中高含水后期機采井抽油泵的改進與應(yīng)用

張 偉，李 兵，李本剛，楊 喆，景文杰，魏瑞軍，羅凌燕，鄭玉倩

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

隨著油田的不斷開采，采油三廠大部分油田進入中高含水期，井筒生產(chǎn)環(huán)境逐步惡化，油井腐蝕、出砂、結(jié)垢嚴(yán)重[1]，抽油泵檢修周期越來越短，嚴(yán)重影響了油田開發(fā)綜合經(jīng)濟效益的提高。本文針對油井因垢、砂檢泵率高，檢泵周期短的問題，開展了抽油泵的改進與應(yīng)用，通過設(shè)計固定閥側(cè)向出油，預(yù)留沉垢通道，升級泵閥材質(zhì)，優(yōu)化柱塞長度，形成了新型防垢抽油泵，有效降低了油井因結(jié)垢檢泵頻率，延長了油井檢泵周期。

1 抽油泵故障分析

2018 年采油三廠全年發(fā)生油井維護作業(yè)4 215 井次，其中泵故障原因上修979 井次，占比達到30.1 %，泵故障頻繁井檢泵周期不足210 d。主要原因為結(jié)垢導(dǎo)致閥副漏失、卡泵等柱塞故障[2]，累計發(fā)生維護作業(yè)698 井次，主要分布在五里灣長2、吳433、塞392、池46 等區(qū)塊。泵故障核實原因主要是結(jié)垢導(dǎo)致閥副坐封不嚴(yán)以及柱塞卡等故障，檢泵403 井次，占泵故障42%；其次是腐蝕導(dǎo)致閥副漏失等故障維護185 井次，占泵故障19 %；三是井底出砂及大顆粒雜質(zhì)導(dǎo)致閥副坐封不嚴(yán)漏失維護135 井次，占泵故障14 %。

1.1 泵閥故障

1.1.1 泵固定閥座漏失 抽油泵閥副漏失表現(xiàn)形式為固定閥漏失、游動閥漏失以及固定閥與游動閥同時漏失及雙閥漏失三種。其中以固定閥漏失為主，占84 %。漏失表觀原因為閥球與閥座坐封不嚴(yán)導(dǎo)致抽油泵在抽汲過程中無法百分百將液體舉升到地面，核實原因主要有以下幾類：

（1）井筒結(jié)垢嚴(yán)重[3]。該類故障占40 %，主要原因為部分高含水區(qū)塊，由于井筒結(jié)垢嚴(yán)重導(dǎo)致球座內(nèi)壁因附著大量垢質(zhì)而無法坐封，出現(xiàn)嚴(yán)重漏失現(xiàn)象，即閥副失靈；另外油管內(nèi)壁結(jié)垢，垢渣掉入泵筒出現(xiàn)卡泵或垢堵球閥。

（2）地層出砂及雜質(zhì)影響。該類故障占25 %，一是部分低產(chǎn)區(qū)塊間歇出液頻繁、液體攜帶能力差[4]，使得泥砂或其他雜質(zhì)不能及時排出；二是由于投產(chǎn)后沖砂不徹底或地層出砂，短期內(nèi)出現(xiàn)砂埋球閥。

（3）材質(zhì)性能不適應(yīng)井筒工況。該類故障占21 %，一是普通不銹鋼防腐性能差，在部分高含水區(qū)塊，由于介質(zhì)腐蝕，在普通不銹鋼球及球座上形成坑點[5]，使凡爾球與球座之間坐封不嚴(yán)導(dǎo)致漏失；二是由于低液量井或汽油比較大井因液擊和氣蝕原因?qū)е麻y副刺漏；三是高產(chǎn)或超深井井底流壓高，由于流動液體中包含了細砂、細垢等微粒在高壓液擊的作用下對閥球造成了沖擊，導(dǎo)致閥球在閥罩里不規(guī)律的運動，受到了側(cè)向切削的作用。長期已久就造成了固定閥座的不規(guī)則磨損變化，導(dǎo)致密封不嚴(yán)實漏失。

