，，， ，，

(1.长庆油田公司 油气工艺研究院，西安 710018； 2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018)①

近年来,为满足各种中、深复杂油井采油需要,国外先后开发应用了许多新材料、新技术、新工艺和新结构的抽油杆,均取得了较好的社会效益和经济效益[1-2]。

国内抽油杆发展较慢，基本以常规D级抽油杆为主。H级抽油杆作为一种新型的抽油杆，各油田虽有进一步推广应用的趋势，但如何合理设计还没有统一标准。国外，不同等级抽油杆建立了相应的许用应力计算方法；国内，由于与国外钢材牌号不对应，对超高强度抽油杆的分类不一致，国外超高强度抽油杆的研究成果并不能直接应用[3-4]。抽油杆的最新标准SY/T5029—2013只对其基本力学性能、尺寸公差和出厂规范等做出了说明，并未规定其许用应力，这就影响到H级抽油杆的设计。因此，需建立了H级超高强度抽油杆计算新方法，来指导H级抽油杆的设计。

1 H级抽油杆设计方法

H级抽油杆设计方法与常规抽油杆方法一致，同样基于修正API方法和奥金格理论；不同之处只是在强度校核时，采用的许用应力不同。常规C、D级抽油杆在《采油技术手册》及相关行业标准均能查着对应的许用应力值，H级抽油杆则需根据其材料的强度、交变载荷等测试数据计算获得。

1.1 修正API设计方法

修正的 API 方法用的是许用最大应力[5]，它是由古德曼应力图(如图1)推导出来的，同时考虑了油井流体的腐蚀性。

图1 修正的古德曼应力图

常规抽油杆采用碳钢，API认为抽油杆碳钢的抗拉强度与屈服强度的比值为1.75。因此，对于常规抽油杆α可取1.75；而 H型抽油杆采用合金钢,不能采用上述数值进行计算，需通过室内拉伸试验得到抗拉强度与屈服强度，求其相应的α值。

按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温拉伸试验方法》[6],选取国内具有一定生产规模的不同厂商，开展抽油杆抗拉强度、屈服强度试验。试件从H级抽油杆成品杆(生产厂家自己检验合格后认为可以出厂的产品)上截取，如图2所示。采用电液伺服SHT4106万能试验机，开展6组、18根抽油杆拉伸试验，对于无明显屈服的金属材料，取产生0.2%残余变形的应力值为其屈服强度。

图2 抽油杆试件示意

试验获得HL型抽油杆平均抗拉强度1 061 MPa，屈服强度991 MPa，αHL=1.07；HY型抽油杆平均抗拉强度1 073 MPa，屈服强度896 MPa，αHY=1.2。如表1。

表1 H级抽油杆力学性能测试值

由此，建立H级抽油杆最大许用应力计算新方法，与常规抽油杆对比如表2。

表2 API最大许用应力计算对比

1.2 奥金格方法

奥金格设计方法用的是许用折算应力[7]，它与抽油杆的对称疲劳极限和安全系数有关。

式中:σc为折算应力，MPa ；σmax为最大应力，MPa ；σa为应力幅度，MPa；σ-1为抽油杆许用应力，MPa。

以应力幅σa=(σmax-σmin)为纵坐标，以平均应力σm=(σmax+σmin)/2为横坐标，在不同应力比r=σmax/σmin条件下，将σmax表示的疲劳极限σr分解为和，并在该坐标系中作出曲线，即为钢材疲劳极限曲线，如图3。

图3 钢材疲劳极限曲线

A3点σm处，表示平均应力为0，即r=-1，是钢材试件对称循环时的疲劳极限点，其疲劳极限应力σ-1=σa；C点处应力幅σa=0，r=1，为材料强度极限σb=σm。与坐标轴夹角成45°的射线与曲线交于O1d′点，σa=σm，r=0，故为脉动循环点。曲线上其余各点纵、横坐标各代表每一r下的疲劳极限σa与σm，且满足σr=σm+σa。通常用简化直线A3C代替疲劳极限A3d′C，其直线方程为:σa/σ-1+σm/σb=1。因此，H级抽油杆折算许用应力计算式为：

