H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测方法
樊松1,2, 梁毅1,2, 王凌云3, 雷宇1,2, 石海霞1,2     
1. 中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院, 陕西西安 710021;
2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西西安 710021;
3. 中国石油长庆油田分公司第十采油厂, 甘肃庆阳 745100
摘要: 为了有效使用H级抽油杆,对其许用应力计算方法和疲劳寿命预测方法进行了研究。在对H级抽油杆进行室内拉伸试验的基础上,计算了其抗拉强度与屈服强度的比值,根据该比值将H级抽油杆API最大许用应力计算系数由0.562 5修改为0.716 3;拟合建立了H级抽油杆的应力-疲劳曲线,折算了H级抽油杆在应力比为0.1条件下的极限疲劳应力;通过H级抽油杆在不同介质中和不同冲次下的疲劳测试,获得了含水率和冲次与抽油杆寿命的关系。研究的H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测方法,在长庆油田杏南作业区10口井进行了应用,结果表明,利用该方法对H级抽油杆进行优化设计可以改善其受力条件,充分发挥H级抽油杆的性能,使其满足现场生产对杆柱应力、寿命的需求。
关键词: 超高强度     抽油杆     许用应力     抗拉强度     屈服强度     疲劳寿命    
Allowable Stress Calculation and Fatigue Life Prediction for H-Class Sucker Rods
FAN Song1,2, LIANG Yi1,2, WANG Lingyun3, LEI Yu1,2, SHI Haixia1,2     
1. Oil & Gas Technology Research Institute, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an, Shaanxi, 710021, China;
2. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields, Xi'an, Shaanxi, 710021, China;
3. No. 10 Oil Production Plant, PetroChina Changqing Oilfield Company, Qingyang, Gansu, 745100, China
Abstract: In order to effectively use the H-class sucker rod, the method of allowable stress calculation and fatigue life prediction was studied.Using the indoor tensile strength test as a starting point, the ratio of tensile strength to yield strength was calculated, by which the calculation parameter for the maximum API allowable stress of H-class sucker rod was adjusted from 0.562 5 to 0.716 3.In addition, stress-fatigue plots of H-class sucker rod by fitting method were developed, so as to determine the ultimate fatigue stress of the sucker rod at the stress ratio of 0.1.By testing the fatigue performances of H-class sucker rods in different media and different stroke frequencies, the relationship among water cut, stroke frequencies and service life of the sucker rod were obtained.The innovative techniques for the calculation of allowable stress and prediction of fatigue life of the sucker rod were applied in 10 wells in the Xingnan Area of the Changqing Oilfield, and the results showed that the stress conditions of the H-class sucker rod could be improved through the optimal design, and tap the potential of the sucker rod, so as to meet the demands of field application for stresses and service life.
Key words: ultra-high strength     sucker rod     allowable stress     tensile strength     yield strength     fatigue life    

长庆油田普遍采用有杆泵采油,抽油杆是有杆抽油系统中的重要组成部件。如果抽油杆柱设计不当,可能会造成抽油杆提前失效,或者抽油杆性能得不到有效发挥。相对于传统的C级、K级和D级抽油杆,H级抽油杆的强度、力学性能优异[1],其使用寿命明显更长,可以延长检泵周期,同时可减小抽油杆的整体质量,使用小型抽油机和小功率电机,实现节能降耗。目前,国内油田进行抽油杆优化设计时均使用API最大许用应力法或奥金格折算许用应力法,但这2种方法均建立在C级、K级和D级抽油杆的力学性能基础上。如何科学合理地进行H级抽油杆的优化设计,充分发挥其性能,需要进行进一步研究。为此,笔者进行了H级抽油杆抗拉强度、疲劳性能和腐蚀性能试验,计算了抗拉强度与屈服强度比值,将H级抽油杆API最大许用应力计算系数由0.562 5修改为0.716 3;拟合建立了H级抽油杆的应力-疲劳曲线,折算了H级抽油杆在应力比为0.1条件下的极限疲劳强度;另外,还分析了含水率和冲次与抽油杆寿命的关系。现场应用表明,笔者研究的上述方法可以用于H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测,利用该方法计算设计的H级抽油杆满足现场生产杆柱应力、寿命需求。

1 H级抽油杆API最大许用应力计算方法

美国石油学会(API)推荐的最大许用应力强度是以修正的Goodman应力图为依据的[2]。修正的Goodman应力图如图 1所示(图 1中:σmax为抽油杆最大工作应力, MPa; σmin为抽油杆最小工作应力,MPa; σ-1为对称循环疲劳极限应力,MPa; T为抽油杆最小抗拉强度,MPa; K为脉动安全系数,其他符号参见文献[2-3]; 阴影区为疲劳安全区)。

图 1 修正的Goodman应力图 Fig.1 Modified Goodman stress diagram

根据修正的Goodman应力图,抽油杆的最大许用应力与最小工作应力的关系式为:

(1)

