海上稠油開采注采一體水力潛油泵設計及耐高溫軸承研制

張 楠 ，顏廷俊 ，孫騰飛 ，于繼飛 ，楊 陽

(1.北京化工大學 機電工程學院，北京，100029；2.中海油研究總院有限責任公司，北京，100028)

陸地稠油熱采中的機械舉升方式有多種。但在海上油田，由于平臺本身空間的限制，海上油田一般是采用電動潛油離心泵(電潛泵)進行油液的舉升。目前在海上稠油熱采中的油液舉升方式有2種，一種是注入熱蒸汽與下入舉升泵分開進行的分體式；另一種是注入熱蒸汽與下入舉升泵為一體式。注入熱蒸汽與下入舉升泵分開進行的分體式是指注熱蒸汽過程中，由于溫度太高，將舉升泵從井下啟出，等溫度降低后，再將舉升泵下入井下進行稠油開采，這種方式由于是分別進行，一是增加了海上井下作業費用，二是增加了作業時間，導致生產成本大幅增加[3]。注入熱蒸汽與下入舉升泵為一體式是指在稠油的整個開采過程中，舉升泵一直在井底，無需再注蒸汽階段將舉升泵從井下啟出。該種方式由于在注入熱蒸汽時，無需提出舉升裝備，減少作業成本，也節約了海上作業時間[1-8]。目前英國Captain油田已有應用，但適用最高溫度為220 ℃，不適合國內海上油田稠油高溫開采，因此耐高溫的注采一體水力潛油泵是極為必要的。

1 注采一體水力潛油泵設計

注采一體水力潛油泵采用動力液作為渦輪泵的動力，渦輪泵和離心泵同軸，地面注水泵向井下設備注入高壓動力液，動力液通過渦輪帶動其旋轉，隨之帶動同1根軸的離心泵旋轉，從而開采井下油藏液體。注采一體水力潛油泵井下部分包括：油管接頭、扶正軸承、渦輪、接頭1(保護器接頭)、止推軸承、上開關滑套、接頭2(上開關滑套連接組件)、離心泵、接頭4(上開關滑套與離心泵連接組件)、注氣管線(蒸汽輸送管道)、尾管、接頭3(下開關滑套與尾管連接組件)、安全閥等。具體結構如圖1所示。

1-小油管；2-大油管；3-244.475mm(9英寸)套管；4-扶正軸承；5-渦輪；6-接頭1；7-機械密封； 8-止推軸承； 9-接頭2；10-上開關滑套； 11-接頭3；12-接頭4；13-離心泵；14-封隔器；15-接頭5；16-下開關滑套；17-注汽管線；18-尾管；19-安全閥。

自左而右，自上而下，小油管和渦輪泵上端通過油管接頭螺紋相連，渦輪泵下端和保護器由接頭1螺紋相連；保護器內充滿潤滑油并有動壓止推軸承承擔系統軸向力；保護器下端和接頭2螺紋相連，接頭2內開注蒸汽孔，通過螺紋連接大油管通至地面；上開關滑套有外筒，外筒和上開關滑套殼壁由接頭3螺紋連接，接頭3開多個注汽孔，連接注蒸汽管線，注蒸汽管線通至尾管；上開關滑套下端和離心泵由接頭4螺紋相連，離心泵下端和下開關滑套螺紋相連，下開關滑套下端通過油管接頭和尾管相連；尾管內有安全閥，并開有均勻的注蒸汽孔，實現均勻注汽。

2 注采一體水力潛油泵軸承設計

2.1 注采一體水力潛油泵軸承選擇

注采一體水力潛油泵包括渦輪以及潛油離心泵，這些旋轉件都需要軸承才能完成工作[9]。因為是用在熱采中，溫度高，因此其所用軸承就有別于普通環境下的軸承。注采一體水力潛油泵1個生產周期(注汽、悶井、自噴、采油)需要2 a[10]，因此軸承的使用壽命要求2 a。目前可以應用在熱采環境中的注采一體水力潛油泵用軸承有3種：角接觸球軸承、動壓滑動軸承、靜壓滑動軸承[11]。

對比3種軸承發現：①角接觸球軸承可適應多種工況，但根據滾動軸承壽命公式和實際應用案例，壽命難以滿足；②靜壓滑動軸承需要一套專門的供壓裝置將潤滑液送入軸承中，對于井下狹小空間難以滿足；③動壓滑動軸承具有良好承擔軸向載荷的能力，壽命長，一般可達4～5 a，且廣泛應用于離心泵中，適合注采一體水力潛油泵[12-13]。

根據調研，本文選擇動壓滑動軸承中可傾瓦滑動軸承為注采一體水力潛油泵止推軸承。

2.2 軸承材料選擇及結構設計

可傾瓦滑動軸承的材料性能決定了其耐溫特性。動壓滑動軸承材料選擇主要分為動塊材料、靜塊表面噴涂材料和靜塊基座材料3部分。動塊材料選擇高溫軸承鋼；靜塊基座材料選擇低碳合金鋼2Cr13；表面噴涂材料選擇司太立硬質合金和高分子復合材料。

