電潛泵分離器殼體斷脫機理分析

任強

摘 要：本文對電潛泵系統結構進行了論述，對砂蝕導致分離器殼體斷脫機理進行了分析，對汽蝕導致分離器殼體斷脫機理進行了分析，對分離器殼體材質導致分離器殼體斷脫原因進行分析并進行實例計算，并提出了改進建議。

關鍵詞：電潛泵；分離器；殼體斷脫；分析

1電潛泵系統結構

潛油電泵是同油管一起下入井內，并在井下工作的多級離心泵，地面電源通過變壓器、控制屏和潛油電纜將電能輸送給井下潛油電機，使電機帶動多級離心泵旋轉，將電能轉化為機械能，通過機械能把油井中的液體舉升到地面，由以上這些部分共同構成了潛油電泵機組，潛油電泵機組的基本組成如圖1所示。

2砂蝕導致分離器殼體斷脫機理分析

物體表面遭受流體裹攜固體粒子的沖刷，使物體表面材料不斷損失，這種磨蝕作用稱為砂蝕。沖蝕速率指沖擊靶體的單位質量的沖蝕粒子所磨蝕掉的靶體材料的質量。

沖蝕粒子旋轉半徑和轉速是影響沖蝕速率大小的最為重要的兩個因素，在分離器中，砂粒對分離器殼體的沖蝕速率與沖蝕粒子旋轉半徑和轉速的關系式：

（1）

式中， n為沖蝕粒子轉速，r/min ； r為沖蝕粒子旋轉半徑， m；E為磨蝕掉的分離器殼體質量，g；e為沖蝕粒子的質量，g； 取值2.0～6.5。

在電潛泵采油系統中，進入分離器中的井液在葉輪處被高速旋轉加速，由式（2）可知在轉速一定的情況下，沖蝕速率會隨著沖蝕粒子旋轉半徑呈指數增長，葉輪外套內緣處的沖蝕粒子旋轉半徑比其他部位粒子旋轉半徑要大，則此處砂粒對分離器殼體的沖蝕速率最大。另外，葉輪外殼處存在拐角，導致砂粒易在此處沉積，砂粒質量大于其他部位。由式（1）可知，在沖蝕粒子速度一定的情況下，砂粒對分離器殼體所磨蝕掉的殼體質量會隨著沖蝕粒子質量的增大而增大。綜上所訴，葉輪外殼處是分離器中易斷脫的區域。

3汽蝕導致分離器殼體斷脫機理分析

分析現場使用過的分離器發現，部分含氣量大的油井使用的分離器殼體內壁的表面具有非常明顯的汽蝕損害特征，且電潛泵井分離器殼體斷脫嚴重性會隨著油井含氣量的增大而增大。因此，氣蝕對分離器殼體斷脫有很大的影響。

進入到分離器中的井液隨著葉輪作用不斷加速，經導流輪后液體壓力升高，增壓后的流體進入分離腔進行高速旋轉。描述流速與壓力轉換關系的流體伯努利方程為：

（2）

式中，p0為不受分離器殼體影響的流體壓力，Pa；pmin為，殼體表面最低壓力，Pa； v0為不受分離器殼體影響的流速，m/s； v為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2； ρ為混合液密度，kg/m3 。

由式（2）伯努利方程可知，流體流動增加，壓力降低，當流體的壓力下降到汽化壓力時，產生蒸汽，形成氣泡。這些氣泡隨著液體向前運動，到一定程度時氣泡周圍的高壓液體使氣泡急劇縮小到破裂。在氣泡破裂的同時，液體以高速填充空穴，在此瞬間形成水擊作用，壓力波以極高沖擊頻率打擊金屬表面，產生氣蝕作用。分離腔中旋轉運動的流體與分離器殼體內壁直接接觸，具有發生汽蝕破壞的條件。同時，高礦化度和含腐蝕性物質的油井產出液對分離器殼體具有電解、化學腐蝕破壞，其中H2S腐蝕最為突出。分離腔中運動的流體、新裸露的金屬表面等因素更加劇了腐蝕的破壞作用。

4分離器殼體材質導致分離器殼體斷脫原因分析

分離器殼體材質是影響分離器性能的最主要的一方面。通常，分離器殼體采用的材料是45#鋼，此種鋼的硬度僅為HB=217-255，含Cr量通常小于0.25%，此種性質的鋼耐磨耐腐蝕的能力較低，難以滿足分離器在砂蝕、汽蝕下對材料硬度和強度的要求，這是導致分離器殼體斷脫的內因。

5實例計算

本文對分離器殼體斷脫的使用QYF98X分離器的電潛泵井進行實例計算。此分離器的基本參數為：內徑0.031m，葉導輪轉速2850r/min，攜砂粒密度1.8g/cm3，砂粒直徑0.1mm，排量85m3/d，井深3020m，油水混合物密度985kg/m3，沉沒度800m，含砂量0.8‰，45#鋼質的分離器經濟流速2.2m/s，分離器吸入口處穩定流速0.4m/s。

把相應數值帶入相應公式得分離器殼體受到流體46.65J沖擊功，攜砂流體沖刷速度9.25m/s，分離器口壓力7722400Pa，經葉導輪高速旋轉后的流體壓力7680312.92Pa。

經實例計算分析，明確導致此井分離器殼體斷脫的影響因素：

1） 攜砂流體對分離器殼體的沖擊功46.65J，而45#號鋼沖擊功僅39J左右，分離器殼體長期在這種力學作用下使用，使用壽命會收到影響。

2）分離器殼體經濟流速2.2m/s，遠遠小于流體實際流速9.25m/s，沒能保證分離器殼體在最有安全最經濟的流速下生產，會對分離器殼體造成嚴重損壞，降低殼體使用壽命。

3）導葉輪高速旋轉導致的壓能損失42087.08Pa，足以舉升密度985kg/m3的流體4.36m，壓能損失巨大。壓力的巨大損失影響汽蝕作用。

6結論

1）未經改進的分離器殼體即作為承載、封閉的部件，其內部又承受流體直接沖蝕，鋼材材質為45#鋼，性能不能滿足耐砂蝕、汽蝕和腐蝕要求。

2）對分離器進行改進，在殼體內加裝一層高強度的高鉻鋼材料，形成雙層復合結構，內襯材料性能可以承受流體砂蝕、汽蝕和腐蝕影響，避免了流體對殼體的直接損害。

3）采用全內襯高鉻鋼分離器，可以完全避免流體對殼體沖刷腐蝕，避免局部內襯不能完全保護的缺陷，改進后的分離器使用壽命平均超過1003天。

參考文獻：

[1]張嵐輝電泵井分離器殼體斷裂原因分析及對策[J].大慶石油地質與開發.2006-12-30.

[2]張冠林； 張立軍；韓錫鵬；晁明偉；謝文獻.電潛泵機組油氣分離器的腐蝕研究[J] .石油機械.2014-04-10 .