壓裂抽汲聯作泵鎖爪失效原因分析及改進設計

摘 要：鎖爪有效錨定是保證桿式泵正常工作的前提。作者在對勝利油田壓裂抽汲聯作泵鎖爪損壞現象進行調查分析的基礎上，提出了改進的鎖爪結構設計方案，輔以有限元模擬計算，驗證了新結構的抗沖擊能力，投入現場應用取得了良好效果。本文對桿式泵鎖爪設計具有一定的參考價值。

關鍵詞：桿式泵；鎖爪；受力分析；保護結構

壓裂抽汲聯作抽油泵技術是勝利油田壓裂抽汲一體化工藝技術的主要組成部分。該技術主要起簡化施工工序、負責抽汲排液的作用，因此聯作泵的工作狀態影響著壓裂抽汲一體化工藝的有效性。

壓裂抽汲聯作泵是一種桿式泵，采用上部密封下部鎖爪錨定的方式工作。該泵在早期應用過程中發生過鎖爪塑性變形損壞的情況。為了提高壓裂抽汲聯作抽油泵的可靠性，對鎖爪損壞原因進行了分析，并對鎖爪的結構進行了改進，經模擬分析和實際應用證明，改進鎖爪結構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，對稱分布6片。根據懸臂梁變形理論設計了鎖爪壁厚、爪片寬度和長度等參數。與其配合的泵座內部有溝槽，鎖爪進入其中需要大約4mm的徑向變形量。設計時鎖爪的變形能力為6～8mm。

根據現場觀察，失效鎖爪的形態有爪片端部向中心聚攏，變形量過大無法回彈的，也有爪片中部弓起，爪片失穩的。由于設計時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導致鎖爪損壞，通過分析壓裂抽汲一體化施工過程，結合鎖爪失效狀態及其結構特點，確定了鎖爪損壞可能發生在以下幾個環節：

（1）下泵前。聯作泵下泵時，其頂部被作業大鉤吊起，鎖爪部分作為受力支點在油管橋或地面上滑行。這時一般是單片或兩片鎖爪觸地受力，起吊過程中的撞擊、內筒自重等全部作用在一、兩片鎖爪上，易使鎖爪產生過大變形發生損壞。

（2）下泵過程中。油管接箍在加工時，兩端內螺紋不可避免存在軸心偏差，同時油管上外螺紋也存偏差，導致了在接箍處兩根油管端部有相互錯開的現象。斜井、狗腿度大的井段，管端錯位很可能會形成較大的臺階。下泵時當泵底部鎖爪與錯位的油管端部接觸發生撞擊，在桿柱自重作用下，鎖爪沿軸向受力，產生撓性變形。撞擊力過大時鎖爪就會損壞。

2 鎖爪結構改進

通過上面的分析，鎖爪損壞主要是受側向力或者軸向力過大而損壞。為避免這一問題，在鎖爪部位加入了保護結構（圖1）。新加入的保護結構是在割縫形成鎖爪時保留一部分筋條，所有筋條在鎖爪底部合并，形成環繞鎖爪的保護框架。該保護結構允許鎖爪在預定范圍內正常變形，在變形超過一定量以后由保護結構承受側向載荷、吸收軸向沖擊。

利用有限元軟件對鎖爪結構進行了受力分析。首先建立鎖爪模型并劃分網格。分析時假定鎖爪為各向同性彈性材料，材質為60Si2Mn，鎖爪頂端進行全約束，分別在保護結構端部側向和軸向施加載荷，模擬聯作泵起吊和下井時的受力狀態。

首先進行了側向載荷的模擬。對保護結構端部以及單片鎖爪端部施加相同側向載荷，分析比較二者的變形量和應力大小。計算結果見表1。

通過比較發現，在承受相同側向載荷的情況下，保護結構的變形量為鎖爪的33%，而鎖爪根部的最大應力約為保護結構的2倍。模擬結果表明，在保護結構發生屈服之前，可以較鎖爪多承受2倍的外力，大大提高了整個鎖爪抗側向損壞的能力。

其次進行了軸載荷的模擬。在保護結構和鎖爪端部施加軸向沖擊載荷，模擬下泵過程中鎖爪端部受撞擊的情況。計算結果如表2所示。

根據計算結果可以看出，在承受相同大小的軸向載荷時，鎖爪易失穩，沿徑向產生形變。當處于油管內受限空間時，爪片會發生撓曲，造成應力集中，很容易產生塑性變形。保護結構的變形量相對較小，只在臨近受力點的筋條內部產生了應力集中，小于鎖爪內應力，其他筋條內應力很小。隨著載荷變大，鎖爪內部應力迅速增長，遠遠超過保護結構。因此，加入的保護結構可代替鎖爪承受沖擊載荷，其抗沖擊能力大大高于鎖爪。

3 現場應用效果

該泵自投入應用到改進之前，使用了300余井次，共發生了3例鎖爪損壞的情況。其中2例是鎖爪向內收攏無法回彈，另外1例是爪片中間弓起彎曲。從2011年改進鎖爪結構之后，至今已應用近150井次，再未發生過鎖爪損壞的情況。現場應用證明改進后的保護結構可以有效的保護鎖爪，避免爪片受意外沖擊發生損壞。

4 結束語

本文對壓裂抽汲聯作泵在現場應用中出現的鎖爪損壞問題進行了調查分析，并改進了鎖爪結構，通過模擬分析和現場應用表明改進后的鎖爪可以有效避免意外沖擊造成的損壞，對桿式泵鎖爪設計具有一定的借鑒作用。

參考文獻

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