CN104749021A - 一种超高强度抽油杆柱强度校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油田采油技术领域，具体提供了超高强度抽油杆柱强度校核方法，包括如下步骤：1)在修正古德曼图抽油杆最大许用应力计算公式的基础上引入参数K和a,得到新的抽油杆最大许用应力σ_all计算模型2)求取步骤1)抽油杆最大许用应力σ_all计算模型中的参数T、K和a；3)将步骤2)中求取的T、K和a值代入步骤1)抽油杆最大许用应力σ_all计算模型中，得到抽油杆强度校核公式；4)核算判断，抽油杆的最大应力σ_max不应超过计算出的最大许用应力σ_all。本发明提供的这种强度校核方法能满足H级抽油杆的强度校核和优化设计，提高超高强度抽油杆优化设计的准确性。

Description

一种超高强度抽油杆柱强度校核方法

技术领域

本发明属于油田采油技术领域，具体涉及一种超高强度抽油杆柱强度校核方法，用于机采井抽油杆柱组合优化设计。

背景技术

长庆油田90％以上是采用抽油杆系统生产，在用抽油杆有5661.34万米，其中，采用H级抽油杆有2587.59万米，占在用抽油杆的45.7％。2013年以来长庆油田产建钻采工程方案要求全部应用H级抽油杆，但目前抽油杆柱优化设计方法一般是建立在D级抽油杆的物理化学性能、许用应力的基础上的，同时，现用的定向井优化设计软件也还没有建立高强度抽油杆优化设计方法，还无法规范超高强度抽油杆柱强度校核，指导现场使用。

目前，国内多采用美国石油学会(API)推荐的方法，即用修正古德曼图来进行抽油杆强度校核和杆柱设计，如图1所示，以抽油杆最小应力σ_min为横坐标，抽油杆最大应力σ_max为纵坐标建立直角坐标系，图中阴影区为疲劳安全区，抽油杆的折算应力点落在该阴影区内时，抽油杆就不会发生疲劳破坏，抽油杆最大许用应力σ_all的计算公式：

s_all＝(0.25T+0.5625s_min)×SF

其中σ_all—抽油杆最大许用应力；T—抽油杆最小抗拉强度；σ_min—抽油杆最小应力；SF—抽油杆使用系数，考虑到流体腐蚀性等因素而附加的系数(小于或等于1.0)，SF值的选择如表1所示。

表1：

然而，这种API推荐“修正古德曼图”的方法是建立在D级抽油杆的物理化学性能、许用应力的基础上设计的，并不能满足H级抽油杆的强度校核和优化设计，准确性低。

发明内容

本发明的目的是克服现有API推荐“修正古德曼图”的方法不能满足H级抽油杆的强度校核和优化设计，准确性低的问题。

为此，本发明提供了一种超高强度抽油杆柱强度校核方法，包括如下步骤：

1)在修正古德曼图抽油杆最大许用应力计算公式的基础上，引入参数K和a,得到新的抽油杆最大许用应力σ_all计算模型其中，σ_all—抽油杆最大许用应力；T—抽油杆最小抗拉强度；σ_min—抽油杆最小应力；SF—抽油杆使用系数，K—安全系数；a—抽油杆抗拉强度与屈服强度的比值；

2)求取步骤1)抽油杆最大许用应力σ_all计算模型中的参数T、K和a；

3)将步骤2)中求取的T、K和a值代入步骤1)抽油杆最大许用应力σ_all计算模型中，得到抽油杆最大许用应力σ_all与抽油杆最小应力σ_min之间对应关系的公式，即为抽油杆强度校核公式；

4)核算判断，抽油杆的最大应力σ_max不应超过计算出的最大许用应力σ_all，即σ_max≦σ_all。

上述步骤1)中得到抽油杆最大许用应力σ_all计算模型包括如下步骤：

(1)以抽油杆最小应力σ_min为横坐标，抽油杆最大应力σ_max为纵坐标建立直角坐标系，抽油杆拉伸脉动循环时的安全疲劳极限为抽油杆材料抗拉强度的一半，由于考虑安全系数K，得到安全系数为K时的疲劳极限应力点D点坐标为(0,T/(2K))，屈服强度点E点坐标为(T/a，T/a)。

(2)由D点坐标(0,T/(2K))和E点坐标(T/a，T/a)，得到最大许用疲劳极限应力线DE方程为 ${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{T}{2K}+(1-\frac{a}{2K}){\mathrm{\σ}}_{\min }.$

