專利名稱：等疲勞壽命空心抽油桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及采油機(jī)械抽油桿制造技術(shù)領(lǐng)域。
空心抽油桿是由空心的桿體組成，桿體的一端為公扣，另一端為母扣，兩根空心抽油桿通過端部的公扣與母扣相互連接。利用空心抽油桿的中空通道在井眼中創(chuàng)造了一個(gè)新的通道，利用此通道建立抽油桿與油管之間的循環(huán)通道，以適應(yīng)抽油井熱洗清蠟、化學(xué)清防蠟之需要，也可以為電熱桿的電纜提供通道，還可以為中心測(cè)試提供測(cè)試通道，為無管采油提供出油通道。
眾所周知，抽油桿聯(lián)接部分，由于螺紋的存在，受應(yīng)力集中的影響，是抽油桿承載最薄弱的地方。但對(duì)抽油桿柱而言各截面承載能力都應(yīng)相當(dāng)。如果存在一個(gè)薄弱點(diǎn)，則整個(gè)桿柱強(qiáng)度都降低到薄弱點(diǎn)的水平，造成桿柱強(qiáng)度低、鋼材耗量大、桿柱偏重的不合理現(xiàn)象，導(dǎo)致下入深度淺、能耗高的結(jié)果。國內(nèi)外都是采用加大螺紋部分承載面積的方法克服應(yīng)力集中。以實(shí)心抽油桿為例，承載面積公螺紋為桿體的1．38～1．67倍、母螺紋為桿體的2．49～3．41倍。自從改進(jìn)螺紋結(jié)構(gòu)以來，數(shù)十年生產(chǎn)實(shí)踐中很少發(fā)現(xiàn)桿體在螺紋聯(lián)結(jié)處斷裂。七十年代以來我國將D級(jí)桿的接箍材料由42CrMo鋼改為45號(hào)鋼，其屈服極限由794MPa降為620MPa，母螺紋也很少發(fā)現(xiàn)斷裂。由此可見原來實(shí)心桿螺紋加大比例偏保守。
本實(shí)用新型的目的是采用接頭與桿體的等疲勞壽命設(shè)計(jì)原則，合理地設(shè)計(jì)出空心抽油桿公扣母扣根截與桿體的承載截面積的比值。
本實(shí)用新型采用實(shí)驗(yàn)分析的方法確定等疲勞壽命空心抽油桿聯(lián)接部分與桿柱的最佳承載面積比。對(duì)于有桿泵抽油機(jī)井使用的空心抽油桿，接箍仍使用42CrMo鋼，則螺紋承載面積可縮小到原來的78％。按推理計(jì)算，公螺紋取最低面積比1．67乘以0．78得1．30，即公螺紋承載面積比桿體承載面積大1．30倍即可。而母螺紋考慮上緊螺紋的預(yù)緊力，再增加8％安全系數(shù)初步定為1．40倍。依此設(shè)計(jì)疲勞實(shí)驗(yàn)試樣，進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，循環(huán)基數(shù)107，加載形式拉-拉，循環(huán)特征R=0．2，頻率10～20Hz。13根試樣中，母螺紋斷一根、應(yīng)力卸荷槽斷三根、公螺紋斷三根、熱影響區(qū)斷三根、焊口斷一根、循環(huán)107次未斷兩根。從斷裂部位分布情況看本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)是接近等疲勞壽命的。因此將公、母螺紋承載面積與桿體承載面積比都調(diào)整為1．36∶1比較合理。另外，為滿足以上抽油井熱洗清蠟、化學(xué)清防蠟之需要，以及為電熱桿的電纜提供通道、為中心測(cè)試提供測(cè)試通道和為無管采油提供出油通道五種工藝要求，必須優(yōu)選合理的內(nèi)徑。而五種工藝中，中心測(cè)試工藝要求的內(nèi)徑最大。目前最小壓力計(jì)直徑為18毫米、流量計(jì)直徑為20毫米。為使測(cè)試儀器能順利通過?？紤]鋼管軋制時(shí)壁厚允許公差為±10％，因此選擇內(nèi)徑為24毫米時(shí)，內(nèi)徑可達(dá)到22．6毫米～25．4毫米，均可滿足以上五種工藝要求。
