有杆抽油系统第章抽油杆

第2章抽油杆ChinaUniversityofPetroleum第2章抽油杆抽油杆是抽油设备的重要部件，它将抽油机的运动和能量传递给井下抽油泵。抽油杆的疲劳强度和使用寿命决定和影响了整套抽油设备的最大下泵深度和排量。在抽油过程中，抽油杆柱承受的是不对称循环载荷的作用，其工作介质为原油、地层水和天然气。抽油杆主要失效形式为疲劳断裂或腐蚀疲劳断裂。抽油杆的断脱事故会严重影响原油的生产，增加修井作业费用，提高了原油的成本。为了提高抽油杆工作的可靠性和使用寿命，国内外在抽油杆的材料、制造、使用、管理及维护等方面开展了大量的研究工作，取得了可喜的成果。第2章抽油杆2.1抽油杆结构及制造工艺2.2特种抽油杆2.3抽油杆失效分析2.4抽油杆柱附属器具2.1抽油杆结构及制造工艺一、抽油杆结构多根抽油杆通过接箍连成抽油杆柱，上面通过光杆与抽油机相连，下接抽油泵的柱塞，其作用是将地面抽油机的悬点的往复运动传递给井下抽油泵，从而带动泵作抽汲运动。普通抽油杆的杆体为实心圆形断面的钢杆，两端为镦粗的杆头。普通抽油杆的结构示意图2.1抽油杆结构及制造工艺2.1抽油杆结构及制造工艺外螺纹接头用来与接箍相连接，卸荷槽用来减轻由于螺纹和截面变化引起的应力集中，提高抽油杆的疲劳强度。推承面台肩在接箍与抽油杆连接时，使得接箍端面与推承面台肩的端面间产生足够大的应力，从而有效防止抽油杆在使用过程中脱扣及井液对螺纹的腐蚀。扳手方颈用来装卸抽油杆时卡抽油杆钳用。凸缘是作业时用来抽油杆的吊装。圆弧过渡区是避免构件截面和刚度的急剧变化，减小应力集中。1-外螺纹接头；2-卸荷槽；3-推承面台肩；4-扳手方径；5-凸缘；6-圆弧过渡区2.1抽油杆结构及制造工艺抽油杆的杆体直径分别为13、16、19、22、25、29mm，长度一般为8m或7.62m。为了调节抽油杆柱的长度，还有长度各为0.41、0.61、0.91、1.22、1.83、2.44、3.05、3.66m的短抽油杆。抽油杆结构尺寸2.1抽油杆结构及制造工艺抽油杆的主要尺寸（mm）2.1抽油杆结构及制造工艺普通抽油杆分为C级、D级和K级三个等级。–C级抽油杆用于轻、中负荷的油井；–D级杆用于中、重负荷的油井；–K级杆用于轻、中负荷并有腐蚀性的油井。2.1抽油杆结构及制造工艺接箍是抽油杆组合时的连接零件，按其结构特征可分为：普通接箍、异径接箍和特种接箍。1.普通接箍用于连接等直径的抽油杆。其中Ⅰ型带扳手平面；Ⅱ型不带扳手平面，又称小井眼接箍。2.异径接箍用于连接不同直径的抽油杆。同普通接箍一样，异径接箍也分为Ⅰ型和Ⅱ型。3.特种接箍特种接箍主要有滚轮式接箍和滚珠式接箍，又称滚轮式扶正器和滚珠式扶正器，用于斜井或普通油井中降低抽油杆柱与油管之间的摩擦力，减少对油管的磨损。二、接箍2.1抽油杆结构及制造工艺2.1抽油杆结构及制造工艺4.接箍的材料及性能要求:一般都选用中碳结构钢，国内大都选用45钢。满足强度要求和连接要求。具有一定的耐磨性。对于特种接箍还应具有扶正与减磨作用。2.1抽油杆结构及制造工艺三、抽油杆制造工艺抽油杆工作时承受变动载荷，并处在不同的腐蚀介质中，工作条件恶劣。因次，要求抽油杆柱要有足够的疲劳强度和抗腐蚀能力，同时，还要求有足够的螺纹连接强度。抽油杆制造工艺是保证抽油杆成品质量的关键环节。抽油杆的结构特点：1.细长杆抽油杆是一种长径比很大的细长杆，刚度低、柔性大，易弯曲，制造过程中易变形。2.1抽油杆结构及制造工艺2.变截面为了保证抽油杆柱的连接强度及抽油杆螺纹和卸荷槽部位的强度，要求抽油杆端部的截面积要比杆体截面积大很多，即推承面台肩外圆处的截面积与杆体截面积的比值为4左右。3.端部形状复杂、要求特殊为了便于作业时抽油杆的连接、悬紧、吊装，抽油杆端部要求带有外螺纹接头、扳手方径和凸缘。因次抽油杆端部是一个变截面的阶梯回转体、正方体与圆弧回转体相互衔接的复杂形状。