1.2 泵筒與柱塞間隙漏失

1.2.1 腐蝕漏失 柱塞和泵筒配合表面的鍍層發(fā)生腐蝕，嚴(yán)重時會造成配合間隙增大漏失量超標(biāo)。

1.2.2 磨損漏失 由于泵筒和柱塞之間存在著致密的鍍層可以對摩擦造成的損失降到最低，但是當(dāng)磨損達到鍍層所能承受的極限時兩者之間的密封性就會迅速降低，導(dǎo)致漏失發(fā)生。2018 年發(fā)生上修59 井次，占泵故障的維護井次5.9 %。

1.3 泵閥堵塞

在地層出砂較多、井筒中異物較多的情況下[6，7]，這些異物會隨流體進入抽油泵泵閥中，發(fā)生堵塞進而造成球閥的開啟受到影響，降低抽油泵生產(chǎn)效率。2018年發(fā)生上修89 井次，占泵故障的維護井次8.9 %。

1.4 泵筒卡泵

泥砂、異物卡泵。抽油泵在運行時，柱塞與泵筒之間在環(huán)周上和軸向上的間隙是不均勻的，泥砂容易從間隙較大的區(qū)域進泵，形成楔形泥砂堆積。堆積的泥砂會造成一定的壓力，當(dāng)這種壓力產(chǎn)生的摩擦力超過了油桿對柱塞的提升力時，抽油泵就會由于卡泵而不能運行。2018 年發(fā)生上修146 井次，占泵故障的維護井次14.6 %。

1.5 閥罩?jǐn)嗝?/h3>

主要是上出油閥罩?jǐn)嗔?。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計上受泵筒內(nèi)徑限制，抽油泵上出油閥罩的承載能力相對較低，容易發(fā)生疲勞斷裂。另外，上出油閥罩內(nèi)孔在閥球的反復(fù)沖擊下將產(chǎn)生磨損、腐蝕，最終導(dǎo)致疲勞斷裂的加速產(chǎn)生。2018 年發(fā)生上修116 井次，占泵故障的維護井次11.6 %。

2 防垢泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，采油三廠應(yīng)用的防垢泵主要有長柱塞防垢泵，該泵周期能夠達到260 d 以上，取得了一定的防垢效果。但長柱塞防垢抽油泵易造成由于震動及摩擦形成的垢片在泵筒內(nèi)沉積，導(dǎo)致卡泵幾率高且無法進行清除垢。2019 年入井237 臺，垢卡上修37 井次，固定閥漏失上修18 井次，上修率較高（23.2 %）。

普通抽油泵仍是生產(chǎn)的主力，井下工作近4 800臺，年均更換新泵3 700 臺，目前主要存在泵閥損傷、活塞卡泵、泵閥卡堵和游動閥罩?jǐn)嗟? 項問題。

3 固定閥上置式防垢泵結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 結(jié)構(gòu)原理

目前，全廠因垢砂檢泵的主要原因是抽油泵垢砂卡和垢砂漏，油井出垢砂沉積到固定凡爾，導(dǎo)致固定凡爾堵死，抽油泵漏失；垢砂沉積到活塞與襯套之間，活塞卡死，導(dǎo)致卡泵，活塞磨傷，導(dǎo)致泵漏失。根據(jù)這個問題，對新型防垢泵進行設(shè)計，在普通抽油泵的基礎(chǔ)上，設(shè)計固定閥上置式防垢泵，具有長柱塞、短泵筒、環(huán)空沉砂沉垢的泵筒結(jié)構(gòu)，即固定閥縮小上置泵內(nèi)，支撐管外壁與加長管內(nèi)壁形成環(huán)形沉垢沉砂空間，可有效避免砂卡柱塞；固定閥罩改為側(cè)向出液，有利于沉垢落入環(huán)形空間，防止砂、垢堆積埋固定閥。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過優(yōu)選定型了抽油泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖1）。

