淺論抽油泵結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量對(duì)防砂效果的影響

羅鵬飛

遼河油田鉆采工藝研究院 遼寧盤錦 124010

隨著含水率的增加，油井中后期出砂現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。出砂引起的泵桿失效是生產(chǎn)的主要原因。對(duì)出砂機(jī)理和防砂措施的研究很多，但對(duì)入井后出砂和防砂災(zāi)害的研究還不夠深入。在研究油井泵的砂卡、砂害機(jī)理時(shí)，往往將泵及其部件視為一個(gè)理想的整體，而很少考慮部件結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量對(duì)砂損形成的影響。通過(guò)對(duì)遼河油田100 多口出砂井的堵砂分析，發(fā)現(xiàn)出砂井存在硬化層薄、基體硬度低、短節(jié)變形和伸長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，有必要研究油井泵堵塞的形成過(guò)程，并討論之間的關(guān)系的結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量油井泵部件和防砂性能，以提高防砂抽油泵的性能和延長(zhǎng)其使用壽命，這是一個(gè)重要的手段減少砂損壞。

1 抽油泵砂卡機(jī)理

1.1 砂卡的原因

在舉升過(guò)程中，原油和排液砂會(huì)沉積，較小的會(huì)進(jìn)入到泵筒和柱塞間隙。當(dāng)砂粒徑接近泵筒與柱塞之間的間隙時(shí)，砂粒會(huì)接觸摩擦。摩擦力會(huì)增加，當(dāng)正壓力足夠大時(shí)，摩擦副表面會(huì)磨損，有時(shí)甚至?xí)⑸傲Ｇ度肽Σ粮北砻嬉詼p小撓度，當(dāng)摩擦副的摩擦力大于制砂時(shí)，動(dòng)力會(huì)在柱塞中產(chǎn)生。柱塞與泵筒徑向間隙不均勻，軸向間隙分布不均勻。由于柱塞與泵筒的局部間隙是隨機(jī)的，柱塞在泵筒內(nèi)沿泵筒偏心方向滑動(dòng)。因此，進(jìn)入間隙的細(xì)砂粒也可能與摩擦副接觸，造成摩擦或砂卡[1]。

1.2 抽油泵間隙變化

抽油泵的工作間隙隨系統(tǒng)負(fù)荷的變化而變化。在上升行程中，柱塞上端和下端之間存在壓差，即靠近柱塞上端的泵筒內(nèi)部壓力大于柱塞下端的內(nèi)部壓力，因此泵筒上端的膨脹大于下端的膨脹柱塞。柱塞與泵筒的最大間隙遠(yuǎn)大于泵的初始間隙δ0。當(dāng)沙子進(jìn)入間隙時(shí)，它將移動(dòng)到 “V” 形的底部。如果此時(shí)砂粒不能通過(guò)底部間隙向下流動(dòng)，它將在帶有柱塞的摩擦副上滑動(dòng)。由于泵筒體自下而上收縮，砂土的正壓力會(huì)逐漸增大。壓力增大，摩擦力增大，砂粒對(duì)摩擦副表面的損傷也加劇，導(dǎo)致摩擦副表面磨損，甚至形成卡砂。因此，泵在沖程時(shí)更容易發(fā)生卡砂。

1.3 間隙中的砂粒來(lái)源

在大多數(shù)油井中，防砂措施可顯著減少進(jìn)入油管的砂量，并使其小于一定尺寸。油管中的大部分砂隨井液上升到地面。研究表明，幾乎所有井液都能攜帶直徑≤0．22mm 的砂體。只有那些重量超過(guò)浮力和向下阻力的顆粒才會(huì)沉降。

2 抽油泵結(jié)構(gòu)和質(zhì)量對(duì)砂卡的影響

2.1 變形對(duì)粘砂的影響

抽油泵泵筒體一般采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼冷軋而成，軋制后不進(jìn)行退火處理。材料中存在一些殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力在制造過(guò)程中沒(méi)有得到有效消除。另外，泵筒在制造過(guò)程中一般是調(diào)直的，這會(huì)增加泵筒的局部應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力在老化或地下高溫后會(huì)釋放出來(lái)。應(yīng)力的釋放在很大程度上反映在材料的變形上。泵筒體的變形量超過(guò)了計(jì)算液柱壓力引起的徑向變化量。由于變形，泵筒體的圓度和直線度發(fā)生了很大的變化：泵筒體的橫截面變成了不規(guī)則的橢圓，軸向成了 “s” 形，上下起伏。使泵筒與柱塞的表面接觸成為分散點(diǎn)接觸。此時(shí)，雖然理論上泵筒與柱塞之間存在較大間隙，但泵筒是凸形的起始點(diǎn)的間隙大大減小，增加了夾砂的可能性，更容易形成砂塞。同時(shí)變形泵筒對(duì)柱塞的正壓力增大，摩擦阻力增大，卡泵概率大大增加[2]。

