专利名称：等疲劳寿命空心抽油杆的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及采油机械抽油杆制造技术领域。
空心抽油杆是由空心的杆体组成，杆体的一端为公扣，另一端为母扣，两根空心抽油杆通过端部的公扣与母扣相互连接。利用空心抽油杆的中空通道在井眼中创造了一个新的通道，利用此通道建立抽油杆与油管之间的循环通道，以适应抽油井热洗清蜡、化学清防蜡之需要，也可以为电热杆的电缆提供通道，还可以为中心测试提供测试通道，为无管采油提供出油通道。
众所周知，抽油杆联接部分，由于螺纹的存在，受应力集中的影响，是抽油杆承载最薄弱的地方。但对抽油杆柱而言各截面承载能力都应相当。如果存在一个薄弱点，则整个杆柱强度都降低到薄弱点的水平，造成杆柱强度低、钢材耗量大、杆柱偏重的不合理现象，导致下入深度浅、能耗高的结果。国内外都是采用加大螺纹部分承载面积的方法克服应力集中。以实心抽油杆为例，承载面积公螺纹为杆体的1．38～1．67倍、母螺纹为杆体的2．49～3．41倍。自从改进螺纹结构以来，数十年生产实践中很少发现杆体在螺纹联结处断裂。七十年代以来我国将D级杆的接箍材料由42CrMo钢改为45号钢，其屈服极限由794MPa降为620MPa，母螺纹也很少发现断裂。由此可见原来实心杆螺纹加大比例偏保守。
本实用新型的目的是采用接头与杆体的等疲劳寿命设计原则，合理地设计出空心抽油杆公扣母扣根截与杆体的承载截面积的比值。
本实用新型采用实验分析的方法确定等疲劳寿命空心抽油杆联接部分与杆柱的最佳承载面积比。对于有杆泵抽油机井使用的空心抽油杆，接箍仍使用42CrMo钢，则螺纹承载面积可缩小到原来的78％。按推理计算，公螺纹取最低面积比1．67乘以0．78得1．30，即公螺纹承载面积比杆体承载面积大1．30倍即可。而母螺纹考虑上紧螺纹的预紧力，再增加8％安全系数初步定为1．40倍。依此设计疲劳实验试样，进行疲劳实验，循环基数107，加载形式拉-拉，循环特征R=0．2，频率10～20Hz。13根试样中，母螺纹断一根、应力卸荷槽断三根、公螺纹断三根、热影响区断三根、焊口断一根、循环107次未断两根。从断裂部位分布情况看本实用新型的设计是接近等疲劳寿命的。因此将公、母螺纹承载面积与杆体承载面积比都调整为1．36∶1比较合理。另外，为满足以上抽油井热洗清蜡、化学清防蜡之需要，以及为电热杆的电缆提供通道、为中心测试提供测试通道和为无管采油提供出油通道五种工艺要求，必须优选合理的内径。而五种工艺中，中心测试工艺要求的内径最大。目前最小压力计直径为18毫米、流量计直径为20毫米。为使测试仪器能顺利通过。考虑钢管轧制时壁厚允许公差为±10％，因此选择内径为24毫米时，内径可达到22．6毫米～25．4毫米，均可满足以上五种工艺要求。
有杆螺杆泵井使用的空心抽油杆。是利用空心抽油杆抗扭矩截面模量比实心杆大(do-di)／d。倍，由于螺杆泵对空心抽油杆内径只要求有一定的内径以保证足够的抗扭矩截面模量外没有其它要求，故内径可选用23毫米。对于37×7毫米(等效11／8″)的空心杆，因为接头外径过大而采用内加厚结构，内径为15毫米。为了确定承载面积比，使用公螺纹承载面积比为1．3、母螺纹承载面积比为1．4，做扭转试验，结果曲线正常。测出最大扭矩3575N．米和抗扭强度566．1N／平方毫米，屈服变形完全发生在杆体部分，说明这种承载面积比是可行的。考虑这种空心抽油杆传递扭矩时螺纹部分轴径向力的影响，其螺纹部分与杆体部分承载面积比，公螺纹采用1．4∶1、母螺纹采用1．5∶1比较合理。
空心光杆。抽油井光杆的工况条件最差，工作温度高、外伤机遇大、弯曲力也比井下大。为此实心光杆承载面积比配套的抽油杆承载面积大1．72～2．31倍，如前所述实心抽油杆加大面积偏保守，仍然可以用0．78校正，1．72乘以0．78得1．34，故光杆比抽油杆承载面积大1．34倍比较合理。