有桿螺桿泵井使用的空心抽油桿。是利用空心抽油桿抗扭矩截面模量比實(shí)心桿大(do-di)／d。倍，由于螺桿泵對(duì)空心抽油桿內(nèi)徑只要求有一定的內(nèi)徑以保證足夠的抗扭矩截面模量外沒有其它要求，故內(nèi)徑可選用23毫米。對(duì)于37×7毫米(等效11／8″)的空心桿，因?yàn)榻宇^外徑過大而采用內(nèi)加厚結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為15毫米。為了確定承載面積比，使用公螺紋承載面積比為1．3、母螺紋承載面積比為1．4，做扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，結(jié)果曲線正常。測(cè)出最大扭矩3575N．米和抗扭強(qiáng)度566．1N／平方毫米，屈服變形完全發(fā)生在桿體部分，說明這種承載面積比是可行的?？紤]這種空心抽油桿傳遞扭矩時(shí)螺紋部分軸徑向力的影響，其螺紋部分與桿體部分承載面積比，公螺紋采用1．4∶1、母螺紋采用1．5∶1比較合理。
空心光桿。抽油井光桿的工況條件最差，工作溫度高、外傷機(jī)遇大、彎曲力也比井下大。為此實(shí)心光桿承載面積比配套的抽油桿承載面積大1．72～2．31倍，如前所述實(shí)心抽油桿加大面積偏保守，仍然可以用0．78校正，1．72乘以0．78得1．34，故光桿比抽油桿承載面積大1．34倍比較合理。
由于本實(shí)用新型采用接頭和桿體等疲勞壽命設(shè)計(jì)原則，克服了接頭部分的薄弱點(diǎn)，合理地確定接頭承載面積與桿體承載面的比值，在同等載荷條件下，減輕了重量，節(jié)省了材料。采用不同的承壓密封斜面，并與軟密封相結(jié)合以確?？招某橛蜅U不滲漏。


圖1為多功能有桿泵抽油機(jī)井等疲勞壽命空心抽油桿示意圖，圖中(1)為推承面、(2)為母螺紋段、(3)為母應(yīng)力卸荷槽、(4)為桿體、(5)為公螺紋卸荷槽、(6)為公螺紋段、(13)焊口。
圖2為多功能有桿螺桿泵抽油機(jī)井等疲勞壽命空心抽油桿示意圖，圖中(7)為推承面、(8)為母螺紋段、(9)為母應(yīng)力卸荷槽、(10)為桿體、(11)為公螺紋應(yīng)力卸荷槽、(12)為公螺紋段、(13)焊口。
實(shí)施例1，有桿泵抽油機(jī)井使用的多功能等疲勞壽命空心抽油桿。采用與實(shí)心抽油桿等效的原則，同時(shí)考慮軋制鋼管時(shí)的壁厚允許公差和各種工藝要求，選擇統(tǒng)一內(nèi)徑為24毫米，設(shè)計(jì)的多功能的等疲勞壽命與實(shí)心桿等效情況如下表等效實(shí)心 外徑 內(nèi)徑不考慮公差壁厚公差 壁厚公差-桿徑(英寸) (毫米)(毫米)與實(shí)心桿+10％與實(shí)心 10％與實(shí)心桿面積比 桿面積比 面積比3／4 31241．061．17 0．997／8 33241．061．16 0．981 35241．041．13 0．9611／8 38241．031．11 0．95本系列空心抽油桿主要相關(guān)尺寸如下表等效實(shí)心桿徑(英寸)3／4 7／8 1 11／8名義尺寸(毫米) 31 ×3．5 33×4．5 35× 5．5 38×7公螺紋根直徑(毫米) 33．2 35．7 38．2 41．9母螺紋根直徑(毫米) 36．0 38．5 41．0 44．7接頭外徑(毫米) 46．0 46．7 50．7 56．3公螺紋承載面積與桿體承載面積比 1．36 1．36 1．36 1．36母螺紋承載面積與桿體承載面積比 2．13 1．36 1．36 1．36注31×3．5母螺紋承載面積與桿體承載面積比達(dá)到2．13是由于計(jì)算接頭外徑過小，為了滿足刨方寬度，加大接頭外徑所致。
