抽油机井油管的断裂强度分析

【摘要】：进入21世纪至今,我国GDP一直呈现出持续高速增长的态势。2010年,我国更是超越日本成为世界第二大经济实体。同年,我国跃居成为世界第一大汽车产出国与消费国。随着我国社会工业化的继续推进与汽车工业的迅猛发展,我国对能源(特别是石油能源)的需求日益增大。面对这种情况,国家一方面加大海外石油工业投资,另一方面对国内油田产能提出更高要求。但是,国内大多数油田历经几十年的开采,现在已经进入中后期开采阶段。由于油井综合含水量增大、开采深度增加等原因,抽油机井油管(以下简称为油管)的工作环境持续恶化,继而导致油管失效事故频发。 根据对吉林油田的调研情况来看,油管失效可以分为三种类型：油管断裂、油管漏失和油管脱扣。油管失效的部位有两处：管体和螺纹。由于油管断裂失效所造成的经济损失最大,而管体断裂又成为近年来最为突出的断裂形式。因而,围绕油管管体的断裂失效,本文主要做了以下工作。 一、理论调研 1.通过现场调研以及对相关文献的研究分析,选择在线弹性断裂领域内以油管中最常见的椭圆形裂纹为研究对象； 2.基于以往的研究成果,建立适合直井抽油系统的油管工作模型,并基于此模型对油管进行载荷及应力分析。 二、断裂强度分析 1.利用线弹性断裂理论,寻找适用于油管断裂强度分析的应力强度因子计算方法； 2.选用平面应变断裂韧性断裂准则、最大拉应力断裂准则和工程断裂准则,提出油管静强度分析方法,并利用该方法推导出油管中所容许最大缺陷尺寸及油管所容许最大工作应力的计估算式； 3.使用Paris定律分析油管的疲劳断裂强度,推导出油管的剩余疲劳寿命估算式。 三、验证 1.基于ASTM标准试验建立油管材料的平面应变断裂韧性KIC试验,对本文提出的油管断裂强度分析方法进行验证； 2.使用最新的扩展有限元方法(XFEM)对油管断裂进行分析,并将分析结果与本文方法及试验方法得到的结果进行对比分析,作为本文方法与试验法的有益补充。 四、应用1.新油管采购：采购时要求油管供应商提供油管的平面应变断裂韧性KIC,将其与利用本文方法得到的临界参数对比,从而确定其是否合格； 2.旧油管判废：利用本文方法确定油管容许的最大裂纹尺寸,若检测发现油管中所含实际缺陷尺寸大于该临界尺寸,则判定油管报废； 3.疲劳寿命预测：根据提供的工况及油管缺陷尺寸,预测该油管的剩余工作寿命。 通过以上工作,本文提出了一种适合工程应用的油管断裂强度分析方法,并推导出一系列适合直井抽油系统使用的油管断裂强度估算式。这些式子可以对直井抽油系统油管的合理使用提供参考指标,同时本文提出的断裂强度分析方法可以为同类型工程结构的断裂强度分析提供有益借鉴。