井液含砂對潛油電泵機組的影響

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)過程中經(jīng)常遇到的問題，它直接影響油井的正常生產(chǎn)。井液含砂是造成機組故障的主要原因之一。在潛油電泵井的生產(chǎn)過程中要求井液的含砂量不得超過萬分之五，如果井液含砂量過高，潛油電泵在運行過程中，會使?jié)撚捅脟?yán)重磨損、排量下降，電機負荷增大，嚴(yán)重時會引起卡泵，從而降低機組壽命。

1 油井出砂的原因

油田一經(jīng)開發(fā)，就會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。對于溶洞、晶隙等為主的孔隙巖層來說，不會產(chǎn)生太大的巖層結(jié)構(gòu)變動，而對于以顆粒間隙為主的砂質(zhì)儲層來講，其結(jié)構(gòu)視其膠結(jié)強度可發(fā)生大小不等的變化［1］。

從鉆井一直到后續(xù)的開發(fā)，每一個環(huán)節(jié)都會對地層產(chǎn)生不同程度的破壞，都會造成油井不同程度的出砂。概括起來有以下幾個重要階段：

1）鉆井。鉆井直接破壞地層的原始平衡，鉆頭的鉆進對巖層產(chǎn)生直接的破壞，井筒周圍的巖層變得疏松、脆弱，在膠結(jié)不太緊密的巖層中會產(chǎn)生更大的破壞。此時雖然巖層很少出砂，但它是以后巖層出砂的主要影響因素。

2）射孔。油井經(jīng)過確定開采后，由于液體的流動、壓力的變化等原因，會使井眼周圍產(chǎn)生一個壓力漏斗，這種壓力的變化會使井眼周圍的巖層變得不穩(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，同時它也對巖層產(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 井液含砂對潛油電泵機組各部件的影響

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

2.1 井液含砂對離心泵的影響

潛油離心泵大多采用浮動式葉導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，葉輪在軸向不固定，能自由上下移動，很容易使井液中的砂粒進入磨損區(qū)，造成離心泵磨損加劇。砂粒對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，如果砂粒較大就會在軸的徑向扶正處發(fā)生磨損。徑向扶正處的磨損會使軸偏心旋轉(zhuǎn)，即擺動。這種擺動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，那么會對泵造成徑向磨損，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產(chǎn)生強烈的振動，振動會使電纜與泵頻繁撞擊，在泵表面留下劃痕；圖3 中，當(dāng)振動一段時間后，葉輪輪轂?zāi)p嚴(yán)重，之后會把泵軸磨成竹節(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。由于浮動葉輪產(chǎn)生的軸向推力是由該級的止推墊片承受的，當(dāng)泵正常運轉(zhuǎn)時，進入推力磨損區(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。井液含砂量過大會使葉輪和導(dǎo)殼的過流表面長期在含有砂粒的液體沖刷下，過早地產(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 井液含砂對分離器的影響

分離器和泵一樣，都在電機的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)部件都是較大的鑄件，動平衡精度不容易達到很高，如在徑向扶正處稍有磨損，就會導(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，零部件損壞嚴(yán)重。振動通過軸傳遞到保護器，使機械密封產(chǎn)生振動而失效，振動嚴(yán)重時會使分離器軸斷裂［3］。

井液中的砂粒對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 井液含砂對保護器的影響

圖6 機械密封動環(huán)磨損

保護器的主要作用是通過隔離井液和為電機提供潤滑油來保護潛油電機。機械密封是保護器的關(guān)鍵部件。普通型機械密封屬于接觸式密封，它是依靠彈性元件對靜、動環(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到密封的軸向端面密封裝置。含砂井液最容易對機械密封部位造成磨料磨損。磨料磨損是指接觸表面作相對運動時由硬質(zhì)顆?；蜉^硬表面上的微凸體，在摩擦過程中引起表面擦傷與表面材料脫落。硬顆?？梢允墙橘|(zhì)中帶來的，也可以是材料本身含有的硬質(zhì)點，對于外來顆粒，尺寸為0.3~3 μm 時，磨損最嚴(yán)重。圖6 為井液含砂導(dǎo)致機械密封磨損的實例。

2.4 井液含砂對潛油電機的影響

潛油電機是潛油電泵的動力機，它驅(qū)動潛油離心泵汲取地下的井液。如果井液含砂量過高，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，會使泵的容積效率下降，產(chǎn)量下降。當(dāng)較多的砂粒進入葉導(dǎo)輪配合間隙，特別是砂粒粒徑較大時，會導(dǎo)致局部卡死，砂卡將增加機組負荷，使電機發(fā)熱量變大，絕緣下降，最終燒毀［4］。

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

圖7 電機下接頭磁鐵塊融化變形

3 結(jié) 論

綜上可知，井液含砂量過大，會影響潛油電泵機組的使用壽命，并且會增加檢泵費用，增加開采成本。因此，對電泵機組防砂結(jié)構(gòu)的研究和防砂材料的探索將勢在必行。

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

［2］ 劉樹林，徐敏強，董振剛，等.潛油電泵機組振動狀態(tài)評估系統(tǒng)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報，2008，32（5）：58-61.

［3］ 董振剛，龐向東，劉軍，等.電動潛油泵變頻配套設(shè)計方法［J］.石油機械，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.