王旭东，李 斌

（1.中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川德阳618000；2.西南石油大学机电学院，四川成都610500）

水平井抽油杆扶正器结构优化和疲劳寿命分析

王旭东*1，李 斌2

（1.中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川德阳618000；2.西南石油大学机电学院，四川成都610500）

水平井抽油杆管柱由于受力复杂，常常造成管柱断脱事故，严重影响了采油工作的正常进行。在水平井抽油杆管柱断脱事故中，抽油杆扶正器的断脱又占了较大比例。运用ANSYS Work⁃bench软件对抽油杆扶正器进行了力学分析和疲劳寿命分析，改进了抽油杆扶正器的结构参数，获得了性能可靠的抽油杆扶正器。改进后的抽油杆扶正器通过现场的应用表明，扶正器没有发生剪断现象，大大提高了使用寿命。

抽油杆扶正器；ANSYS Workbench；疲劳寿命分析

1 概述

新疆某油田水平井一年内有多口井因抽油杆管柱断脱事故导致检泵，故障井中主要是因为管柱的剪断和脱扣，其中抽油杆扶正器剪断导致检泵占全部抽油杆断脱事故中较大比例。通过对断脱事故现场资料的收集和整理，初步分析是扶正器的结构设计上存在缺陷。本文运用ANSYS Workbench软件对水平井抽油杆扶正器进行了力学分析，在此基础上对抽油杆扶正器进行结构优化，并对优化后的抽油杆扶正器进行疲劳寿命分析。改进后的扶正器提高了使用寿命，增长了检泵周期，降低了采油成本。

2 水平井抽油杆扶正器的受力分析

抽油杆扶正器受力比较复杂，在不同的工作状态和不同的位置承受不同的载荷[1]。尤其在水平井中，井斜角越大，水平段越长，受力越复杂。在抽油作业时，抽油杆扶正器主要承受轴向力、径向反力、弯曲力矩、纵向振动、横向振动等作用[2]。为了简化模型，在对抽油杆扶正器进行受力分析时，我们一般只考虑它的轴向力和弯曲力矩的作用。抽油杆扶正器所受的轴向力为抽油杆柱和扶正器的惯性力、抽油杆柱和扶正器的重力、扶正器与油管内壁的摩擦力、油液的粘滞力等[3]。弯曲力矩的产生是因为在水平井抽油系统中，由于井斜角的存在，使得抽油杆柱产生横向弯曲，从而使扶正器产生了弯曲力矩，相当于在扶正器的下部施加一横向力[4]。当实际轴向力超过扶正器的临界值时，扶正器在较大的轴向力作用下，也会产生弯曲。

3 运用ANSYS Workbench对扶正器进行分析计算

ANSYS Workbench是ANSYS根据用户需要开发的新一代CAE仿真平台，包括设计DesignModeler、CAE分析环境 DesignSimulation、优化变分技术DesignXplorer VT等，具有Windows风格的优化易用的界面，直接参数化尺寸驱动的CAD接口能直接读入所有常用的CAD格式，其易用性、灵活性和强大的功能都达到了分析软件的一个新高度[5]。运用ANSYS Workbench软件建立抽油杆扶正器的三维实体模型，施加一定的边界条件和载荷，对其进行力学和疲劳寿命分析。

3.1 模型的建立和有限元网格的划分

3.2 边界条件的设定和载荷的施加

水平井抽油杆扶正器的边界条件设置为：约束扶正器的径向位移，只允许其在轴向运动。另外，按照下泵深度530～620m的情况估算，设置扶正器工作的环境温度为50℃。

图1 抽油杆扶正器有限元模型

水平井的井斜角为5.28℃，斜深399m，由于整个抽油杆在力学计算过程中近似于简支梁，则简支梁的梁端转角公式为：

式中：θ——井斜角，取5.28°；

P——等效弯矩横向力；

l——竖直段抽油杆长度；

E——抽油杆的弹性模量；

I——惯性矩。

计算出等效弯矩横向力为P=0.89kN。上冲程时最大轴向拉力为60kN，下冲程时最大轴向力为27kN。

3.3 有限元计算结果及分析

分析过程按上、下冲程分别计算，上下冲程的分析过程基本相同，下面以上冲程分析结果为例来说明，对抽油杆扶正器进行应力分析、变形分析和疲劳寿命分析：

由图2可以看出，扶正器两端的轴肩处应力值较大，最大值达到353.355MPa，而最小应力只有0.099MPa，应力分布极不均匀。虽然最大应力值远小于扶正器材料的屈服极限，但在往复的动载作用下，扶正器极易从应力集中严重的轴肩处断裂。

通过变形分析发现，抽油杆扶正器的最小变形量仅为0.00324mm，而最大变形量为0.15074mm，出现在扶正器两端的螺纹区，丝扣的变形极易导致扶正器与抽油杆之间的脱扣。

通过疲劳寿命分析发现，扶正器轴肩处寿命较低，疲劳寿命只有2.72×104次左右，本体其它一些部位的疲劳寿命要高得多，能达到1×106次。由此可见，应力集中对扶正器寿命的影响相当大。

图2 上冲程时抽油杆扶正器应力分布

抽油杆扶正器的工作寿命在水平井工况下一般较短，应力集中部位在往复的冲击载荷下很容易发生断裂，因此，需要对扶正器的结构进行一些改进。在轴肩处利用圆弧来过渡，以减小应力集中；增加丝扣的长度，减缓扶正器杆体的晃动。

4 抽油杆扶正器结构优化

对抽油杆扶正器结构进行优化，在轴肩处进行倒角，倒角半径设为5mm。减小扶正器本体上端的长度，从原来的60mm减到45mm，以节省材料和减轻重量。与其相临的轴径需要增大，以减小应力集中，从原来的20mm增加到25mm。此外，将安装滚轮的4个方槽的两头也做成半圆。优化后的模型如图3所示。以上冲程为例，利用ANSYS Workbencn对优化后的结构进行受力分析和疲劳寿命预测。

图3 抽油杆扶正器优化后的模型

从图4中可以看出，轴肩处仍然是应力比较集中的部位，应力值达到224.4MPa。但是，和改进之前的结构相比，应力集中的情况要缓和得多，改进前的扶正器的最大应力值达到353.355MPa，优化后的应力值减少了36.5%。优化后的扶正器轴肩处的疲劳寿命为4.81× 105次左右，与优化前的结构相比，疲劳寿命提高了一个数量级。

TE358

A

1004-5716(2016)12-0030-03

2016-03-02

2016-03-04

王旭东（1983-），男（汉族），湖南邵阳人，工程师，现从事优快钻井和钻井工具研究工作。