SAGD井舉升問題及大直徑全陶瓷抽油泵研究

靳建光

（中國石油遼河油田公司 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦124010）①

目前，遼河油田的SAGD試驗區已有28個井組進入SAGD生產階段。隨著SAGD油井井底溫度不斷升高，腐蝕性介質大量析出，化學腐蝕現象加劇，這些不利因素的綜合作用對舉升設備的影響很大，容易造成腐蝕和磨損等問題，影響舉升設備穩定性和使用壽命，特別是多介質組合SAGD開采技術的逐步實施，在提高產量的同時也可能會出現更嚴重的腐蝕現象和出砂問題，因此需要對SAGD有桿泵舉升工藝進行完善，以滿足生產要求。

由于工業結構陶瓷材料在耐高溫和耐腐蝕方面都有非常好的性能，因此通過研制120mm全陶瓷抽油泵、防偏磨配套裝置和陶瓷大泵配套脫接器技術，解決了SAGD油井生產中高溫、大排量和腐蝕等問題，延長舉升設備的使用壽命，為SAGD采油技術的進一步發展和實施提供有力的技術支持。

1 目前SAGD井舉升出現的問題

1.1 溫度的影響

在SAGD油井的生產過程中，部分井底溫度已高達240℃，抽油泵的泵筒一般由碳素結構鋼制成，表面進行硬化處理，而柱塞表面則噴焊鎳基合金或鍍鉻，鎳基合金線膨脹系數為17.6×10－6／℃，而碳鋼則為11.3～13.0×10－6／℃，加之泵筒與柱塞的截面尺寸不同，壁厚相差很大，以及變形方向的不規則性和非同一性，增加了卡泵的幾率［1］。

對于SAGD井，井下溫度將達到200～300℃，這是一個敏感的溫度。該溫度接近金屬材料熱處理時中溫回火的溫度下限，又高于人工失效處理溫度的下限，還是產生第一類回火脆性的溫度。抽油泵在這種溫度下工作的時間是相當長的，超過材料熱處理時間的幾百倍，過飽和碳原子有足夠的時間沿晶格邊界，以鱗片狀碳化物的形式析出，造成脫碳。這一狀況已得到現場使用情況的證明。另外，由于上面提到的不同材質的熱膨脹系數不同，以及受2種材料相互之間結合強度的影響，零件的表面處理硬化層在高溫工況下從基體上脫落，這在柱塞上表現尤為突出，通常是片狀剝落。

1.2 腐蝕的影響

我國的稠油油藏中普遍含硫，稠油中所含的硫在蒸汽作用下生成H2S，導致抽油泵關鍵部件腐蝕，這種腐蝕用化學方程式表示為：H2S＋Fe＝FeS＋H2↑，此反應速度隨溫度升高而加快，溫度平均每增加10℃，反應速度增加1倍左右。抽油泵的泵筒和柱塞的表面雖然都經過處理，但這種處理均為常規性處理，存在較多微觀的毛細微孔，含H2S的液體很容易侵入鍍層或噴焊層中。最終使鍍層下的基體鐵被腐蝕而呈淘空狀態，鍍層脫落導致卡泵。

1.3 抽油泵的漏失

抽油泵的漏失雖然表現為間隙漏失和閥密封漏失2個方面，但影響最嚴重的還是進油閥和出油閥的漏失。進油閥和出油閥的漏失是由3個方面原因造成的：①閥座和閥體在高溫狀態下的變形；②閥體和閥座在高溫下工作表面腐蝕；③閥體和閥座的密封面在高溫下結垢。抽油泵在汽驅井工作中的漏失是一個極為嚴重的問題，它使抽油泵的泵效大幅降低，影響提液速度。漏失嚴重者甚至會使抽油泵最終喪失抽汲功能［2］。

2.4 脫接器的影響

除陶瓷大泵本身的技術難題之外，陶瓷大泵配套脫接器技術也直接關系到陶瓷大泵的現場應用效果，也是該項目急需解決的技術難題。目前大直徑抽油泵采用的結構均為長泵筒短柱塞，現有脫接器是在泵筒內進行脫接，而大直徑長柱塞抽油泵工作時，長柱塞將伸出泵筒外很長一段距離。因此，對于大直徑長柱塞抽油泵的結構，現有脫接器技術并不適用，需要對脫接器技術進行研究，參考國內外脫接器技術，對現場的情況進行調研，研究出陶瓷大泵配套脫接器技術［3］。