2.2 泵筒硬化層的厚度和基體的硬度對(duì)砂卡有影響

泵筒與柱塞的接觸面不僅是摩擦副，也是密封副。泵筒和柱塞應(yīng)硬化。目前泵筒有兩種常用的處理方法： 鉻和碳氮共氧化。為了保證泵的使用壽命，標(biāo)準(zhǔn)GB/t18607 規(guī)定了泵芯的硬化層和基體的性能。在實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大多數(shù)砂卡現(xiàn)象，硬化層的硬度和厚度以及基體的硬度都不符合標(biāo)準(zhǔn)。由于砂的硬度比硬化層高得多，與泵缸接觸后很容易進(jìn)入淬火層，加速泵缸腐蝕磨損，導(dǎo)致泵失效。柱塞表面硬化層的硬度不令人滿意，容易形成砂卡。

2.3 防砂槽的作用

為了降低砂粒進(jìn)入間隙產(chǎn)生摩擦力矩的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了沿柱塞表面圓周的環(huán)形槽。當(dāng)砂粒移到轉(zhuǎn)輪位置時(shí)，特別是砂粒處于正壓下時(shí)，很容易進(jìn)入轉(zhuǎn)輪。槽液中的沙粒不是靜止的。在間隙內(nèi)油流的沖擊下，它們總是隨油流而移動(dòng)。一旦出現(xiàn)合適的真空，它們就會(huì)回到間隙。隨著時(shí)間的推移，沙粒在裂隙中的堆積更有可能是沙塵濃度之間的間隔，從而形成富砂區(qū)。同時(shí)，砂粒濃度增大，局部磨損加劇，使砂卡極易形成。當(dāng)槽中砂粒積累接近滿槽時(shí)，沙粒無(wú)法完全進(jìn)入，從而形成尖角，尖角由于有穩(wěn)固根基。泵筒體會(huì)被劃傷、劃傷，固定到位，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，劃傷速度很快。當(dāng)泵筒體硬化層被切割劃傷或露出軟質(zhì)基體時(shí)，砂粒更容易附著或嵌入泵座中，使泵迅速失效。這種直線劃傷在大多數(shù)卡砂泵中都能發(fā)現(xiàn)，證明存在與泵筒位置相對(duì)固定的砂粒。

2.4 加長(zhǎng)短接的防砂作用

國(guó)外的油井泵，泵筒兩端采用加長(zhǎng)短接頭連接，用于連接泵筒和兩端油泵部件，以防止更換這些部件時(shí)頻繁拆卸泵筒螺紋和損壞泵筒重要部件。一般來(lái)說(shuō)，加長(zhǎng)短接頭的內(nèi)徑略大于泵筒的內(nèi)徑。根據(jù)泵的直徑和結(jié)構(gòu)的不同，直徑一般為0．8-6mm。在出砂井中，柱塞進(jìn)入加長(zhǎng)短節(jié)后，泵筒與柱塞之間的間隙會(huì)突然變大，間隙和柱塞防砂槽中的砂粒會(huì)被釋放[3]。柱塞重新進(jìn)入泵筒后，大部分砂粒將留在油流中。因此，柱塞進(jìn)入加長(zhǎng)短節(jié)的時(shí)間越長(zhǎng)，砂粒越干凈越明顯。然而，我國(guó)生產(chǎn)的常規(guī)抽油泵并沒(méi)有充分發(fā)揮加長(zhǎng)短接的防砂效果。泵筒與兩端的抽油泵部件直接連接，去掉兩端加長(zhǎng)的短接。這樣，柱塞和間隙中的砂粒就不會(huì)被 “清除”。

3 結(jié)語(yǔ)

泵的制造缺陷直接導(dǎo)致泵的壽命短。提高原材料質(zhì)量，消除殘余應(yīng)力最大值，嚴(yán)格控制硬化層厚度和基體硬度，是減少堵塞和泵送的重要措施。泵的結(jié)構(gòu)是決定噴砂井泵性能的主要因素。不要盲目使用槽塞。槽式活塞適用于無(wú)砂井或低砂井，但不適用于含砂量高的井。泵的結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、間距、沖程、硬化方式和加長(zhǎng)短連接長(zhǎng)度的選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)井的具體情況，并考慮井的特殊性。