本實(shí)用新型利用公螺紋應(yīng)力卸荷槽(5)做密封槽，套上4～5個(gè)0型環(huán)實(shí)現(xiàn)密封。為了更有效地利用現(xiàn)有有桿泵的診斷、設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)等軟件，本實(shí)用新型采用了等效實(shí)心抽油桿的相關(guān)尺寸為公稱尺寸，其機(jī)械性能與實(shí)心抽油桿相當(dāng)，如果采用3／4″、7／8″、1″、11／8″四級(jí)桿柱組合，直徑55毫米的泵下入深度可達(dá)2988米，相當(dāng)于H級(jí)抽油桿5／8″、3／4″7／8″、1″四級(jí)桿柱組合下入的深度。
實(shí)施例2，有桿螺桿泵使用的等疲勞壽命空心抽油桿。如前所述，空心抽油桿內(nèi)徑選用23毫米。根據(jù)礦場(chǎng)實(shí)際資料，泵深1000米以內(nèi)可選用32×4．5毫米(等效7／8″)空心抽油桿，泵深1000米～1500米可選用34×5．5毫米(等效1″)空心抽油桿，傳遞扭矩大于1000N．米可選用37×7毫米(等效11／8″)空心抽油桿。因此外徑系列定為32毫米、34毫米、37毫米三種。按前述等疲勞壽命原則設(shè)計(jì)系列空心抽油桿如下表等效實(shí)心桿徑(英寸)7／8 1 11／8名義尺寸(毫米)32×4．5 34×5．5 37×7公螺紋小頭根直徑(毫米) 35．0 37．5 37．4母螺紋大頭根直徑(毫米) 41．5 44．5 44．9接頭外徑(毫米) 49．1 53．5 56．5公螺紋承載面積與桿體承載面積比1．4 1．4 1．4母螺紋承載面積與桿體承載面積比1．4 1．4 1．4為了更好地傳遞扭矩，采用標(biāo)準(zhǔn)小鉆桿機(jī)械螺紋，錐度1比8、6扣／英寸、緊密矩允許偏差+0．254毫米和-0．127毫米。
實(shí)施例3按等疲勞壽命設(shè)計(jì)的空心光桿的承載面積與抽油桿承載面積之比應(yīng)選用1．34，但考慮鋼管內(nèi)外徑要取整數(shù)，故承載面積比均選用略大于1．34。則光桿系列尺寸如下表等效實(shí)心抽油桿直徑(英寸) 3／47／8 1 11／8光桿外徑(毫米) 33 36 3842光桿壁厚(毫米) 4．5 6 7 9光桿承載面積與空心抽油桿承載面積比1．41 1．49 1．39 1．41目前空心光桿需要的數(shù)量很少，考慮軋鋼廠的批量要求，暫時(shí)可采用一種光桿，即42×9毫米(等效11／8″)光桿。下端為11／8″空心抽油桿公螺紋，上端為1″空心抽油桿公螺紋。另用變螺紋接頭變?yōu)?″錐管螺紋。
權(quán)利要求1．一種多功能等疲勞壽命空心抽油桿，是由無縫鋼管兩端分別加工成公母螺紋構(gòu)成，其特征在于螺紋段承載面積與桿體承載面積之比為1．22∶1～1．69∶1。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心抽油桿，其特征在于用于有桿泵抽油機(jī)井時(shí)，其公螺紋段(6)承載面積與桿體承載面積比最優(yōu)為1．36∶1，其母螺紋段(2)承載面積與桿體承載面積比最優(yōu)為1．36∶1。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的空心抽油桿，其特征在于空心抽油桿的內(nèi)徑為24毫米，桿體的外徑可以是31毫米、33毫米、35毫米或38毫米，對(duì)應(yīng)的公螺紋根直徑分別為33．2毫米、35．7毫米、38．2毫米、41．9毫米，對(duì)應(yīng)的母螺紋根直徑分別為36．0毫米、38．5毫米、41．0毫米、44．7毫米，對(duì)應(yīng)的接頭外徑分別為46．0毫米、46．7毫米、50．7毫米、56．3毫米。
