沖蝕環(huán)境對潛油電泵機組及油套管的傷害分析

杜丹陽，黃新春，甄東芳，李令喜，孫佳澳

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)①

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沖蝕環(huán)境對潛油電泵機組及油套管的傷害分析

杜丹陽1，黃新春1，甄東芳1，李令喜1，孫佳澳2

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)①

潛油電泵機組和油套管在大排量油井中受到高速液流的沖蝕作用而損壞。建立了一套模擬實際生產(chǎn)工況的試驗方法，分析不同環(huán)境因素共同作用對潛油電泵及油套管的傷害趨勢。提出在不同沖蝕環(huán)境下潛油電泵機組和油套管的選型設計及工藝優(yōu)化建議。

潛油電泵；沖蝕作用；腐蝕；油管

潛油電泵機組及油套管作為機采舉升的重要組成部分，一直受到攜砂井液及大排量高速液流的沖蝕磨蝕危害，造成潛油泵壽命縮短或電泵系統(tǒng)失效，都將增加油井生產(chǎn)成本。沖蝕作用引起的潛油電泵舉升系統(tǒng)的主要失效形式為：因攜砂井液高速沖蝕油管，造成管柱及泵漏失而無產(chǎn)出；因沖蝕/磨蝕而造成潛油泵的軸承系統(tǒng)配合失效以及配件損害和斷軸；因高速沖蝕/磨蝕造成的機組殼體磨損甚至斷裂；因井液含砂造成保護器機械密封失效，導致電機燒毀等。為此，對產(chǎn)生以上現(xiàn)象的傷害機理進行分析，從而改進潛油電泵系統(tǒng)。

1　分析方法

為了分析沖磨蝕環(huán)境對潛油電泵機組及油管的傷害，本文通過試驗研究方法，主要是模擬實際生產(chǎn)時井液流經(jīng)管柱時的不同工況，分析潛油泵和油管被傷害部位的材質(zhì)、含砂液體與潛油泵及油管接觸部分的液體入射角度、砂體的粒度、井液含砂量、攜砂液體的流速等多個因素的影響。這就需要對潛油電泵及油管的常用材料進行大量的模擬試驗，從而分析出其相互作用影響的趨勢。除此之外，還要考慮到實際生產(chǎn)中的海水腐蝕等問題，才能準確了解出砂環(huán)境的電泵及油管的傷害規(guī)律。

2　試驗方法

2.1試驗分析因素確定

為保證試驗效果，試驗取5種分析因素，即，被傷害部位材質(zhì)、含砂液體與設備接觸部分的入射角度、砂體粒度、井液含砂量、攜砂液體流速，及常用電泵、油套管材質(zhì)8種，試驗分析因素的選取理由是：

1)通過對潛油電泵及油套管常規(guī)沖磨蝕故障點的統(tǒng)計，傷害部位主要集中在潛油電泵機組表面、泵吸入口、泵內(nèi)、油套管內(nèi)部，易造成泵吸入口、流道內(nèi)、泵頭處及油管內(nèi)堵塞。

2)沖蝕角度變化較多，殼體及油套管表面主要為0°入射角，吸入口及泵內(nèi)較為復雜，所以取45°和90°作為代表進行模擬試驗。

3)常用電泵及油套管材質(zhì)分別為45#/9Cr1Mo/316L/304，代表電泵機組殼體常用材質(zhì)；含鎳鑄鐵代表葉導輪及誘導輪常用材質(zhì)；2Cr13/304/316L代表吸入口常用材質(zhì)；N80代表套管常用材質(zhì)；J55代表油管常用材質(zhì)。

4)砂體粒度按照渤海地區(qū)常規(guī)出砂井最大0.9 mm，以及小于0.1 mm砂體粒度來模擬可進入機械密封的細小砂粒，另選取0.3～0.5 mm砂粒作為參考試驗數(shù)據(jù)。

5)流速方面，主要考慮到國標推薦電泵內(nèi)部過流速度不超過4 m/s，增加8 m/s和12 m/s為模擬泵吸入口等位置流速極限值。

6)在含砂量方面，因500 g/m3為國標推薦電泵使用環(huán)境，但實際生產(chǎn)井中含砂較多，所以選取800 g/m3和1 200 g/m3分別為高含砂井代表數(shù)據(jù)。

