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(1. 長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室，長春 130022)

目前，有桿抽油泵仍是國內(nèi)外各大油田開采石油的主要工具，其市場份額約占80%[1-2]。作為有桿抽油泵總成的核心結(jié)構(gòu)，泵筒和柱塞通過間隙(泵隙)配合，實現(xiàn)往復運動，將地下石油泵送到井上。該泵隙不僅為潤滑介質(zhì)提供空間，降低泵筒與柱塞表面的磨損和溫度，同時在一定尺寸范圍內(nèi)，還能實現(xiàn)兩者間的密封效果。泵筒與柱塞的使用壽命將影響抽油泵的工作效率和檢修周期。根據(jù)中石化、勝利油田等采油公司的檢泵作業(yè)數(shù)據(jù)分析，由于泵筒與柱塞磨損失效，影響抽油泵正常工作約占總問題的30%～70%[3-4]。環(huán)境惡劣、井身結(jié)構(gòu)、自身因素、泵井匹配等，這些都將引起泵筒與柱塞表面發(fā)生摩擦。尤其當油田進入石油開采的中后期，伴隨油井出砂嚴重、地下水及腐蝕介質(zhì)等含量急劇增多，傳統(tǒng)的泵筒與柱塞表面材料及結(jié)構(gòu)不能很好地適應復雜工況。工作人員不能根據(jù)油井具體情況來選用合適的抽油泵類型。這些因素將導致泵筒內(nèi)表面與柱塞外表面的磨損愈加嚴重，加速泵筒和柱塞的失效，最終影響油田產(chǎn)量及經(jīng)濟效益。

根據(jù)現(xiàn)場觀測、臺架試驗、仿真模擬等方法分析[5-9]。泵筒與柱塞的磨損失效形式主要分為二體磨損、三體磨損與腐蝕磨損3種情況[10]。受地質(zhì)因素影響，斜井、水平井等非垂直井將引起抽油泵發(fā)生偏斜，使得柱塞與泵筒產(chǎn)生直接接觸，形成磨損。另外，抽油桿或套管經(jīng)過長時間工作后，易發(fā)生形變，使柱塞產(chǎn)生斜向作用力，形成與泵筒之間的局部偏磨，構(gòu)成二體磨損[11]。當油井開采時，原油當中將伴隨大量的砂石析出，其中一些細小的高硬度顆粒便會進入到泵隙當中，在柱塞的往復運動下，該細小砂石在泵筒內(nèi)壁和柱塞表面產(chǎn)生劃痕甚至犁溝，形成三體磨損。隨著原油不斷開采，大量的水、氣、聚合物等腐蝕性介質(zhì)也隨之不斷析出，而泵筒和柱塞長時間在該腐蝕性環(huán)境下工作，其表面將發(fā)生化學或電化學反應，伴隨著摩擦，從而造成腐蝕性磨損。同時，當表面鍍層產(chǎn)生剝落時，由于材料屬性不同，磨損與未磨損的位置將形成更大的電位差值，進而加速對磨損位置的腐蝕影響。另外，井下溫度也將會加快腐蝕速度，進而加快對表面的損壞。為此，國內(nèi)外相關學者采取相應技術措施，增強抽油泵泵筒與柱塞表面耐磨性，提高泵效，延長抽油泵使用壽命。將現(xiàn)有的抽油泵泵筒與柱塞耐磨技術分為材料表面強化、表面結(jié)構(gòu)改進、新型柱塞、增加輔助性機構(gòu)4個方面，如圖1所示。

1 防磨措施的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

1.1 材料表面強化

材料表面強化，即在泵筒及柱塞的基體材料表面上制備一層物理、化學、機械等性能優(yōu)異于基體的表面材料，使其具有良好的耐磨耐腐蝕性能。當前，大多數(shù)抽油泵泵筒與柱塞的基體材質(zhì)仍以普通的碳鋼為主(例如45#鋼)，為提高其表面的力學性能與抗腐蝕性能，相關學者主要采用傳統(tǒng)強化技術、激光改性技術、復合強化技術對其表面進行改進。

