吉林大学学报(工学版) ›› 2018, Vol. 48 ›› Issue (4): 1124-1132.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170512

• • 上一篇    下一篇

整体抽油杆柱在油管内空间屈曲的多段式仿真模型对比

孙秀荣, 董世民, 王宏博, 李伟成, 孙亮   

  1. 燕山大学 机械工程学院,河北 秦皇岛 066004
  • 收稿日期:2017-07-16 出版日期:2018-07-01 发布日期:2018-07-01
  • 通讯作者: 董世民(1962-),男,教授,博士.研究方向:机械采油系统动态仿真与运行优化.E-mail:ysudshm@163.com
  • 作者简介:孙秀荣(1984-),女,博士研究生.研究方向:油气井杆柱力学.E-mail:sunxiurong84@163.com
  • 基金资助:
    河北省自然科学基金项目(E201703101); 国家自然科学基金项目 (51174175).

Comparison of multistage simulation models of entire sucker rod with spatial buckling in tubing

SUN Xiu-rong, DONG Shi-min, WANG Hong-bo, LI Wei-cheng, SUN Liang   

  1. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China
  • Received:2017-07-16 Online:2018-07-01 Published:2018-07-01

摘要: 针对直井抽油机井杆管偏磨进行分析,将整体抽油杆柱在油管内的空间屈曲模型分为三段式、四段式和五段式,并分别建立了每种模型下每段的数学微分方程,给出连接点处的位移、转角、弯矩、切向剪力的连续性条件。基于数值积分法对每段的方程进行求解,并将数学模型最终转化为非线性代数方程组的数值仿真模型,实现了对整体抽油杆柱屈曲构型的数值仿真。仿真结果表明:当工程实际中杆柱泵端载荷远远超过空间屈曲临界载荷时,五段式建立整体杆柱空间屈曲模型比三段式和四段式更为合理;三段式和四段式屈曲模型在螺旋段接触力、螺旋段长度、悬臂段的位置与五段式都有一定差距;先前的研究中将螺旋段方程进行降阶简化,与本文的完整螺旋段屈曲方程求解相比,模型简化得到的螺旋段分布接触力和螺旋段的长度结果相差较大。不同的分段方式,杆管偏磨的位置、接触压力就不同,本文仿真方法为深入研究杆管偏磨和杆柱寿命预测奠定了理论基础。

关键词: 机械设计, 抽油杆柱, 空间屈曲, 五段式, 边界约束, 数值积分

Abstract: The spatial buckling of sucker rod in tubing is important basis to analyze rod and tubing wear in vertical pumping well. In this paper, first, the spatial buckling model of entire sucker rod is divided into three-section model, four-section model and five-section model. Then the differential equations of each section of each model are established, and the continuity conditions of the displacement, rotation angle, bending moment and the tangential shear at the connecting points are derived respectively. Finally, numerical integration method is used to solve the equations, in which the differential equations are transferred into nonlinear algebraic equations, thus, the numerical simulation of the entire bucking configuration of sucker rod string is realized. The simulation results show that, when the bump end load of the rod is much higher than the spatial buckling critical load, the five-section model is more reasonable than the three- and four-section models. The contact force, helix angle of the helical section, the length of the helical section and bottom suspend section of three- and four-section models have certain gaps with five-section model. The results errors of the distribution contact force and the length of the helical section obtained by simplified reduced order equations in previous studies are larger compared with the solution of the complete helical buckling section equation. The wear position and contact pressure are different with different subsection methods. The simulation method may provide reference for further study of rod and tubing wear and prediction of rod life.

Key words: mechanical design, sucker rod string, spatial buckling, five-section, boundary constraint, numerical integration

中图分类号: 