(3)设s_max＝s_all，且考虑油井流体的腐蚀性，则有即为新的抽油杆最大许用应力σ_all计算模型。

上述步骤2)中参数T为多组抽油杆拉伸实验测量抽油杆抗拉强度s_b中的最小值。

上述抽油杆抗拉强度其中，P_b—抽油杆发生断裂时的拉力，N；A₀—抽油杆的横截面积，mm²。

上述步骤2)中参数其中s_s—抽油杆的屈服强度；P_s—抽油杆抵抗微量塑性变形的应力；A₀—抽油杆横截面积。

上述步骤2)中参数其中，S_50％—置信度50％的疲劳极限，S_99.9％—置信度99.9％的疲劳极限。

上述步骤1)中抽油杆使用系数SF为0.9。

本发明的有益效果：本发明提供的这种超高强度抽油杆柱强度校核方法在修正古德曼图基础上，引入“安全系数”K和“抗拉强度和屈服强度比值”a两个参数，建立了高强度抽油杆柱的最大许用应力计算模型，形成了不同超高强度抽油杆强度校核和杆柱设计方法，该方法能满足H级抽油杆的强度校核和优化设计，提高长庆油田超高强度抽油杆优化设计的准确性。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是修正古德曼图。

图2是本发明的最大许用应力模型图。

图3是本发明抽油杆拉伸示意图。

图4是本发明抽油杆的P-S-N曲线图。

具体实施方式

实施例1：

为了克服现有API推荐“修正古德曼图”的方法不能满足H级抽油杆的强度校核和优化设计，准确性低的问题，如图2、图3和图4所示，本实施例提供了一种超高强度抽油杆柱强度校核方法，包括如下步骤：

1)在修正古德曼图抽油杆最大许用应力计算公式的基础上，引入参数K和a,得到新的抽油杆最大许用应力σ_all计算模型其中，σ_all—抽油杆最大许用应力；T—抽油杆最小抗拉强度；σ_min—抽油杆最小应力；SF—抽油杆使用系数，K—安全系数；a—抽油杆抗拉强度与屈服强度的比值；

2)求取步骤1)抽油杆最大许用应力σ_all计算模型中的参数T、K和a；

3)将步骤2)中求取的T、K和a值代入步骤1)抽油杆最大许用应力σ_all计算模型中，得到抽油杆最大许用应力σ_all与抽油杆最小应力σ_min之间对应关系的公式，即为抽油杆强度校核公式；

4)核算判断，要保证抽油杆柱不发生疲劳破坏，抽油杆的最大应力σ_max不应超过计算出的最大许用应力σ_all，即σ_max≦σ_all。

而其中，如图2所示，步骤1)中得到抽油杆最大许用应力σ_all计算模型包括如下步骤：

(1)以抽油杆最小应力σ_min为横坐标，抽油杆最大应力σ_max为纵坐标建立直角坐标系，古德曼曾假设,抽油杆拉伸脉动循环时的安全疲劳极限为抽油杆材料抗拉强度的一半，故图2中e点坐标(T,T)，d点坐标(0，T/2)，由于考虑安全系数K，而且所以得到D点坐标为(0,T/(2K))，E点坐标为(T/a，T/a)。

(2)由D点坐标(0,T/(2K))和E点坐标(T/a，T/a)，得到最大许用疲劳极限应力线DE方程为 ${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{T}{2K}+(1-\frac{a}{2K}){\mathrm{\σ}}_{\min }.$

(3)设s_max＝s_all，并且考虑油井流体的腐蚀性，则最大许用疲劳极限应力线DE为即为新的抽油杆最大许用应力σ_all计算模型。

对于不同高强度抽油杆参数T、K和a的求取。

如图3所示，以抽油杆形变△L为横轴，抽油杆所受的拉力P为纵轴建立直角坐标系，所述步骤2)中参数T为多组抽油杆拉伸实验测量抽油杆抗拉强度s_b中的最小值，抽油杆抗拉强度其中，P_b—抽油杆发生断裂时的拉力，N；A₀—抽油杆的横截面积，mm²；所述的抽油杆拉伸实验按照GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法进行数据录取，此方法为本领域的公知技术，此处不加以详细叙述。