3.3 工作原理

上沖程時游動凡爾關(guān)閉，液體從套管進入固定閥總承，固定凡爾打開，通過球座支撐管進入柱塞和泵筒內(nèi)，此時泵筒內(nèi)的垢砂開始下沉，由于固定凡爾為側(cè)向出液，垢砂進入不了固定球座，則沉落至支撐管與總承的環(huán)形沉垢空間。

下沖程時游動凡爾打開，固定凡爾關(guān)閉，液體從泵筒進入油管內(nèi)，下沖程液體從固定凡爾處進入油管中，為排液狀態(tài)，垢片在液流的沖擊下無法進入泵筒。該泵能夠?qū)崿F(xiàn)上下沖程垢片無法進入泵筒與柱塞間隙，直接進入沉砂沉垢空間，能有效降低因垢卡泵幾率。

4 固定閥上置式防垢泵材質(zhì)設(shè)計

依據(jù)國標(biāo)GB/T 18607-2001 抽油泵及其組件規(guī)范對防垢泵組件材質(zhì)進行設(shè)計選型。

4.1 泵閥材質(zhì)

閥球閥座將目前使用的高鉻不銹鋼改為硬質(zhì)合金碳化鈦球、碳化鎢座材質(zhì)，與常規(guī)的不銹鋼閥球相比硬度由HRC58 提升到HRC88，其硬度高、力學(xué)性能提高1～3 倍，抗沖擊性能及耐腐蝕性能得到大幅提高（見表1）。同時，閥副規(guī)格進行更改，閥球直徑減小，閥座孔徑減小，厚度增加（見表2）。

圖1 設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

表1 閥球、閥座不同材質(zhì)性能表

表2 閥球、閥座不調(diào)整變化表

經(jīng)計算改后的流速比原流速提高了50 %。閥球直徑減小，降低撞擊力，改善閥座受力狀況。閥座孔徑減少，增加流速，減少垢砂沉積幾率。

4.2 泵筒

根據(jù)性能及價格優(yōu)選原則，確定泵筒采用鎳磷鍍，噴/鍍層厚度≥0.06 mm，噴/層硬度HRC66～69。同時選取短泵筒結(jié)構(gòu)（3.3 m 下調(diào)至1.2 m），降低柱塞與泵筒接觸面積，增加下部沉垢空間（見表3）。

4.3 柱塞

柱塞材料有碳鋼與不銹鋼。不銹鋼材質(zhì)較好，采用316L 不銹鋼材質(zhì)調(diào)質(zhì)處理，提高柱塞內(nèi)表面防腐能力，在對試樣進行了模擬工況試驗后，確定了柱塞的防腐措施為柱塞噴焊由Ni60A 改為Ni60AA,含鐵量由5 %降低到3 %，提高鎳合金含量，提高抗腐蝕性能。同時選取長柱塞結(jié)構(gòu)，柱塞由1.2 m 提升至3.3 m（見表4），柱塞上端始終不進泵筒，防止油管內(nèi)的砂、垢進入柱塞與泵筒間隙卡泵。

4.4 閥罩

固定閥罩結(jié)構(gòu)采用上置式、側(cè)向出液結(jié)構(gòu)，減小閥球卡堵幾率。固定閥罩和游動閥罩材質(zhì)由45#鋼升級為3Cr13 不銹鋼，調(diào)質(zhì)硬度由HRA55～62 提高到HRA64～67，減少因腐蝕加劇導(dǎo)致閥罩?jǐn)嗔选?/p>