  • TB121
[1] 董世民. 水驱抽油机井杆管偏磨原因的力学分析[J]. 石油学报, 2003, 24(4): 108-112.
Dong Shi-min.Mechanical analysis on causes of worn rod string and tubing of rod pumping wells in the water-flooding oilfield[J]. Acta Petrolei Sinica, 2003, 24(4): 108-112.
[2] Lubinski A.A study of the buckling of rotary drilling string[J]. Drilling and Production Practice, 1950: 178-214.
[3] 崔孝秉, 张宏, 宋治. 套管柱稳定性问题研究[J]. 石油学报, 1998, 19(1): 124-128.
Cui Xiao-bing, Zhang Hong, Song Zhi.A research on casing string stability of oilwell[J]. Acta Petrolei Sinica, 1998, 19(1): 124-128.
[4] 焦永树, 蔡宗熙, 严宗达. 铅垂井段钻柱在浮重作用下的静力分岔分析[J]. 工程力学, 1998(增刊), 256-260.
Jiao Yong-shu, Cai Zong-xi, Yan Zong-da.The static bifurcation analysis of drillstring in vertical wells under the effect of floating heavy[J]. Engineering Mechanics, 1998(Sup.): 256-260.
[5] 于永南, 胡玉林, 韩志勇, 等. 井眼中钻柱稳定性分析的有限元法[J]. 石油大学学报:自然科学版, 1998, 22(6): 77-81.
Yu Yong-nan, Hu Yu-lin, Han Zhi-yong, et al.Analysis of drillstring stability in wellbore by using finite element method[J]. Journal of the University of Petroleum (Edition of National Science), 1998, 22(6): 74-78.
[6] 高国华, 李琪, 张健仁. 管柱在垂直井眼中的屈曲分析[J]. 西安石油学院学报:自然科学版, 1996, 11(1): 33-35.
Gao Guo-hua, Li Qi, Zhang Jian-ren.Buckling analysis of pipe string in a vertical bore hole[J]. Journal of Xi'an Shiyou University(Natural Science Edition),1996, 11(1): 33-35.
[7] 谈梅兰, 甘立飞, 王鑫伟. 斜直井内钻柱的非线性螺旋屈曲[J]. 工程力学, 2007(增刊2):199-202.
Tan Mei-lan, Gan Li-fei, Wang Xin-wei.Nonlinear helical buckling of drillstring in inclined wellbore[J]. Engineering Mechanics, 2007(Sup.2): 199-202.
[8] 刘凤梧, 徐秉业, 高德利. 封隔器对油管螺旋屈曲的影响分析[J]. 清华大学学报:自然科学版, 1999, 39(8): 105-108.
Liu Feng-wu, Xu Bing-ye, Gao De-li.Packer effect analysis of helical buckling of well tubing[J]. Journal of Tsinghua University (Science &Technology), 1999, 39(8): 105-108.
[9] 刘峰, 王鑫伟. 直井中钻柱非线性屈曲的DQ法分析[J]. 吉林大学学报:工学版, 2007, 37(1): 234-238.
Liu Feng, Wang Xin-wei.Differential quadrature method for nonlinear buckling analysis of tubing in straight wells[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2007, 37(1): 234-238.
[10] Lubinski A, Althouse W S.Helical buckling of tubing sealed in packers[J]. Journal of Pertoleum Technology, 1962, 14(6): 655-670.
[11] Jr Cheatham J B. Helical postbuckling configuration of a weightless column under the action of axial Load[J]. SPE Society of Petroleum Engineers, 1984, 24(2): 467-472.
[12] Mitchell R F.Buckling behavior of well tubing: the packer effect[J]. Society of Petroleum Engineers Journal, 1982, 22(5): 616-624.
[13] Mitchell R F.Effect of well deviation on helical buckling[J]. SPE Drillling and Completion, 1997,46(3):63-69.
[14] Mitchell R F.Helical buckling of pipe with connectors in vertical wells[J]. SPE Drillling and Completion, 2000, 15(3): 162-166.
[15] Mitchell R F.New concepts for helical buckling[J]. SPE Drilling Engineering, 1988, 3(3): 303-310.
[16] Sorenson K G, Cheatham J B.Post-buckling behavior of a circular rod constrained within a circular cylinder[J]. Journal of Applied Mechanics, 1986,53(4): 929-934.
[17] 黄文君, 高德利, 魏绍蕾. 边界条件对无重管柱螺旋屈曲的影响分析[J]. 西安石油大学学报:自然科学版, 2015, 30(3): 87-94,11.
Huang Wen-jun, Gao De-li, Wei Shao-lei.Effects of boundary conditions on helical buckling of weightless tubular string[J]. Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition), 2015, 30(3): 87-94, 11.
