抽油机井油管柱螺纹连接强度与寿命可靠性分析

【摘要】：相比其他采油方式，抽油机井中油管的失效率最高，而油管的失效是导致抽油机井检泵的重要原因之一。油管失效由多种因素造成，油管柱的使用寿命是多种因素综合作用的随机变量。据有关统计资料表明，螺纹连接部位是油管的薄弱环节，近80%的失效发生在此处。本文针对目前抽油机井油管破断日益增加的实际，重点开展油管柱螺纹连接强度和疲劳寿命可靠性预测研究，为油田根据生产实际合理选用油管及更新油管提高使用寿命提供理论支持。本文主要开展了以下几方面的工作： 结合抽油机井工作原理和油井作业参数对油管柱环境载荷进行了分析，建立了油管柱力学模型；基于多相流理论分析了油管内及油套环空内液体压力随深度的变化；根据油管柱轴向振动的波动方程，建立了油管柱轴向载荷分布规律的仿真模型，对油管柱轴向载荷影响因素进行了仿真分析。结果表明：动液面、含水率和冲次对轴向载荷都有一定影响，其中动液面影响最为显著。 应用组合厚壁筒理论建立了油管锥螺纹连接在机紧圈数、内外压和轴向拉力作用下的连接应力应变的数学模型；分析了复合载荷作用下的加载顺序对油管螺纹接头应力应变的影响；以塑性变形区域随上卸扣次数增加而导致破坏为研究点，讨论了加载次数对油管损伤的影响。结果表明：比例加载条件下，加载顺序对塑性区域扩大没有影响，而对塑性区域应力应变有一定影响，21/2″J55油管接头上卸扣三次后已产生较大的塑性变形，应重新车螺纹。 以J55API非加厚圆螺纹油管接头为研究对象，采用非线性有限元软件ANSYS对油管圆螺纹连接进行了数值模拟；研究了其在机紧圈数、内外压、轴向拉伸载荷、循环载荷和复合载荷作用下的油管螺纹连接力学特性。得到了机紧扭矩随上扣圈数、危险点处应变随轴向载荷及危险点处的应变幅随循环载荷幅的变化关系。 运用局部应力应变法建立了螺纹接头危险截面疲劳寿命的计算模型；基于可靠性理论，建立了寿命的可靠性预测模型，利用VB6.0语言开发了《抽油机井油管柱疲劳寿命可靠性预测软件》，实现了对油管柱螺纹连接疲劳寿命的可靠性预测。