SAGD井舉升問題及大直徑全陶瓷抽油泵研究

靳建光

（中國(guó)石油遼河油田公司 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦124010）①

目前，遼河油田的SAGD試驗(yàn)區(qū)已有28個(gè)井組進(jìn)入SAGD生產(chǎn)階段。隨著SAGD油井井底溫度不斷升高，腐蝕性介質(zhì)大量析出，化學(xué)腐蝕現(xiàn)象加劇，這些不利因素的綜合作用對(duì)舉升設(shè)備的影響很大，容易造成腐蝕和磨損等問題，影響舉升設(shè)備穩(wěn)定性和使用壽命，特別是多介質(zhì)組合SAGD開采技術(shù)的逐步實(shí)施，在提高產(chǎn)量的同時(shí)也可能會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象和出砂問題，因此需要對(duì)SAGD有桿泵舉升工藝進(jìn)行完善，以滿足生產(chǎn)要求。

由于工業(yè)結(jié)構(gòu)陶瓷材料在耐高溫和耐腐蝕方面都有非常好的性能，因此通過研制120mm全陶瓷抽油泵、防偏磨配套裝置和陶瓷大泵配套脫接器技術(shù)，解決了SAGD油井生產(chǎn)中高溫、大排量和腐蝕等問題，延長(zhǎng)舉升設(shè)備的使用壽命，為SAGD采油技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)施提供有力的技術(shù)支持。

1 目前SAGD井舉升出現(xiàn)的問題

1.1 溫度的影響

在SAGD油井的生產(chǎn)過程中，部分井底溫度已高達(dá)240℃，抽油泵的泵筒一般由碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，表面進(jìn)行硬化處理，而柱塞表面則噴焊鎳基合金或鍍鉻，鎳基合金線膨脹系數(shù)為17.6×10－6／℃，而碳鋼則為11.3～13.0×10－6／℃，加之泵筒與柱塞的截面尺寸不同，壁厚相差很大，以及變形方向的不規(guī)則性和非同一性，增加了卡泵的幾率［1］。

對(duì)于SAGD井，井下溫度將達(dá)到200～300℃，這是一個(gè)敏感的溫度。該溫度接近金屬材料熱處理時(shí)中溫回火的溫度下限，又高于人工失效處理溫度的下限，還是產(chǎn)生第一類回火脆性的溫度。抽油泵在這種溫度下工作的時(shí)間是相當(dāng)長(zhǎng)的，超過材料熱處理時(shí)間的幾百倍，過飽和碳原子有足夠的時(shí)間沿晶格邊界，以鱗片狀碳化物的形式析出，造成脫碳。這一狀況已得到現(xiàn)場(chǎng)使用情況的證明。另外，由于上面提到的不同材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不同，以及受2種材料相互之間結(jié)合強(qiáng)度的影響，零件的表面處理硬化層在高溫工況下從基體上脫落，這在柱塞上表現(xiàn)尤為突出，通常是片狀剝落。

1.2 腐蝕的影響

我國(guó)的稠油油藏中普遍含硫，稠油中所含的硫在蒸汽作用下生成H2S，導(dǎo)致抽油泵關(guān)鍵部件腐蝕，這種腐蝕用化學(xué)方程式表示為：H2S＋Fe＝FeS＋H2↑，此反應(yīng)速度隨溫度升高而加快，溫度平均每增加10℃，反應(yīng)速度增加1倍左右。抽油泵的泵筒和柱塞的表面雖然都經(jīng)過處理，但這種處理均為常規(guī)性處理，存在較多微觀的毛細(xì)微孔，含H2S的液體很容易侵入鍍層或噴焊層中。最終使鍍層下的基體鐵被腐蝕而呈淘空狀態(tài)，鍍層脫落導(dǎo)致卡泵。

1.3 抽油泵的漏失

抽油泵的漏失雖然表現(xiàn)為間隙漏失和閥密封漏失2個(gè)方面，但影響最嚴(yán)重的還是進(jìn)油閥和出油閥的漏失。進(jìn)油閥和出油閥的漏失是由3個(gè)方面原因造成的：①閥座和閥體在高溫狀態(tài)下的變形；②閥體和閥座在高溫下工作表面腐蝕；③閥體和閥座的密封面在高溫下結(jié)垢。抽油泵在汽驅(qū)井工作中的漏失是一個(gè)極為嚴(yán)重的問題，它使抽油泵的泵效大幅降低，影響提液速度。漏失嚴(yán)重者甚至?xí)钩橛捅米罱K喪失抽汲功能［2］。

2.4 脫接器的影響

除陶瓷大泵本身的技術(shù)難題之外，陶瓷大泵配套脫接器技術(shù)也直接關(guān)系到陶瓷大泵的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，也是該項(xiàng)目急需解決的技術(shù)難題。目前大直徑抽油泵采用的結(jié)構(gòu)均為長(zhǎng)泵筒短柱塞，現(xiàn)有脫接器是在泵筒內(nèi)進(jìn)行脫接，而大直徑長(zhǎng)柱塞抽油泵工作時(shí)，長(zhǎng)柱塞將伸出泵筒外很長(zhǎng)一段距離。因此，對(duì)于大直徑長(zhǎng)柱塞抽油泵的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有脫接器技術(shù)并不適用，需要對(duì)脫接器技術(shù)進(jìn)行研究，參考國(guó)內(nèi)外脫接器技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行調(diào)研，研究出陶瓷大泵配套脫接器技術(shù)［3］。