除選取的材質(zhì)外，其余每種分析因素選取3個具有代表性的參考數(shù)據(jù)，如表1。

表1　試驗分析因素

2.2試驗設備及方法

試驗設備采用適用于含砂液體的射流水泵。為保證沖蝕試驗角度和效果，對試驗樣件的固定和測量是試驗最為關鍵部分。所以，采用將樣塊進行環(huán)氧樹脂固封后固定在母排上的方式，如圖1，母排可以自由旋轉(zhuǎn)，這樣既可以保證樣件角度的固定，又能保證固封材質(zhì)的硬度，也不會影響后期數(shù)據(jù)的測量，并且可以進行多組材質(zhì)的試驗。根據(jù)經(jīng)驗，每組試驗的沖蝕時間暫定最短為24 h，根據(jù)沖蝕的試驗效果，可延長到48 h或更長。

對于試驗中所使用的試樣，有效工作面積為1 cm2。試驗前要對試樣表面用金相砂紙進行打磨，使試樣表面達到均一、光潔的程度。處理完成后的試樣用千分天平稱重，獲得試驗前試樣的質(zhì)量m0并記錄。稱量后的試樣用環(huán)氧樹脂固封，留出工作面。待樹脂晾干后，用酒精棉球擦拭試樣表面，經(jīng)超聲處理、除油烘干后待用。試驗時，將試樣放置在相應的位置。試驗后將試樣用丙酮溶液浸泡，去掉非工作面的環(huán)氧樹脂后，使用超聲波清洗，除去試樣表面的腐蝕產(chǎn)物以及沉淀物。確保清理干凈后，再用酒精棉花擦拭試樣表面，用冷風烘干后，稱重并記錄試驗后質(zhì)量m1。通過所獲得的試驗前后的試樣的質(zhì)量，經(jīng)計算可獲得腐蝕速率，計算公式為

V=(m0-m1)/st

式中：V為腐蝕速率，g/(m2·h)；m0為試驗前質(zhì)量，g；m1為試驗后質(zhì)量，g；s為試樣暴露的表面積，m2；t為暴露時間，h。

圖1　切割和封裝后的試樣

試驗主要對沖蝕后的樣件進行稱重和表面微觀結(jié)構(gòu)進行分析。使用的主要設備如表2所示。

表2　試驗分析方法及設備

3　試驗結(jié)果

3.1沖刷腐蝕速率隨時間變化趨勢(如圖2所示)

a　0°

b　45°

c　90°圖2　入射角為0°、45°及90°時沖 刷腐蝕速率隨時間變化趨勢

3.2沖刷腐蝕速率隨流速變化趨勢(如圖3所示)

a　0°

b　45°

c　90°圖3　入射角為0°、45°及90°時沖 刷腐蝕速率隨流速變化趨勢

3.3沖刷腐蝕速率隨砂體粒度變化的趨勢(如圖4所示)

a　0°

b　45°

c　90°圖4　入射角為0°、45°及90°時沖刷 腐蝕速率隨砂體粒度變化趨勢

3.4沖刷腐蝕速率隨含砂量變化的趨勢(如圖5所示)

a　0°

b　45°

c　90°圖5　入射角為0°、45°及90°時的 沖刷腐蝕速率隨含砂量變化趨勢

3.5沖刷腐蝕速率隨沖擊角度變化的趨勢

以45#鋼為例，試驗條件：流速為8 m/s、含砂量為1 200 g/m3、砂體粒度為0.9 mm。沖蝕表面形貌變化對比圖及微觀三維成像圖如6～8所示。

圖6　沖刷腐蝕速率隨沖擊角度變化的趨勢

a　0°

b　45°

c　90°圖7　入射角為0°、45°及90°時沖刷表面形貌

a　0°

b　45°

c　90°圖8　入射角為0°、45°及90°時的沖 蝕表面形貌微觀三維成像

由試驗可知，在不同的流速下，45#鋼的沖刷腐蝕速率隨沖擊角度的變化趨勢基本一致，沖擊角度為45°時沖刷腐蝕速率最小，高于或低于45°時均呈現(xiàn)出升高的趨勢。