4.5 室內(nèi)試驗

配制10%的NaCl 溶液并用乙酸調(diào)節(jié)pH 值至5.5，弱酸性環(huán)境。試件在濕熱箱中，升溫至80 ℃～90 ℃，容器密封，模擬井下生產(chǎn)環(huán)境，進行觀察。腐蝕試驗證明：泵筒采用鎳磷鍍，柱塞選用不銹鋼，噴焊Ni60AA，閥球閥座采用碳化鈦球、碳化鎢座材質(zhì)防腐效果較好（見表5）。

4.6 定型設(shè)計

經(jīng)過篩選確定了抽油泵的材質(zhì)（見表6）。

5 應(yīng)用情況

為了更好的驗證抽油泵垢砂防護裝置防垢砂效果，自2019 年10 月開始在全廠五個區(qū)塊在油一區(qū)、油二區(qū)、五一區(qū)、五二區(qū)與胡尖山高含水區(qū)塊，選擇結(jié)垢嚴(yán)重、泵閥漏失嚴(yán)重油井進行試驗，截止目前采購160臺，入井試驗111 臺，起出21 臺，平均運行248 d，檢泵周期延長98 d，運行情況良好。從試驗時間較早的效果看，該技術(shù)取得了一定的效果，在一定程度上實現(xiàn)了對嚴(yán)重結(jié)垢出砂井的治理，為采油三廠的垢砂井治理提供了有益的技術(shù)探索。

表3 鍍硬鉻、鍍鎳磷和碳氮共滲技術(shù)參數(shù)對比表

表4 柱塞技術(shù)參數(shù)選擇表

表5 室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

表6 定型設(shè)計統(tǒng)計表

對起出的21 口井進行分析，綜合含水達到76 %，平均生產(chǎn)149 d，其中因管、桿故障檢泵13 口，因泵故障檢泵6 口，占比14.2 %，經(jīng)現(xiàn)場分析，主要原因是泵質(zhì)量問題。其中柳65-42 因球座刺漏，經(jīng)檢驗球座為不銹鋼球座；姚3-44 因泵內(nèi)襯套松動發(fā)生移位，導(dǎo)致泵漏；姚7-43 因活塞卡死，經(jīng)檢查泵漏失性能未達到要求1 級漏失量（235 mL/min），導(dǎo)致垢進入泵筒垢卡；定597-20、姚3-17 因不銹鋼雙公接頭斷裂導(dǎo)致上修。

6 結(jié)論

（1）設(shè)計研發(fā)的固定閥上置式防垢泵，具有長泵筒、短柱塞結(jié)構(gòu)，固定閥上置且側(cè)向進液，減少了因垢、砂造成的卡泵等檢泵作業(yè)，完善了井下防垢泵工藝技術(shù)體系，同時招標(biāo)價為3 900 元，較普通抽油泵3 500元（鈦球鎢座）具有較強優(yōu)勢，具備規(guī)模推廣價值。

（2）井筒治理是一項系統(tǒng)工程，在應(yīng)用過程中必須強化管桿配套治理，結(jié)合化學(xué)防垢措施，才能發(fā)揮防垢泵最大效益，進一步提高檢泵周期。

（3）針對泵質(zhì)量問題，抽油泵間隙漏失原因上修，已與供貨商進行對接，要求嚴(yán)把供貨品質(zhì)，優(yōu)化抽油泵間隙，改進游動凡爾雙公接頭材質(zhì)，提高抽油泵質(zhì)量。

（4）目前起出的防垢泵無法更換閥座總承，廠檢泵房無法對長柱塞泵筒試壓，導(dǎo)致該泵未能修復(fù)重復(fù)入井，下一步與廠家完善設(shè)計，將閥座總承焊接連接改為絲扣連接，便于球座更換，同時配套檢泵房長柱塞試壓工裝，開展防垢泵修復(fù)工作，延長抽油泵使用壽命。

（5）下一步技術(shù)研究方向是結(jié)合不同油藏的井筒矛盾優(yōu)化改進不同泵型以解決抽油泵存在的問題并提高產(chǎn)品適應(yīng)性，進一步提高檢泵周期與采油時率。