由于本实用新型采用接头和杆体等疲劳寿命设计原则，克服了接头部分的薄弱点，合理地确定接头承载面积与杆体承载面的比值，在同等载荷条件下，减轻了重量，节省了材料。采用不同的承压密封斜面，并与软密封相结合以确保空心抽油杆不渗漏。
图1为多功能有杆泵抽油机井等疲劳寿命空心抽油杆示意图，图中(1)为推承面、(2)为母螺纹段、(3)为母应力卸荷槽、(4)为杆体、(5)为公螺纹卸荷槽、(6)为公螺纹段、(13)焊口。
图2为多功能有杆螺杆泵抽油机井等疲劳寿命空心抽油杆示意图，图中(7)为推承面、(8)为母螺纹段、(9)为母应力卸荷槽、(10)为杆体、(11)为公螺纹应力卸荷槽、(12)为公螺纹段、(13)焊口。
实施例1，有杆泵抽油机井使用的多功能等疲劳寿命空心抽油杆。采用与实心抽油杆等效的原则，同时考虑轧制钢管时的壁厚允许公差和各种工艺要求，选择统一内径为24毫米，设计的多功能的等疲劳寿命与实心杆等效情况如下表等效实心 外径 内径不考虑公差壁厚公差 壁厚公差-杆径(英寸) (毫米)(毫米)与实心杆+10％与实心 10％与实心杆面积比 杆面积比 面积比3／4 31241．061．17 0．997／8 33241．061．16 0．981 35241．041．13 0．9611／8 38241．031．11 0．95本系列空心抽油杆主要相关尺寸如下表等效实心杆径(英寸)3／4 7／8 1 11／8名义尺寸(毫米) 31 ×3．5 33×4．5 35× 5．5 38×7公螺纹根直径(毫米) 33．2 35．7 38．2 41．9母螺纹根直径(毫米) 36．0 38．5 41．0 44．7接头外径(毫米) 46．0 46．7 50．7 56．3公螺纹承载面积与杆体承载面积比 1．36 1．36 1．36 1．36母螺纹承载面积与杆体承载面积比 2．13 1．36 1．36 1．36注31×3．5母螺纹承载面积与杆体承载面积比达到2．13是由于计算接头外径过小，为了满足刨方宽度，加大接头外径所致。
本实用新型利用公螺纹应力卸荷槽(5)做密封槽，套上4～5个0型环实现密封。为了更有效地利用现有有杆泵的诊断、设计、预测等软件，本实用新型采用了等效实心抽油杆的相关尺寸为公称尺寸，其机械性能与实心抽油杆相当，如果采用3／4″、7／8″、1″、11／8″四级杆柱组合，直径55毫米的泵下入深度可达2988米，相当于H级抽油杆5／8″、3／4″7／8″、1″四级杆柱组合下入的深度。
实施例2，有杆螺杆泵使用的等疲劳寿命空心抽油杆。如前所述，空心抽油杆内径选用23毫米。根据矿场实际资料，泵深1000米以内可选用32×4．5毫米(等效7／8″)空心抽油杆，泵深1000米～1500米可选用34×5．5毫米(等效1″)空心抽油杆，传递扭矩大于1000N．米可选用37×7毫米(等效11／8″)空心抽油杆。因此外径系列定为32毫米、34毫米、37毫米三种。按前述等疲劳寿命原则设计系列空心抽油杆如下表等效实心杆径(英寸)7／8 1 11／8名义尺寸(毫米)32×4．5 34×5．5 37×7公螺纹小头根直径(毫米) 35．0 37．5 37．4母螺纹大头根直径(毫米) 41．5 44．5 44．9接头外径(毫米) 49．1 53．5 56．5公螺纹承载面积与杆体承载面积比1．4 1．4 1．4母螺纹承载面积与杆体承载面积比1．4 1．4 1．4为了更好地传递扭矩，采用标准小钻杆机械螺纹，锥度1比8、6扣／英寸、紧密矩允许偏差+0．254毫米和-0．127毫米。
