（机械工程专业论文）在结盐油井中影响抽油泵性能的因素分析及对策.pdf

论文题目：在结盐油井中影响抽油泵性能的因素分析及对策 研 导 摘 复杂，结盐、腐蚀、磨损、井况恶 化的影响日益严重，特别是近年来在中原油田文留油区抽油井生产管理中发现的结盐 问题显得尤为突出。文留油区属典型的高压、高温、高矿化度油气藏，油井结盐严重， 影响了油井正常生产。在实际生产中经常出现抽油泵被盐卡死，进油阀由于有盐结晶 的存在而关闭不严，造成泵阀密封失效等现象。 本文结合中原油田目前采油现场的实际情况，系统地分析在结枯油井中影响抽油 泵性能的因素，并对所存在的问题提出针对性措旌，以提高抽油泵在结盐油井中的使 用性能。本文首先阐述了结盐油井井况及结盐机理，然后分析了在结盐井况中服役的 抽油泵零部件的磨损、腐蚀、机械破坏( 过量变形、断裂) 和机械故障等基本的失效 形式，这些失效形式都不同程度地影响了抽油泵的性能。针对抽油泵在结盐油井中失 效的多种原因，从结构、选材、表面强化等方面进行探讨，寻求提高抽油泵在结盐油 井中性能的措施。 本文为抽油泵在结盐油井中的使用况状提供了一套较为全面的分析资料，这有利 于对抽油泵的结构、选材、加工工艺等方面进行进一步的研究，有利于提高抽油泵的 现场使用性能。对提高油田的原油产量，减少作业费用，降低生产成本，提高油田开 发的经济效益具有重要的意义。 关键词：结盐油井抽油泵性能因素对策 论文类型：技术研究 a b s t r a c t t h eo i lf i e l de n t e r sw a t e rf l o o d i n ga n dd e v e l o p si nm i d d l ea n dl a t e rp e r i o d s i ti s u n u s u a l l yc o m p l i c a t e d t h a tt h eo i lw e l lp r o d u c e st h es t a t e ，f o r l nt h es a l t ，c o r r o d e ，w e a la n d t e a r , w e l li n f l u e n c et h a tc o n d i t i o nw o r s e nd a yb yd a ys e r i o u s ，e s p e c i a l l yd o c u m e n tl e a v e o i ld i s t r i c tr e l e a s eo i lw e l ik n o ts a l ti s s u et h a tf i n ds e e mp a r t i c u l a r l yo u t s t a n d i n gi n 血e p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t i nz h o n g y u a no i lf i e l di nr e c e n ty e a r s i tb e l o n g st ot y p i c a lh i g h p r e s s u r e ，h i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hm i n e r a l i z a t i o no i lg a st oh i d et h a tt h ed o c u m e n tl e a v e s t h eo i ld i s t r i c t t h eo i lw e l lf o r i l l st h es a l ts e r i o u s l y , h a si n f l u e n c e dt h en o r m a l p r o d u c t i o no f t h eo i lw e l l i si ts m o k eo i lp u m p e n t e rs a l tc a r do i lv a l v es h u to f f t i g h tb e c a u s eo f t h e r ei s e x i s t e n c eo fs a l tc r y s t a l l i z a t i o nt op r e s e n to f t e ni na c t u a lp r o d u c t i o n ，c a u s et h ep u m pv a l v e t os e a ll o s i n ge f f i c i e n c ye t c t h i st e x tc o m b i n e st h ea c t u a lc o n d i t i o n st h a tz h o n g y u a n0 i lf i e l dr e c o v e r st h eo i la t t h es c e n ea tp r e s e n t a n a l y z es y s t e m a t i c a l l yt h a ti n f l u e n c e st l l ef a c t o rw h i c hi ss m o k e dt h e p e r f o r m a n c eo f t h eo i lp u m pi nf o r m i n gt h es a l tw e l l ，a n dp r o p o s et h ep e r t i n e n c em e a s u r e t ot h eq u e s t i o n se x i s t e d ，i no r d e rt oi m p r o v ea n ds m o k et h es e r v i c e a b i l i t yo ft h eo i lp u m p i nf o r m i n gt h es a l to i lw e l l t h i st e x te x p l a i n sa tf i r s tt i l a tf m i s h e st h es a l tt os m o k et h ew e l i c o i l d i t i o no ft h eo i lw e l la n df o r l t ls a l tm e c h a n i s m ，t h e na l i a l y z e dt h ew e a r i n ga n d t e a r i n g o f s m o k i n gt h es p a r ep a r to f t h eo i lp u m ps e r v i n gi nf o r m i n gt h ec o n d i t i o no fs a l tw e l l ， s u c hb a s i ci n v a l i df o r m sa sc o r r o d i n g ，m a c h i n e r yd e s t r o y i n g ( e x c e s s i v ea