王瀛

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心，黑龍江 大慶163311）

0 引 言

油井出砂是油井生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，它直接影響油井的正常生產(chǎn)。井液含砂是造成機(jī)組故障的主要原因之一。在潛油電泵井的生產(chǎn)過(guò)程中要求井液的含砂量不得超過(guò)萬(wàn)分之五，如果井液含砂量過(guò)高，潛油電泵在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)使?jié)撚捅脟?yán)重磨損、排量下降，電機(jī)負(fù)荷增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起卡泵，從而降低機(jī)組壽命。

1 油井出砂的原因

油田一經(jīng)開(kāi)發(fā)，就會(huì)影響到地下巖層的壓力變化，破壞了地層內(nèi)部原始的壓力平衡。對(duì)于溶洞、晶隙等為主的孔隙巖層來(lái)說(shuō)，不會(huì)產(chǎn)生太大的巖層結(jié)構(gòu)變動(dòng)，而對(duì)于以顆粒間隙為主的砂質(zhì)儲(chǔ)層來(lái)講，其結(jié)構(gòu)視其膠結(jié)強(qiáng)度可發(fā)生大小不等的變化［1］。

從鉆井一直到后續(xù)的開(kāi)發(fā)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生不同程度的破壞，都會(huì)造成油井不同程度的出砂。概括起來(lái)有以下幾個(gè)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(jìn)對(duì)巖層產(chǎn)生直接的破壞，井筒周?chē)膸r層變得疏松、脆弱，在膠結(jié)不太緊密的巖層中會(huì)產(chǎn)生更大的破壞。此時(shí)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(jīng)過(guò)確定開(kāi)采后，由于液體的流動(dòng)、壓力的變化等原因，會(huì)使井眼周?chē)a(chǎn)生一個(gè)壓力漏斗，這種壓力的變化會(huì)使井眼周?chē)膸r層變得不穩(wěn)定。

3）后續(xù)的酸化壓裂作業(yè)。酸化和壓裂都能夠增大巖層的滲透率，提高產(chǎn)液量，同時(shí)它也對(duì)巖層產(chǎn)生了直接破壞。酸化溶解了更多的膠結(jié)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(jié)，使巖層破碎。

2 井液含砂對(duì)潛油電泵機(jī)組各部件的影響

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

2.1 井液含砂對(duì)離心泵的影響

潛油離心泵大多采用浮動(dòng)式葉導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，葉輪在軸向不固定，能自由上下移動(dòng)，很容易使井液中的砂粒進(jìn)入磨損區(qū)，造成離心泵磨損加劇。砂粒對(duì)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(zhuǎn)，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(huì)在軸的徑向扶正處發(fā)生磨損。徑向扶正處的磨損會(huì)使軸偏心旋轉(zhuǎn)，即擺動(dòng)。這種擺動(dòng)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(nèi)如果含泥沙較嚴(yán)重，那么會(huì)對(duì)泵造成徑向磨損，如圖1～圖3。圖1 中，泵的上扶正套磨損嚴(yán)重，間隙增大，起不到扶正作用；圖2 中，高速旋轉(zhuǎn)的泵軸及軸上的葉輪會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)使電纜與泵頻繁撞擊，在泵表面留下劃痕；圖3 中，當(dāng)振動(dòng)一段時(shí)間后，葉輪輪轂?zāi)p嚴(yán)重，之后會(huì)把泵軸磨成竹節(jié)狀。

圖1 上扶正套磨損

圖2 泵殼劃痕

圖3 振動(dòng)造成泵軸竹節(jié)狀

軸向磨損是指離心泵中的葉、導(dǎo)輪上的止推墊片與之相配合表面的磨損。由于浮動(dòng)葉輪產(chǎn)生的軸向推力是由該級(jí)的止推墊片承受的，當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)入推力磨損區(qū)的砂粒在軸向力的作用下，磨損止推墊片，嚴(yán)重時(shí)磨損到葉導(dǎo)輪的止推面，使葉輪和導(dǎo)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(dǎo)輪的流道內(nèi)隨著液體高速流動(dòng)沖擊流道表面而產(chǎn)生的磨損。沖蝕磨損主要產(chǎn)生在流體改變方向的區(qū)域。井液含砂量過(guò)大會(huì)使葉輪和導(dǎo)殼的過(guò)流表面長(zhǎng)期在含有砂粒的液體沖刷下，過(guò)早地產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，從而改變?nèi)~輪、導(dǎo)殼的主要幾何尺寸，使它們的舉升力下降，性能發(fā)生改變。

