唐文峰,李勇鋒,代 文,黃映仕

中海石油（中國）有限公司惠州作業(yè)公司（廣東深圳518067）

淺談海上油井出泥出砂條件下電潛泵的選材優(yōu)化

唐文峰,李勇鋒,代 文,黃映仕

中海石油（中國）有限公司惠州作業(yè)公司（廣東深圳518067）

針對海上油田電潛泵常見的機(jī)械故障模式，分析了電潛泵磨蝕發(fā)生的機(jī)理。結(jié)合惠州油田實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出泥出砂對電潛泵運(yùn)行壽命的重要影響，提出了抗磨蝕的應(yīng)對措施，包括優(yōu)化耐磨軸承材質(zhì)、升級葉輪材質(zhì)、葉輪涂層等。結(jié)果表明，優(yōu)化后的電潛泵在惠州油田三口出泥出砂井應(yīng)用，其中出砂井HZ19-3-7井葉輪材質(zhì)優(yōu)化為5530合金材質(zhì)后效果顯著，從修井前的80天運(yùn)行壽命增至1 493天。

電潛泵；海上油井；機(jī)械故障；耐磨軸承；葉輪

惠州油田位于南海珠江口盆地，自1992年投產(chǎn)以來，采用電潛泵和氣舉方式生產(chǎn)。2006年后，由于氣源的地層能量下降，供氣能力發(fā)生改變，陸續(xù)又把氣舉井轉(zhuǎn)換為電潛泵開發(fā)生產(chǎn)。電潛泵的優(yōu)點(diǎn)在于高舉升能力、寬排量范圍，適應(yīng)深井、高氣油比、小油套管環(huán)空間隙等需要，但電潛泵的應(yīng)用也帶來了一些故障，需要不斷總結(jié)和優(yōu)化。常見的電潛泵故障包含電氣故障和機(jī)械故障，而機(jī)械故障可能由徑向不穩(wěn)定、下止推、磨蝕、震動(dòng)等原因引起，出泥出砂的井況將會(huì)急劇加大電潛泵機(jī)械故障[1]。在歷次修井作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的常見機(jī)械故障有：泥砂堵住吸入口、泥砂磨損電泵軸承至軸承破碎、葉輪表面磨蝕嚴(yán)重、電泵軸被堅(jiān)硬異物（例如破碎的軸承陶瓷）割斷（圖1）。本文著重分析出泥出砂引起的電潛泵機(jī)械故障，并通過優(yōu)化電潛泵的軸承、設(shè)計(jì)抗磨蝕葉輪等來提高電潛泵運(yùn)行壽命。

圖1 出泥出砂導(dǎo)致的電潛泵機(jī)械故障

1 出泥出砂條件下電潛泵的應(yīng)用工藝研究

1.1 油井出泥出砂對電潛泵壽命的影響評估

井下電潛泵生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜變化的系統(tǒng)，出泥出砂對電潛泵的量化影響是難以模擬的，它包含很多不可控的變量，因?yàn)榧词姑糠N變量均能夠在可控的條件下測試出對壽命的影響，但多種變量的綜合影響還是難以模擬和計(jì)算的，包括電泵機(jī)械結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)狀況等?；趶V泛的統(tǒng)計(jì)分析，電潛泵在出泥出砂環(huán)境下的壽命與以下因素有關(guān)[2]：①井液特征（黏度、乳化、含水率等）；②電泵葉輪（徑流或混流、材質(zhì)、涂層）；③流量及運(yùn)行區(qū)間是否在推進(jìn)范圍內(nèi)；④電泵結(jié)構(gòu)（浮式或壓緊式、軸承配置）；⑤泥砂特性（組分、尺寸、形狀、懸浮特性）；⑥葉輪表面液體流速（流速、頻率）；⑦其他如結(jié)垢、腐蝕性井液等能夠加劇磨蝕的因素。

綜上評估油井出泥出砂對電潛泵壽命的影響，難以準(zhǔn)確量化，更多基于統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)分析。統(tǒng)計(jì)南?；葜萦吞?010—2015年的電潛泵故障（圖2），出砂出泥導(dǎo)致的故障躺井（17井次），占故障總井次比為24%，電潛泵平均壽命2.2年（表1），低于惠州油田平均電潛泵運(yùn)行壽命3.7年。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明井液中含砂超過10mg/L將會(huì)顯現(xiàn)對電潛泵的影響，常規(guī)的防砂型電泵可適用于含砂50～100mg/L的井況[3]。