圖1 抽油泵泵筒與柱塞耐磨方法分類

1.1.1材料表面?zhèn)鹘y(tǒng)強化技術

早期抽油泵生產(chǎn)廠家利用化學熱處理(滲碳、滲氮、碳氮共滲)和電鍍等簡單強化方式對抽油泵泵筒與柱塞表面進行處理，使其達到一定的耐磨減阻效果[12-16]。由于滲碳、滲氮等化學熱處理后的表層韌性較差，隨著井下砂石、油水等帶來的沖擊載荷不斷作用下，柱塞和泵筒表面易發(fā)生剝落，容易造成腐蝕磨損[17]。經(jīng)過電鍍后的表層與基體結(jié)合力差，也容易造成表層脫落，甚至卡泵現(xiàn)象的發(fā)生[18]。同時電鍍過程當中產(chǎn)生的顆粒、氣體和液體會造成極大的環(huán)境污染，而對該污染物的回收處理也將帶來生產(chǎn)成本的增加，所以當前各生產(chǎn)商盡量避免采用電鍍強化方式。針對上述出現(xiàn)的問題，劉正等人利用稀土元素具有催滲改性的功能，在泵筒內(nèi)表面采用稀土氮碳硼共滲的強化方式，提高其耐磨耐蝕性能。根據(jù)在遼河油田現(xiàn)場應用結(jié)果分析，該方法要優(yōu)于上述工藝的效果[19]。共滲強化方式需要在高溫下進行，在經(jīng)過長時間熱處理后，零件將產(chǎn)生尺寸變形，所以該方法不適合處理尺寸較大泵筒。隨后，王小峰、姜民政等人分別采用等離子體浸沒離子注入和機械攪拌-化學沉積工藝對柱塞和泵筒表面進行處理，根據(jù)試驗結(jié)果表明，其摩擦性能和耐腐蝕性能均有所提高[20-22]。該工藝仍處于實驗室階段，同時，當前離子體浸沒離子注入與沉積技術存在離子注入面積小、表面不均一等問題，導致該技術在實際應用當中仍存在一定瓶頸[23]。噴焊作為一種較為先進的表面強化工藝，具有效率高、成本低、無污染、效果好等優(yōu)勢，被泵廠廣泛應用于對柱塞表面的強化當中，且取得較好的實際效果[24]。上述研究結(jié)果僅是對泵筒或柱塞單一對象的研究，而摩擦是由兩者間相互作用而產(chǎn)生的，只考慮單方面將導致另一方受損。所以，付路長等人通過合理選配抽油泵泵筒與柱塞摩擦副的材料及表面處理工藝并加以試驗，分析摩擦與磨損結(jié)果，認為碳鋼噴焊柱塞與碳鋼鍍鉻泵筒配對為最優(yōu)方案[25]。經(jīng)過噴焊的柱塞表面工作一段時間后，將會與井下腐蝕液發(fā)生硫化和氧化等化學腐蝕反應，噴焊表層出現(xiàn)起皮、剝離等現(xiàn)象，嚴重影響柱塞使用壽命[17，26]。胡春蓮等人在傳統(tǒng)的噴焊鎳基合金當中加入鉬和鈮抗硫元素后，在河南部分油田使用過程當中，上述腐蝕性現(xiàn)象發(fā)生明顯好轉(zhuǎn)。國外學者利用表面噴涂技術將玻璃纖維、Al2O3等非金屬增強材質(zhì)覆蓋在泵筒或柱塞表面，實現(xiàn)了良好的耐磨耐腐蝕性能[27-29]。根據(jù)實際應用情況來看，目前仍然以傳統(tǒng)滲碳、鍍鉻等加工工藝制造泵筒與柱塞為主[19，24，30-36]。

1.1.2先進激光強化技術

材料表面激光改性技術是利用激光對工件表面進行局部快速加熱，使材料表層的物理和化學屬性發(fā)生改變，提升其力學性能，實現(xiàn)改良表面的目的。根據(jù)現(xiàn)有的激光加工工藝將其分為激光淬火硬化、激光沖擊硬化、激光熔凝、激光熔覆、激光合金化、激光化學熱處理等激光表面改性技術[37，38]。王揚等[39]分別利用激光淬火技術對泵筒與柱塞表面進行相變硬化后，其表面硬度與耐磨性均有很大的提高。馬洪偉[40]利用5 kW橫流CO2激光器對泵筒內(nèi)壁進行熔凝處理，也達到改善表面硬度與耐磨性目的。赫慶坤[41-42]利用激光熔覆技術，先后在柱塞表面制備出性能優(yōu)良的TiC/NiCrBSi和TiC/N熔覆層，以解決抽油泵泵筒與柱塞間的磨損與腐蝕造成的失效問題。同時彭玉娟[43]也利用激光熔覆技術在抽油泵柱塞表面獲得質(zhì)地均勻、高硬度的Ni60熔覆層，獲得良好的耐磨耐腐蝕性能。然而，考慮實際制造成本，目前激光表面強化處理工藝仍沒有被廣大石油機械公司所接受。