45#鋼的沖刷腐蝕速率隨沖擊角度變化對于流速的變化梯度較敏感，當沖擊角度為90°時，沖刷腐蝕速率顯著升高，出現(xiàn)極大值，而對于低含砂量和砂體粒度的變化不為敏感，變化的趨勢較平緩，尤其是砂體粒度為0.1 mm時，45#鋼的沖擊角度敏感性最低。

3.6模擬海水氯化物腐蝕的沖蝕試驗

在試驗溶液中加入含量為3.5%的氯化鈉后，對316L分別進行不同流速下的沖蝕試驗，獲得不同流速下的腐蝕速度如表3，試驗前后表面形貌如圖9所示。

表3　316L在不同流速下的腐蝕速度

注：未施加陰極保護。

圖9　316L在不同流速下的宏觀形貌

NaCl溶液的體積百分數(shù)為3 000×10-6、10 000×10-6及50 000×10-6。不同流速下316 L的腐蝕速率如圖10所示。

圖10　316L在不同流速下的腐蝕速度

按照試驗條件下的失重速率計算，在含砂水介質(zhì)沖蝕條件下每種材質(zhì)理論計算的年平均每立方米失去質(zhì)量(kg)預測如表4～6所示。

表4　0°入射角時不同材質(zhì)理論年均失重預測數(shù)據(jù)　kg/m3

表5　45°入射角時不同材質(zhì)理論年均失重預測數(shù)據(jù)　kg/m3

表6　90°入射角時不同材質(zhì)理論年均失重預測數(shù)據(jù)　kg/m3

4　結(jié)論

1)通過模擬試驗分析得知，潛油電泵和生產(chǎn)管柱表面的點狀、坑狀損傷均為腐蝕及沖蝕共同作用的結(jié)果，殼體表面點狀損傷主要是腐蝕造成的，坑狀損傷主要是沖蝕的原因。

2)在使用水作為試驗介質(zhì)條件下，材質(zhì)硬度、含砂量、砂體粒度、流速及沖蝕時間與材料的失去質(zhì)量成正比，對沖磨蝕影響最大的是材質(zhì)硬度，其次依次為砂體粒度、含砂量、流速和入射角。

3)井液的腐蝕對沖蝕速率有加劇作用，但除了試驗中提及的海水氯化物腐蝕外，生產(chǎn)井典型的CO2腐蝕還受到環(huán)境溫度、CO2分壓、pH值等因素影響。因此，在對有腐蝕環(huán)境的生產(chǎn)井進行生產(chǎn)管柱工藝設計時，除應盡量降低環(huán)空液體流速，選擇寬流道電泵外，更要重點考慮腐蝕介質(zhì)含量及實際油井環(huán)境因素。

[1]GB/T 16750—2008，潛油電泵機組[S].

[2]梅思杰，邵永實，劉軍.潛油電泵技術服務手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

[3]張琪.采油工程原理與設計[M].東營：中國石油大學出版社，2000.

[4]王凱.油井管材料液固兩相流體沖刷腐蝕研究[D].西安：西安石油大學，2013.

[5]Finnie I.Erosion of surfaces by solid particles[J].Wear，1960(3)：87-103.

[6]李詩卓，董祥林.材料的沖蝕磨損與微動磨損[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

[7]李令喜.海上油田防腐潛油電泵耐CO2腐蝕性能試驗研究[J].石油礦場機械，2015，44(6)：55-59.

Damage Analysis of ESP，Tubing and Casing in Erosion Environment

DU Danyang1，HUANG Xinchun1，ZHEN Dongfang1，LI Lingxi1，SUN Jiaao2

(1.CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.，Tianjin300452，China；2.OffshoreOilEngineeringCo.，Ltd.，Tianjin300452，China)

ESP，tubing and casing are damaged in view of erosion and abrasion of high-speed production in large-displacement wells.A suit of analysis methods of simulating actual well condition are sets up in this paper.The trends of ESP，tubing and casing damage are verified under the interaction of different environmental factors.Finally，the selection design of ESP，tubing and casing and technical optimization recommendations under different erosion environment are put forward.

electric submersible pump；washing action；corrosion；tubing

1001-3482(2016)09-0030-06

2016-03-20

杜丹陽(1981-)，男，天津濱海新區(qū)人，碩士研究生，主要從事潛油電泵技術研究工作，E-mail：geonitz@163.com。

TE933.307

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.007