壓裂抽汲聯(lián)作泵鎖爪失效原因分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

摘 要：鎖爪有效錨定是保證桿式泵正常工作的前提。作者在對(duì)勝利油田壓裂抽汲聯(lián)作泵鎖爪損壞現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的鎖爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，輔以有限元模擬計(jì)算，驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好效果。本文對(duì)桿式泵鎖爪設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：桿式泵；鎖爪；受力分析；保護(hù)結(jié)構(gòu)

壓裂抽汲聯(lián)作抽油泵技術(shù)是勝利油田壓裂抽汲一體化工藝技術(shù)的主要組成部分。該技術(shù)主要起簡(jiǎn)化施工工序、負(fù)責(zé)抽汲排液的作用，因此聯(lián)作泵的工作狀態(tài)影響著壓裂抽汲一體化工藝的有效性。

壓裂抽汲聯(lián)作泵是一種桿式泵，采用上部密封下部鎖爪錨定的方式工作。該泵在早期應(yīng)用過(guò)程中發(fā)生過(guò)鎖爪塑性變形損壞的情況。為了提高壓裂抽汲聯(lián)作抽油泵的可靠性，對(duì)鎖爪損壞原因進(jìn)行了分析，并對(duì)鎖爪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)模擬分析和實(shí)際應(yīng)用證明，改進(jìn)鎖爪結(jié)構(gòu)有效降低了損壞幾率。

1 鎖爪損壞原因分析

該泵鎖爪是采用彈簧鋼管割縫而成，對(duì)稱分布6片。根據(jù)懸臂梁變形理論設(shè)計(jì)了鎖爪壁厚、爪片寬度和長(zhǎng)度等參數(shù)。與其配合的泵座內(nèi)部有溝槽，鎖爪進(jìn)入其中需要大約4mm的徑向變形量。設(shè)計(jì)時(shí)鎖爪的變形能力為6～8mm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，失效鎖爪的形態(tài)有爪片端部向中心聚攏，變形量過(guò)大無(wú)法回彈的，也有爪片中部弓起，爪片失穩(wěn)的。由于設(shè)計(jì)時(shí)鎖爪的變形能力大于其正常錨定所需變形量，因此正常錨定或者解鎖不會(huì)導(dǎo)致鎖爪損壞，通過(guò)分析壓裂抽汲一體化施工過(guò)程，結(jié)合鎖爪失效狀態(tài)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了鎖爪損壞可能發(fā)生在以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）下泵前。聯(lián)作泵下泵時(shí)，其頂部被作業(yè)大鉤吊起，鎖爪部分作為受力支點(diǎn)在油管橋或地面上滑行。這時(shí)一般是單片或兩片鎖爪觸地受力，起吊過(guò)程中的撞擊、內(nèi)筒自重等全部作用在一、兩片鎖爪上，易使鎖爪產(chǎn)生過(guò)大變形發(fā)生損壞。

（2）下泵過(guò)程中。油管接箍在加工時(shí)，兩端內(nèi)螺紋不可避免存在軸心偏差，同時(shí)油管上外螺紋也存偏差，導(dǎo)致了在接箍處兩根油管端部有相互錯(cuò)開(kāi)的現(xiàn)象。斜井、狗腿度大的井段，管端錯(cuò)位很可能會(huì)形成較大的臺(tái)階。下泵時(shí)當(dāng)泵底部鎖爪與錯(cuò)位的油管端部接觸發(fā)生撞擊，在桿柱自重作用下，鎖爪沿軸向受力，產(chǎn)生撓性變形。撞擊力過(guò)大時(shí)鎖爪就會(huì)損壞。

2 鎖爪結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過(guò)上面的分析，鎖爪損壞主要是受側(cè)向力或者軸向力過(guò)大而損壞。為避免這一問(wèn)題，在鎖爪部位加入了保護(hù)結(jié)構(gòu)（圖1）。新加入的保護(hù)結(jié)構(gòu)是在割縫形成鎖爪時(shí)保留一部分筋條，所有筋條在鎖爪底部合并，形成環(huán)繞鎖爪的保護(hù)框架。該保護(hù)結(jié)構(gòu)允許鎖爪在預(yù)定范圍內(nèi)正常變形，在變形超過(guò)一定量以后由保護(hù)結(jié)構(gòu)承受側(cè)向載荷、吸收軸向沖擊。

利用有限元軟件對(duì)鎖爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析。首先建立鎖爪模型并劃分網(wǎng)格。分析時(shí)假定鎖爪為各向同性彈性材料，材質(zhì)為60Si2Mn，鎖爪頂端進(jìn)行全約束，分別在保護(hù)結(jié)構(gòu)端部側(cè)向和軸向施加載荷，模擬聯(lián)作泵起吊和下井時(shí)的受力狀態(tài)。

首先進(jìn)行了側(cè)向載荷的模擬。對(duì)保護(hù)結(jié)構(gòu)端部以及單片鎖爪端部施加相同側(cè)向載荷，分析比較二者的變形量和應(yīng)力大小。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，在承受相同側(cè)向載荷的情況下，保護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量為鎖爪的33%，而鎖爪根部的最大應(yīng)力約為保護(hù)結(jié)構(gòu)的2倍。模擬結(jié)果表明，在保護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服之前，可以較鎖爪多承受2倍的外力，大大提高了整個(gè)鎖爪抗側(cè)向損壞的能力。

其次進(jìn)行了軸載荷的模擬。在保護(hù)結(jié)構(gòu)和鎖爪端部施加軸向沖擊載荷，模擬下泵過(guò)程中鎖爪端部受撞擊的情況。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，在承受相同大小的軸向載荷時(shí)，鎖爪易失穩(wěn)，沿徑向產(chǎn)生形變。當(dāng)處于油管內(nèi)受限空間時(shí)，爪片會(huì)發(fā)生撓曲，造成應(yīng)力集中，很容易產(chǎn)生塑性變形。保護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量相對(duì)較小，只在臨近受力點(diǎn)的筋條內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力集中，小于鎖爪內(nèi)應(yīng)力，其他筋條內(nèi)應(yīng)力很小。隨著載荷變大，鎖爪內(nèi)部應(yīng)力迅速增長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)保護(hù)結(jié)構(gòu)。因此，加入的保護(hù)結(jié)構(gòu)可代替鎖爪承受沖擊載荷，其抗沖擊能力大大高于鎖爪。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

該泵自投入應(yīng)用到改進(jìn)之前，使用了300余井次，共發(fā)生了3例鎖爪損壞的情況。其中2例是鎖爪向內(nèi)收攏無(wú)法回彈，另外1例是爪片中間弓起彎曲。從2011年改進(jìn)鎖爪結(jié)構(gòu)之后，至今已應(yīng)用近150井次，再未發(fā)生過(guò)鎖爪損壞的情況。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明改進(jìn)后的保護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效的保護(hù)鎖爪，避免爪片受意外沖擊發(fā)生損壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)壓裂抽汲聯(lián)作泵在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)的鎖爪損壞問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)查分析，并改進(jìn)了鎖爪結(jié)構(gòu)，通過(guò)模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明改進(jìn)后的鎖爪可以有效避免意外沖擊造成的損壞，對(duì)桿式泵鎖爪設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。

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