1.1.3材料表面復合強化技術

相關學者結(jié)合上述兩類強化技術的優(yōu)點，采用復合強化技術對泵筒進行表面復合強化技術。張鵬吉等人對直徑70 mm、長度7.6 m的泵筒進行先碳氮共滲，再激光淬火的復合熱處理工藝，與先前工藝對比發(fā)現(xiàn)，復合熱處理工藝具有提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢[44]。程義遠[10]采用激光淬火滲氮復合處理技術，在抽油泵泵筒內(nèi)壁制備出性能優(yōu)異的含Cr2N復合滲氮層，由于晶粒細小且致密的的耐磨硬質(zhì)點Cr2N遏制了磨痕的延伸，僅在表面形成短而淺的犁溝，從而大幅減少了復合滲碳層的磨損量，形成良好的柱塞耐磨表面。由于材料表面復合強化技術帶來的性價比并不高，所以仍然沒有被廣泛推廣應用。

1.2 表面結(jié)構(gòu)改進

單純的表面強化技術，并不能很好地降低砂礫對泵筒與柱塞的作用。所以在保證原有柱塞工作狀態(tài)下，相關學者對柱塞的表面結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化，或?qū)χw進行加裝其他機構(gòu)，改進柱塞的運動方式，使其整體受力均勻，使抽油泵泵筒與柱塞達到防偏磨、防砂等目的。

早期俄羅斯學者在柱塞表面加工出菱形網(wǎng)紋槽(如圖2a)，以使沉積在泵筒與柱塞間的微細顆粒雜質(zhì)排出，減輕了兩者表面的磨損，經(jīng)過室內(nèi)試驗驗證，其使用壽命比光滑柱塞提高35%[45]。國內(nèi)，姜東等人在柱塞上端設計了刮砂倒角，使得柱塞在向上運動時，刮出泵桶與柱塞間嵌入的砂石，并隨著原油排出井外，但這一方式只能去除泵筒表面粘結(jié)的砂石，而不能降低砂石對泵筒和柱塞的磨損[46]?；诖耍战ü獾萚47]對防砂槽位置及方向進行優(yōu)化，將原沉砂槽增加了排砂功能，當柱塞運行到?jīng)_程的兩端時，砂石順著柱塞兩端的防砂槽排除(如圖2b)。該結(jié)構(gòu)可以解決砂石對柱塞兩端的影響，但對柱塞中部的效果并不明顯。而祖世強等[48]采用在柱塞表面上、中、下三處分別加工半圓形截面的螺旋防砂槽，并在上部螺旋槽底部加工導砂孔，使環(huán)道內(nèi)的雜質(zhì)隨柱塞沖程時流動，減少聚集淤積，最終減少抽油泵泵筒與柱塞間的磨損。并且該螺旋形防砂槽的半圓形槽口設計克服了原矩形槽口引起的根部應力集中及柱塞抗腐蝕能力下降的現(xiàn)象。目前，市面上所見到的大多數(shù)柱塞表面只設計有等間距的軸向環(huán)形沉沙槽，用以儲存泵筒與柱塞間的砂礫。該方法加工簡單，且適合大多數(shù)油井，但隨著柱塞長時間運動，砂石一直堆積于防砂槽當中，所以在油泵工作后期仍會對泵筒與柱塞產(chǎn)生磨損。

