斜井载荷计算.doc

抽油杆柱是将抽油机悬点的往复运动传递到井下抽油泵的中间环节，是有杆抽油系统的重要组成部分，也是有杆抽油系统中最薄弱的环节之一。虽然对于抽油机井杆管偏磨的机理及解决方法已做了大量的理论研究，但杆管偏磨问题仍然是油田生产面临的主要问题。因此结合抽油机井产生偏磨的原因，研究杆管受力的基本情况，进一步开展杆管偏磨的力学分析，对指导偏磨的治理，使其满足油田生产的实际需要非常必要。

对抽油杆柱进行受力分析，首先要了解油井的井眼状况及抽油杆柱在三维井眼中的状态。尤其是对斜井和定向井来说，由于受到井身轨迹的影响，抽油杆在井眼内呈现曲线状态。斜井的抽油杆柱轴线是一条空间曲线，在工作过程中抽油杆柱轴线的运动轨迹也是随时变化的，抽油杆柱的受力状况也随着井斜角与方位角的变化而发生变化。
对于组成斜井井身轨迹的井段形状，一般可以分为铅直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段四种。以垂直剖面来分析斜井的井眼轨迹，在我国油田现场常分为三段式剖面和五段式剖面两种。三段式剖面是指井身垂直剖面为“直—增—稳”的结构；五段式剖面指井身剖面为“直—增—稳—降—稳”的结构，又称之为S形井眼［14］，如图2-3所示。
抽油杆柱具有一定的刚性和弹性，在弯曲的油管中进行工作时不可避免的要与油管内壁发生接触。根据之前对杆管偏磨机理的研究我们了解到，在上、下冲程过程中，抽油杆柱由于受到各种阻力的影响很容易引起杆柱下部弯曲变形，从而与油管发生摩擦。除此之外泵深、泵径及冲程、冲次的不合理选择也会造成杆柱失稳，导致偏磨严重。在斜井的生产过程中，抽油杆本体及其接箍与油管内壁之间发生相互摩擦，易造成抽油杆断脱。普通的抽油泵在斜井中工作时也因偏磨而发生损坏，造成抽油泵泵效低，检泵工作频繁。加之含水率和腐蚀介质的影响，加重了抽油杆柱本体和油管的磨损，影响斜井抽油机的正常生产。
图2-3斜井井身垂直剖面图
因此通过抽油杆柱的受力分析了解杆柱在井眼中的受力情况，找出主要摩擦段，以便采取有效措施防治偏磨现象的发生及其恶化，保证油井的正常生产。
油井工作时，抽油杆柱在油管内做上、下往复运动。对斜井中抽油杆柱在上、下冲程中的受力状况进行分析。如图2-4所示，抽油杆柱主要受到以下几种载荷作用:
(1)静载荷
①抽油杆柱的重力
重力载荷沿整个抽油杆柱均匀分布，在上、下冲程中均存在，方向垂直向下。
②抽油杆柱所受浮力
下冲程中抽油杆柱受油管内液体浮力的作用，方向与重力方向相反，垂直向上，大小根据浮力定律计算。
③液柱载荷
液柱载荷在上冲程时，由于游动阀关闭，因此集中作用于柱塞上，与抽油杆柱的运动方向相反，方向向下。下冲程时，该载荷为零。
(2)动载荷
抽油杆柱所受的动载荷主要是由抽油杆柱的非匀速运动引起的，包括惯性载荷和振动载荷。
①惯性载荷
若忽略抽油杆柱和液柱的弹性影响，抽油杆柱所受的惯性载荷与杆柱和液柱的质量有关，其大小与悬点载荷的大小成正比，方向与加速度的方向相反。由于悬点载荷加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的，因此惯性载荷的大小和方向也随之变化。
②振动载荷
抽油杆柱是长达数千米的具有弹性的细长杆，因此它在运动过程中不可避免的会伴随有振动。振动载荷的大小和方向也是变化的，大小与抽油杆柱的长度、载荷变化周期及抽油机的结构相关。根据现场经验，当抽油机冲次较低时，振动载荷一般可忽略不计。
(3)摩擦载荷
在直井中，无论是稠油还是稀油，摩擦载荷由于数值较小，均可忽略。但是对于高粘度斜井，摩擦载荷的值将大大增加，无法忽略。抽油机在工作过程中受到的摩擦载荷主要包括机械摩擦载荷和液体摩擦载荷两部分，方向均与抽油杆柱的运动方向相反。
①机械摩擦
机械摩擦载荷主要有抽油杆柱与油管之间的摩擦力，柱塞与衬套间的摩擦力，其大小根据摩擦定律进行计算得出。
②液体摩擦
液体摩擦载荷在上、下冲程时各不相同。主要有液柱与抽油杆柱间的摩擦力、液柱与油管间的摩擦力及液体通过游动阀的摩擦阻力。在稠油井载荷计算中，必须考虑由液体摩擦所引起的摩擦载荷了［15］。

图2-4斜井上、下冲程中抽油杆柱载荷分析
Fig2-4 The sucker rod load analysis of inclined well in the upstroke and the down stroke

由于斜井井眼轨迹是一条空间任意曲线，井眼弯曲对抽油杆柱的受力情况影响很大，因此斜井抽油杆柱的载荷计算与直井载荷计算相比较为复杂。在进行斜井井眼中抽油杆柱受力分析和计算时，通过对抽油杆柱的任一微元段进行受力分析［16］，分析斜井中抽油杆柱的自身重力、所受液柱载荷，杆管间的摩