表1 可傾瓦滑動軸承參數

3 高溫潤滑油選擇

潤滑油的主要作用是潤滑轉子的軸承，減少摩擦磨損。通過調研，國內潤滑油長時間使用適應最高溫度為300 ℃，難以滿足注汽350 ℃要求[14-15]。稠油在注汽、燜井、自噴泵不運轉，此時溫度略高，接近350 ℃。當采油過程中，泵開始工作時，此時環境溫度在100～120 ℃。依據該特點，當水力潛油泵下入到井底時，保護軸承的保護器內暫無潤滑油，開始注入350 ℃熱蒸汽，待注入、悶井、自噴階段(大約1個月時間)結束后，此時井底溫度大約在100～120 ℃。這時通過地面的液壓系統、注油管線，往保護器內注入潤滑油，就可開機正常采油。這樣降低了潤滑油使用要求和結構設計要求。通過文獻可知，液壓管線內徑僅為3 mm，按下泵800 m深度計算，管線內潤滑油僅有4～6 L，可以忽略不計[16]。保護器結構如圖2所示。

圖2 注采一體水力潛油泵保護器結構

滿足以上條件潤滑油均可使用。 選擇中石化4808 號抗化學介質潤滑油。此潤滑油是嚴苛工況條件下使用的一種高效、長壽命、安全可靠、性能卓越的潤滑油。并在180 ℃情況下已有實際使用案例[17-19]。

4 軸承油膜仿真分析

對于滑動軸承而言，摩擦副間潤滑方式可分為邊界潤滑、混合潤滑以及流體潤滑3種類型。對滑動軸承性能、壽命等的判定，目前國內外主要以判斷滑動軸承是否能形成流體動壓潤滑，形成流體動壓潤滑后能否保持平穩運行為主。評判參數以軸承比壓、軸承溫升、油膜厚度、軸瓦傾角等，理論上軸承有無限壽命。根據軸承設計參數進行模擬，結果如圖3所示。

圖3 可傾瓦滑動軸承壓力云圖(10 kN)

在給定潤滑介質為潤滑油的情況下，計算結果如表2。

表2 可傾瓦滑動軸承模擬結果(10 kN)

由計算可得：

1) 形成動壓潤滑的最小膜厚為28 μm，軸瓦傾角約為0.04°。根據國標《GB/T23892.3—2009》可得，該尺寸及工況下滑動軸承最小油膜厚度許用值hmin=14 μm，模擬得到最小油膜厚度大于最小油膜厚度許用值，因此油膜厚度滿足可傾瓦滑動軸承平穩運行要求。

2) 如圖3所示，平均比壓為1.74 MPa，最大壓強6.42 MPa，約為平均比壓的3.6倍，且壓力分布比較均衡，滿足滑動軸承壓力分布規律；最大承載力為10.2 kN，大于給定的載荷10 kN，因此可傾瓦滑動軸承油膜壓力滿足平穩運行要求。

3) 最大溫升為13.6 ℃，則油膜最高溫度為114.6 ℃，此時的潤滑油黏度為0.014 54 Pa·s，較原潤滑油黏度變化基本忽略不計，因此潤滑油滿足溫升變化。軸瓦表面噴涂材料為硬質合金和高分子復合材料，其耐溫均在350 ℃以上。因此軸承運行產生的溫升變化對軸瓦表面材料也無影響。

通過對油膜厚度、傾角、承載能力、溫升等影響可傾瓦滑動軸承平穩運行的因素模擬分析可得，設計的軸承在10 kN，2 970 r/min，115 ℃影響因素下，均滿足要求，因此軸承可進行長時間持續平穩運行。

5 高溫高速軸承壽命試驗研究

分別選擇硬質合金和高分子復合材料各一組軸承進行軸承壽命試驗。分別對其載荷、軸承溫度、摩擦轉矩、摩擦因數等參數進行詳細記錄。軸承試驗數據曲線如圖4～5。

通過試驗可得，高分子聚合物涂層軸承，當轉速達到2 970 r/min，載荷加至26.12 kN，溫度達到120℃時，軸承表面溫度、摩擦力矩、摩擦因數、線速度等軸承相關參數，成1條水平運行曲線。軸承摩擦轉矩穩定在0.456 N·m，摩擦因數保持在0.000 3，說明軸承2摩擦副之間基本沒有接觸，形成了良好的動壓潤滑。

圖4 高分子聚合物涂層軸承數據處理曲線

圖5 硬質合金涂層軸承數據處理曲線

硬質合金涂層軸承與高分子聚合物涂層曲線走向一致，當載荷26.12 kN，轉速2 970 r/min時，溫度120 ℃時，摩擦因數穩定在0.000 9，軸承充分形成動壓潤滑，軸承溫升不在發生變化，摩擦轉矩沒有變化，說明軸承運行穩定，可實現長壽命運行。根據經驗，軸承可運行4～5 a，滿足軸承2 a使用壽命要求。

因此，在2 970 r/min，120 ℃，10 kN載荷下，軸承可形成充分的動壓潤滑，軸承摩擦副之間不接觸，可實現長壽命運行。

通過對比仿真結果和試驗結果，可以發現，針對海上稠油開采工藝流程，為避免國內現有潤滑油不耐350 ℃高溫缺點，通過保護器內潤滑油置換方式， 得到軸承本身需耐350 ℃高溫，實際工作溫度在100～120 ℃。

6 結論

1) 針對海上油田稠油熱采的要求，進行了耐高溫注采一體水力潛油泵結構設計。

2) 通過調研分析不同類型的軸承，選擇動壓滑動軸承中可傾瓦滑動軸承作為注采一體水力潛油泵的止推軸承，并進行了軸承結構設計及材料選擇。

3) 分別對一組高分子復合物涂層滑動軸承和硬質合金涂層滑動軸承進行仿真模擬和高溫、高速、高載荷試驗， 證明其可在許用條件下充分形成動壓潤滑，軸承運行穩定，壽命大于2 a。