張 偉，李 兵，李本剛，楊 喆，景文杰，魏瑞軍，羅凌燕，鄭玉倩

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

隨著油田的不斷開(kāi)采，采油三廠大部分油田進(jìn)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(lái)越短，嚴(yán)重影響了油田開(kāi)發(fā)綜合經(jīng)濟(jì)效益的提高。本文針對(duì)油井因垢、砂檢泵率高，檢泵周期短的問(wèn)題，開(kāi)展了抽油泵的改進(jìn)與應(yīng)用，通過(guò)設(shè)計(jì)固定閥側(cè)向出油，預(yù)留沉垢通道，升級(jí)泵閥材質(zhì)，優(yōu)化柱塞長(zhǎng)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(zhǎng)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(hù)作業(yè)4 215 井次，其中泵故障原因上修979 井次，占比達(dá)到30.1 %，泵故障頻繁井檢泵周期不足210 d。主要原因?yàn)榻Y(jié)垢導(dǎo)致閥副漏失、卡泵等柱塞故障[2]，累計(jì)發(fā)生維護(hù)作業(yè)698 井次，主要分布在五里灣長(zhǎng)2、吳433、塞392、池46 等區(qū)塊。泵故障核實(shí)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(hù)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(hù)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(dòng)閥漏失以及固定閥與游動(dòng)閥同時(shí)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?yàn)殚y球與閥座坐封不嚴(yán)導(dǎo)致抽油泵在抽汲過(guò)程中無(wú)法百分百將液體舉升到地面，核實(shí)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?yàn)椴糠指吆畢^(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(wú)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(shí)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(diǎn)[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(dòng)液體中包含了細(xì)砂、細(xì)垢等微粒在高壓液擊的作用下對(duì)閥球造成了沖擊，導(dǎo)致閥球在閥罩里不規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，受到了側(cè)向切削的作用。長(zhǎng)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(shí)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(shí)會(huì)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(duì)摩擦造成的損失降到最低，但是當(dāng)磨損達(dá)到鍍層所能承受的極限時(shí)兩者之間的密封性就會(huì)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(hù)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(huì)隨流體進(jìn)入抽油泵泵閥中，發(fā)生堵塞進(jìn)而造成球閥的開(kāi)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(hù)井次8.9 %。

1.4 泵筒卡泵

泥砂、異物卡泵。抽油泵在運(yùn)行時(shí)，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(jìn)泵，形成楔形泥砂堆積。堆積的泥砂會(huì)造成一定的壓力，當(dāng)這種壓力產(chǎn)生的摩擦力超過(guò)了油桿對(duì)柱塞的提升力時(shí)，抽油泵就會(huì)由于卡泵而不能運(yùn)行。2018 年發(fā)生上修146 井次，占泵故障的維護(hù)井次14.6 %。

1.5 閥罩?jǐn)嗝?/h3>

主要是上出油閥罩?jǐn)嗔选Ｓ捎谠诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上受泵筒內(nèi)徑限制，抽油泵上出油閥罩的承載能力相對(duì)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(hù)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(zhǎng)柱塞防垢泵，該泵周期能夠達(dá)到260 d 以上，取得了一定的防垢效果。但長(zhǎng)柱塞防垢抽油泵易造成由于震動(dòng)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(wú)法進(jìn)行清除垢。2019 年入井237 臺(tái)，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(tái)，年均更換新泵3 700 臺(tái)，目前主要存在泵閥損傷、活塞卡泵、泵閥卡堵和游動(dòng)閥罩?jǐn)嗟? 項(xiàng)問(wèn)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(gè)問(wèn)題，對(duì)新型防垢泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，在普通抽油泵的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)固定閥上置式防垢泵，具有長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)