圖2 惠州油田2010—2015年電潛泵故障（井次）統(tǒng)計(jì)圖

1.2 電潛泵軸承材質(zhì)和配置優(yōu)化

電潛泵軸承結(jié)構(gòu)的示意圖如圖3所示，一組軸承包含套筒和軸承兩塊主要抗磨蝕部件，其中套筒固定于定葉輪上，相對電泵殼體靜止，軸承則跟隨電潛泵軸高速旋轉(zhuǎn)。軸承對于電潛泵的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要，一旦發(fā)生磨損或破碎可能導(dǎo)致劇烈震動(dòng)、泵軸偏心、甚至斷軸等。通常電潛泵的軸承材料包含3種,見表2。

圖3 電潛泵軸承結(jié)構(gòu)示意圖

表2中3種材質(zhì)使用成本依此增高，抗磨能力也逐漸加強(qiáng)，軸承可以是3種抗磨材質(zhì)中的一種或是兩者材質(zhì)組合應(yīng)用。可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用調(diào)整軸承的對數(shù)和組合，如每隔幾級葉輪增加一組軸承，放置依據(jù)主要根據(jù)井下出砂情況和產(chǎn)液情況。從惠州油田實(shí)際設(shè)計(jì)來看，出砂嚴(yán)重，液量超過10 000桶每天的每級葉輪放置一組軸承，液量小于10 000桶每天的每三級葉輪放置一組軸承[1]。

1.3 電潛泵葉輪材質(zhì)優(yōu)化

電潛泵葉輪材質(zhì)一般包含兩種：Ni-Resist（耐蝕高鎳鑄鐵）和5530合金[4]。從表3來看，5530合金的有效抗腐蝕成分Nickel（鎳）比例更高，同時(shí)添加含Molybdenum（鉬）新型特殊成分，因此抗沖蝕能力更高。故5530合金葉輪一般用于嚴(yán)重腐蝕和沖蝕的井況，但其價(jià)格昂貴增加了使用成本。對于經(jīng)濟(jì)性好、產(chǎn)量高但地層出砂出泥惡劣的油井建議采用5530合金。

表1 惠州油田2010—2015年出泥出砂井壽命統(tǒng)計(jì)表

表2 電潛泵軸承材質(zhì)表

表3 電潛泵葉輪材質(zhì)表

1.4 鍍層的使用

鍍層是通過強(qiáng)化電潛泵葉輪表面，更好地適應(yīng)腐蝕或沖蝕情況，在一定范圍內(nèi)替代升級電潛泵葉輪材質(zhì)（采用5530合金），以降低成本。常用的葉輪鍍層包含環(huán)氧樹脂（Epoxy）和鐵氟龍（Teflon）基底的鍍層，還有陶瓷硬表面鍍層。陶瓷鍍層只能適用于表面積較大的葉輪，多為高排量的電潛泵。以下列舉了南海東部油田6種常用鍍層：環(huán)氧樹脂涂層（EPOXY COATING）；嵌入抗研磨層（EXTRUDE HONING）；鷹柏倫237系統(tǒng)涂層（IMPREGLON 237 COATING）；碳化鎢涂層（TUNGSTEN CARBIDE COATING）；碳化鉻涂層（CHROMIUM CARBIDE COATING）；鷹柏倫410系列涂層（IMPREGLON 410 COATING）。

以上鍍層升級方案同樣適用于吸入口、分離器、防砂處理器等，由于鍍層目前大部分停留在理論或者實(shí)驗(yàn)室研究效果分析上，缺乏現(xiàn)場明顯的優(yōu)化對比數(shù)據(jù)，鍍層效果和材料優(yōu)選相比有一定局限性，故各種類型的鍍層差異不大，在設(shè)計(jì)時(shí)注意點(diǎn)主要集中在保證整個(gè)電潛泵管串防砂鍍層規(guī)格一致不存在缺失或者薄弱點(diǎn)。

1.5 安裝防砂器

使用防砂器件安裝于電泵軸頂部，可防止泥砂進(jìn)入電泵軸與葉輪之間和軸承縫隙。其原理為井下加裝旋流器，利用密度差將泥砂與液體分離。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

