这种改变称为变形。 • 第一节的实例中，吊车的吊绳承受的力是 拉力，拉力所产生的形变为拉伸，组成材 料的粒子被拉开；板凳腿承受的外力是压 力，压力所产生的变形为压 缩，组成材料 的粒子被推近。拉力和压力都是荷载作用 的结果。
• 当杆件受到与杆纵轴线相垂直的外力作用时， 杆件 产生的弯曲，发生弯曲变形时的构件 称为梁。 • 当板凳很长时，櫈面可视为梁。此种櫈面在 人的体重等外力的作用下，会发生弯曲变形。 只是这种变形可能很小，肉眼不易看出来。 而跳水的跳板发生的弯曲变形，却是非常明 显。弯曲变形如图：
油气水井管杆柱受力分析优化设计软件StrPAD的功能设计
油气水井管杆柱受力分析优化设计软件StrPAD的功能设计蒋敏;檀朝东;孙聪聪;李静嘉;王淑华
【期刊名称】《中国石油和化工》
【年(卷),期】2015(0)9
【摘要】油气水井管杆柱受力分析优化设计软件(以下简称StrPAD)是一款集油气水井三维井眼轨迹描述、管柱结构图绘制、井筒温度压力场计算、管柱各种复杂工况下力学分析以及工具通过能力计算、管柱安全分析与校核等为一体的综合分析模拟软件,软件各个模块具有很强的可操作性,能够满足客户的多种需求.本文通过总结国内外各种管柱力学分析软件的优缺点,立足于油田现场的业务需求,全面阐述StrPAD应具备的功能,从三维井眼轨迹描述、工艺管柱设计与绘制、管柱力学分析、管柱安全分析与校核四个方面进行软件的功能设计.
【总页数】3页(P65-67)
【作者】蒋敏;檀朝东;孙聪聪;李静嘉;王淑华
【作者单位】中国石油大学,北京昌平,102249;中国石油大学,北京昌平,102249;中
国石油大学,北京昌平,102249;北京雅丹石油技术开发有限公司,北京昌平,102200;
北京雅丹石油技术开发有限公司,北京昌平,102200
【正文语种】中文
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iPESS功能设计研究4.试论长输油气管道强度与优化设计软件5.油气水井问题诊断和预测系统研究及应用——以新疆油田油气水井分析为例
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建筑结构中的受力分析方法
建筑结构中的受力分析方法在建筑结构中，受力分析是一项至关重要的任务。
它通过对各种受力因素的深入研究和分析，来确保建筑物在正常使用和特殊情况下的安全性和稳定性。
本文将介绍建筑结构中常见的受力分析方法，并探讨它们的应用。
一、静力学方法静力学方法是最基础和常用的受力分析方法之一。
它假设结构在受力过程中处于静止状态，不考虑时间因素和动态影响。
静力学方法主要包括受力平衡方程和杆系分析。
1. 受力平衡方程受力平衡方程是基础的受力分析工具。
它根据牛顿力学定律，通过平衡力的大小和方向来描述结构的受力状态。
在受力平衡方程中，通常需要考虑外力、内力和支座反力等因素，以确保结构在各个方向上处于平衡状态。
2. 杆系分析杆系分析是一种将结构简化为杆件的方法。
它通过将复杂结构分解为杆件系统，并对每个杆件进行受力分析，来研究结构的整体受力行为。
杆系分析可以用于分析梁、柱、桁架等结构，并结合受力平衡方程进行综合分析。
二、有限元法有限元法是一种数值计算方法，广泛应用于复杂结构的受力分析。
它将结构划分为小的单元，并建立该单元与其相邻单元之间的力学关系方程。
通过求解这些方程，可以得到结构的受力分布情况。
有限元法的优势在于可以考虑结构的非线性和动态特性，并且适用于各种复杂边界条件和荷载情况。
在实际应用中，有限元法广泛用于建筑物的承载力分析、振动分析以及变形分析等方面。