經(jīng)過(guò)優(yōu)選定型了抽油泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。

3.3 工作原理

上沖程時(shí)游動(dòng)凡爾關(guān)閉，液體從套管進(jìn)入固定閥總承，固定凡爾打開(kāi)，通過(guò)球座支撐管進(jìn)入柱塞和泵筒內(nèi)，此時(shí)泵筒內(nèi)的垢砂開(kāi)始下沉，由于固定凡爾為側(cè)向出液，垢砂進(jìn)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(shí)游動(dòng)凡爾打開(kāi)，固定凡爾關(guān)閉，液體從泵筒進(jìn)入油管內(nèi)，下沖程液體從固定凡爾處進(jìn)入油管中，為排液狀態(tài)，垢片在液流的沖擊下無(wú)法進(jìn)入泵筒。該泵能夠?qū)崿F(xiàn)上下沖程垢片無(wú)法進(jìn)入泵筒與柱塞間隙，直接進(jìn)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(jì)

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 18607-2001 抽油泵及其組件規(guī)范對(duì)防垢泵組件材質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jiàn)表1）。同時(shí)，閥副規(guī)格進(jìn)行更改，閥球直徑減小，閥座孔徑減小，厚度增加（見(jiàn)表2）。

圖1 設(shè)計(jì)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(jì)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(jià)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(shí)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(jiàn)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(duì)試樣進(jìn)行了模擬工況試驗(yàn)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(shí)選取長(zhǎng)柱塞結(jié)構(gòu)，柱塞由1.2 m 提升至3.3 m（見(jiàn)表4），柱塞上端始終不進(jìn)泵筒，防止油管內(nèi)的砂、垢進(jìn)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(dòng)閥罩材質(zhì)由45#鋼升級(jí)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(yàn)

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(jìn)行觀察。腐蝕試驗(yàn)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(jiàn)表5）。

4.6 定型設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)篩選確定了抽油泵的材質(zhì)（見(jiàn)表6）。

5 應(yīng)用情況

為了更好的驗(yàn)證抽油泵垢砂防護(hù)裝置防垢砂效果，自2019 年10 月開(kāi)始在全廠五個(gè)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(jìn)行試驗(yàn)，截止目前采購(gòu)160臺(tái)，入井試驗(yàn)111 臺(tái)，起出21 臺(tái)，平均運(yùn)行248 d，檢泵周期延長(zhǎng)98 d，運(yùn)行情況良好。從試驗(yàn)時(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)比表

表4 柱塞技術(shù)參數(shù)選擇表

表5 室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

表6 定型設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)表

對(duì)起出的21 口井進(jìn)行分析，綜合含水達(dá)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(chǎng)分析，主要原因是泵質(zhì)量問(wèn)題。其中柳65-42 因球座刺漏，經(jīng)檢驗(yàn)球座為不銹鋼球座；姚3-44 因泵內(nèi)襯套松動(dòng)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(dá)到要求1 級(jí)漏失量（235 mL/min），導(dǎo)致垢進(jìn)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(jì)研發(fā)的固定閥上置式防垢泵，具有長(zhǎng)泵筒、短柱塞結(jié)構(gòu)，固定閥上置且側(cè)向進(jìn)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(shí)招標(biāo)價(jià)為3 900 元，較普通抽油泵3 500元（鈦球鎢座）具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，具備規(guī)模推廣價(jià)值。

（2）井筒治理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在應(yīng)用過(guò)程中必須強(qiáng)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(jìn)一步提高檢泵周期。

（3）針對(duì)泵質(zhì)量問(wèn)題，抽油泵間隙漏失原因上修，已與供貨商進(jìn)行對(duì)接，要求嚴(yán)把供貨品質(zhì)，優(yōu)化抽油泵間隙，改進(jìn)游動(dòng)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(wú)法更換閥座總承，廠檢泵房無(wú)法對(duì)長(zhǎng)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(jì)，將閥座總承焊接連接改為絲扣連接，便于球座更換，同時(shí)配套檢泵房長(zhǎng)柱塞試壓工裝，開(kāi)展防垢泵修復(fù)工作，延長(zhǎng)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(jìn)不同泵型以解決抽油泵存在的問(wèn)題并提高產(chǎn)品適應(yīng)性，進(jìn)一步提高檢泵周期與采油時(shí)率。