井液含砂對潛油電泵機組的影響

王瀛

（大慶油田力神泵業有限公司技術研發中心，黑龍江 大慶163311）

0 引 言

油井出砂是油井生產過程中經常遇到的問題，它直接影響油井的正常生產。井液含砂是造成機組故障的主要原因之一。在潛油電泵井的生產過程中要求井液的含砂量不得超過萬分之五，如果井液含砂量過高，潛油電泵在運行過程中，會使潛油泵嚴重磨損、排量下降，電機負荷增大，嚴重時會引起卡泵，從而降低機組壽命。

1 油井出砂的原因

油田一經開發，就會影響到地下巖層的壓力變化，破壞了地層內部原始的壓力平衡。對于溶洞、晶隙等為主的孔隙巖層來說，不會產生太大的巖層結構變動，而對于以顆粒間隙為主的砂質儲層來講，其結構視其膠結強度可發生大小不等的變化［1］。

從鉆井一直到后續的開發，每一個環節都會對地層產生不同程度的破壞，都會造成油井不同程度的出砂。概括起來有以下幾個重要階段：

1）鉆井。鉆井直接破壞地層的原始平衡，鉆頭的鉆進對巖層產生直接的破壞，井筒周圍的巖層變得疏松、脆弱，在膠結不太緊密的巖層中會產生更大的破壞。此時雖然巖層很少出砂，但它是以后巖層出砂的主要影響因素。

2）射孔。油井經過確定開采后，由于液體的流動、壓力的變化等原因，會使井眼周圍產生一個壓力漏斗，這種壓力的變化會使井眼周圍的巖層變得不穩定。

3）后續的酸化壓裂作業。酸化和壓裂都能夠增大巖層的滲透率，提高產液量，同時它也對巖層產生了直接破壞。酸化溶解了更多的膠結物，使巖層空隙變大，也使巖層更加脆弱，并且壓裂直接破壞了巖層的膠結，使巖層破碎。

2 井液含砂對潛油電泵機組各部件的影響

潛油電泵機組井下部分主要由潛油泵、分離器、保護器、潛油電機、潛油電纜等部分組成。通過對電泵井的跟蹤及有關資料的查閱，潛油電泵機組因井液含砂而損壞的有以下幾種故障模式［2］：1）保護器失效；2）機組掉井；3）機組過載停機頻繁；4）電機、電纜發熱嚴重而燒毀；5）機組斷軸。

2.1 井液含砂對離心泵的影響

潛油離心泵大多采用浮動式葉導輪結構，葉輪在軸向不固定，能自由上下移動，很容易使井液中的砂粒進入磨損區，造成離心泵磨損加劇。砂粒對離心泵的磨損主要有3 種形式：徑向磨損、軸向磨損和沖蝕磨損。

徑向磨損是指在泵的徑向扶正處材料的損耗。如果泵是同軸心旋轉，那么它的徑向載荷是很小的，扶正軸承的徑向間隙很小，如果砂粒較大就會在軸的徑向扶正處發生磨損。徑向扶正處的磨損會使軸偏心旋轉，即擺動。這種擺動大大地增加了作用在扶正軸承上的徑向力，造成了磨損的加速。泵內如果含泥沙較嚴重，那么會對泵造成徑向磨損，如圖1～圖3。圖1 中，泵的上扶正套磨損嚴重，間隙增大，起不到扶正作用；圖2 中，高速旋轉的泵軸及軸上的葉輪會產生強烈的振動，振動會使電纜與泵頻繁撞擊，在泵表面留下劃痕；圖3 中，當振動一段時間后，葉輪輪轂磨損嚴重，之后會把泵軸磨成竹節狀。

圖1 上扶正套磨損

圖2 泵殼劃痕

圖3 振動造成泵軸竹節狀

軸向磨損是指離心泵中的葉、導輪上的止推墊片與之相配合表面的磨損。由于浮動葉輪產生的軸向推力是由該級的止推墊片承受的，當泵正常運轉時，進入推力磨損區的砂粒在軸向力的作用下，磨損止推墊片，嚴重時磨損到葉導輪的止推面，使葉輪和導殼間隙增大，水力損失增加，如圖4 所示。