圖4 葉輪止推墊片磨損

2.2 井液含砂對(duì)分離器的影響

分離器和泵一樣，都在電機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)部件都是較大的鑄件，動(dòng)平衡精度不容易達(dá)到很高，如在徑向扶正處稍有磨損，就會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生劇烈振動(dòng)，零部件損壞嚴(yán)重。振動(dòng)通過(guò)軸傳遞到保護(hù)器，使機(jī)械密封產(chǎn)生振動(dòng)而失效，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)使分離器軸斷裂［3］。

井液中的砂粒對(duì)分離器的分離腔磨損也很大，氣液在此腔內(nèi)產(chǎn)生分離。密度較大的砂粒會(huì)在離心力的作用下在分離腔的邊緣高速旋轉(zhuǎn)，致使分離腔內(nèi)壁受砂粒的沖蝕磨損，嚴(yán)重時(shí)可使分離腔內(nèi)壁磨透，使砂液直接與殼體發(fā)生磨蝕，甚至發(fā)生分離器殼體被砂磨蝕斷裂的現(xiàn)象，如圖5 所示。

圖5 分離器殼體斷裂

2.3 井液含砂對(duì)保護(hù)器的影響

圖6 機(jī)械密封動(dòng)環(huán)磨損

保護(hù)器的主要作用是通過(guò)隔離井液和為電機(jī)提供潤(rùn)滑油來(lái)保護(hù)潛油電機(jī)。機(jī)械密封是保護(hù)器的關(guān)鍵部件。普通型機(jī)械密封屬于接觸式密封，它是依靠彈性元件對(duì)靜、動(dòng)環(huán)端面密封副的預(yù)緊和介質(zhì)壓力與彈性元件壓力的壓緊而達(dá)到密封的軸向端面密封裝置。含砂井液最容易對(duì)機(jī)械密封部位造成磨料磨損。磨料磨損是指接觸表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)由硬質(zhì)顆?；蜉^硬表面上的微凸體，在摩擦過(guò)程中引起表面擦傷與表面材料脫落。硬顆粒可以是介質(zhì)中帶來(lái)的，也可以是材料本身含有的硬質(zhì)點(diǎn)，對(duì)于外來(lái)顆粒，尺寸為0.3~3 μm 時(shí)，磨損最嚴(yán)重。圖6 為井液含砂導(dǎo)致機(jī)械密封磨損的實(shí)例。

2.4 井液含砂對(duì)潛油電機(jī)的影響

潛油電機(jī)是潛油電泵的動(dòng)力機(jī)，它驅(qū)動(dòng)潛油離心泵汲取地下的井液。如果井液含砂量過(guò)高，磨損葉導(dǎo)輪、軸套等，造成徑向間隙逐漸增大，高壓井液自間隙泄漏，會(huì)使泵的容積效率下降，產(chǎn)量下降。當(dāng)較多的砂粒進(jìn)入葉導(dǎo)輪配合間隙，特別是砂粒粒徑較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部卡死，砂卡將增加機(jī)組負(fù)荷，使電機(jī)發(fā)熱量變大，絕緣下降，最終燒毀［4］。

潛油電泵在油井內(nèi)運(yùn)行時(shí)，流經(jīng)電機(jī)表面的液體流速必須不小于0.304 8 m/s，才能保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)的散熱，產(chǎn)液量過(guò)低會(huì)造成絕緣擊穿強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致燒毀電機(jī)。井液含砂有可能導(dǎo)致葉導(dǎo)輪止推墊片嚴(yán)重磨損，這樣就會(huì)造成機(jī)組供液不足，使得電機(jī)下接頭磁鐵塊融化變形，造成的后果是影響電機(jī)的散熱，致使電機(jī)損壞，如圖7 所示。

圖7 電機(jī)下接頭磁鐵塊融化變形

3 結(jié) 論

綜上可知，井液含砂量過(guò)大，會(huì)影響潛油電泵機(jī)組的使用壽命，并且會(huì)增加檢泵費(fèi)用，增加開(kāi)采成本。因此，對(duì)電泵機(jī)組防砂結(jié)構(gòu)的研究和防砂材料的探索將勢(shì)在必行。

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

［2］ 劉樹(shù)林，徐敏強(qiáng)，董振剛，等.潛油電泵機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，32（5）：58-61.

［3］ 董振剛，龐向東，劉軍，等.電動(dòng)潛油泵變頻配套設(shè)計(jì)方法［J］.石油機(jī)械，2001，29（12）：45-47.

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