油田生產用旋轉防砂抽油泵的制造與應用

孫大鵬

在傳統的抽油設備中，由于抽油泵泵筒和柱塞組成一對滑動摩擦副，在抽油過程中，原油中富含的砂粒（泥漿）在柱塞與泵筒間分布不均，經常會導致摩擦副產生嚴重的局部磨損。此外由于油井含水率升高，抽汲參數不合理、桿柱組合不當等也會引起柱塞偏磨。引起柱塞偏磨最主要原因是泵筒與柱塞之間的接觸位置在圓周方向基本保持不變，受產出液性質、溫度、生產參數、井身結構及地層條件等影響，偏磨的程度也因此而有所區別。遼河油田經過40年的開發建設，大部分區塊已進入高含水期，油井出砂現象已經成為影響正常生產的一個重要隱患，對于柱塞式抽油泵泵筒和柱塞的磨損、腐蝕、劃傷等現象越來越突出，油井平均檢泵周期越來越短，頻次不斷增加，這樣會對油田開發綜合經濟效益產生較為嚴重的影響。

為了預防柱塞偏磨，油井砂卡，延長抽油泵壽命和檢泵周期，提高泵效，我們著手對旋轉式防砂抽油泵進行研究。

防砂抽油泵的主要構成：旋轉防砂抽油泵采用長柱塞、短泵筒、側向進油、環空沉砂結構、長柱塞上連接一旋轉裝置結構。

設備的工作原理：在上下沖程過程中，柱塞上部閥罩始終在泵筒外面，能夠防止砂粒進入柱塞和泵筒之間的密封間隙，從而減少砂卡事故，減輕了泵筒與柱塞的磨損。當油井停抽時，柱塞上部閥副關閉，下沉的砂粒沿沉砂環空沉入尾管，避免了常規抽油泵在泵上聚積砂粒，造成卡泵、砂埋抽油桿的現象。

在長柱塞上加一旋轉裝置，旋轉裝置借助抽油桿柱上、下沖程的上提拉力和下放壓力強迫固定在軸套上驅動銷在旋轉道內順時針旋轉，從而帶動柱塞旋轉。柱塞在運動中既做往復直線運動，同時還做旋轉運動，從而使泵筒和柱塞均勻磨損，延長泵的使用壽命。

技術特點

柱塞旋轉，防止局部磨損以免發生柱塞腐蝕、結垢砂卡、熱膠合等問題出現，適用于出砂井、斜井和熱采井。

柱塞均勻磨損，細小砂粒或泥漿難以存在于柱塞和泵筒之間。整體長柱塞、短泵筒結構，還具有沉砂功能，避免砂埋抽油桿，防砂卡效果好。

沉砂結構可消除脹泵現象，適用于深抽井。

閥球采用無磁硬質合金，因其硬度、抗彎強度、沖擊韌性、耐腐蝕性比其它材料閥球高，因而適用于熱采井、出砂井。

柱塞旋轉，偏磨減小，泵的漏失量減小，泵效較高。

柱塞右旋，杜絕桿柱脫扣；柱塞和泵筒均勻磨損，泵的壽命延長，延長檢泵周期。

旋轉式防砂泵的工作原理：在容易出砂的油井中，經常會出現砂埋抽油桿、砂磨泵筒和柱塞、砂卡柱塞等故障和現象，我們在采用常規柱塞抽油泵時，會使抽油泵過早出現失效。針對這些問題，我們重點對長柱塞短泵筒防砂泵進行了深入的設計和研究。在油井的生產過程中，由于泵筒處會有一部分外露的柱塞，經過現場認真地查看，可以發現泵筒與柱塞之間的間隙不易產生沉砂現象，這樣可以避免停抽后砂卡或砂埋柱塞事故發生，這樣會有效地延長油井的維護周期，這樣可以有效防止砂在泵筒之間的沉積出現，從而進一步提高防砂的效果。