三、弹性力学方法弹性力学方法是一种基于弹性力学理论的受力分析方法。
它假设结构具有线弹性行为，并通过弹性力学理论建立结构的受力方程。
弹性力学方法主要包括应力分析、弹性平衡方程和变形分析。
1. 应力分析应力分析是利用应力张量和变形张量来描述结构受力状态的方法。
它通过计算各个点的应力大小和方向，来研究结构的应力分布情况。
应力分析可以用于分析结构的强度和稳定性等关键参数。
2. 弹性平衡方程弹性平衡方程是基于弹性力学理论和受力平衡原理的方程。
它通过平衡结构的内力和外力，来确定结构的静态平衡状态。
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
油气井杆管柱力学课件
05
油气井杆管柱的应用 实例
油气井杆管柱在石油工程中的应用实例
1 2 3
石油开采
油气井杆管柱在石油开采过程中起到关键作用， 用于支撑井壁、传递扭矩和压力，确保石油顺利 开采。
钻井工程
油气井杆管柱作为钻杆的重要组成部分，用于输 送钻井液、传递钻压和扭矩，同时起到保护钻头 和井壁稳定的作用。
油气分离
材料检测与评估
对杆管柱的材料进行检测和评估，以确保其质量和可靠性。
油气井杆管柱的工艺优化设计
工艺流程优化
01
对杆管柱的制造工艺流程进行优化，以提高生产效率和降低成
本。
工艺参数优化
02
对杆管柱的制造工艺参数进行优化，以提高其质量和性能。
工艺质量控制
03
建立完善的工艺质量控制体系，以确保杆管柱的质量和可靠性
油气井杆管柱的强度分析
材料强度分析
研究杆管柱材料的强度特性，如抗拉、抗压、抗弯等。
结构强度分析
研究杆管柱结构的强度特性，如连接处、弯曲处等。
03
油气井杆管柱的稳定 性分析
油气井杆管柱的静态稳定性分析
静态稳定性分析
研究杆管柱在静止状态下的稳定 性，分析其受到的静力平衡状态 ，以及在各种外力作用下的稳定
有限元分析
利用有限元分析方法，对杆管柱的结构进行仿真 分析，以评估其力学性能和优化设计方案。
参数化设计
采用参数化设计方法，对杆管柱的结构参数进行 优化，以实现最优的结构设计。
油气井杆管柱的材料优化设计
材料选择
根据油气井的工况和要求，选择合适的材料，以提高杆管柱的力 学性能和使用寿命。
杆的受力分析范文
杆的受力分析范文考虑一个均匀材料制成的杆，在杆上分别有两个沿杆方向施加的力，分别记为F1和F2、我们的目标是确定杆的受力分布以及在杆上的各个点的受力情况。
首先，我们需要计算杆的重力。
假设杆的质量为m，杆上每单位长度的质量为μ，杆的长度为L。
那么，杆的总质量为M=μL。
根据重力的定义，杆所受的重力等于重力加速度g与杆的总质量的乘积，即Fg=Mg=μLg。
接下来，我们可以考虑杆上两个施加的力F1和F2、假设力F1作用于杆上的距离为x1，力F2作用于杆上的距离为x2、这两个力对杆的受力情况产生了影响。
首先，我们可以计算力F1对杆的作用力矩（或者称为力矩）。
力矩定义为力与杆上特定点之间的垂直距离与力的乘积。
在杆上的任意点，力F1对杆的作用力矩M1=F1x1同样地，力F2对杆的作用力矩为M2=F2x2在受力分析中，我们通常关注杆的平衡情况。
杆保持平衡的条件是所有作用在杆上的力的合力为零，且所有作用在杆上的力的合力矩为零。
根据这些条件，我们可以建立以下方程：ΣFx=F1-F2=0（1）ΣM=M1+M2+Mg=0（2）其中，ΣFx表示所有作用在杆上的力的合力，ΣM表示所有作用在杆上的力的合力矩。
根据方程（1），我们可以得到F1=F2、这意味着两个施加在杆上的力大小相等。
