一种多级抽油杆柱设计方法及装置与流程
本发明涉及采油工程，尤其涉及一种多级抽油杆柱设计方法及装置。
背景技术：
1、自石油工业产生以来，抽油杆杆柱设计就问题就存在了，随着油田开发的需求不断增加，抽油杆杆柱设计方法也在不断的发展，进入了更加准确、精细、优化发展的新阶段。目前，抽油杆柱设计主要是确定抽油杆柱的长度、直径及组合。为了确保抽油杆安全工作，必须使抽油杆在其许用范围内工作，目前主要有奥金格设计方法和修正的api(americanpetroleum institute，美国石油协会)法两种抽油杆柱设计方法。
2、使用奥金格设计方法进行杆柱设计首先就需要保证抽油杆柱每一级的顶部端面处的折算应力相等，而且抽油杆柱每一级的顶部端面处的折算应力都必须小于最大许用应力。也就是说此方法需要使得抽油杆柱满足每一级抽油杆柱顶部端面处具有相同的最大应力与许用应力之比(由使用系数sf表示)。即：
3、
4、将上式转换到每一级抽油杆柱即就是：
5、
6、因此，奥金格方法所采用的原则就是使每一级抽油杆柱具有相同水平的抗疲劳失效安全性，用此方法设计的抽油杆柱将承受均匀水平的疲劳载荷。
7、由古德曼应力公式可以看出，许用最大应力σall是随σmin值变化的，这就使不同深度处的抽油杆许用最大应力值不同，也就是说在抽油杆柱的不同位置最大许用应力的值是不同的。若是如等强度准则一样使得各级抽油杆柱顶部端面最大应力相等这种方法就显得不太合适了，因为这样会使得抽油杆柱底部比上部抽油杆柱负载大得多，降低了抽油杆柱的可靠性，油田现场的数据表明，根据api法设计的抽油杆柱总是在底部失效。而修正的api法对此做出了修改，其以等应力幅值为原则进行杆柱设计，即：
8、
9、从公式可以发现，采用修正的api方法进行抽油杆柱设计时，每一级抽油杆柱顶部端面的工作可靠程度相同。这意味着，在修正后的古德曼图上绘制的不同级别杆柱截面的最大应力和最小应力点将落在一条水平线上。较低级杆柱具有较高的sf，与其他级杆柱相比，安全性降低。因此，有可能使下面抽油杆顶端面的最大应力大于其许用最大应力，使得抽油杆柱底部比上部抽油杆柱负载大得多，降低下部抽油杆柱的可靠性，大大增加下部发生事故的几率。而且在确定抽油杆柱每级长度时，抽油杆柱设计面临两个基本问题：一是抽油杆柱循环载荷的计算；二是确定每级长度所用方法如何建立。
10、现有的杆柱设计程序从近似公式中估计杆柱载荷，这些公式导致的载荷不是实际条件的真实度量。由于在设计过程中使用了估算载荷，不能满足在每一级杆柱内达到相同安全的基本要求。
技术实现思路
1、本发明目的在于提供一种多级抽油杆柱设计方法及装置，解决了现有技术中存在的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
2、本发明提供了一种多级抽油杆柱设计方法，所述方法包括，
3、通过悬点载荷的计算公式拟合单级抽油杆柱的长度函数；
4、根据修正的古德曼图的许用应力计算公式确定单级抽油杆柱使用系数；
5、基于所述长度函数和所述使用系数，确定各级抽油杆柱长度。
6、进一步的，所述通过悬点载荷的计算公式拟合单级抽油杆柱的长度函数，包括：
7、通过悬点载荷的计算公式得到悬点最大载荷和悬点最小载荷；
8、根据悬点最大载荷、悬点最小载荷和抽油杆柱长度关系拟合得到单级抽油杆柱的长度函数。
9、进一步的，所述悬点最大载荷公式如下：
10、pmax＝wr+w1+iu+phu+fu+pv-pi
11、式中，pmax为悬点最大载荷；wr为上冲程中作用在悬点上的杆柱载荷；w1为作用在柱塞上的液柱载荷；iu为上冲程中作用在悬点上的惯性载荷；phu为上冲程中井口回压造成的悬点载荷；fu为上冲程中的最大摩擦载荷；pv为振动载荷；pi为上冲程中吸入压力作用在活塞上产生的载荷；
12、所述悬点最小载荷，公式如下：
13、pmin＝w'r+id-phd-fd-pv
14、式中:pmin为悬点最小载荷；w'r为下冲程中作用在悬点上的杆柱载荷；id为下冲程中作用在悬点上的惯性载荷；phd为下冲程中井口回压造成的悬点载荷；fd为下冲程中的最大摩擦载荷；pv为振动载荷。
15、进一步的，基于抽油杆柱中最大载荷和最小载荷的变化，通过直线拟合成所述单级抽油杆柱长度的函数，如下所示：
16、
17、
18、式中，表示第i级抽油杆柱最大载荷；表示第i级抽油杆柱最小载荷；ai表示第i级抽油杆柱最大载荷拟合直线的斜率；bi表示第i级抽油杆柱最大载荷拟合直线的截距；ci表示第i级抽油杆柱最小载荷拟合直线的斜率；di表示第i级抽油杆柱最小载荷拟合直线的截距；li表示抽油杆柱长度。
19、进一步的，根据修正的古德曼图的许用应力计算公式确定单级抽油杆柱使用系数，包括：
20、根据修改后的古德曼图的公式，获取抽油杆柱许用应力与抽油杆柱顶部端面使用系数的关系式；
21、所述关系式结合抽油杆柱所受的最大载荷和最小载荷，确定单级抽油杆柱使用系数。
22、进一步的，所述抽油杆柱许用应力与抽油杆柱顶部端面使用系数的关系式，表达为:
