電潛泵分離器殼體斷脫機(jī)理分析

任強(qiáng)

摘 要：本文對電潛泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述，對砂蝕導(dǎo)致分離器殼體斷脫機(jī)理進(jìn)行了分析，對汽蝕導(dǎo)致分離器殼體斷脫機(jī)理進(jìn)行了分析，對分離器殼體材質(zhì)導(dǎo)致分離器殼體斷脫原因進(jìn)行分析并進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，并提出了改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：電潛泵；分離器；殼體斷脫；分析

1電潛泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

潛油電泵是同油管一起下入井內(nèi)，并在井下工作的多級離心泵，地面電源通過變壓器、控制屏和潛油電纜將電能輸送給井下潛油電機(jī)，使電機(jī)帶動多級離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過機(jī)械能把油井中的液體舉升到地面，由以上這些部分共同構(gòu)成了潛油電泵機(jī)組，潛油電泵機(jī)組的基本組成如圖1所示。

2砂蝕導(dǎo)致分離器殼體斷脫機(jī)理分析

物體表面遭受流體裹攜固體粒子的沖刷，使物體表面材料不斷損失，這種磨蝕作用稱為砂蝕。沖蝕速率指沖擊靶體的單位質(zhì)量的沖蝕粒子所磨蝕掉的靶體材料的質(zhì)量。

沖蝕粒子旋轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)速是影響沖蝕速率大小的最為重要的兩個因素，在分離器中，砂粒對分離器殼體的沖蝕速率與沖蝕粒子旋轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式：

（1）

式中， n為沖蝕粒子轉(zhuǎn)速，r/min ； r為沖蝕粒子旋轉(zhuǎn)半徑， m；E為磨蝕掉的分離器殼體質(zhì)量，g；e為沖蝕粒子的質(zhì)量，g； 取值2.0～6.5。

在電潛泵采油系統(tǒng)中，進(jìn)入分離器中的井液在葉輪處被高速旋轉(zhuǎn)加速，由式（2）可知在轉(zhuǎn)速一定的情況下，沖蝕速率會隨著沖蝕粒子旋轉(zhuǎn)半徑呈指數(shù)增長，葉輪外套內(nèi)緣處的沖蝕粒子旋轉(zhuǎn)半徑比其他部位粒子旋轉(zhuǎn)半徑要大，則此處砂粒對分離器殼體的沖蝕速率最大。另外，葉輪外殼處存在拐角，導(dǎo)致砂粒易在此處沉積，砂粒質(zhì)量大于其他部位。由式（1）可知，在沖蝕粒子速度一定的情況下，砂粒對分離器殼體所磨蝕掉的殼體質(zhì)量會隨著沖蝕粒子質(zhì)量的增大而增大。綜上所訴，葉輪外殼處是分離器中易斷脫的區(qū)域。

3汽蝕導(dǎo)致分離器殼體斷脫機(jī)理分析

分析現(xiàn)場使用過的分離器發(fā)現(xiàn)，部分含氣量大的油井使用的分離器殼體內(nèi)壁的表面具有非常明顯的汽蝕損害特征，且電潛泵井分離器殼體斷脫嚴(yán)重性會隨著油井含氣量的增大而增大。因此，氣蝕對分離器殼體斷脫有很大的影響。

進(jìn)入到分離器中的井液隨著葉輪作用不斷加速，經(jīng)導(dǎo)流輪后液體壓力升高，增壓后的流體進(jìn)入分離腔進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。描述流速與壓力轉(zhuǎn)換關(guān)系的流體伯努利方程為：

（2）

式中，p0為不受分離器殼體影響的流體壓力，Pa；pmin為，殼體表面最低壓力，Pa； v0為不受分離器殼體影響的流速，m/s； v為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2； ρ為混合液密度，kg/m3 。

