高含砂井對(duì)潛油電泵的破壞機(jī)理及改進(jìn)措施

摘要：在高含砂井內(nèi)進(jìn)行采油會(huì)用到潛油電泵，電泵在工作時(shí)常會(huì)由于磨損而損壞。 影響潛油電泵壽命的磨損方式主要有三種：軸向磨損、徑向磨損以及侵蝕磨損。本文對(duì)潛油電泵三種破壞方式的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的描述和分析，對(duì)泵的機(jī)組進(jìn)行了深入的剖析，并且針對(duì)這些磨損提出了一些合理的建議，使得泵的磨損減輕，讓泵獲得更長(zhǎng)的工作壽命。

關(guān)鍵詞：高含砂；潛油電泵；磨損；改進(jìn)

1.前言

潛油電泵一直以來(lái)在機(jī)械采油行業(yè)占據(jù)著非常重要的地位。可是油田在開(kāi)采一段時(shí)間過(guò)后，注水開(kāi)發(fā)的周期增長(zhǎng)，鉆井液含水增多，采液強(qiáng)度不斷的增大，油層的壓力下降，相應(yīng)的砂巖就會(huì)受到更多的負(fù)荷，破壞了顆粒間的膠結(jié)，使得采油井內(nèi)的砂土含量增多。一般來(lái)說(shuō)，潛油電泵需要在小于0.05%含砂量的油井工作環(huán)境中才能正常的工作[1]。大于大多數(shù)含砂量較高的油井來(lái)說(shuō)，投產(chǎn)的初期油井的出砂量大，此時(shí)也正是泵生產(chǎn)的初期，但是在油井生產(chǎn)一段時(shí)間后，油井中的含砂量下降，就不會(huì)損壞泵，可是在投產(chǎn)的初期由于含砂量大就會(huì)導(dǎo)致潛油電泵的損壞。

2.油井砂對(duì)潛油電泵的危害

本文對(duì)大量的高含砂量油井中潛油泵損壞案例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，得到了砂粒對(duì)潛油電泵的損壞方式和情況：潛油泵中的泵頭以及泵座扶正軸會(huì)受到較嚴(yán)重的磨損；導(dǎo)殼、結(jié)合的地方也會(huì)存在較為嚴(yán)重的磨損，其中較為突出的磨損地帶是葉輪的輪轂、入口端的外圓、葉輪上蓋板外圓等；還有可能出現(xiàn)磨損的地方有葉輪下面的止推墊片[2]。

接著我們對(duì)潛油泵的磨損機(jī)理進(jìn)行了分析，由于硬表面較為粗超、軟表面上含有較硬的表面，硬顆粒在軟表面上移動(dòng)，兩個(gè)表面間存在較硬的顆粒時(shí)，泵都會(huì)產(chǎn)生磨損。泵的磨損速度正比于泵的負(fù)荷以及泵的轉(zhuǎn)輪滑動(dòng)的距離，反比于泵內(nèi)零件的硬度。鉆井液中砂粒中的硬度要高于泵零件的硬度，在含砂量高的油井中運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致泵零件的磨損。

3.高含砂井液對(duì)潛油電泵的破壞機(jī)理

潛油電泵磨損的形式主要有3種：軸向磨損、徑向磨損以及侵蝕磨損[3]。

3.1.軸向磨損

通常潛油泵的軸向磨損主要發(fā)生的部位是導(dǎo)輪、葉輪兩者軸向接觸處。由于在導(dǎo)輪和葉輪軸向接觸的地方設(shè)置有止推墊片，可是若油井中的含砂量高，會(huì)在較短的時(shí)間里面磨損止推墊片，在墊片磨損完后導(dǎo)輪、葉輪之間會(huì)產(chǎn)生直接的金屬接觸和摩擦，最嚴(yán)重的甚至?xí)⑷~輪的前蓋板磨穿，潛油泵就會(huì)損壞、工作失效。通過(guò)較為科學(xué)的實(shí)驗(yàn)，我們得到清水中含砂量高于0.3% ，在一周的時(shí)間內(nèi)葉輪就會(huì)被磨穿蓋板，另外泵的軸向磨損程度和葉輪的軸向力密切相關(guān)，并且軸向力和磨損程度成正比。

3.2.徑向磨損

徑向主要的磨損發(fā)生在軸套、徑向軸承配合以及導(dǎo)輪、葉輪配合的地方。泵發(fā)生徑向磨損一會(huì)就會(huì)增大兩個(gè)接觸面的間隙，徑向磨損會(huì)對(duì)泵產(chǎn)生很多的不良影響，他們?yōu)椋罕萌莘e效率減小，各級(jí)泵間的滲漏增多，平衡腔止口之間的空隙變大。潛油電泵的徑向磨損還會(huì)使得泵運(yùn)行不穩(wěn)定，泵的振動(dòng)加劇，損害機(jī)組。