（2）计量单位的设置。预算定额的计量单位关系到预算工作的繁简和准确性，要求既方便使用，又能保证精确度；维修项目构件的体量一般比新建项目体量小的多；所以《贵冶土建定额》计量单位的设置除了遵循国家统一使用的度量衡单位，还根据检修实际情况，确定与厂内维修项目相适应的计算数量级。比如，土方工程计量单位不用“100m3”，而用“m3”；SBS卷材防水计量单位不用“100m2”，而用“10m2”；机械计时工费用计量单位不用“台班”，而用 “工时”；检修项目植筋情况发生较多，所以植筋定额子目计量单位用“10根”等。

由式(3)可知，计算H级抽油杆折算许用应力的关键是通过室内疲劳试验得到应力比为0.1下的疲劳极限[σr],即[σ0.1]。

试验方法是根据抽油杆标准(SY/T5029—2013)，加载频率110 Hz、加载500、540、600 MPa 3种应力水平，应力比0.1下开展了18组、90根抽油杆疲劳性能试验。试验结果如表3～4。

采用格拉布斯(Grubbs)方法[8],根据H级抽油杆疲劳测试数据对其有效性进行筛选；采用正态分布K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验方法[9]，在应力比0.1下，分析3个应力水平试样的对数疲劳寿命lgN服从正态分布；采用最小二乘法，设定拟合方程为lgN=A+BlgS。

HL级直线方程为Y=-3.204 7X+14.242，换算成描述材料S-N曲线的最常用幂函数形式：S3.204 7×N=1014.242(其中，S为应力；N为疲劳寿命，N=107)。

S=181.89 MPa，即[σr]=[σ0.1]=181.89 MPa (4)

表4 HY型抽油杆S-N曲线试验数据

HY级直线方程为Y=-2.881 2X+13.489,幂函数形式：S2.881 2×N=1013.489。

S=178.73 MPa，即[σr]=[σ0.1]=178.73 MPa

(5)

计算得：HL型抽油杆平均抗拉强度1 061 MPa，[σ0.1]=108.4 MPa；HY型抽油杆平均抗拉强度1 073 MPa，[σ-1]=106.27 MPa。

因此，H级抽油杆奥金格方法计算式为：

(6)

2 应用优势分析

H级抽油杆与同直径的D级杆相比，每米质量、结构、尺寸与D级杆相当，但其最大许用应力比D级抽油杆提高35%以上[10]。

2.1 降低抽油杆直径

以长庆油田为例，泵挂1 500～1 900 m、平均日

产液4 m3/d。若泵径ø32 mm、泵挂1 700 m、冲程3 m、冲次5 min-1，按照等强度设计原则[11]，选用D级杆，从上到下设计杆柱组合为ø22 mm×40%+ø19 mm×45%+ø22 mm×15%；选用H级杆，从上到下设计杆柱组合为ø19 mm×35%+ø16 mm×55%+ø19 mm×15%。计算悬点最大载荷、最小载荷、折算许用应力，如表5。

表5 抽油杆降级使用安全性计算

理论计算H级抽油杆折算应力82.3 MPa,D级抽油杆为73.2 MPa,均小于各自许用应力。用H级杆替代D级杆,抽油杆最大直径由ø22 mm降至ø19 mm，杆柱质量减轻20%。H级抽油杆的应用具有降低抽油杆直径的优势。

2.2 降低抽油机机型

长庆油田开发层系主要以三叠系为主，由于其油层的特殊性，采液指数不随着含水率的上升而上升[12]，所以加深泵挂空间不大。因此，抽油机选型并不需要留足够的提升空间，通常以抽油机负载率达到90%为选取标准。以表3为依据，分析抽油机的悬点载荷，设计选用D级杆, 则抽油机需7型机；选用H级杆，抽油机为6型机。选用H级抽油杆具有降低抽油机机型的优势。

3 结论

1) 基于修正API理论，建立了H级抽油杆最大许用应力计算方法；基于奥金格理论，建立了H级抽油杆折算应力计算方法及设计值。2种设计方法的建立，为H级抽油杆科学设计及应用提供了依据。

2) 与D级杆相比，H级抽油杆的应用具有降低抽油杆直径，降低抽油机型号的优势。