2 改進措施

2.1 脫接器的研究

為適應120mm全陶瓷泵的長柱塞結構，在脫接下接頭和扶正導向管增加了導向和扶正結構，減小由于井斜造成的偏心對對中的影響，如圖1所示。長柱塞工作至上沖程時，由于柱塞較長，會伸出在泵筒外一段距離，在井斜影響下，會產生一定的撓曲。

圖1 脫接器結構示意

同時，脫接扶正器上端加裝釋放管來引導長柱塞進行工作，對長柱塞以及脫接器起扶正作用，增強脫接器的穩定性，可以保證大直徑長柱塞抽油泵脫接器工作的穩定性，避免在井斜較大條件下偏心對對接的影響，減小大直徑長柱塞在上沖程時由于井斜和重力造成的撓曲，增強大直徑長柱塞抽油泵的工作穩定性。

該脫接扶正器應用于大直徑長柱塞抽油泵，保證大直徑長柱塞抽油泵脫接器工作的穩定性，避免在井斜較大條件下偏心對對接的影響，減小大直徑長柱塞上沖程時由于井斜和重力造成的撓曲，增強大直徑長柱塞抽油泵工作穩定性。

2.2 大直徑全陶瓷泵研究

結構陶瓷不同于鋼材，鋼材表面是鐵碳過飽和固溶體，內部是面心立方晶格或體心立方晶格的分子結構，而結構陶瓷表面是一種玻璃態，內部則不是分子結構，而是離子鍵和共價鍵的結構。結構陶瓷的這種特殊結構形式，要求在燒結中必須獲得均勻的、超細的微觀結構，才能獲得好的材料性能：①晶粒要小且均勻，最好是細小的柱狀晶形；②晶粒之間要很好的鍵結又不要過于靠近，過于靠近會產生再結晶和重結晶。在高溫陶瓷泵的研制中，用了大量的精力來研究開發超細微觀結構陶瓷，研制成功的結構陶瓷具有高硬度、高強度、高韌性、高耐磨的特點，獲得了優良的綜合力學性能。

大直徑全陶瓷泵采用復合工業結構陶瓷材料制造泵筒和柱塞體，充分利用結構陶瓷耐高溫、耐腐蝕、高硬度方面的優秀性能，陶瓷泵筒和陶瓷柱塞體在實驗室耐溫達到350℃，在10%H2SO4溶液中100h無腐蝕現象，硬度達到89HRA。全陶瓷泵泵筒部分由泵筒外管和陶瓷泵筒兩部分組成，如圖2所示，利用金屬和陶瓷材料線膨脹系數不同的性質采用溫差法進行過盈裝配，給陶瓷泵筒施加預應力，平衡陶瓷泵筒受到的工作載荷，增強工作的穩定性。全陶瓷泵的柱塞與泵筒具有極高的硬度、極好的熱穩定性和極小的摩擦因數，其余部件采用耐熱不銹鋼制造，能夠在高溫、腐蝕的工作環境中工作［4］。

圖2 大直徑全陶瓷泵結構示意

研制的大直徑抗高溫陶瓷泵的技術參數如表1所示。

表1 全陶瓷泵技術參數

3 適用井況

大直徑全陶瓷泵采用復合工業結構陶瓷材料制造泵筒和柱塞體，充分利用結構陶瓷耐高溫、耐腐蝕、高硬度方面的優秀性能，陶瓷泵筒和陶瓷柱塞體在實驗室耐溫達到350℃，適合中深層稠油SAGD高溫井、腐蝕井、結垢井和出砂井。

6 結論

1） 結構陶瓷具有耐溫、耐腐蝕方面的優秀性能。抽油泵的關鍵部件采用復合結構陶瓷材料，解決了SAGD井的生產問題。

2） 進行了大直徑全陶瓷抽油泵結構設計、大尺寸陶瓷構件制造工藝改進及表面加工工藝完善等方面的研究，以及配套脫接器技術方案設計及結構設計 、關鍵參數校驗等。

3） 大直徑全陶瓷抽油泵能夠滿足SAGD生產需要，并為多介質組合SAGD開采技術的試驗和實施提供了有力的技術支持，為SAGD采油技術的發展和應用提供技術支持，同時為其他稠油進行高溫開采提供了一種性能優越的抽油泵，具有廣闊的推廣應用前景。

［1］劉中海，單以銀，王儀康，等.汽驅井抽油泵卡死原因分析［J］.石油礦場機械，2000，29（1）：40－43.

［2］萬仁溥，羅英俊.采油技術手冊（第四分冊）［M］.北京：石油工業出版社，1993.

［3］張 琪.采油工程原理與設計［M］.東營：石油大學出版社，2003.

［4］沈迪成.抽油泵［M］.北京：石油工業出版社，2004.