双螺杆泵同井注采工艺管柱结构的有限元分析

第４４卷第１期　化工机械　７９　双螺杆泵同井注采工艺管柱结构的有限元分析　曹喜承　宫家宁　蒋明虎　（东北石油大学机械工程与科学学院）　

摘　要　对双螺杆泵驱动的同井注采管柱进行了受力分析，确定了各参数值，然后利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件　中的ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ模块对该管柱在３种情况下的应力和应变状态进行了仿真分析，并根据第三强度失效准　则对同井注采管柱的破坏情况进行判断，找出管柱中的薄弱环节。　关键词　双螺杆泵　同井注采管柱　有限元分析　最大应力　中图分类号ＴＱ０５１．２１　文献标识码　Ａ　文章编号０２５４－６０９４（２０１７）Ｏ１－００７９￣５　

注水驱油采油技术使我国大部分老油田油井　采出液的含水率迅速上升，油井采出液的举升、处　理、回注和地面配套设施的建设造成了大量的资　源浪费，增加了石油采出成本，减少了油田经济开　采寿命。因此，将油井产出液中大量的水快速分　离出来，并以低成本重新回注地层，在减少运营成　本的同时达到再次驱油的目的，已成为特高含水　期油田急需解决的问题。　目前，较为有效的技术手段是将现有的油井　举升系统与油水分离技术相结合，形成同井注采　采油工艺…。中国石油勘探开发研究院、大庆油　田采油工程研究院和东北石油大学合作，将油水　旋流分离器加入采油管柱结构中形成同井注采管　柱，具有高效、耐用、适应性强及后期维护方便等　优势。该同井注采试验研究已超过３年，单井试　验数据表明，采出液含水量降低７０％以上，综合　含水率下降６．２％一８．３％［２　３。文献［３，４］对井下　油水分离旋流器进行了重点研究，提出多种适应　井下工况的旋流分离器结构。Ｃａｏ　Ｘ　Ｃ和Ｊｉａｎｇ　Ｍ　Ｈ对同井注采管柱进行了整体模态分析和谐响应　分析，利用Ａｎｓｙｓ分析理论确定了整体管柱的合　理工作频率　。李枫等对同井注采管柱中的脱　接器进行了研发与创新，解决了同井注采管柱轴　向力过大导致管柱破坏的问题　。　笔者利用有限元分析模块，在正常工作、轴承　卡死瞬间和管柱失效３种工况下，分别对管柱各　段应力分布和旋流分离器位移情况进行了分析，　找出管柱中的薄弱环节，为后续合理确定扶正机　构位置和管柱的轴向位移补偿量提供指导，保证　注采管柱安全高效工作，延长注采管柱的使用寿　命。　

１　同井注采管柱的受力分析和参数确定　石油开采过程中，井下油水分离工艺管柱通　常工作在数千米深的井眼内，工作环境和工作状　态非常复杂　。在转子偏心产生的附加反动力　和各种外载荷的作用下，同井注采井下油水分离　工艺管柱将发生轴向拉压、弯曲、扭转及剪切等组　合变形，其受力简图如图１所示。　１．１　轴向载荷　由于管柱浮力和自重相对于螺杆泵压差产生　的轴向力较小，因此可忽略不计。则轴向载荷由　泵的排出口和吸人口两端压差引起，可根据单螺　杆泵计算轴向载荷的经验公式求得　，即：　Ｆｂ＝１０　（　Ｒ　＋１６ｅＲ）却＋７５０ｋ８　式中ｅ——螺杆泵转子偏心距，ｍ；　ｊ｝——螺管泵衬套全长上的螺距数；　Ｒ——螺杆泵转子半径，ｍ；　△ｐ——螺杆泵进出ＩＺｌ压差；　艿——无因次系数。　

基金项目：国家“８６３”计划课题项目（２０１２ＡＡ０６１３０３）。　作者简介：曹喜承（１９７５－），副教授，从事流体机械、振动力学等研究，ｃａｏｘｉｃｈｅｎｇ＠１２６．ｔｏｍ。　８０　化工机械　２０１７拄　抽油杆扶正器　脱接器采出泵柔性杆提防冲距密封轴分离器　尾管段　保护器注入泵　图１　同井注采井下油水分离工艺管柱的受力简图　Ｆ——井口轴向力；　Ｆ　——井下油水分离工艺管柱在液体中的浮力；　Ｆ　——泵进出口压差产生的轴向力；　Ｆ　——井下油水分离工艺管柱、扶正器与油管柱接触引起的附加横向力；　Ｆ　——井下油水分离工艺管柱的自重；　