所述步骤2)中参数其中s_s—抽油杆的屈服强度；P_s—抽油杆抵抗微量塑性变形的应力；A₀—抽油杆横截面积。

如图4所示为抽油杆的存活率(P)-应力(S)-循环次数(N)曲线图，可按照《SYT 6272-1997超高强度抽油杆》附录A中安全系数K求得，即所述步骤2)中参数其中，S_50％—置信度50％的疲劳极限，S_99.9％—置信度99.9％的疲劳极限，取三个应力比做试验，取安全系数最大值作为最终安全系数。

另外，所述步骤1)中抽油杆使用系数SF为0.9。

本发明提供的这种超高强度抽油杆柱强度校核方法在修正古德曼图基础上，引入“安全系数”K和“抗拉强度和屈服强度比值”a两个参数，建立了高强度抽油杆柱的最大许用应力计算模型，形成了不同超高强度抽油杆强度校核和杆柱设计方法，该方法能满足H级抽油杆的强度校核和优化设计，提高长庆油田超高强度抽油杆优化设计的准确性。

实施例2：

在实施例1的基础上，对于正常生产抽油机井，将实测悬点最大载荷F_max和最小载荷F_min转为最大应力和最小应力：s_max＝F_max/A₀，s_min＝F_min/A₀,将σ_min代入公式中计算得到σ_all，然后将σ_max和σ_all进行校核，判断是否满足σ_max≦σ_all。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超高强度抽油杆柱强度校核方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在修正古德曼图抽油杆最大许用应力计算公式的基础上，引入参数K和a,得到新的抽油杆最大许用应力σ_all计算模型其中，σ_all—抽油杆最大许用应力；T—抽油杆最小抗拉强度；σ_min—抽油杆最小应力；SF—抽油杆使用系数，K—安全系数；a—抽油杆抗拉强度与屈服强度的比值；

2)求取步骤1)抽油杆最大许用应力σ_all计算模型中的参数T、K和a；

3)将步骤2)中求取的T、K和a值代入步骤1)抽油杆最大许用应力σ_all计算模型中，得到抽油杆最大许用应力σ_all与抽油杆最小应力σ_min之间对应关系的公式，即为抽油杆强度校核公式；

4)核算判断，抽油杆的最大应力σ_max不应超过计算出的最大许用应力σ_all，即σ_max≦σ_all。

2.如权利要求1所述的超高强度抽油杆柱强度校核方法，其特征在于：所述步骤1)中得到抽油杆最大许用应力σ_all计算模型包括如下步骤：

(1)以抽油杆最小应力σ_min为横坐标，抽油杆最大应力σ_max为纵坐标建立直角坐标系，抽油杆拉伸脉动循环时的安全疲劳极限为抽油杆材料抗拉强度的一半，由于考虑安全系数K，得到安全系数为K时的疲劳极限应力点D点坐标为(0,T/(2K))，屈服强度点E点坐标为(T/a，T/a)；

(2)由D点坐标(0,T/(2K))和E点坐标(T/a，T/a)，得到最大许用疲劳极限应力线DE方程为 ${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{T}{2K}+(1-\frac{a}{2K}){\mathrm{\σ}}_{\min };$

(3)设σ_max＝σ_all，且考虑油井流体的腐蚀性，则有即为新的抽油杆最大许用应力σ_all计算模型。

3.如权利要求1所述的超高强度抽油杆柱强度校核方法，其特征在于：所述步骤2)中参数T为多组抽油杆拉伸实验测量抽油杆抗拉强度σ_b中的最小值。

4.如权利要求3所述的超高强度抽油杆柱强度校核方法，其特征在于：所述抽油杆抗拉强度其中，P_b—抽油杆发生断裂时的拉力，N；A₀—抽油杆的横截面积，mm²。

5.如权利要求1所述的超高强度抽油杆柱强度校核方法，其特征在于：所述步骤2)中参数其中σ_s—抽油杆的屈服强度；P_s—抽油杆抵抗微量塑性变形的应力；A₀—抽油杆横截面积。

6.如权利要求1所述的超高强度抽油杆柱强度校核方法，其特征在于：所述步骤2)中参数其中，S_50％—置信度50％的疲劳极限，S_99.9％—置信度99.9％的疲劳极限。

7.如权利要求1所述的超高强度抽油杆柱强度校核方法，其特征在于：所述步骤1)中抽油杆使用系数SF为0.9。