2.1抽油杆结构及制造工艺材料检验冷校直定长锻造热处理热校直抛丸强化杆头机加工装配上护帽包装防腐抽油杆的工作环境及其结构对抽油杆的制造工艺提出了很高的要求。另外，不同等级的抽油杆除了材料不同外，其工艺方法及工艺流程也有所不同。抽油杆制造的典型工艺流程如图所示。抽油杆典型工艺流程2.1抽油杆结构及制造工艺抽油杆典型工艺流程中各工序的主要内容如下：（1）材料检验检查原材料化学成分、机械性能、尺寸精度。（2）冷校直对验收合格但直线度不符合标准要求且在允许冷校直范围内的杆料进行校直。（3）定长将校直后的杆料根据锻造比确定毛坯长度。2.1抽油杆结构及制造工艺（4）锻造杆头①将杆料的一端放入加热炉加热至锻造始锻温度。②将被加热的杆头镦粗并锻造成形，监控终锻温度。③将杆料的另一端加热至锻造始锻温度。④将被加热的另一端杆头镦粗并锻造成形，监控终锻温度。2.1抽油杆结构及制造工艺（5）热处理使整个抽油杆通过加热炉加热，整体正火、正火+回火或调质处理，使其达到预期的机械性能。（6）热校直热处理后的抽油杆在热状态下进行拉伸校直，或放置在冷却台上空冷到大约120℃滚动校直。（7）装配抽油杆一端的外螺纹按预紧力要求上好接箍。（8）上护帽①抽油杆未上接箍一端外螺纹接头带上护帽，防碰伤螺纹。②接箍端上好护堵。2.1抽油杆结构及制造工艺抽油杆典型工艺路线从钢抽油杆发明时起，一直是工业上通用的工艺路线。其特点是：工艺流程通用性强，通过选择不同的材料，相应的调整热处理工艺方法，不改变工序就可以制造出C级、D级等不同等级的抽油杆。另外，防腐工序中应用热浸漆、热浸铝或涂敷其它防腐材料的工艺方法，便可制造出抗不同介质腐蚀的防腐抽油杆。2.1抽油杆结构及制造工艺在典型抽油杆工艺路线的基础上，增加表面加热淬火工序，并调整部分工序便可形成超高强度抽油杆的制造工艺路线。制造超高强度抽油杆的典型工艺流程，如图所示。材料检验冷校直定长锻造调质处理热校直杆头机加工表面淬火装配上护帽包装防腐抛丸强化超高强度抽油杆典型工艺流程2.1抽油杆结构及制造工艺用压缩空气将钢丸或玻璃丸喷到零件上，以去除氧化皮及其他污物的工艺过程叫喷丸。也可将钢铁丸送至高速旋转的圆盘上，利用离心力的作用，使高速抛出的钢丸撞击零件表面，达到光饰的目的，这种工艺叫抛丸。这两种工艺都能使零件表面产生压应力，而且没有含硅粉末，对环境污染小。2.1抽油杆结构及制造工艺主要用途如下：①使零件表面产生压应力，可提高它们的疲劳强度及抗拉应力腐蚀的能力；②对扭曲的薄壁零件进行校正；③代替一般的冷、热成型工艺，对大型薄壁零件进行成型加工，不仅可避免零件表面有残余拉应力，而且可获得对零件有利的压应力。应注意的是：经喷丸或抛丸处理过的零件的使用温度不能太高，否则压应力在高温下会自动消失，因而失去预期的效果。它们的使用温度由零件的材质决定，对于一般钢铁零件约为260—290℃。第2章抽油杆2.1抽油杆结构及制造工艺2.2特种抽油杆2.3抽油杆失效分析2.4抽油杆柱附属器具2.2特种抽油杆普通抽油杆的缺点：(发展特种抽油杆的原因)适应不了深井采油、大泵强采需要适应不了斜井开采的需要适应不了高粘油井开采需要适应不了高腐蚀性油井开采需要适应不了严重结蜡油井的开采需要2.2特种抽油杆–超高强度抽油杆–玻璃钢抽油杆–空心抽油杆–电热抽油杆–连续抽油杆–柔性抽油杆–不锈钢抽油杆–非金属带状抽油杆–铝合金抽油杆–KD级抽油杆–焊接抽油杆特种抽油杆的种类2.2特种抽油杆主要型号：Oilwell公司生产的EL级超高强度抽油杆；Norris公司生产的97型超高强度抽油杆；LTV公司生产的HS型超高强度抽油杆。特点：–疲劳强度与屈服强度均较高，分别比APIC级杆高37%与38.5%；–应力腐蚀的敏感性小，耐腐蚀性好；–适应于深井、稠油井和大泵强采井一、超高强度抽油杆2.2特种抽油杆minmax3453803766..min3453803766..min型号许用应力MPaELI0-260279.4ELII0-260344.96970-345HS0-3451)超高强度抽油杆的许用工作应力2.2特种抽油杆在载荷比R＝0.1，频率20Hz下，以106循环周次为基数，测得EL级超高强度抽油杆的疲劳强度。