——井口驱动扭矩；　——泵举升液体产生的扭矩；　Ｍ　——管柱所受的摩擦总扭矩；　Ｍ　——井下油水分离工艺管柱、油管柱、扶正器和采集液之间的摩擦扭矩　１・２螺杆泵反扭矩　Ｍ　：０．２５Ｄ。．厂　（ＧＬ　＋０．７７ＨＤ　）ｓｉｎｄ＋　

螺杆泵工作时转子需克服的反扭矩Ｍ　主要　有两种：一是泵进出口压差作用在转子上所产生　０・００　（ＧＬ　；　０・　肋ｂｍ１）ｓｉｎａ　

的反扭矩Ｍ　，这种反扭矩可以通过理论分析，推　式中Ｄ——油管内径，Ｉｎ；　导出计算公式；二是泵内摩擦阻力产生的反扭矩Ｄ　——管柱接箍直径，ｍ；　这种反扭矩涉及因素较多，可通过实验方法　Ｄ厂螺杆泵转子直径，ｍ；　得到　。具体的计算式为：ｄ——管柱直径，ｍ；　Ｍ　：　．＋Ｍ　，　，——摩擦因数　＝０．１～０．２；　

一。　Ｎ　Ｇ——管柱在液体中的重力，Ｎ／ｍ；　一　ｎ，ｒ／Ｈ——液面高度，ｍ；　

Ｍｂ２＝９１・３８０一ｎ　”＋４６・５　——斜井段单元个数；　式中Ⅳ　——泵功率，ｋＷ；　ｎ——泵转速，ｒ／ｍｉｎ；　田——泵效，％；　

——定子与转子间的初始过盈值，ｍｍ。　１．３油水分离管柱摩阻扭矩　管柱所受的摩擦总扭矩　由管柱与井液的　摩擦扭矩肘　和管柱与扶正器之间的井斜摩阻扭　矩　组成。　，的计算是利用粘性流体理论，对　井筒内液体的物理状态做必要的假设，得出单位　长度管柱在井筒液体中以匀速或匀加速旋转时所　受的摩擦力矩，最后进行累加Ｈ。。。　的计算是　以每１０ｍ一段管柱作为一个计算单元，将单元顶　部以下的抽油杆重加上液柱载荷，取有代表性的　井斜角求出摩擦正压力，再乘以摩擦系数和抽油　杆接箍直径或抽油杆在扶正器处的直径　。具　体的计算式为：　Ｍ　＝Ｍ　１＋Ｍ　Ｍ　砉　￣芒Ｄ　２ｄ２　｜ｌ｝　——考虑扶正器作用时扶正器间的段　数；　——泵挂深度，ｍ；　ｚ　——管柱长度，ｉｎ；　ｍ　——扶正器长度，ｉｎ；　Ⅳ——管柱数量；　——单元内代表性的井斜角，（。）；　——第ｉ根管柱所在位置的油管柱内井　液平均粘度，ｍＰａ・Ｓ；　

——抽油杆转速，ｒ／ｍｉｎ。　１．４井口驱动扭矩　在螺杆泵举升技术中，驱动管柱和螺杆泵旋　转的动力来源是地面电机，因而电机的驱动扭矩　应该是井下油水分离工艺管柱各种反扭矩和螺杆　泵各种反扭矩的代数和，可通过电机输出功率来　确定　］：　