由式（2）伯努利方程可知，流體流動增加，壓力降低，當(dāng)流體的壓力下降到汽化壓力時，產(chǎn)生蒸汽，形成氣泡。這些氣泡隨著液體向前運(yùn)動，到一定程度時氣泡周圍的高壓液體使氣泡急劇縮小到破裂。在氣泡破裂的同時，液體以高速填充空穴，在此瞬間形成水擊作用，壓力波以極高沖擊頻率打擊金屬表面，產(chǎn)生氣蝕作用。分離腔中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的流體與分離器殼體內(nèi)壁直接接觸，具有發(fā)生汽蝕破壞的條件。同時，高礦化度和含腐蝕性物質(zhì)的油井產(chǎn)出液對分離器殼體具有電解、化學(xué)腐蝕破壞，其中H2S腐蝕最為突出。分離腔中運(yùn)動的流體、新裸露的金屬表面等因素更加劇了腐蝕的破壞作用。

4分離器殼體材質(zhì)導(dǎo)致分離器殼體斷脫原因分析

分離器殼體材質(zhì)是影響分離器性能的最主要的一方面。通常，分離器殼體采用的材料是45#鋼，此種鋼的硬度僅為HB=217-255，含Cr量通常小于0.25%，此種性質(zhì)的鋼耐磨耐腐蝕的能力較低，難以滿足分離器在砂蝕、汽蝕下對材料硬度和強(qiáng)度的要求，這是導(dǎo)致分離器殼體斷脫的內(nèi)因。

5實(shí)例計(jì)算

本文對分離器殼體斷脫的使用QYF98X分離器的電潛泵井進(jìn)行實(shí)例計(jì)算。此分離器的基本參數(shù)為：內(nèi)徑0.031m，葉導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速2850r/min，攜砂粒密度1.8g/cm3，砂粒直徑0.1mm，排量85m3/d，井深3020m，油水混合物密度985kg/m3，沉沒度800m，含砂量0.8‰，45#鋼質(zhì)的分離器經(jīng)濟(jì)流速2.2m/s，分離器吸入口處穩(wěn)定流速0.4m/s。

把相應(yīng)數(shù)值帶入相應(yīng)公式得分離器殼體受到流體46.65J沖擊功，攜砂流體沖刷速度9.25m/s，分離器口壓力7722400Pa，經(jīng)葉導(dǎo)輪高速旋轉(zhuǎn)后的流體壓力7680312.92Pa。

經(jīng)實(shí)例計(jì)算分析，明確導(dǎo)致此井分離器殼體斷脫的影響因素：

1） 攜砂流體對分離器殼體的沖擊功46.65J，而45#號鋼沖擊功僅39J左右，分離器殼體長期在這種力學(xué)作用下使用，使用壽命會收到影響。

2）分離器殼體經(jīng)濟(jì)流速2.2m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于流體實(shí)際流速9.25m/s，沒能保證分離器殼體在最有安全最經(jīng)濟(jì)的流速下生產(chǎn)，會對分離器殼體造成嚴(yán)重?fù)p壞，降低殼體使用壽命。

3）導(dǎo)葉輪高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的壓能損失42087.08Pa，足以舉升密度985kg/m3的流體4.36m，壓能損失巨大。壓力的巨大損失影響汽蝕作用。

6結(jié)論

1）未經(jīng)改進(jìn)的分離器殼體即作為承載、封閉的部件，其內(nèi)部又承受流體直接沖蝕，鋼材材質(zhì)為45#鋼，性能不能滿足耐砂蝕、汽蝕和腐蝕要求。

2）對分離器進(jìn)行改進(jìn)，在殼體內(nèi)加裝一層高強(qiáng)度的高鉻鋼材料，形成雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯材料性能可以承受流體砂蝕、汽蝕和腐蝕影響，避免了流體對殼體的直接損害。

3）采用全內(nèi)襯高鉻鋼分離器，可以完全避免流體對殼體沖刷腐蝕，避免局部內(nèi)襯不能完全保護(hù)的缺陷，改進(jìn)后的分離器使用壽命平均超過1003天。

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