3.3.侵蝕磨損

常常出現(xiàn)侵蝕磨損的地方為導(dǎo)輪和葉輪之間的空隙，出現(xiàn)流向的突變以及流量的不連續(xù)點(diǎn)也是較為常見(jiàn)的現(xiàn)象。侵蝕磨損和軸向、徑向磨損不同，因?yàn)榍治g磨損發(fā)生的部位不是導(dǎo)葉輪的接觸面，而是任何一個(gè)可能的位置。液體會(huì)帶著砂粒以波形式高頻作用于流道的某一位置，最終導(dǎo)致流道被穿透破壞。

4.改進(jìn)措施

分析上文描述的破壞作用，可根據(jù)工藝改進(jìn)（降低細(xì)沙進(jìn)入機(jī)組的幾率）和離心泵材料與結(jié)構(gòu)的改進(jìn)（增強(qiáng)機(jī)組抗腐能力）這兩種主要方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到改進(jìn)電泵對(duì)于出砂油井的適應(yīng)能力。

4.4.改進(jìn)泵的結(jié)構(gòu)、材料

4.4.1.改善導(dǎo)葉輪結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)葉輪底將徑向放置筋板放置于垂直軸截面處，避免砂粒在存砂槽內(nèi)逐漸形成波障侵蝕導(dǎo)輪。

4.4.2.改善離心泵結(jié)構(gòu)。離心泵所應(yīng)用的徑向耐砂磨技術(shù)是在其徑向設(shè)置硬度較高、抗腐蝕材料作為副扶正軸承，盡量降低徑向磨損程度和機(jī)組的震動(dòng)力度。用硬質(zhì)合金材料或者高性能的陶瓷材料作為摩擦副材料，可將其安裝在泵座扶正套處、泵頭、導(dǎo)葉輪級(jí)間處等部位。

4.4.3.選用半壓緊或者全壓緊式結(jié)構(gòu)的葉輪。這樣葉輪可以圍繞著軸向穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，降低沙粒進(jìn)入到葉輪內(nèi)孔旋轉(zhuǎn)面及葉輪轂端面的幾率，減小葉輪間軸向出現(xiàn)磨損的可能性，也降低了軸與葉輪間的徑向磨損。

4.2改進(jìn)泵的工藝

4.2.1.潛油電泵機(jī)組上添加防砂管防砂工藝[2]。將皮碗封隔器連接在電機(jī)的下半部，將適合出砂井的防砂管連接在皮碗封隔器下半部，盡量避免或減少砂粒進(jìn)入機(jī)組。

4.2.2.潛油電泵機(jī)組上添加旋流式除砂器防砂工藝[3]。在分離器或者泵的吸入口附近懸掛一個(gè)伸入電機(jī)下半部的護(hù)罩，泵吸入口或分離器吸入口處，懸掛一延伸至電機(jī)下部的護(hù)罩，使用變徑接頭將一個(gè)螺旋分離器連接于護(hù)罩下半部。如含砂井液進(jìn)入至螺旋分離器時(shí)將發(fā)生自旋運(yùn)動(dòng)，但其重力不同，造成較重砂粒的優(yōu)先在離心力作用下由螺旋分離器分離腔外側(cè)進(jìn)入至砂錨內(nèi)部，而相對(duì)較輕的井液會(huì)由螺旋分離器的分離腔內(nèi)側(cè)進(jìn)入至泵吸入流道。

5.結(jié)論

在海陸油田上，存在許多的常規(guī)電泵無(wú)法滿足含砂油井的要求，根據(jù)上述材料和工藝及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，極大的延長(zhǎng)了出砂井中電機(jī)泵的使用壽命，增大了電機(jī)泵的適用范圍。并且本文所述這些電泵防砂技術(shù)與工藝也并不是獨(dú)立存在的，可根據(jù)實(shí)際情況和出砂油井的特性選擇上述方案中的一種或者將幾種方案結(jié)合在一起使用。目前，由于國(guó)內(nèi)防砂泵針的應(yīng)用還存在很大的局限性，如只考慮徑向上的磨損等，因此，我們應(yīng)該加大對(duì)電泵對(duì)高含砂油井的普適性的研究力度。通過(guò)改善泵的結(jié)構(gòu)，使用先進(jìn)的防砂技術(shù)和新的耐磨材料來(lái)克服電泵產(chǎn)品對(duì)于高含砂井普適性較差這一瓶頸。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊文清. 出砂井中潛油電泵的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 勝利油田職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，21（5）：64- 66.

[2] 趙斌. 對(duì)潛油電泵具有保護(hù)作用的井下除砂器[J]. 石油機(jī)械，2009，（2）：56.

[3] 馮耀忠. 國(guó)外最新采油技術(shù)與裝備[J]. 石油機(jī)械，2012，（11）：62.