将F1=F2代入方程（2），我们可以得到以下关系：F1x1+F2x2+Mg=0由于我们已经知道Mg=μLg，可以进一步简化为：F1x1+F2x2+μLg=0（3）方程（3）是杆上受力分布的一个重要关系式，它表明了F1、F2和μLg之间的关系。
通过解方程（3），我们可以计算力F1和F2的大小。
在解这个方程之前，我们需要知道μ、L和g的具体数值。
除了受力分布，杆的弯曲也是受力分析中的一个重要问题。
当杆受到外力作用时，可能会发生弯曲。
杆的弯曲程度取决于外力的大小和方向，以及杆的几何形状和材料特性。
弯曲会导致杆上不同点受到不同的受力，因此在受力分析中需要考虑弯曲造成的影响。
油气水井管杆柱受力分析优化设计软件StrPAD的功能设计
＝
．
３ Ｅ Ｉ Ｋ
（ ３ ． ２ ）
式中： ： 管 柱 横 截 面 的惯 性 矩 ； Ｅ： 为 钢 材 的 弹性 模
单相流计算方法： Ｗｅ ｙ ｍｏ ｕ ｔ ｈ （ ｆ ｏ ｒ ｇ ａ ｓ ） 、 Ａ Ｇ Ａ（ ｆ ｏ ｒ ｇ ａ ｓ ） 、
Ｐ ａ ｎ ｈ ａ ｎ ｄ ｌ ｅ ＆‘ Ｂ’ （ ｆ ｏ ｒ ｇ ａ ｓ ） 、 Ｈａ ｚ ｅ ｎ － Ｗｉ ｌ ｌ ｉ ａ ｍｓ（ ｆ ｏ ｒ ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ
代 表 的 曲线 假设 ， 大行其道 。 考 虑 到 各 个 油 田对 井 眼轨
迹精度要求不一样 ， 对 轨迹 的计算方法各抒 己见 ， 本软
件 将 各种 计算 方 法 罗列其 中， 可供 用户 自 行选择。
水泥 外缘 至地 层为非 稳态导 热。 软件 根据 不 同工艺 类型 的
管柱 对 传热 系数分 别取值 ， 也可采 取直 接 输入 总传 热系 数
ｓ １“
Ｊ
ｓ１ｎ
式 中 ： ： 测 段 平 均 井 斜 角 ， ＝ （ ｌ ＋ ） ／ ２ ， 。 ：
：
软件充分考虑管柱复杂工况下流体的流动规律 ， 采用
目 前 行业标 准 的单相 流 或多相 流动 相 关式分析 ， 可 以模 拟
管段长度， ｍ ； ｑ ： 单元微段在液体中的浮重， Ｎ ／ ｍ ； Ｆ ：
２ ）管柱 绘 图
根据 油 田给 出的管 串数 据 ， 通 过油 管与工具 的配套 筛 选将 管 柱从 井 口到井底 的顺序 绘 制成 图 ， 绘 图方 法 ： 数 据
表白动成图、 新建工艺设计图、 工艺模版成图。
（ ３ ）管柱 力 学分 析
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根据抽油杆全程受力分析，找到影响抽 油杆失稳的各种因素，从而找到解决抽油杆 失稳的方法:
1.应用抽油杆扶正技术。在抽油杆的失稳段， 采用抽油杆扶正器，可修正杆柱弯曲变形。不过， 采用扶正块以后，就会增大杆柱的磨擦阻力，增大 拉应力，并使中和点上移。对于油稠的井，不宜采 用此方法。
2. 应用加重杆加重技术。就是在杆柱的最下 部采用一段加重杆，从而增大杆柱重量。使用加 重杆是解决抽油杆柱弯曲变形的有效方法。可以 减轻或避免下部抽油杆柱受压应力作用而发生弯 曲变形象，从而改善抽油杆柱的工作状况，提高 抽油杆的工作寿命和泵效。 3.采取泵下掺水降粘工艺技术。通过此种方 法，可以大大降低液体的粘度，改善液体的流动 性能，从而降低磨擦阻力和液流阻力。
假设杆柱离开井口的距离为 x，随着x的增加，该点所受到的 下部杆柱的重力减小。当杆柱重 量被在下行过程中产生的阻力抵 消后，杆柱上就会产生一个中和 点X中，中和点以下的杆柱处于受 压状态。该点也是抽油杆最容易 断脱的部位。 x 继续增大，杆柱 压应力也增大，在其下端达到最 大。
