旋轉(zhuǎn)防砂抽油泵的制造與應(yīng)用

張建坤

【摘要】面對(duì)油田生產(chǎn)后期出砂嚴(yán)重的現(xiàn)象，抽油泵防砂技術(shù)的研究是油田機(jī)械制造設(shè)計(jì)方面的重點(diǎn)研究課題。本文主要是針對(duì)旋轉(zhuǎn)式防砂抽油泵的工作原理和特點(diǎn)、制造等方面進(jìn)行分析和研究。

【關(guān)鍵詞】旋轉(zhuǎn)防砂抽油泵；研制；應(yīng)用

1 概述

在傳統(tǒng)的抽油設(shè)備中，由于抽油泵泵筒和柱塞組成一對(duì)滑動(dòng)摩擦副，在抽油過(guò)程中，原油中富含的砂粒（泥漿）在柱塞與泵筒間分布不均，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致摩擦副產(chǎn)生嚴(yán)重的局部磨損。此外由于油井含水率升高，抽汲參數(shù)不合理、桿柱組合不當(dāng)?shù)纫矔?huì)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(chǎn)出液性質(zhì)、溫度、生產(chǎn)參數(shù)、井身結(jié)構(gòu)及地層條件等影響，偏磨的程度也因此而有所區(qū)別。遼河油田經(jīng)過(guò)40年的開(kāi)發(fā)建設(shè)，大部分區(qū)塊已進(jìn)入高含水期，油井出砂現(xiàn)象已經(jīng)成為影響正常生產(chǎn)的一個(gè)重要隱患，對(duì)于柱塞式抽油泵泵筒和柱塞的磨損、腐蝕、劃傷等現(xiàn)象越來(lái)越突出，油井平均檢泵周期越來(lái)越短，頻次不斷增加，這樣會(huì)對(duì)油田開(kāi)發(fā)綜合經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。

為了預(yù)防柱塞偏磨，油井砂卡，延長(zhǎng)抽油泵壽命和檢泵周期，提高泵效，我們著手對(duì)旋轉(zhuǎn)式防砂抽油泵進(jìn)行研究。

2 防砂抽油泵的主要構(gòu)成

旋轉(zhuǎn)防砂抽油泵采用長(zhǎng)柱塞、短泵筒、側(cè)向進(jìn)油、環(huán)空沉砂結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)柱塞上連接一旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)。

3 設(shè)備的工作原理

在上下沖程過(guò)程中，柱塞上部閥罩始終在泵筒外面，能夠防止砂粒進(jìn)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(dāng)油井停抽時(shí)，柱塞上部閥副關(guān)閉，下沉的砂粒沿沉砂環(huán)空沉入尾管，避免了常規(guī)抽油泵在泵上聚積砂粒，造成卡泵、砂埋抽油桿的現(xiàn)象。

在長(zhǎng)柱塞上加一旋轉(zhuǎn)裝置，旋轉(zhuǎn)裝置借助抽油桿柱上、下沖程的上提拉力和下放壓力強(qiáng)迫固定在軸套上驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)在旋轉(zhuǎn)道內(nèi)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)柱塞旋轉(zhuǎn)。柱塞在運(yùn)動(dòng)中既做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使泵筒和柱塞均勻磨損，延長(zhǎng)泵的使用壽命。

4 技術(shù)特點(diǎn)

4.1柱塞旋轉(zhuǎn)，防止局部磨損以免發(fā)生柱塞腐蝕、結(jié)垢砂卡、熱膠合等問(wèn)題出現(xiàn)，適用于出砂井、斜井和熱采井。

4.2柱塞均勻磨損，細(xì)小砂?；蚰酀{難以存在于柱塞和泵筒之間。整體長(zhǎng)柱塞、短泵筒結(jié)構(gòu)，還具有沉砂功能，避免砂埋抽油桿，防砂卡效果好。

4.3沉砂結(jié)構(gòu)可消除脹泵現(xiàn)象，適用于深抽井。

4.4閥球采用無(wú)磁硬質(zhì)合金，因其硬度、抗彎強(qiáng)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。