实施例3按等疲劳寿命设计的空心光杆的承载面积与抽油杆承载面积之比应选用1．34，但考虑钢管内外径要取整数，故承载面积比均选用略大于1．34。则光杆系列尺寸如下表等效实心抽油杆直径(英寸) 3／47／8 1 11／8光杆外径(毫米) 33 36 3842光杆壁厚(毫米) 4．5 6 7 9光杆承载面积与空心抽油杆承载面积比1．41 1．49 1．39 1．41目前空心光杆需要的数量很少，考虑轧钢厂的批量要求，暂时可采用一种光杆，即42×9毫米(等效11／8″)光杆。下端为11／8″空心抽油杆公螺纹，上端为1″空心抽油杆公螺纹。另用变螺纹接头变为1″锥管螺纹。
权利要求1．一种多功能等疲劳寿命空心抽油杆，是由无缝钢管两端分别加工成公母螺纹构成，其特征在于螺纹段承载面积与杆体承载面积之比为1．22∶1～1．69∶1。
2．根据权利要求1所述的空心抽油杆，其特征在于用于有杆泵抽油机井时，其公螺纹段(6)承载面积与杆体承载面积比最优为1．36∶1，其母螺纹段(2)承载面积与杆体承载面积比最优为1．36∶1。
3．根据权利要求2所述的空心抽油杆，其特征在于空心抽油杆的内径为24毫米，杆体的外径可以是31毫米、33毫米、35毫米或38毫米，对应的公螺纹根直径分别为33．2毫米、35．7毫米、38．2毫米、41．9毫米，对应的母螺纹根直径分别为36．0毫米、38．5毫米、41．0毫米、44．7毫米，对应的接头外径分别为46．0毫米、46．7毫米、50．7毫米、56．3毫米。
4．根据权利要求2或3所述的空心抽油杆，其特征在于在公螺纹应力卸荷槽(5)上套4～5个O型密封环。
5．根据权利要求1所述的空心抽油杆，其特征在于用于有杆螺杆泵抽油机井时，其公螺纹段(12)承载面积与杆体承载面积比最优为1．4∶1，其母螺纹段(8)承载面积与杆体承载面积比最优为1．4∶1。
6．根据权利要求5所述的空心抽油杆，其特征在于空心抽油杆的内径为23毫米，杆体的外径可以是32毫米、34毫米或37毫米，对应的公螺纹小头根直径分别为35毫米、37．5毫米、37．4毫米，对应的母螺纹大头根直径分别为41．5毫米、44．5毫米、44．9毫米，对应的接头外径分别为49．1毫米、53．5毫米、56．5毫米。
7．根据权利要求5或6所述的空心抽油杆，其杆体外径为37毫米，内径为23毫米，对应的公螺纹小头直径和母螺纹大头直径分别为37．4毫米和44．9毫米，其特征在于公螺纹段(12)采用内加厚结构，内径为15毫米。
8．根据权利要求5或6或7所述的空心抽油杆，其特征在于在公螺纹应力卸荷槽(11)上套4～5个O型密封环。
9．根据权利要求1所述的空心抽油杆，其特征在于用于空心光杆时，光杆承载面积与空心抽油杆承载面积比为1．39∶1～1．49∶1，空心光杆的外径可以是33毫米、36毫米、38毫米或42毫米，对应的空心光杆的壁厚分别为4．5毫米、6毫米、7毫米、9毫米。
10．根据权利要求9所述的空心抽油杆，其特征在于光杆外径为42毫米，壁厚为9毫米，下端采用对应11／8″空心抽油杆公螺纹接头，上端为1″空心抽油杆公螺纹。
专利摘要多功能的等疲劳寿命空心抽油杆,是用于有杆泵抽油机井的热洗、化学加药、井下电加热、空心测试、无管采油等工艺必须的装备;本实用新型采用等疲劳寿命的原则设计了两个空心抽油杆系列:①内径24毫米的有杆泵抽油机井使用的空心抽油杆,②内径23毫米的有杆螺杆泵抽油机井使用的空心抽油杆。另外,本实用新型还对杆柱的重要组成部分——光杆进行了等疲劳寿命设计,螺纹段承载面积与杆体承载面积之比为1.22∶1～1.69∶1。
文档编号E21B17/00GK2303077SQ9720068
公开日1999年1月6日 申请日期1997年1月21日 优先权日1997年1月21日
发明者陈宪侃, 崔锁泰, 叶利平, 梁贵元 申请人:陈宪侃, 崔锁泰, 叶利平