[发明专利]连续抽油杆螺旋屈曲最小临界载荷的确定方法

说明书

纤维增强复合材料连续抽油杆螺旋屈曲最小临界载荷的确定方法，属于石油钻采工程技术领域，涉及抽油杆螺旋屈曲最小临界载荷的确定方法。为了解决现有的螺旋屈曲临界载荷的确定方法确定临界载荷值偏大的问题。本发明将载荷函数加载到连续抽油杆非线性瞬态动力学方程中，设置连续抽油杆的计算时间并进行有限元计算；通过减小阻尼比ξ并进行有限元计算，直到连续抽油杆各位置处的挠度在计算时间范围内保持不变为止；然后增大井底无量纲压力，重新设置悬挂拉力函数并进行有限元计算，直至连续抽油杆的挠曲线已形成螺旋，对应的井底压力为连续抽油杆正弦屈曲向螺旋屈曲转变的最小临界载荷。本发明适用于连续抽油杆螺旋屈曲最小临界载荷的确定。

技术领域

本发明属于石油钻采工程技术领域，涉及抽油杆螺旋屈曲最小临界载荷的确定方法。

背景技术

随着我国油田开采中的深井、超深井、腐蚀井和偏磨井逐渐增加，井况环境恶劣，开采难度加大，抽油机超载井日益增多，因此迫切需要一种强度高、质量轻、防腐蚀、抗疲劳、抗偏磨、节电能、作业及操作便捷的新型抽油杆。

碳纤维是含碳量99％以上的无机纤维，是由聚丙烯腈等有机纤维在保持纤维形状的条件下，经固相反应转化成的三维碳化合物。碳纤维突出的特点是强度和弹性模量高、密度小、质量轻、耐腐蚀性能好、膨胀系数低、导热性和耐高温蠕变性能好、摩擦系数小、自润滑、导电性高。高性能碳纤维通过适当的表面处理后，与树脂、金属、陶瓷等基体复合可制得多种高性能复合材料，其中碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能优越，具有很高的比强度和比模量，应用最为广泛。随着高性能碳纤维材料的大量生产，碳纤维的价格越来越低，使得碳纤维复合材料越来越多地应用于井下极端的石油开采领域。

纤维增强复合材料连续抽油杆具有如下优点：具有高比模量、高比强度，其抗拉强度是H级钢抽油杆的2倍以上；质量轻，相当于同尺寸钢杆重量的1/6；碳纤维杆体由高强耐磨材料包敷，杆体耐磨性强，表面光滑，摩阻系数低，可大大减小自体及对油管的磨损；抗疲劳性能好，经100Hz、26kN～80kN交变载荷、10⁷次的疲劳实验后，剩余强度仍有90％(同样条件下，钢杆的剩余强度仅为30％～40％)，高耐磨性和抗疲劳性和抗腐蚀性，可延长杆体使用寿命，适宜在腐蚀性环境中长期使用。

由于纤维增强复合材料连续抽油杆的弹性模量和质量均比钢制抽油杆要小，在井底压力作用下，比常规钢制抽油杆更容易引起屈曲，更有甚者会引起螺旋屈曲，影响抽油杆的正常运行。

抽油杆这类细长油气杆管柱结构正弦屈曲临界载荷的确定方法，早在1950年，Lubinski采用梁柱模型，计算给出了发生一次弯曲和二次弯曲的最小临界载荷。1962年，Lubinski假定杆管柱屈曲成空间螺旋线，屈曲构型为均匀螺旋线并与井壁连续接触，利用最小势能原理，推导了等螺距和轴向压力的关系式，他的这一研究成果也得到了石油工程行业的广泛应用。但是，由于自重的影响，实际杆管柱空间螺旋屈曲构型是一个非等距的螺旋线。为此，研究者们采用微分法、能量法、实验法和有限元等方法，对非等螺距的临界载荷进行了广泛的研究，得出了各自不同的临界载荷值。

由于杆管柱的螺旋屈曲发生在初始正弦屈曲之后，经过稳定的正弦屈曲构型阶段之后的又一种稳定的屈曲平衡状态。所以，正弦屈曲向螺旋屈曲转变的过程是非常复杂的。这一过程中，屈曲构型随着井底压力而发生跳跃性变化，杆管柱与油管存在接触和脱离等力学行为，使得问题非常复杂。2015年，高德利院士展望了油气杆管柱螺旋屈曲问题的研究方法，提出了悬挂段采用梁柱模型，连续接触段采用微分方程的研究设想。2016年，黄文君根据这个研究设想，将油气杆管柱假设分成了4段，用相应的连续性条件、边界条件和稳定性条件，将杆管柱屈曲问题转化为一个非线性方程组。用迭代法求解这些方程，得到了油气杆管柱平面正弦屈曲、三维螺旋屈曲、连续接触螺旋屈曲和形成一个螺距的螺旋屈曲临界载荷。