4.5柱塞旋轉(zhuǎn)，偏磨減小，泵的漏失量減小，泵效較高。

4.6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(zhǎng)，延長(zhǎng)檢泵周期。

5 旋轉(zhuǎn)式防砂泵的工作原理

在容易出砂的油井中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)砂埋抽油桿、砂磨泵筒和柱塞、砂卡柱塞等故障和現(xiàn)象，我們?cè)诓捎贸Ｒ?guī)柱塞抽油泵時(shí)，會(huì)使抽油泵過(guò)早出現(xiàn)失效。針對(duì)這些問(wèn)題，我們重點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)柱塞短泵筒防砂泵進(jìn)行了深入的設(shè)計(jì)和研究。在油井的生產(chǎn)過(guò)程中，由于泵筒處會(huì)有一部分外露的柱塞，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)真地查看，可以發(fā)現(xiàn)泵筒與柱塞之間的間隙不易產(chǎn)生沉砂現(xiàn)象，這樣可以避免停抽后砂卡或砂埋柱塞事故發(fā)生，這樣會(huì)有效地延長(zhǎng)油井的維護(hù)周期，這樣可以有效防止砂在泵筒之間的沉積出現(xiàn)，從而進(jìn)一步提高防砂的效果。

旋轉(zhuǎn)式柱塞抽油泵在工作過(guò)程中，柱塞每一沖程中隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，都會(huì)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(shí)將砂?；蚪Y(jié)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(yán)重定位磨損及桿柱脫扣。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)綜合運(yùn)用和應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，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(fā)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?cè)谠O(shè)計(jì)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(shí)上閥罩?jǐn)嗔?。為了防止凡爾球和凡爾座之間的漏失，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了多個(gè)游動(dòng)凡爾和固定凡爾以提升效果。

6 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(jìn)和表面處理技術(shù)的進(jìn)步，新的柱塞與泵筒的材料將會(huì)出現(xiàn)，表面處理工藝水平也隨之進(jìn)步，但這時(shí)要注意柱塞和泵筒的材料的優(yōu)化匹配。隨著表面處理技術(shù)和材料加工工藝的提高，不斷會(huì)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(hù)層比較容易在高硬度石英砂的磨蝕下被破壞，隨后發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，造成保護(hù)層脫落，嚴(yán)重的還會(huì)造成卡泵事故。從目前油田實(shí)際狀況看，使用鎳基噴焊合金涂層的柱塞已經(jīng)比較普遍，能部分解決部分問(wèn)題，但這時(shí)尤其要注意泵筒的材料和柱塞的優(yōu)化匹配，對(duì)于市場(chǎng)上即將推出的陶瓷特殊泵，對(duì)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(huì)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(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的綜合應(yīng)用情況進(jìn)行綜合分析和對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)，部分材質(zhì)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(qiáng)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(zhì)，也有6Cr18Mo和9Cr18Mo材質(zhì)的占一小部分。有的油區(qū)采用碳化鎢硬質(zhì)合金閥座替代原來(lái)的6Cr18M，采用這種材質(zhì)要注意的是閥球密度的變化，因?yàn)槊芏茸兇蠛髮⒃黾佑土鬟M(jìn)泵阻力和固定閥處的壓降。對(duì)于陶瓷凡爾球和陶瓷閥座，陶瓷凡爾有時(shí)可能會(huì)開(kāi)裂，使用過(guò)程中也要注意。

7 旋轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)存在差異性，相同規(guī)格泵的各種參數(shù)不可能完全一致，因此會(huì)引起多種意想不到的事故，加工過(guò)程中要加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控，合理采用低沖次、長(zhǎng)沖程的參數(shù)進(jìn)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(méi)度應(yīng)略大于小泵，這種設(shè)計(jì)也能夠在一定程度上延長(zhǎng)泵的使用壽命，提高整體的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

8 防砂抽油泵在遼河油田的應(yīng)用前景

旋轉(zhuǎn)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(jié)垢、防高溫?zé)崮z合、泵效高、延長(zhǎng)檢泵周期、降低采油成本等特點(diǎn)。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(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前在沈陽(yáng)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(qū)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目管理部等現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用500余井次，均取得了較好的效果，具有良好的開(kāi)發(fā)前景。