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复杂工况下地面驱动螺杆泵抽油杆柱力学行为研究

一、绪论

（一）研究背景与意义

在油田采油领域，高效稳定的采油设备是保障原油产量的关键。地面驱动螺杆泵凭借其独特优势，如安装便捷，能快速在井口完成设备搭建，节省大量安装时间与人力成本；操作简单，降低了对操作人员专业技能的要求，减少因操作失误导致的设备故障；运行稳定，在复杂工况下能持续稳定运行，保障采油工作的连续性，已成为油田采油的核心设备之一。据相关数据显示，在国内多个大型油田，地面驱动螺杆泵的应用比例逐年上升，部分油田已超过50%，成为主力采油设备。

抽油杆柱作为连接地面驱动装置与井下螺杆泵的关键部件，肩负着将地面动力传递至井下泵的重任。其力学性能的优劣直接关乎泵的运行效率与使用寿命。在实际生产中，抽油杆柱需承受多种复杂载荷，包括自身重力、井下液体的摩擦力、螺杆泵的扭矩以及由于井身结构复杂导致的弯曲应力等。这些载荷的综合作用使得抽油杆柱处于复杂的力学状态，容易引发断脱、偏磨等故障。以某油田为例，在过去一年中，因抽油杆柱断脱、偏磨导致的油井停产次数多达数百次，不仅严重影响了原油产量，还增加了大量的维修成本，包括更换抽油杆柱、停产期间的产量损失以及维修人工成本等，每年的经济损失高达数千万元。

尽管国内外学者已对抽油杆柱力学特性展开了一系列研究，在疲劳损伤分析、动力学特性分析和润滑效果分析等方面取得了一定成果，但在多场耦合载荷下的力学特性分析仍存在不足。例如，在考虑温度、压力、腐蚀等多物理场因素对抽油杆柱力学行为的综合影响时，现有的研究模型和方法尚无法准确描述和预测。随着油田开采的不断深入，油井工况日益复杂，对抽油杆柱力学性能的要求也越来越高。因此，开展系统的力学研究，深入揭示抽油杆柱在复杂工况下的力学特性，对于优化杆柱设计、预防故障发生、提高油田采油效率和经济效益具有重要的理论意义和工程应用价值。

（二）研究目标与关键问题

揭示复杂工况下抽油杆柱的应力分布与变形规律：深入分析抽油杆柱在多种复杂载荷共同作用下，如轴向拉力、扭矩、弯曲力以及井下流体的摩擦力、浮力等，不同部位的应力分布情况。研究在不同井深、不同抽油参数（如抽油速度、泵压等）以及不同油井环境（如高温、高压、高腐蚀等）下，抽油杆柱的应力集中区域和变形趋势。通过建立精确的力学模型，结合数值模拟和实验研究，准确描述应力分布与变形规律，为杆柱的强度设计和材料选择提供理论依据。

阐明振动、润滑等因素对杆柱力学行为的影响机制：研究抽油杆柱在运行过程中产生的振动特性，包括振动频率、振幅以及振动模态等。分析振动对杆柱应力、疲劳寿命的影响，揭示振动与杆柱断脱、偏磨之间的内在联系。同时，深入探讨润滑条件对抽油杆柱与油管之间摩擦系数的影响，研究不同润滑方式（如液体润滑、固体润滑等）下，杆柱的滑动摩擦特性以及润滑膜的形成、破裂和失效机制。通过实验和理论分析，明确振动、润滑等因素对杆柱力学行为的影响程度和作用方式，为制定有效的减振和润滑措施提供科学指导。

建立杆柱失效预测模型并提出针对性防断脱措施：综合考虑材料性能、载荷条件、环境因素以及杆柱的几何尺寸等多方面因素，建立基于可靠性理论的抽油杆柱失效预测模型。利用该模型预测杆柱在不同工况下的疲劳寿命和失效概率，提前预警潜在的失效风险。针对抽油杆柱断脱问题，从材料选择、结构优化、工艺改进以及运行管理等多个角度提出针对性的防断脱措施。例如，研发新型高强度、耐腐蚀的抽油杆材料；优化杆柱的结构设计，减少应力集中；改进加工工艺，提高杆柱的制造精度和表面质量；制定合理的抽油参数和维护保养计划，确保杆柱的安全稳定运行。

二、国内外研究现状与理论基础

（一）国内外研究进展

国外研究：国外对螺杆泵杆柱动力学的研究起步较早，在建模与分析方法上取得了显著成果。加拿大在稠油井开采中，针对螺杆泵杆柱振动问题，运用有限元法建立了精确的杆柱动力学模型。通过该模型，深入分析了杆柱在弯曲与扭转耦合载荷作用下的力学行为，重点研究了疲劳特性。研究发现，在特定的工况下，如高粘度原油开采、深井作业时，杆柱的弯曲和扭转应力会显著增加，导致疲劳寿命大幅缩短。基于此，开发了相应的杆柱振动控制技术，通过优化杆柱结构、调整抽油参数以及采用先进的减振装置，有效降低了杆柱的振动幅度和应力水平，提高了杆柱的疲劳寿命和可靠性。

国内研究：国内研究主要聚焦于特殊工况下的螺杆泵杆柱力学行为。在大庆油田，针对定向井和聚驱井的复杂工况，研究人员提出了扶正器优化配置方法。通过对抽油杆柱受力的详细分析，结合井眼轨迹和流体特性，利用数学模型和仿真技术，确定了扶正器的最佳安装位置和数量。现场应用表明，该方法能有效减少杆柱与油管之间的偏磨，延长杆柱和油管的使用寿命，提高了油井的生产效率和稳定性。然而，在多场耦合（如温度、压力、腐蚀等）作用下，抽油杆柱的非线性力学行为研究仍存在