2 改進(jìn)措施

2.1 脫接器的研究

為適應(yīng)120mm全陶瓷泵的長(zhǎng)柱塞結(jié)構(gòu)，在脫接下接頭和扶正導(dǎo)向管增加了導(dǎo)向和扶正結(jié)構(gòu)，減小由于井斜造成的偏心對(duì)對(duì)中的影響，如圖1所示。長(zhǎng)柱塞工作至上沖程時(shí)，由于柱塞較長(zhǎng)，會(huì)伸出在泵筒外一段距離，在井斜影響下，會(huì)產(chǎn)生一定的撓曲。

圖1 脫接器結(jié)構(gòu)示意

同時(shí)，脫接扶正器上端加裝釋放管來引導(dǎo)長(zhǎng)柱塞進(jìn)行工作，對(duì)長(zhǎng)柱塞以及脫接器起扶正作用，增強(qiáng)脫接器的穩(wěn)定性，可以保證大直徑長(zhǎng)柱塞抽油泵脫接器工作的穩(wěn)定性，避免在井斜較大條件下偏心對(duì)對(duì)接的影響，減小大直徑長(zhǎng)柱塞在上沖程時(shí)由于井斜和重力造成的撓曲，增強(qiáng)大直徑長(zhǎng)柱塞抽油泵的工作穩(wěn)定性。

該脫接扶正器應(yīng)用于大直徑長(zhǎng)柱塞抽油泵，保證大直徑長(zhǎng)柱塞抽油泵脫接器工作的穩(wěn)定性，避免在井斜較大條件下偏心對(duì)對(duì)接的影響，減小大直徑長(zhǎng)柱塞上沖程時(shí)由于井斜和重力造成的撓曲，增強(qiáng)大直徑長(zhǎng)柱塞抽油泵工作穩(wěn)定性。

2.2 大直徑全陶瓷泵研究

結(jié)構(gòu)陶瓷不同于鋼材，鋼材表面是鐵碳過飽和固溶體，內(nèi)部是面心立方晶格或體心立方晶格的分子結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)陶瓷表面是一種玻璃態(tài)，內(nèi)部則不是分子結(jié)構(gòu)，而是離子鍵和共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)陶瓷的這種特殊結(jié)構(gòu)形式，要求在燒結(jié)中必須獲得均勻的、超細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，才能獲得好的材料性能：①晶粒要小且均勻，最好是細(xì)小的柱狀晶形；②晶粒之間要很好的鍵結(jié)又不要過于靠近，過于靠近會(huì)產(chǎn)生再結(jié)晶和重結(jié)晶。在高溫陶瓷泵的研制中，用了大量的精力來研究開發(fā)超細(xì)微觀結(jié)構(gòu)陶瓷，研制成功的結(jié)構(gòu)陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨的特點(diǎn)，獲得了優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

大直徑全陶瓷泵采用復(fù)合工業(yè)結(jié)構(gòu)陶瓷材料制造泵筒和柱塞體，充分利用結(jié)構(gòu)陶瓷耐高溫、耐腐蝕、高硬度方面的優(yōu)秀性能，陶瓷泵筒和陶瓷柱塞體在實(shí)驗(yàn)室耐溫達(dá)到350℃，在10%H2SO4溶液中100h無(wú)腐蝕現(xiàn)象，硬度達(dá)到89HRA。全陶瓷泵泵筒部分由泵筒外管和陶瓷泵筒兩部分組成，如圖2所示，利用金屬和陶瓷材料線膨脹系數(shù)不同的性質(zhì)采用溫差法進(jìn)行過盈裝配，給陶瓷泵筒施加預(yù)應(yīng)力，平衡陶瓷泵筒受到的工作載荷，增強(qiáng)工作的穩(wěn)定性。全陶瓷泵的柱塞與泵筒具有極高的硬度、極好的熱穩(wěn)定性和極小的摩擦因數(shù)，其余部件采用耐熱不銹鋼制造，能夠在高溫、腐蝕的工作環(huán)境中工作［4］。

圖2 大直徑全陶瓷泵結(jié)構(gòu)示意

研制的大直徑抗高溫陶瓷泵的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 全陶瓷泵技術(shù)參數(shù)

3 適用井況

大直徑全陶瓷泵采用復(fù)合工業(yè)結(jié)構(gòu)陶瓷材料制造泵筒和柱塞體，充分利用結(jié)構(gòu)陶瓷耐高溫、耐腐蝕、高硬度方面的優(yōu)秀性能，陶瓷泵筒和陶瓷柱塞體在實(shí)驗(yàn)室耐溫達(dá)到350℃，適合中深層稠油SAGD高溫井、腐蝕井、結(jié)垢井和出砂井。

6 結(jié)論

1） 結(jié)構(gòu)陶瓷具有耐溫、耐腐蝕方面的優(yōu)秀性能。抽油泵的關(guān)鍵部件采用復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷材料，解決了SAGD井的生產(chǎn)問題。

2） 進(jìn)行了大直徑全陶瓷抽油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大尺寸陶瓷構(gòu)件制造工藝改進(jìn)及表面加工工藝完善等方面的研究，以及配套脫接器技術(shù)方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 、關(guān)鍵參數(shù)校驗(yàn)等。

3） 大直徑全陶瓷抽油泵能夠滿足SAGD生產(chǎn)需要，并為多介質(zhì)組合SAGD開采技術(shù)的試驗(yàn)和實(shí)施提供了有力的技術(shù)支持，為SAGD采油技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供技術(shù)支持，同時(shí)為其他稠油進(jìn)行高溫開采提供了一種性能優(yōu)越的抽油泵，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

［1］劉中海，單以銀，王儀康，等.汽驅(qū)井抽油泵卡死原因分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2000，29（1）：40－43.

［2］萬(wàn)仁溥，羅英俊.采油技術(shù)手冊(cè)（第四分冊(cè)）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993.

［3］張 琪.采油工程原理與設(shè)計(jì)［M］.東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2003.

［4］沈迪成.抽油泵［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004.