[發明專利]連續抽油桿螺旋屈曲最小臨界載荷的確定方法

有效

• 申請號: 201711393651.1
• 申請日: 2017-12-21
• 公開（公告）號: CN108038323B
• 公開（公告）日: 2018-09-25
• 發明（設計）人: 崔巍;張強;徐曄;蔣豹;朱昱;王健成;王珂;劉昱良
• 申請（專利權）人: 東北石油大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

纖維增強復合材料連續抽油桿螺旋屈曲最小臨界載荷的確定方法，屬于石油鉆采工程技術領域，涉及抽油桿螺旋屈曲最小臨界載荷的確定方法。為了解決現有的螺旋屈曲臨界載荷的確定方法確定臨界載荷值偏大的問題。本發明將載荷函數加載到連續抽油桿非線性瞬態動力學方程中，設置連續抽油桿的計算時間并進行有限元計算；通過減小阻尼比ξ并進行有限元計算，直到連續抽油桿各位置處的撓度在計算時間范圍內保持不變為止；然后增大井底無量綱壓力，重新設置懸掛拉力函數并進行有限元計算，直至連續抽油桿的撓曲線已形成螺旋，對應的井底壓力為連續抽油桿正弦屈曲向螺旋屈曲轉變的最小臨界載荷。本發明適用于連續抽油桿螺旋屈曲最小臨界載荷的確定。

技術領域

本發明屬于石油鉆采工程技術領域，涉及抽油桿螺旋屈曲最小臨界載荷的確定方法。

背景技術

隨著我國油田開采中的深井、超深井、腐蝕井和偏磨井逐漸增加，井況環境惡劣，開采難度加大，抽油機超載井日益增多，因此迫切需要一種強度高、質量輕、防腐蝕、抗疲勞、抗偏磨、節電能、作業及操作便捷的新型抽油桿。

碳纖維是含碳量99％以上的無機纖維，是由聚丙烯腈等有機纖維在保持纖維形狀的條件下，經固相反應轉化成的三維碳化合物。碳纖維突出的特點是強度和彈性模量高、密度小、質量輕、耐腐蝕性能好、膨脹系數低、導熱性和耐高溫蠕變性能好、摩擦系數小、自潤滑、導電性高。高性能碳纖維通過適當的表面處理后，與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合可制得多種高性能復合材料，其中碳纖維增強樹脂基復合材料的力學性能優越，具有很高的比強度和比模量，應用最為廣泛。隨著高性能碳纖維材料的大量生產，碳纖維的價格越來越低，使得碳纖維復合材料越來越多地應用于井下極端的石油開采領域。

纖維增強復合材料連續抽油桿具有如下優點：具有高比模量、高比強度，其抗拉強度是H級鋼抽油桿的2倍以上；質量輕，相當于同尺寸鋼桿重量的1/6；碳纖維桿體由高強耐磨材料包敷，桿體耐磨性強，表面光滑，摩阻系數低，可大大減小自體及對油管的磨損；抗疲勞性能好，經100Hz、26kN～80kN交變載荷、10⁷次的疲勞實驗后，剩余強度仍有90％(同樣條件下，鋼桿的剩余強度僅為30％～40％)，高耐磨性和抗疲勞性和抗腐蝕性，可延長桿體使用壽命，適宜在腐蝕性環境中長期使用。

由于纖維增強復合材料連續抽油桿的彈性模量和質量均比鋼制抽油桿要小，在井底壓力作用下，比常規鋼制抽油桿更容易引起屈曲，更有甚者會引起螺旋屈曲，影響抽油桿的正常運行。

抽油桿這類細長油氣桿管柱結構正弦屈曲臨界載荷的確定方法，早在1950年，Lubinski采用梁柱模型，計算給出了發生一次彎曲和二次彎曲的最小臨界載荷。1962年，Lubinski假定桿管柱屈曲成空間螺旋線，屈曲構型為均勻螺旋線并與井壁連續接觸，利用最小勢能原理，推導了等螺距和軸向壓力的關系式，他的這一研究成果也得到了石油工程行業的廣泛應用。但是，由于自重的影響，實際桿管柱空間螺旋屈曲構型是一個非等距的螺旋線。為此，研究者們采用微分法、能量法、實驗法和有限元等方法，對非等螺距的臨界載荷進行了廣泛的研究，得出了各自不同的臨界載荷值。

由于桿管柱的螺旋屈曲發生在初始正弦屈曲之后，經過穩定的正弦屈曲構型階段之后的又一種穩定的屈曲平衡狀態。所以，正弦屈曲向螺旋屈曲轉變的過程是非常復雜的。這一過程中，屈曲構型隨著井底壓力而發生跳躍性變化，桿管柱與油管存在接觸和脫離等力學行為，使得問題非常復雜。2015年，高德利院士展望了油氣桿管柱螺旋屈曲問題的研究方法，提出了懸掛段采用梁柱模型，連續接觸段采用微分方程的研究設想。2016年，黃文君根據這個研究設想，將油氣桿管柱假設分成了4段，用相應的連續性條件、邊界條件和穩定性條件，將桿管柱屈曲問題轉化為一個非線性方程組。用迭代法求解這些方程，得到了油氣桿管柱平面正弦屈曲、三維螺旋屈曲、連續接觸螺旋屈曲和形成一個螺距的螺旋屈曲臨界載荷。