隨著定向井的普及和大斜度井的增多，由于井身結(jié)構(gòu)限制，抽油桿柱與油管之間存在接觸力(正壓力)，造成抽油桿和油管之間發(fā)生磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致油井油管磨損漏失、抽油桿柱磨損斷脫等問題，抽油桿斷桿故障率提高，需要考慮抽油桿本體的機(jī)械力學(xué)性能是否合格。因此，產(chǎn)品性能是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品性能是否滿足油井生產(chǎn)需要，是抽油桿生產(chǎn)面對的重要問題。
力學(xué)性能和材料選擇至關(guān)重要
目前，我國專門針對抽油桿的國家標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5029—2006《抽油桿》，替代SY/T 5029—2003和SY/T 6272—1997，由國家發(fā)展和改革委員會(huì)提出，包括材料和力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率等)指標(biāo)、一般尺寸和疲勞強(qiáng)度要求等。
抽油桿力學(xué)性能理論分析 SY/T 5029—2006《抽油桿》規(guī)定，鋼制抽油桿屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。
根據(jù)圣維南定理，抽油桿拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式為：
式中：F—抽油桿柱承受的拉力，kN;
—抽油桿許用拉應(yīng)力，MPa; —材料屈服極限，MPa; —材料強(qiáng)度極限，MPa;S—安全系數(shù)，對于井下抽油桿柱而言，一般選取 ; d—抽油桿外徑，即危險(xiǎn)截面直徑，mm。
根據(jù)上述公式推導(dǎo)得抽油桿屈服失效最大拉伸載荷Fsmax計(jì)算公式為：
抽油桿斷裂失效最大拉伸載荷Fbmax計(jì)算公式為：
最大拉伸載荷試驗(yàn)研究 以目前延長油田正在使用的兩生產(chǎn)廠家各一根19mm鋼制D級(jí)油井?dāng)鄺U為例，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^抽油桿在拉伸工況下，獲取拉伸條件下兩種規(guī)格抽油桿的屈服失效的最大拉伸載荷和斷裂失效時(shí)最大拉伸載荷。試驗(yàn)設(shè)備與工具：100t材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，專用桿體夾頭和數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等。將上述2種抽油桿分別在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行純拉伸加載直至斷裂，記錄全過程參數(shù)，包括屈服極限、強(qiáng)度極限等。試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸至斷裂。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2所示，F(xiàn)smax為抽油桿屈服失效的最大拉伸載荷，F(xiàn)bmax為抽油桿斷裂失效時(shí)最大拉伸載荷。
根據(jù)圣維南定理，理論計(jì)算抽油桿所選材料的屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb，計(jì)算結(jié)果如表3所示。
井斜角較大油井
應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)抽油桿
經(jīng)試驗(yàn)表明，抽油桿樣件1、2所選材料的屈服極限和強(qiáng)度極限均符合SY/T 5029-2006行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);標(biāo)準(zhǔn)中屈強(qiáng)比為：0.611～0.742，試件1屈強(qiáng)比為0.957，試件2的屈強(qiáng)比為0.962，試件屈強(qiáng)比明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值，表明試件材料從起始塑性變形到開始斷裂的形變?nèi)萘繙p小。
試件的屈服極限到強(qiáng)度極限的差值較小。標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度極限與屈服極限最小差值為205MPa，而試件差值為分別為38和34.5MPa，試件屈強(qiáng)差減小表明所選材料斷裂韌性減小。
隨著井身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，建議在井斜角較大的油井中，使用屈強(qiáng)比和屈強(qiáng)差滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的抽油桿，以減免因抽油桿質(zhì)量而導(dǎo)致的斷桿。
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