Ｍ￣＝９５５５　式中　——电机的驱动扭矩；　第４４卷　第ｌ期　化　工　机　械　，ｖ　——电机输出功率，ｋＷ；　７７．　——电机输出轴至驱动头之间的传动　效率。　２　双螺杆泵同井注采管柱结构的有限元分析　由于整体管柱轴向尺寸远大于径向尺寸，故　将管柱各段简化为均质圆管来建立有限元模型，　管柱各单元连接均设置为接触连接。为消除边界　效应，根据圣维南原理，管道取实际长度。杆柱材　料力学性能参数见表ｌ。　根据现场实际工况，同井注采管柱井的物理　参数为：最大井斜角０．２。，泵挂平均深度ｔ　ｋｍ，平　均转速１００ｒ／ｒａｉｎ，沉没度７００～９００Ｆｎ，Ｈ级Ｎ８０抽　油杆举升介质的平均粘度为３．００３ｍＰａ・Ｓ，选　ＧＬＢ　３　０　０—２　ｌ型泵为采出泵，选ＧＬＢ　６００—２　０型　

表１　杆柱材料力学性能参数　泵为注入泵，地面驱动电机功率２０ｋＷ，电机效率　５０％，扶正器长度９０ｒａｍ。采出泵和注入泵参数　见表２。　

表２　采出泵和注入泵参数　

２．１　边界条件和假设　旋流分离器上下两端的连接轴处采用柔性轴　承连接，可以充分模拟井下管柱的运行状态。井　下管柱所受载荷较多，且多载荷联合作用，分析过　程复杂。为方便分析可做如下假设：忽略旋流分　离器内部液体与器壁的摩擦扭矩、尾管段反向摩　擦力对整体管柱的影响，主要针对旋流分离器上　下端轴承是否卡死进行分析计算。　２．２　失效准则　根据第三强度准则，若整体管柱上任意部分　的等效应力超过其相应的屈服极限强度，则认为　失效。Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ（一种基于剪切应变能的等效应　力）表达式为：　＝　／÷［（ｏｒ　一ｏｒ　）　＋（ｏｒ　一ｏｒ　）　＋（　一　。）　］　厶　式中　ｆ，　——屈服应力，ＭＰａ；　，、ｏｒ　、　——３个方向上的主应力，ＭＰａ。　２．３有限元计算与结果分析　通过有限元分析得到正常工况下、轴承卡死　瞬间和管柱失效时的整体管柱最大应力分布如图　２～４所示。由图２可以看出，正常工况下最大应　力在保护器与尾管连接处，其值为１　１７６．１　ＭＰａ；　正常工况下各管柱所受最大应力值均小于其屈服　应力，故各管柱均不会发生扭断；最大应力集中在　保护器与尾管段连接处，会对旋流分离器下端轴　承产生影响，易发生轴承故障。由图３可以看出，　轴承卡死瞬间最大应力位于上端柔性杆处，其值　为９８３．８ＭＰａ，超过柔性杆的屈服极限，如果轴承　没有被破坏，则柔性杆部分必将发生断裂。由图　４可以看出，在管柱失效时最大应力位于保护器　中部，其值为１　１８５．９ＭＰａ。　

图２　正常工况下的最大应力分布　ｅｅ８，８９０，３０６　Ｏ　＿ｉｉ　１９８，　０￣，　３３６．０　图４　管柱失效时的最大应力分布　在Ｊ　述３种情况下，提防冲距上端连接处　氍１）、密封轴上端连接处（位置２）、分离器上　端连接处（位置３）、尾管段上端连接处（位置４）、　护器　端连接处（位置５）５个易损位置的应力　布情况如图５所示。可以看出，正常工况下应　最大位置在下端保护器处；轴承卡死瞬间最大　ｒ　力位置转移至提防冲距上端与上端柔性杆连接　处；若上端柔性杆的扶正器失效，则最大应力位置　分布于保护器中部，保护器连接处轴承承受应力　过大，管拄系统安全系数降低，但由于扶正器侧向　约束消失管柱整体应力值明显下降。　

２０１７‘　驾５　３种情况下各易损部位的应力分布　管柱失效时旋流分离器和脱接器的位移云图　如图６、７所示？若下端保护器轴承被破坏失效，　则管柱各部分应力值变小，但位移变大为原来的　３～５倍，旋流分离器处的位移为３．１９４ｒａｍ，使得　旋流分离器与油管的同轴度无法保障，势必影响　旋流分离器的分离效果和整体管柱的耐用性。　

图６　管柱失效时旋流分离器的位移云图　图７　管柱失效时脱接器的位移云图　～　一　

问　／　～—瞬　／～『ｌ一常　效　［上．　一　火二Ｉ｝｛一