式中:[σmax]为最大许用应力,MPa;α为抽油杆抗拉强度与屈服强度的比值;β为考虑腐蚀等因素的使用系数。

由油田实践经验和相关文献可知,常规抽油杆α=1.75,脉动安全系数K=2,则常规抽油杆的API最大许用应力计算公式为[3]

(2)

根据国家标准《金属材料:拉伸试验:第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)和石油天然气行业标准《抽油杆》(SY/T 5029—2013),开展了6组(1#,2#,3#,…,6#)H级抽油杆的拉伸试验,结果见表 1

表 1 H级抽油杆拉伸试验结果 Table 1 Tensile test result for H-class sucker rod
等级 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa
1# 2# 3# 4# 5# 6#
HL 1 028 1 099 1 055 972 1 007 995
HY 1 081 1 085 1 053 884 871 933
注:HL为选用适当的材料和工艺使其力学性能达到H级的钢制抽油杆;HY为采用表面淬火工艺使其力学性能达到H级的钢制抽油杆。下同。

表 1可知,H级抽油杆α=1.135,则其API最大许用应力计算公式为:

(3)
2 H级抽油杆奥金格折算许用应力计算方法

通过抽油杆疲劳极限曲线,可知应力比r(最小应力与最大应力之比)条件下疲劳极限应力的计算公式为:

(4)

式中:σr为应力比r条件下的疲劳极限应力,MPa;σm为最大和最小应力的平均值,MPa;σb为抽油杆抗拉强度,MPa。

H级抽油杆的折算许用应力计算公式为:

(5)

式中:[σ-1]为抽油杆的折算许用应力, MPa;[σ0.1]为应力比为0.1条件下的疲劳极限应力,MPa。

根据石油天然气行业标准《抽油杆》(SY/T 5029—2013)“附录L”的钢制抽油杆疲劳性能要求和试验方法,采用PLG-300C电磁谐振高频疲劳试验机进行H级抽油杆疲劳试验[4]。试样为Ⅰ型试样,包括HY级、HL级各3组,每组5根,共30根。在应力比为0.1条件下,分别加载应力500,540和600 MPa, 对每组试样进行测试,结果见表 2

表 2 HY级和HL级抽油杆疲劳试验结果 Table 2 Fatigue test data for sucker rod of Class HY and Class HL
抽油杆 序号 最大应力/MPa 循环次数 断裂位置
HY级 1 500 465 674 应力槽
2 472 523 扳手方
3 582 672 扳手方
4 416 596 扳手方
5 586 241 应力槽
6 540 339 481 螺纹
7 436 807 螺纹
8 677 751 螺纹
9 685 322 螺纹
10 292 733 螺纹
11 600 250 950 螺纹
12 314 635 扳手方
13 347 449 螺纹
14 281 548 扳手方
15 491 519 螺纹
HL级 16 500 342 935 杆体
17 249 874 杆体
18 433 111 扳手方
19 413 256 杆体
20 408 352 扳手方
21 540 274 785 杆体
22 192 247 杆体
23 168 331 杆体
24 243 823 杆体
25 240 933 杆体
26 600 197 732 扳手方
27 285 623 杆体
28 294 802 螺纹
29 320 136 螺纹
30 302 025 螺纹

表 2可知:1)应力比为0.1条件下,最大应力越大,循环次数越少;2)抽油杆断裂位置与循环次数无明显关联性[5]

根据上述H级抽油杆疲劳试验结果,以正态分布假设和SN幂函数假设为基础[6-7],得出HL级抽油杆S-N曲线(如图 2所示),拟合曲线方程为[8]:

图 2 H级抽油杆S-N拟合曲线 Fig.2 S-N fitting curve for H-class sucker rod
(6)

HY级杆的S-N曲线方程为:

(7)

式中:S为应力,MPa; N为循环次数,视为疲劳寿命。

依据S-N曲线拟合结果,当N=107(视为极限疲劳寿命)时,在应力比为0.1条件下折算出HL、HY级抽油杆许用应力分别为182和179 MPa。

3 H级抽油杆疲劳寿命预测方法 3.1 含水率与抽油杆疲劳寿命之间的关系

由于油层存在差异,加之在注水后期油井含水率上升,造成不同油井产出液体中含水率差别很大。油井产出液的含水率不同,对抽油杆的腐蚀程度亦有很大差别。为了弄清楚含水率对抽油杆腐蚀疲劳寿命的影响程度,结合相关试验数据分析腐蚀疲劳寿命与含水率的关系。

试验选用没有经过任何热处理工艺的抽油杆加工试样,使用无水乙醇将试样表面洗净并吹干,存放于干燥器中,用针筒将准备好的油水混合介质注射进试验箱。

采用EHF-EA10岛津电液伺服疲劳试验机, 严格按照国家标准《金属材料:疲劳试验:旋转弯曲方法》(GB/T 4337—2015)进行腐蚀疲劳试验,取频率f=10 Hz,应力比r=0.1的正弦波形,在室温下进行腐蚀疲劳试验。根据空气中得出的S-N曲线,取初始应力幅值σa接近空气中的疲劳极限值;根据试样在这一选定载荷下的寿命,决定以后试验需要施加的载荷应力值,进行在油水混合介质中的腐蚀疲劳试验。