4．根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的空心抽油桿，其特征在于在公螺紋應(yīng)力卸荷槽(5)上套4～5個(gè)O型密封環(huán)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心抽油桿，其特征在于用于有桿螺桿泵抽油機(jī)井時(shí)，其公螺紋段(12)承載面積與桿體承載面積比最優(yōu)為1．4∶1，其母螺紋段(8)承載面積與桿體承載面積比最優(yōu)為1．4∶1。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的空心抽油桿，其特征在于空心抽油桿的內(nèi)徑為23毫米，桿體的外徑可以是32毫米、34毫米或37毫米，對(duì)應(yīng)的公螺紋小頭根直徑分別為35毫米、37．5毫米、37．4毫米，對(duì)應(yīng)的母螺紋大頭根直徑分別為41．5毫米、44．5毫米、44．9毫米，對(duì)應(yīng)的接頭外徑分別為49．1毫米、53．5毫米、56．5毫米。
7．根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的空心抽油桿，其桿體外徑為37毫米，內(nèi)徑為23毫米，對(duì)應(yīng)的公螺紋小頭直徑和母螺紋大頭直徑分別為37．4毫米和44．9毫米，其特征在于公螺紋段(12)采用內(nèi)加厚結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為15毫米。
8．根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的空心抽油桿，其特征在于在公螺紋應(yīng)力卸荷槽(11)上套4～5個(gè)O型密封環(huán)。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心抽油桿，其特征在于用于空心光桿時(shí)，光桿承載面積與空心抽油桿承載面積比為1．39∶1～1．49∶1，空心光桿的外徑可以是33毫米、36毫米、38毫米或42毫米，對(duì)應(yīng)的空心光桿的壁厚分別為4．5毫米、6毫米、7毫米、9毫米。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的空心抽油桿，其特征在于光桿外徑為42毫米，壁厚為9毫米，下端采用對(duì)應(yīng)11／8″空心抽油桿公螺紋接頭，上端為1″空心抽油桿公螺紋。
專利摘要多功能的等疲勞壽命空心抽油桿,是用于有桿泵抽油機(jī)井的熱洗、化學(xué)加藥、井下電加熱、空心測(cè)試、無管采油等工藝必須的裝備;本實(shí)用新型采用等疲勞壽命的原則設(shè)計(jì)了兩個(gè)空心抽油桿系列:①內(nèi)徑24毫米的有桿泵抽油機(jī)井使用的空心抽油桿,②內(nèi)徑23毫米的有桿螺桿泵抽油機(jī)井使用的空心抽油桿。另外,本實(shí)用新型還對(duì)桿柱的重要組成部分——光桿進(jìn)行了等疲勞壽命設(shè)計(jì),螺紋段承載面積與桿體承載面積之比為1.22∶1～1.69∶1。
文檔編號(hào)E21B17/00GK2303077SQ9720068
公開日1999年1月6日 申請(qǐng)日期1997年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月21日
發(fā)明者陳憲侃, 崔鎖泰, 葉利平, 梁貴元 申請(qǐng)人:陳憲侃, 崔鎖泰, 葉利平