圖2 柱塞表面防砂磨結(jié)構(gòu)示意

1.3 新型柱塞

1.3.1旋轉(zhuǎn)柱塞

柱塞表面的溝槽結(jié)構(gòu)在一定程度上減少了砂石在泵隙當中的存量，進一步降低了砂石對泵筒與柱塞的磨損及偏磨現(xiàn)象的發(fā)生。但是，防砂排砂槽的存在也會影響抽油泵的漏失量及密封性。國內(nèi)外研究學者開發(fā)了旋轉(zhuǎn)柱塞，在保證原有泵效基礎之上，達到降低柱塞偏磨等目的。早期的旋轉(zhuǎn)柱塞是通過上端活節(jié)與螺旋形柱塞桿連接，使柱塞隨螺旋桿進行旋轉(zhuǎn)往復運動，從而降低柱塞與泵筒偏磨，據(jù)井下試驗結(jié)果表明，可減少約33%磨損率，而且局部磨損的情況明顯降低[494]。但是，該種結(jié)構(gòu)增加了抽油泵及抽油桿的負擔，長時間運動容易造成抽油桿發(fā)生斷裂。后來，美國學者研制出自動旋轉(zhuǎn)柱塞，在柱塞上端增設帶有螺旋槽的閥罩或上部柱塞，當柱塞往復運動時，原油進入螺旋槽并沿著螺旋槽邊緣產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)矩，帶動螺旋閥罩或上部柱塞旋轉(zhuǎn)，進而帶動柱塞一起旋轉(zhuǎn)，同時，在石油當中的砂石也隨旋轉(zhuǎn)槽一并排除，該泵在實際應用當中取得了較好的效果[50-52]。國內(nèi)，勝利油田和大慶石油學院等相關單位根據(jù)該相似原理，設計了柱塞自旋器實現(xiàn)柱塞的旋轉(zhuǎn)運動，并在井上及井下試驗均達到了良好效果[11，53-56]。遼河油田開發(fā)一款長柱塞旋轉(zhuǎn)裝置，借助抽油桿上下運動所產(chǎn)生的對軸套上驅(qū)動銷的順時針旋轉(zhuǎn)的作用力，避免了柱塞與泵筒之間總在同一位置發(fā)生磨損，從而解決了因柱塞受力不均，產(chǎn)生偏磨的問題[57]。阿塞拜疆學者則是利用自動對中的柱塞來防止其偏磨，在實際應用當中也取得了很好的效果[58]。

1.3.2長柱塞

為了減少沉砂對柱塞與泵筒造成磨損，勝利油田研發(fā)出一種長柱塞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使柱塞始終有一部分外露于泵筒，隨著柱塞的往復運動，泵隙間的砂石將隨之帶出，有效地防止砂石沉積對泵筒和柱塞造成的磨損。但是，長柱塞屬于大柔度壓桿，當柱塞下行過程中，上端受到過大的載荷，將使柱塞發(fā)生彎曲變形，進而造成偏磨，形成二體磨損。遼河油田根據(jù)井下實際工況，對傳統(tǒng)的長柱塞上端加裝扶正器，同時對泵筒進行氮化處理，根據(jù)優(yōu)化改進后的長柱塞在沈陽油田實際應用情況，新型長柱塞將明顯延長檢修期[59-73]。

1.3.3柔性柱塞

遼河油田鉆采研究院根據(jù)冀東油田實際情況，采用了柔性金屬柱塞，該柱塞采用特殊彈性金屬材料制作而成，使得其在受力時表面發(fā)生柔性變形，進而降低泵筒和柱塞的磨損。在冀東油田實際應用表明，柔性金屬柱塞可明顯降低砂石對泵筒及柱塞表面的損傷，最終提高檢泵周期及泵效[74]。

1.4 增加輔助性裝置

一些學者則在柱塞上加裝刮垢環(huán)、變徑環(huán)及錐環(huán)等機構(gòu)，減少砂石進入泵隙對泵筒與柱塞造成磨損[75-78]。同時一些學者在柱塞表面增加密封環(huán)結(jié)構(gòu)，達到防砂磨效果[79-89]。孫磉礅[87]運用扶正器、精密慮砂管等輔助性裝置，有效地解決了砂磨、偏磨等問題。相關學者在泵筒低端增設防砂管、膨脹篩管、多層復合防砂管等機械防砂裝置，用以解決砂磨、砂卡等問題。孫寶福等[88]開發(fā)了由外管、中管、內(nèi)管(柱塞)構(gòu)成的三管式防砂抽油泵，這種泵通過三管之間的“S”通道，降低砂石對柱塞的磨損，但也容易發(fā)生卡泵現(xiàn)象，且不適合應用于井口小的油田，同時由于自己結(jié)構(gòu)的復雜，也帶來了生產(chǎn)成本的提升。國內(nèi)外相關學者設計出一種具有雙柱塞結(jié)構(gòu)的抽油泵，兩柱塞通過柔性連接體進行鏈接，實現(xiàn)油砂分離的功能，最終減少砂石對泵筒及柱塞的磨損[89-90]。另外，也有很多研發(fā)人員對抽油泵整體結(jié)構(gòu)不斷改進，設計出新型抽油泵[47，91-93]。

2 當前存在的問題

上述研究方法在理論方面已經(jīng)得到完全驗證，并且其中部分技術已經(jīng)應用在抽油泵泵筒與柱塞實際工作當中，雖然取得一定的預期效果，同時也暴露出一些問題。