沖蝕磨損是指井液中的砂粒在葉、導輪的流道內隨著液體高速流動沖擊流道表面而產生的磨損。沖蝕磨損主要產生在流體改變方向的區域。井液含砂量過大會使葉輪和導殼的過流表面長期在含有砂粒的液體沖刷下，過早地產生嚴重磨損，從而改變葉輪、導殼的主要幾何尺寸，使它們的舉升力下降，性能發生改變。

圖4 葉輪止推墊片磨損

2.2 井液含砂對分離器的影響

分離器和泵一樣，都在電機的帶動下高速旋轉，并且旋轉部件都是較大的鑄件，動平衡精度不容易達到很高，如在徑向扶正處稍有磨損，就會導致旋轉部件的不平衡力矩急劇增大，使軸扶正處徑向力急劇增大，徑向磨損加快。致使分離器產生劇烈振動，零部件損壞嚴重。振動通過軸傳遞到保護器，使機械密封產生振動而失效，振動嚴重時會使分離器軸斷裂［3］。

井液中的砂粒對分離器的分離腔磨損也很大，氣液在此腔內產生分離。密度較大的砂粒會在離心力的作用下在分離腔的邊緣高速旋轉，致使分離腔內壁受砂粒的沖蝕磨損，嚴重時可使分離腔內壁磨透，使砂液直接與殼體發生磨蝕，甚至發生分離器殼體被砂磨蝕斷裂的現象，如圖5 所示。

圖5 分離器殼體斷裂

2.3 井液含砂對保護器的影響

圖6 機械密封動環磨損

保護器的主要作用是通過隔離井液和為電機提供潤滑油來保護潛油電機。機械密封是保護器的關鍵部件。普通型機械密封屬于接觸式密封，它是依靠彈性元件對靜、動環端面密封副的預緊和介質壓力與彈性元件壓力的壓緊而達到密封的軸向端面密封裝置。含砂井液最容易對機械密封部位造成磨料磨損。磨料磨損是指接觸表面作相對運動時由硬質顆粒或較硬表面上的微凸體，在摩擦過程中引起表面擦傷與表面材料脫落。硬顆粒可以是介質中帶來的，也可以是材料本身含有的硬質點，對于外來顆粒，尺寸為0.3~3 μm 時，磨損最嚴重。圖6 為井液含砂導致機械密封磨損的實例。

2.4 井液含砂對潛油電機的影響

潛油電機是潛油電泵的動力機，它驅動潛油離心泵汲取地下的井液。如果井液含砂量過高，磨損葉導輪、軸套等，造成徑向間隙逐漸增大，高壓井液自間隙泄漏，會使泵的容積效率下降，產量下降。當較多的砂粒進入葉導輪配合間隙，特別是砂粒粒徑較大時，會導致局部卡死，砂卡將增加機組負荷，使電機發熱量變大，絕緣下降，最終燒毀［4］。

潛油電泵在油井內運行時，流經電機表面的液體流速必須不小于0.304 8 m/s，才能保證電機運行時的散熱，產液量過低會造成絕緣擊穿強度降低，最終導致燒毀電機。井液含砂有可能導致葉導輪止推墊片嚴重磨損，這樣就會造成機組供液不足，使得電機下接頭磁鐵塊融化變形，造成的后果是影響電機的散熱，致使電機損壞，如圖7 所示。

圖7 電機下接頭磁鐵塊融化變形

3 結 論

綜上可知，井液含砂量過大，會影響潛油電泵機組的使用壽命，并且會增加檢泵費用，增加開采成本。因此，對電泵機組防砂結構的研究和防砂材料的探索將勢在必行。

［1］ 梅思杰，邵永實，劉軍，等.潛油電泵技術：上冊［M］.北京：石油工業出版社，2004：155-159.

［2］ 劉樹林，徐敏強，董振剛，等.潛油電泵機組振動狀態評估系統[J].大慶石油學院學報，2008，32（5）：58-61.

［3］ 董振剛，龐向東，劉軍，等.電動潛油泵變頻配套設計方法［J］.石油機械，2001，29（12）：45-47.

［4］ 趙春民，王則賓.潛油電泵系統的能耗分析［J］.油氣地面工程，2005，24（6）：33.