23、
24、式中：sa为抽油杆柱许用应力，t为抽油杆柱最小抗拉强度；smin为抽油杆柱最小工作应力，a和b为杆柱材料系数，sf为使用系数。
25、进一步的，所述抽油杆柱使用系数公式如下：
26、
27、式中：sf(i)为第i级抽油杆柱的使用系数；a(i)为第i级抽油杆柱的横截面积。
28、进一步的，所述基于长度函数和使用系数，确定各级抽油杆柱长度，包括：
29、基于长度函数和使用系数，确定单级抽油杆柱长度设计公式；
30、基于所述单级抽油杆柱长度设计公式和各级抽油杆柱具体参数，构建各级抽油杆柱的长度计算模型；
31、对所述长度计算模型进行迭代计算，确定各级抽油杆柱的长度。
32、本发明还提供了一种多级抽油杆柱设计装置，所述装置包括，
33、拟合单元，用于通过悬点载荷的计算公式拟合单级抽油杆柱的长度函数；
34、第一确定单元，用于根据修正的古德曼图的许用应力计算公式确定单级抽油杆柱使用系数；
35、第二确定单元，用于基于所述长度函数和所述使用系数，确定各级抽油杆柱长度。
36、进一步的，所述第二确定单元所执行的步骤，包括：
37、基于长度函数和使用系数，确定单级抽油杆柱长度设计公式；
38、基于所述单级抽油杆柱长度设计公式和各级抽油杆柱具体参数，构建各级抽油杆柱的长度计算模型；
39、对所述长度计算模型进行迭代计算，确定各级抽油杆柱的长度。
40、本发明的技术效果和优点：
41、在现有抽油杆柱设计方法基础上，在对不同的杆柱设计方案进行评价的基础上，提出了一种在设计过程中利用阻尼波动方程的预测解来评价杆柱载荷的新方法。由于用这种方法计算的载荷模拟实际载荷具有很高的精度，因此消除了以往杆柱设计过程中最重要的局限性。以保证每一级抽油杆柱的使用系数sf相同的设计原则，提出了一种新的抽油杆柱组合设计方法。
42、1.相比奥金格设计方法得到的杆柱组合，本设计方法各级杆柱顶部端面的使用系数都相等，满足抽油杆柱的高效组合。
43、2.相比api设计方法得到的杆柱组合,本设计方法得到的杆柱组合每一级抽油杆顶部端面的应力范围比都比较大，总体安全性更高，避免了材料的浪费。
44、本发明在现有抽油杆柱设计方法基础上，在对不同的杆柱设计方案进行评价的基础上，把使用系数、杆柱长度、载荷、许用应力都包含在抽油杆柱长度设计的同一个公式中，建立了多级抽油杆柱设计新方法，提高了设计速度。这种方法应用每一级抽油杆柱的使用系数sf相同的设计原则，提高了每一级杆柱的利用率，同时保证了每一级抽油杆杆柱工作的可靠性。
45、因此，使用所提出的模型设计的杆柱在每一级中都具有抗疲劳破坏的实际安全性；新的设计模型比以前的设计提供了更大的安全性。
46、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
技术特征：
1.一种多级抽油杆柱设计方法，其特征在于，所述方法包括，
2.根据权利要求1所述的一种多级抽油杆柱设计方法，其特征在于，所述通过悬点载荷的计算公式拟合单级抽油杆柱的长度函数，包括：
3.根据权利要求2所述的一种多级抽油杆柱设计方法，其特征在于，所述悬点最大载荷公式如下：
4.根据权利要求3所述的一种多级抽油杆柱设计方法，其特征在于，基于抽油杆柱中最大载荷和最小载荷的变化，通过直线拟合成所述单级抽油杆柱长度的函数，如下所示：
5.根据权利要求4所述的一种多级抽油杆柱设计方法，其特征在于，根据修正的古德曼图的许用应力计算公式确定单级抽油杆柱使用系数，包括：
6.根据权利要求5所述的一种多级抽油杆柱设计方法，其特征在于，所述抽油杆柱许用应力与抽油杆柱顶部端面使用系数的关系式，表达为:
7.根据权利要求6所述的一种多级抽油杆柱设计方法，其特征在于，所述抽油杆柱使用系数公式如下：
8.根据权利要求7所述的一种多级抽油杆柱设计方法，其特征在于，所述基于长度函数和使用系数，确定各级抽油杆柱长度，包括：
9.一种多级抽油杆柱设计装置，其特征在于，所述装置包括，
10.根据权利要求9所述的一种多级抽油杆柱设计装置，其特征在于，所述第二确定单元所执行的步骤，包括：
技术总结
本发明公开了一种多级抽油杆柱设计方法及装置，所述方法包括，通过悬点载荷的计算公式拟合单级抽油杆柱的长度函数；根据修正的古德曼图的许用应力计算公式确定单级抽油杆柱使用系数；基于所述长度函数和所述使用系数，确定各级抽油杆柱长度。本发明在现有抽油杆柱设计方法基础上，在对不同的杆柱设计方案进行评价的基础上，把使用系数、杆柱长度、载荷、许用应力都包含在抽油杆柱长度设计的同一个公式中，建立了多级抽油杆柱设计新方法，提高了设计速度。这种方法应用每一级抽油杆柱的使用系数SF相同的设计原则，提高了每一级杆柱的利用率，同时保证了每一级抽油杆柱工作的可靠性。
技术研发人员：汪萍,孔祥文,贾跃鹏,王红军,黄文松,郭春秋,丁伟,刘丽,赵子斌
受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23