出泥出砂是南?；葜萦吞餄撚碗姳蒙a(chǎn)中常見的問題，部分處于防砂臨界點(diǎn)的油井在沒有防砂的情況下，隨著油井生產(chǎn)的進(jìn)行，含水上升、地層壓力下降和生產(chǎn)壓差的增大，油層膠結(jié)能力減弱，導(dǎo)致地層有一定的出砂。同時(shí)也有一部分防砂措施井會(huì)出現(xiàn)防砂失敗，或者由于地層砂分選度不均勻，篩管選擇不合理，防住了粗砂未防住細(xì)砂。

表4 惠州油田出砂出泥井優(yōu)化選材設(shè)計(jì)后運(yùn)行壽命統(tǒng)計(jì)表

鑒于南海惠州油田有部分井存在出泥出砂問題，如表1中HZ21-1-4Sb1、HZ21-1-13、HZ19-3-7井，在其躺井后，采取了防砂防泥設(shè)計(jì)，使用的電泵設(shè)備已達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)防砂級別，所使用的軸承材質(zhì)為氧化鋯，每兩組軸承之間距離為25.4cm（10＂），葉輪材質(zhì)均為改進(jìn)型Ni-resit（5530合金），暫且未用到鍍層和防砂器。目前運(yùn)行數(shù)據(jù)見表4，HZ19-3-7井為2012年首口防砂選材優(yōu)化后的井，截至2016年6月27日，已持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1 493天，效果極好，超過躺井前的壽命60天，同時(shí)也超過油田出砂出泥井的平均壽命2.2年；HZ21-1-4Sb1、HZ21-1-13兩口井為2015年修的井，目前狀況良好，并持續(xù)記錄監(jiān)測中，以便建立油井運(yùn)行壽命的初步對比模型，為后期必要的升級計(jì)劃提供依據(jù)[5-6]。

3 結(jié)論

從三口井的應(yīng)用效果來看，此三口井對葉輪材質(zhì)的升級效果是很明顯的。然而井下工況存在多樣性和不確定性，對于出砂出泥井，綜合考慮應(yīng)從以下3個(gè)方面加強(qiáng)工作。

1）完備出泥出砂井電潛泵運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)信息和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并擴(kuò)大至整個(gè)油田，特別是對于大液量生產(chǎn)、層位淺、出砂明顯的井，要做好日、周、季度泥沙樣的監(jiān)控并制作成趨勢曲線。鎖定目標(biāo)井，便于找準(zhǔn)出砂規(guī)律和摸清嚴(yán)重度。

2）現(xiàn)場需根據(jù)電潛泵出泥出砂情況下的運(yùn)行壽命影響因素，分析不同情況來升級材質(zhì)方案，在考慮經(jīng)濟(jì)費(fèi)用可控的情況下，優(yōu)化電潛泵的軸承、葉輪及鍍層的組合，進(jìn)而提高電潛泵抗磨蝕能力，延長運(yùn)行壽命。

3）井下管柱安裝防砂器，必要時(shí)采取大修沖砂，同時(shí)考慮防砂、控砂完井措施，以減少泥砂對電潛泵生產(chǎn)流程和地面設(shè)備的影響。這些方法對海洋油田此類情況的電潛泵設(shè)計(jì)有一定的參考指導(dǎo)意義。

[1]邱宗杰.海上采油工藝新技術(shù)與實(shí)踐[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

[2]萬仁溥.采油工程手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,2003.

[3]張鈞.海上采油工程手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2001.

[4]鄭春峰.采油電泵采油系統(tǒng)功率計(jì)算:Q/HS 2008-2009[S].北京:石油工業(yè)出版社,2016.

[5]代文.海上油田井口控制盤日常操作與管理[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2014,30(7):51-52.

[6]李令喜,付軍,劉滔.387系列高揚(yáng)程電潛泵開發(fā)[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2014,30(9):1-3.

The abrasion mechanism of electric submersible pump is analyzed according to the common mechanical fault patterns of elec?tric submersible pump in offshore oil fields,the influence of oil well producing sand and mud on the service life of the electric submers?ible pump is also analyzed based on the actual data of Huizhou Oilfield,and some measures against abrasion are put forward,including the optimization of bearing material,impeller material and impeller paintcoat.After the impeller material of the electric submersible pump used in sand producing well HZ19-3-7 of Huizhou Oilfield was changed to 5530 alloy,the service life of the electric submersible pump before workover was increased from 80 d to 1 493 d.

electric submersible pump；offshore oil well；mechanical failure；wear-resistant bearing；impeller

王梅

2016-06-21

唐文峰（1969-），男，工程師，現(xiàn)主要從事海上油田管理研究工作。