1) 對泵筒與柱塞的實際工作環(huán)境了解不夠細致、全面。抽油泵的實際工況大體分為6類[1]，鉆采人員對不同工況所含的水、氣、聚合物、油等物質(zhì)實際成分含量了解較少，而不同的工況對泵筒與柱塞的技術要求及型號規(guī)格也隨之不同，這也是大多數(shù)設計者只能停留在理論指導的原因之一。

2) 一些技術的確解決了實際問題，同時也帶來其他負面影響。例如，在柱塞表面增加密封環(huán)、防砂環(huán)等功能環(huán)，雖然降低砂磨砂卡對泵的影響，但從實際角度分析，這種結(jié)構(gòu)也額外的增加了摩擦阻力。在井下長時間的工作，功能環(huán)也將會受到環(huán)境因素影響而失效，破損的碎屑也將造成對泵筒與柱塞的磨損，嚴重的將形成卡泵。在減少砂石對泵筒及柱塞表面磨損及卡泵方面，防砂排砂槽的確起到良好作用。但是，槽的增多也將影響抽油泵的密封性，增加其漏失量，最終影響泵效。

3) 大多數(shù)泵筒與柱塞的設計雖然在理論上可以實現(xiàn)，在實際應用過程中較為困難，且效果并不明顯。由于受到加工條件等生產(chǎn)成本限制，一些新型的抽油泵泵筒與柱塞并沒未得到實際應用驗證，只是停留在理論階段。現(xiàn)有的井上試驗，均是在較為理想化的條件下進行的，而抽油泵泵筒與柱塞的實際工作環(huán)境是非?？量糖覐碗s的，所以最終的實際效果并不理想。

4) 受生產(chǎn)成本因素影響，傳統(tǒng)泵較多，特種泵少見。當前市面上大部分泵筒仍采用傳統(tǒng)的電鍍技術，在其內(nèi)表面形成以鎳磷為基底的鍍層，而柱塞則采用噴焊技術，在其外表面形成以鉻為基底的焊層，從而提高其耐磨耐腐蝕性能。以上方法只是具有可行性，但并不一定能因地制宜，從根本上解決泵筒與柱塞的磨損問題。電鍍方式的表面改性也將帶來嚴重的環(huán)境污染。

3 結(jié)語

本文結(jié)合有桿抽油泵實際應用工況，對抽油泵泵筒與柱塞的磨損失效形式進行分析歸類。針對不同形式的磨損機理，相關學者提出了合理的改進措施和技術方案。筆者結(jié)合當前存在的問題現(xiàn)狀，提出以下幾點展望。

1) 加強對抽油泵實際工作環(huán)境細致化探究。對地下物質(zhì)進行定量化或半定量化分析研究，讓設計人員更加深入了解泵筒與柱塞的實際工況，為后續(xù)的改進優(yōu)化提供良好的實際指導。

2) 搭建并模擬抽油泵實際工況試驗平臺，通過臺架試驗，進一步驗證設計的可行性。增加高校與石油企業(yè)之間的合作項目，結(jié)合高校的研發(fā)能力與企業(yè)的實際指導意見，開發(fā)出更為實際有效的泵筒與柱塞。

3) 以保證抽油泵泵效為設計基礎，根據(jù)井下環(huán)境及實際情況，設計出多功能特種泵。研發(fā)人員需分析井下砂石、水、腐蝕液等多因素的影響，結(jié)合與之相對應的措施并進行多種方法的耦合，開發(fā)并運用綜合型特種泵，以解決泵筒與柱塞耐磨防腐防垢等復合型問題，最終應用于廣大油田。

4) 運用仿生思想，突破傳統(tǒng)設計，開發(fā)出因地制宜的泵筒與柱塞。仿生設計是通過探究生物的特殊功能，并借鑒其原理來解決實際工程當中存在的問題[94-95]。當前利用仿生表面、仿生結(jié)構(gòu)等技術已經(jīng)成功設計出很多耐磨減阻等零部件。吉林大學團隊已經(jīng)開始利用仿生思想來提高抽油泵柱塞耐磨減阻性能[96]，表面織構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 抽油泵柱塞表面的仿生織構(gòu)示意

5) 在合理的加工成本范圍內(nèi)，利用先進激光表面改性技術，對泵筒和柱塞表面進行強化或修復。在不產(chǎn)生過多的加工成本前提下，采用激光對泵筒和柱塞表面易受損位置進行局部淬火、合金化等表面處理方式，提高其表面耐磨性[38]?？梢岳眉す馊鄹布夹g，對廢舊泵筒與柱塞進行修復，開發(fā)抽油泵泵筒與柱塞再制造技術，實現(xiàn)節(jié)約資源，降低成本[97]。