高含砂井對潛油電泵的破壞機理及改進措施

摘要：在高含砂井內進行采油會用到潛油電泵，電泵在工作時常會由于磨損而損壞。 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。本文對潛油電泵三種破壞方式的機理進行了詳細的描述和分析，對泵的機組進行了深入的剖析，并且針對這些磨損提出了一些合理的建議，使得泵的磨損減輕，讓泵獲得更長的工作壽命。

關鍵詞：高含砂；潛油電泵；磨損；改進

1.前言

潛油電泵一直以來在機械采油行業占據著非常重要的地位。可是油田在開采一段時間過后，注水開發的周期增長，鉆井液含水增多，采液強度不斷的增大，油層的壓力下降，相應的砂巖就會受到更多的負荷，破壞了顆粒間的膠結，使得采油井內的砂土含量增多。一般來說，潛油電泵需要在小于0.05%含砂量的油井工作環境中才能正常的工作[1]。大于大多數含砂量較高的油井來說，投產的初期油井的出砂量大，此時也正是泵生產的初期，但是在油井生產一段時間后，油井中的含砂量下降，就不會損壞泵，可是在投產的初期由于含砂量大就會導致潛油電泵的損壞。

2.油井砂對潛油電泵的危害

本文對大量的高含砂量油井中潛油泵損壞案例進行了統計和分析，得到了砂粒對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受到較嚴重的磨損；導殼、結合的地方也會存在較為嚴重的磨損，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；還有可能出現磨損的地方有葉輪下面的止推墊片[2]。

接著我們對潛油泵的磨損機理進行了分析，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，兩個表面間存在較硬的顆粒時，泵都會產生磨損。泵的磨損速度正比于泵的負荷以及泵的轉輪滑動的距離，反比于泵內零件的硬度。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行會導致泵零件的磨損。

3.高含砂井液對潛油電泵的破壞機理

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生的部位是導輪、葉輪兩者軸向接觸處。由于在導輪和葉輪軸向接觸的地方設置有止推墊片，可是若油井中的含砂量高，會在較短的時間里面磨損止推墊片，在墊片磨損完后導輪、葉輪之間會產生直接的金屬接觸和摩擦，最嚴重的甚至會將葉輪的前蓋板磨穿，潛油泵就會損壞、工作失效。通過較為科學的實驗，我們得到清水中含砂量高于0.3% ，在一周的時間內葉輪就會被磨穿蓋板，另外泵的軸向磨損程度和葉輪的軸向力密切相關，并且軸向力和磨損程度成正比。

3.2.徑向磨損

徑向主要的磨損發生在軸套、徑向軸承配合以及導輪、葉輪配合的地方。泵發生徑向磨損一會就會增大兩個接觸面的間隙，徑向磨損會對泵產生很多的不良影響，他們為：泵容積效率減小，各級泵間的滲漏增多，平衡腔止口之間的空隙變大。潛油電泵的徑向磨損還會使得泵運行不穩定，泵的振動加劇，損害機組。

3.3.侵蝕磨損

常常出現侵蝕磨損的地方為導輪和葉輪之間的空隙，出現流向的突變以及流量的不連續點也是較為常見的現象。侵蝕磨損和軸向、徑向磨損不同，因為侵蝕磨損發生的部位不是導葉輪的接觸面，而是任何一個可能的位置。液體會帶著砂粒以波形式高頻作用于流道的某一位置，最終導致流道被穿透破壞。

4.改進措施

分析上文描述的破壞作用，可根據工藝改進（降低細沙進入機組的幾率）和離心泵材料與結構的改進（增強機組抗腐能力）這兩種主要方法來實現，進而達到改進電泵對于出砂油井的適應能力。

4.4.改進泵的結構、材料

4.4.1.改善導葉輪結構。在導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逐漸形成波障侵蝕導輪。

4.4.2.改善離心泵結構。離心泵所應用的徑向耐砂磨技術是在其徑向設置硬度較高、抗腐蝕材料作為副扶正軸承，盡量降低徑向磨損程度和機組的震動力度。用硬質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、導葉輪級間處等部位。

4.4.3.選用半壓緊或者全壓緊式結構的葉輪。這樣葉輪可以圍繞著軸向穩定旋轉，降低沙粒進入到葉輪內孔旋轉面及葉輪轂端面的幾率，減小葉輪間軸向出現磨損的可能性，也降低了軸與葉輪間的徑向磨損。

4.2改進泵的工藝

4.2.1.潛油電泵機組上添加防砂管防砂工藝[2]。將皮碗封隔器連接在電機的下半部，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入機組。

4.2.2.潛油電泵機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伸入電機下半部的護罩，泵吸入口或分離器吸入口處，懸掛一延伸至電機下部的護罩，使用變徑接頭將一個螺旋分離器連接于護罩下半部。如含砂井液進入至螺旋分離器時將發生自旋運動，但其重力不同，造成較重砂粒的優先在離心力作用下由螺旋分離器分離腔外側進入至砂錨內部，而相對較輕的井液會由螺旋分離器的分離腔內側進入至泵吸入流道。

5.結論

在海陸油田上，存在許多的常規電泵無法滿足含砂油井的要求，根據上述材料和工藝及結構的改進，極大的延長了出砂井中電機泵的使用壽命，增大了電機泵的適用范圍。并且本文所述這些電泵防砂技術與工藝也并不是獨立存在的，可根據實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合在一起使用。目前，由于國內防砂泵針的應用還存在很大的局限性，如只考慮徑向上的磨損等，因此，我們應該加大對電泵對高含砂油井的普適性的研究力度。通過改善泵的結構，使用先進的防砂技術和新的耐磨材料來克服電泵產品對于高含砂井普適性較差這一瓶頸。

參考文獻：

[1] 楊文清. 出砂井中潛油電泵的設計與應用[J]. 勝利油田職工大學學報，2010，21（5）：64- 66.

[2] 趙斌. 對潛油電泵具有保護作用的井下除砂器[J]. 石油機械，2009，（2）：56.

[3] 馮耀忠. 國外最新采油技術與裝備[J]. 石油機械，2012，（11）：62.