旋轉式柱塞抽油泵在工作過程中，柱塞每一沖程中隨機轉動過程中，都會不斷地改變柱塞與泵筒的接觸面，使柱塞圓周逐漸均勻磨損的同時將砂粒或結垢從柱塞與泵筒之間排出，解決了磨蝕材料聚集所引起的嚴重定位磨損及桿柱脫扣。

據現場綜合運用和應用統計，柱塞抽油泵上閥罩失效情況較突出，其失效形式主要為斷裂。容易發生故障的部位有主要有兩處：一是上閥罩出油孔處；一是拉桿與上閥罩連接處螺紋根部。因此，我們在設計中充分考慮并研制防斷上閥罩，這樣可以有效避免抽油泵工作時上閥罩斷裂。為了防止凡爾球和凡爾座之間的漏失，開發設計了多個游動凡爾和固定凡爾以提升效果。

防砂抽油泵材料和表面處理

隨著材料加工工藝水平的不斷改進和表面處理技術的進步，新的柱塞與泵筒的材料將會出現，表面處理工藝水平也隨之進步，但這時要注意柱塞和泵筒的材料的優化匹配。隨著表面處理技術和材料加工工藝的提高，不斷會推出新的柱塞與泵筒的材料和表面處理工藝。其中，防砂抽油泵一般襯套材料為20CrMo滲碳或38CrMoA氮化，配合副的保護層比較容易在高硬度石英砂的磨蝕下被破壞，隨后發生嚴重的電化學腐蝕，造成保護層脫落，嚴重的還會造成卡泵事故。從目前油田實際狀況看，使用鎳基噴焊合金涂層的柱塞已經比較普遍，能部分解決部分問題，但這時尤其要注意泵筒的材料和柱塞的優化匹配，對于市場上即將推出的陶瓷特殊泵，對于柱塞抽油泵防砂、防垢、抗磨、耐高溫幾方面的性能有較好的效果，也將會大大提高柱塞抽油泵防砂、防垢、抗磨、耐高溫幾方面的性能。

從遼河油田各應用現場的綜合應用情況進行綜合分析和對比，我們可以發現，部分材質的硬度、耐磨性及抗蝕性較差是造成固定閥刺壞、失效的主要原因。采用超高強度抽油桿柱，并在桿柱底部配置一定重量的加重桿，可以防止泵筒的彎曲，減少柱塞與泵筒的磨損。3Cr13是閥及閥座所采用的主要材質，也有6Cr18Mo和9Crl8Mo材質的占一小部分。有的油區采用碳化鎢硬質合金閥座替代原來的6Cr18M，采用這種材質要注意的是閥球密度的變化，因為密度變大后將增加油流進泵阻力和固定閥處的壓降。對于陶瓷凡爾球和陶瓷閥座，陶瓷凡爾有時可能會開裂，使用過程中也要注意。

旋轉式防砂抽油泵的制造工藝

由于泵筒柱塞的加工、材料處理、組裝等環節存在差異性，相同規格泵的各種參數不可能完全一致，因此會引起多種意想不到的事故，加工過程中要加強質量監控，合理采用低沖次、長沖程的參數進行適度匹配，在有充足供液能力的油井以及在保持相同泵效的情況下，采用大泵的沉沒度應略大于小泵，這種設計也能夠在一定程度上延長泵的使用壽命，提高整體的經濟性和安全性。

防砂抽油泵在遼河油田的應用前景：旋轉防砂抽油泵用于出砂井、斜井、熱采井和深抽井、低效井：具有防砂、防偏磨、防腐蝕、防結垢、防高溫熱膠合、泵效高、延長檢泵周期、降低采油成本等特點。為出砂井、斜井、熱采井深抽井和低效井、帶封隔器采油井提供技術支持，具有廣闊的應用前景。目前在沈陽采油廠、茨榆坨采油廠、歡喜嶺采油廠、高采油廠、齊40塊蒸汽驅開發項目管理部等現場應用500余井次，均取得了較好的效果，具有良好的開發前景。