EL级抽油杆的疲劳强度2)疲劳性能型号疲劳应力MPaELI441.0ELII548.82.2特种抽油杆对ELII型超高强度抽油杆进行现场试验，采用API第86号杆柱。结果使杆柱总重量减轻了15％，光杆峰值载荷减小了9％，减速箱平均功率减少了6％，抽油杆704天未断脱。70年代初期，美国和加拿大使用的ELI型和ELII型超高强度抽油杆，已超过60.96万米，失效一直很少。3)超高强度抽油杆的现场试验2.2特种抽油杆与金属材料相比，玻璃钢制品具有重量轻、抗腐蚀、疲劳性能好等独特优点，近十几年的开发研究，已成功地用玻璃钢材料试制成抽油杆，现场使用证明，玻璃钢杆有很大发展潜力。迄今已有多家公司生产玻璃钢抽油杆，其中最具代表性的是美国Flex公司。二、玻璃钢抽油杆2.2特种抽油杆1．玻璃钢抽油杆的结构玻璃钢抽油杆是由玻璃钢杆体和两端带外螺纹的钢接头组合而成，如图所示。玻璃钢抽油杆结构示意图1—头部；2—杆体；3—护套2.2特种抽油杆接头内腔由数级锥面组成，利用特殊粘接工艺，使环氧树脂粘接剂牢固地粘在玻璃钢杆体上，形成相应的锥面。服役时靠钢接头内腔与环氧树脂粘接剂的多级锥面承受工作应力。其结构如图所示。玻璃钢抽油杆接头结构示意图1—外螺纹；2—台肩；3—扳手方径；4—空腔部分；5—护套2.2特种抽油杆2．玻璃钢抽油杆的制造方法①拉挤杆体；②加工金属接头；③将两个金属接头粘接到杆体的两端。杆体是用玻璃纤维无捻粗纱做增强料，用树脂作基体，以拉挤方法成型。2.2特种抽油杆杆体拉挤过程2.2特种抽油杆玻璃纤维通过梳理板后进入浸渍槽，浸渍了树脂的玻璃纤维在高频加热炉中预热，然后在模具内成型，最后由牵引机将固化的玻璃钢杆向外拉。杆头粘接工艺：先在钢接头内孔表面涂一薄层脱膜剂，并将杆体两端喷砂。预先估计好树脂粘接剂用量，灌入接头内孔，将杆头插入钢接头内孔。树脂固化在杆体上，从而完成了钢接头和杆体的粘接。2.2特种抽油杆3．玻璃钢抽油杆的类型按杆身直径、最高工作温度和端部接头的级别划分。例如：7／8—93℃-A其中：7／8—杆身直径；93℃—最高工作温度；A—端部接头强度级别，A级为620793MPa，B级为793965MPa。2.2特种抽油杆4．性能特点1)重量轻杆体密度为2.022.05×103kg/m3，加上金属接头其单位长度的重量约为普通钢杆的1/3。因此采用玻璃钢杆后，可减小抽油机的悬点载荷，降低峰值扭矩和功率消耗。2.2特种抽油杆2)玻璃钢杆的弹性好D级杆的弹性模量为20.86×104MPa，而玻璃钢杆的弹性模量为4.96×104MPa，因此玻璃钢抽油杆具有更好的弹性。玻璃钢杆比普通杆具有更低的固有频率。普通抽油杆的工作频率与固有频率之比N/N00.5，而玻璃钢杆在0.50.8之间，玻璃钢杆可以在更接近于系统的固有频率附近工作，其柱塞冲程将被放大12倍左右，只要合理设计杆柱能实现超冲程，即Sp/S1。2.2特种抽油杆机械共振对柱塞冲程的影响2.2特种抽油杆由于玻璃钢杆的刚度比普通钢杆小得多，所以在相同液柱载荷作用下，玻璃钢杆的无量刚伸长Fo/SKr比钢杆柱要大得多，减小Fo/SKr值有利于提高Sp/S。因此玻璃钢抽油杆更适合于小泵深抽。2.2特种抽油杆3)耐腐蚀，减少抽油杆的断脱事故玻璃钢杆体抗腐蚀性能好，杆头采用K级杆钢，耐腐蚀。玻璃钢杆适于在酸性油井（含硫化氢、二氧化碳等）中使用。4)玻璃钢杆不能承受轴向压缩载荷由于玻璃钢杆不能承受轴向压缩载荷，因此一般与钢杆组成混合杆柱使用，而且在保证玻璃钢杆不受压力的情况下，尽量加大玻璃钢杆在混合杆柱中的比例。2.2特种抽油杆玻璃钢杆存在以下缺点：1)价格贵；2)使用温度不能超过限定温度；3)报废杆不能熔化回收利用。2.2特种抽油杆空心抽油杆是为开采稠油井和结蜡井而研制的。1．空心抽油杆的结构这里只介绍两种典型结构1)前苏联空