试验结果为:σa=302 MPa,冲次n=600 min-1(即试验采用高频f=10 Hz),含水率为4%, 40%, 49%, 86%和96%条件下测得的循环次数分别为330 000,373 721, 233 463, 231 209和140 000次。根据试验数据,可得到含水率与腐蚀疲劳寿命的关系曲线,如图 3所示。

图 3 抽油杆腐蚀疲劳寿命与含水率的关系 Fig.3 Relationship between corrosion fatigue life and water cut of sucker rod

图 3可知,随着含水率升高,循环次数总体呈降低趋势;降低过程可以明显划分为2个阶段:以含水率20%为分界点,之前阶段为敏感区,即含水率为0~20%时,循环次数对含水率变化极其敏感,表现为含水率稍微有所增加,则循环次数大幅度降低;分界点后面的阶段为稳定区,即含水率为20%~100%时,循环次数对含水率的变化不是很敏感,表现为含水率增加,循环次数有所降低,但降低幅度不大。这说明含水率对腐蚀疲劳寿命存在很大的影响[9]

3.2 冲次对疲劳寿命的影响

一般而言,抽油杆工作的冲次越高,抽油杆断裂频率也越高。在腐蚀环境下(不考虑抽油杆在井下工作受到的各种偏磨及液击作用),冲次越低,抽油杆在井下液体中的工作时间就越长,由于井下液体中含有各种腐蚀性介质,如Cl-、CO2、H2S等酸性介质增加了井下液体对抽油杆柱的腐蚀作用,必然会缩短抽油杆柱的使用寿命[10]

σa=650 MPa, 测得抽油杆在纯净水中,冲次分别为600,120,12和1.2 min-1时的循环次数为164 395,123 840和121 691次。绘制冲次与循环次数的关系曲线(见图 4),并对其进行拟合,得到冲次与疲劳寿命之间的关系式为:

图 4 纯净水中抽油杆冲次与循环次数的关系曲线 Fig.4 Relationship between stroke frequency and service life in clean water of sucker rod
(8)

图 4可知,载荷一定的条件下,抽油杆在纯净水中的循环次数与冲次的关系近似呈线性,即冲次每增加1,循环次数增量为70次,增加率约为0.05%。

4 现场应用

H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测方法在长庆油田杏南作业区的10口井进行了现场应用。应用层位为长6储层,平均工作参数1 350.00 m×ϕ32.0 mm×2.10 m×4.2 min-1(泵挂深度×泵径×冲程×冲次),抽油杆杆柱组合由ϕ19.0 mm一级组合优化调整为ϕ19.0 mm+ϕ16.0 mm两级组合。应用表明,研究的方法及上述措施可以用于H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测,通过该方法计算设计的H级抽油杆满足现场生产对杆柱应力、寿命的需求。具体效果表现为:

1) 采用H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测方法,H级抽油杆应力幅由20.4 MPa降低至18.2 MPa,应力比由0.65提高至0.67,改善了杆柱的受力条件,提高了杆柱的利用潜能。对比相同生产周期井,可知杆柱故障率由0.43次/(口·年)下降至0.23次/(口·年)。应用后,检泵周期由579 d延长至684 d。

2) 通过应用该方法计算优化的H级抽油杆后,悬点载荷由39.6 kN下降至34.3 kN,实测百米吨液耗电从2.11 kW·h下降至1.69 kW·h,下降了20.0%。

5 结论

1) 通过H级抽油杆拉伸试验,计算出了抗拉强度与屈服强度的比值,根据该比值将H级抽油杆的API最大许用应力计算系数由0.562 5修改为0.716 3,建立了H级抽油杆API最大许用应力计算公式。

2) 基于H级抽油杆疲劳测试数据,拟合建立了H级抽油杆的应力-疲劳曲线,折算了在应力比为0.1条件下HL级和HY级抽油杆的极限疲劳强度,得到其值分别为182和179 MPa。

3) 根据H级抽油杆在不同介质中和不同冲次下的疲劳测试结果,得到了含水率、冲次与抽油杆寿命的关系。

4) 通过应用H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测方法对该类抽油杆进行优化设计,可以改善杆柱的受力条件,充分发挥杆柱的性能,使其满足现场生产对杆柱应力、寿命的需求。

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文章信息

樊松, 梁毅, 王凌云, 雷宇, 石海霞
FAN Song, LIANG Yi, WANG Lingyun, LEI Yu, SHI Haixia
H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测方法
Allowable Stress Calculation and Fatigue Life Prediction for H-Class Sucker Rods
石油钻探技术, 2017, 45(6): 88-92.
Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(6): 88-92.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201706016

文章历史

收稿日期: 2017-07-09
改回日期: 2017-11-24

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