[18] Huang W J, Gao D L, Wei S L, et al.Boundary conditions: a key factor in tubular-string buckling[J]. SPE Society of Petroleum Engineers, 2015, 20(6): 409-420.
[19] Huang Wen-jun, Gao De-li, Liu Ying-hua.A study of tubular string buckling in vertical wells[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2016, 118: 231-253.
[1] 毕秋实,王国强,黄婷婷,毛瑞,鲁艳鹏. 基于DEM-FEM耦合的双齿辊破碎机辊齿强度分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1770-1776.
[2] 朱伟,王传伟,顾开荣,沈惠平,许可,汪源. 一种新型张拉整体并联机构刚度及动力学分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1777-1786.
[3] 刘建芳, 王记波, 刘国君, 李新波, 梁实海, 杨志刚. 基于PMMA内嵌三维流道的压电驱动微混合器[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(5): 1500-1507.
[4] 毛宇泽, 王黎钦. 鼠笼支撑一体化结构对薄壁球轴承承载性能的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(5): 1508-1514.
[5] 王涛, 伞晓刚, 高世杰, 王惠先, 王晶, 倪迎雪. 光电跟踪转台垂直轴系动态特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1099-1105.
[6] 贺继林, 陈毅龙, 吴钪, 赵喻明, 汪志杰, 陈志伟. 起重机卷扬系统能量流动分析及势能回收系统实验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1106-1113.
[7] 谢传流, 汤方平, 孙丹丹, 张文鹏, 夏烨, 段小汇. 立式混流泵装置压力脉动的模型试验分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1114-1123.
[8] 吉野辰萌, 樊璐璐, 闫磊, 徐涛, 林烨, 郭桂凯. 基于MBNWS算法的假人胸部结构多目标优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1133-1139.
[9] 刘坤, 刘勇, 闫建超, 吉硕, 孙震源, 徐洪伟. 基于体外传感检测的人体站起动力学分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1140-1146.
[10] 刘志峰, 赵代红, 王语莫, 浑连明, 赵永胜, 董湘敏. 重载静压转台承载力与油垫温度场分布的关系[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(3): 773-780.
[11] 曹婧华, 孔繁森, 冉彦中, 宋蕊辰. 基于模糊自适应PID控制的空压机背压控制器设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(3): 781-786.
[12] 李锐, 张路阳, 刘琳, 武粤元, 陈世嵬. 基于相似理论的三跨桥梁磁流变隔振[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(3): 787-795.
[13] 陈忠敏, 侯力, 段阳, 张祺, 杨忠学, 蒋易强. 新型摆线针轮行星减速器传动系统的振动特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 174-185.
[14] 刘念, 徐涛, 徐天爽, 胡贤磊, 刘维海. 基于差厚技术的汽车仪表板管梁轻量化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 199-204.
[15] 李佳琪, 倪计民, 高旭南, 石秀勇, 徐晓川. 计入浮环径向温度梯度的浮环轴承润滑性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(6): 1782-1790.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 刘松山, 王庆年, 王伟华, 林鑫. 惯性质量对馈能悬架阻尼特性和幅频特性的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 557 -563 .
[2] 初亮, 王彦波, 祁富伟, 张永生. 用于制动压力精确控制的进液阀控制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 564 -570 .
[3] 李静, 王子涵, 余春贤, 韩佐悦, 孙博华. 硬件在环试验台整车状态跟随控制系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 577 -583 .
[4] 朱剑峰, 林逸, 陈潇凯, 施国标. 汽车变速箱壳体结构拓扑优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 584 -589 .
[5] 胡兴军, 李腾飞, 王靖宇, 杨博, 郭鹏, 廖磊. 尾板对重型载货汽车尾部流场的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 595 -601 .
[6] 王同建, 陈晋市, 赵锋, 赵庆波, 刘昕晖, 袁华山. 全液压转向系统机液联合仿真及试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 607 -612 .
[7] 张春勤, 姜桂艳, 吴正言. 机动车出行者出发时间选择的影响因素[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 626 -632 .
[8] 马万经, 谢涵洲. 双停车线进口道主、预信号配时协调控制模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 633 -639 .
[9] 于德新, 仝倩, 杨兆升, 高鹏. 重大灾害条件下应急交通疏散时间预测模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 654 -658 .
[10] 肖赟, 雷俊卿, 张坤, 李忠三. 多级变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁刚度退化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 665 -670 .