中和 点
由于受压应力逐渐增大的影响，受压杆段发 生三种形态的过渡。靠近中和点部分，由于杆柱 的刚度和较小的压应力，杆柱保持挺直，不会弯 曲；向下随着压应力的增大，抽油杆发生弹性弯 曲变形，再向下，当压应力超过弹性极限后，杆 柱将发生塑性弯曲变形。当然，如果下行时阻力 不够大，或者抽油杆的材料结构性能较好，杆柱 就可能不会发生塑性变形。
4.采取降低S*N值的方法。现场常用降低抽油机 冲次的方法，主要通过各种电机调速技术来改变驴 头悬点的运行速度。当悬点的运行速度降低以后， 通过游动阀的局部水力损失减小，同时，下行时的 粘滞阻力也得到大大的降低。
5. 采取变换泵径的方法，即由大泵更换为小泵。 我们知道，柱塞和衬套间的半干磨擦力的大小由下 面的公式确定：
/ 杆 / 杆
液柱载荷
活塞上的液柱载荷全程 加载到抽油杆柱上，使得杆 柱上的每一点均承受到相等 的因液柱而产生的拉应力。
P液
P液 ( F活 f 杆 ) Lr液
沉没压力
就是液体进泵时，作 用在活塞底部上的压力， 是由套管内的压力和环形 空间内的液柱压力（或者 叫地层流压）产生的。
P沉
பைடு நூலகம்
P 沉
Pf
0.94d p
140
从上式可以看到，更换小泵后，降低了柱塞与 泵筒间的半干磨擦力，从而减小了泵杆的下行阻力。
6. 通过调整泵的配合间隙的方法。就是由一 级泵降为二级泵或者是由二级泵降为三级泵。泵 降级以后，半干磨擦力随之减小，下行阻力也减 小。 7. 通过加深泵挂的方法。泵挂加深以后，增 大了杆柱的拉应力，同时也使得中和点下移。由 于地温梯度的存在，越往下，流体的温度越高， 液体的粘滞阻力越小，杆柱越容易下行，杆柱越 不容易发生弯曲形变。比如羊 3-13-2 井就是采取 加深泵挂的方法，解决了抽油杆的失稳问题。
在常规有杆泵抽油过程中，抽油杆柱受上、 下交变负荷的作用，其各点的受力的大小和方 向是不同的，随其位移的变化而变化。在整个 抽油杆柱全程上，光杆承受最大的拉应力，与 活塞相连的抽油杆承受最大的压应力。为了更 好地对抽油杆柱进行全面的受力分析，首先必 须了解杆柱都承受哪些载荷以及这些载荷的作 用方向。
从杆柱的受力分析不难看出，杆柱下行时的 阻力主要包括：（1）液流阻力，（2）浮力， （3）柱塞磨擦力，（4）杆柱在液体中下行产生 的粘滞阻力。对于稠油油田，粘滞阻力的存在， 是导致抽油杆失稳的主要原因。
杆柱失稳弯曲产生的危害
增大冲程损失，降低泵效。
造成抽油杆偏磨，损坏泵杆和油管。
使交变负荷增大，从而产生越应力破坏。 容易造成抽油杆断脱。
静 载 荷
抽油杆柱自身的重量而产生的重力载荷 活塞上的液柱载荷 沉没压力 井口回压
P杆
P液 P液 P回
抽油杆
杆柱重力载荷
油管
上冲程中光杆所 承受载荷为抽油杆柱 在空气中的重量：
泵筒
凡尔球
P杆 ( x) q杆 L( x)
下冲程中，光杆所 承受载荷为抽油杆柱在 液体中的重量:
活塞
凡尔球
P ( x) q L( x) q杆bL( x)
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
在整个抽油杆柱上，主要受三种力的作用，在 这三种力中只有 P 杆的自身重力始终向下的，使抽 油杆呈拉伸状态，不使抽油杆发生弯曲变形。 P 惯 载荷，在下冲程的前半个冲程是向上的，从而增大 下行阻力，只有在后半个冲程才是向下的，使下行 阻力减弱。故在抽油杆整个下行过程中，抽油杆失 稳发生在下冲程的前半个冲程中。如果摩擦阻力足 够大，抽油杆柱弯曲变形严重，失稳现象在下半个 冲程中也不会完全消失。