n do u to f s h a p e ， r u p t u r e s ) m a dm e c h a n i c a lb r e a k d o w n ，e t c ，t h e s ei n v a l i df o r m sh a v ea l li n f l u e n c e dt h e p e r f o r m a n c eo fs m o k i n go i lp u m pi nv a r i o u sd e g r e e t os m o k i n gi n v a l i dm a n yk i n d so f r e a s o n si nf o r m i n gt h es a l tw e l lo ft h eo i lp u m p ，f r o ms t r u c t u r e ，s e l e c ts u i t a b l em a t e r i a l s ， s u r f a c es t r e n g t h e nr e s p e c tc a r r yo nd i s c u s s i o n i si ti si tr e l e a s et h ep e r f o r m a n c em e a s u r e i nf o r m i n gt h es a l tw e l lo f t h eo i lp u m pt oi m p r o v et oa s k f o rr e l e a s eo i ip u m pf o r ms a l to i lw e l iu s et h ec o n d i t i o nf o r mt oo f f c ras e to fm o r e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sm a t e r i a l st h i st e x t ，t h i sh e l p st oc a r r yo nf u r t h e rr e s e a r c ht os u c h r e s p e c t sa ss t r u c t u r e ，s e l e c t i n gs u i t a b l em a t e r i a l s ，p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fs m o k i n go i l p u m p ，e t c ，h e l p t o i m p r o v et h eo n - t h e s p o ts e r v i c e a b i l i t y o fs m o k i n go i l p u m p t o i m p r o v i n g t h eo u t p u to f c r u d eo i lo f t h eo i lf i e l d ，r e d u c et h eh o m e w o r k e x p e n s e s ，r e d u c e t h ep r o d u c t i o nc o s t ，t h ee c o n o m i cb e n e f i t so fi m p r o v i n go i lf i e l dd e v e l o p m e n th a v e i m p o r t a n tm e a n i n g s k e y w o r d s l ：t h es a l to i lw e l l t u b i n gp u m p p e r f o r m a n c e f a c t o rc o u n t e r m e a s u r e t h e s i st y p ei ：t h e o r e t i c a lr e s e a r c h 兰州理工大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内技术现状及发展趋势 油田开发过程中，受注采系统不完善的影响，地层能量不断下降， 导致了地层流体在流动过程中的渗流速度减缓及温度的变化，原油中 的各组分性质也发生相应变化，如盐的溶解度变小，部分盐在流动过 程中析出，在油井不同部位沉积，如炮眼、抽油泵、油管壁等。还有 的油田油层本身矿化度高，导致了油井产出液体中含盐量高，经常出 现油井结盐的现象，该现象被视为油井管理的“拦路虎”，解决好这个 问题是提高油田开发和管理水平的关键，特别是油田开发中后期，资 源接替少，稳产难度大，杜绝盐卡事故，解决油井结盐问题，延长油 井再生产时间，攻克油井管理难关显得尤为重要。在油田开发初期， 由于对油井结赫认识不足，技术跟不上，往往发生因结盐而引起油井 的报废，造成了资产、资源的巨大浪费，因此解决结盐问题十分重要。 由于盐类沉积问题在实际应用中的重要性和复杂性，国外许多专 家进行了系统的研究，如前苏联b e k a i j 4 a bue b 等人编著的石油 开采中结盐的预计及防治，该书较详细地叙述了利用多种非化学手段 解决盐类沉积问题的方法，美国的v e t t e r 等人也有较多论著发表。国 内专家对盐类沉积也有较多的研究，如西南石油学院教授李颖川、钟 功祥在西南石油学院学报论文上发表了多篇论文，提出了“随着 油井受注入水、地层水的影响，油井逐渐出现游离水和c l 一，且c 1 浓 度日益上升，油井流速大，结盐变慢，而油井排量愈小，盐的结晶愈 快”的见解，中原油用采油一厂还于九十年代初专门组织技术人员对 文东盐间油藏结盐机理进行研究，形成了近井地带解堵技术项目， 陈宗林等人于1 9 9 6 年6 月在石油钴采工艺发表文东油田解除近 井地带盐堵技术论文，2 0 0 2 年2 月中石化公司的刘广滨和中原油田 分公司采油二厂的武德宁等人在钻采工艺发表了濮城油田油井 结盐分析及防治措施的论文，重点介绍了热洗除盐及洗井阀的应用， 这些技术对油井防盐有较好借鉴意义。 目前国内除江汉油田油井结盐较为严重外，中原油田文留区块文 东盐间油藏也属出盐较典型的油藏。九十年代初，采油一厂针对文东 盐间油井普遍含盐高( 2 0 0 0 6 0 0 0m g l ，最高达2 0 0 0 0 0m g 1 ) 的现状， 1 兰州理工大学工程硕士学位论义 收集大量结盐资料，开展了室内和现场试验，对油井结盐原因及变化 规律有了一定认识，并摸索出了清水洗盐、混气水洗盐、化学清防盐、 泡沫洗盐等多种清防盐工艺，这些工艺对文东油田投产早期自喷、气 举井的正常生产起到了积极作用，尤其是化学清防盐工艺有效地抑制 或减缓了n a c l 在生产管柱及管线上结晶，延长了洗盐周期、增加了原 油产量。随着开发时问的延长，文东盐间油井结盐相对减缓，但仍较 严重，影响油井正常生产。通过对文东部分出盐井进行水分析，发现 普遍氯离子含量较高，最高达1 8 2 1o4 f f i g l ，水型均呈c a c l 。型。目 前文留区块防盐工艺主要手段是加抑盐剂、应用过桥泵、定期用清水 洗轴或长期连续掺水等手段，在一般结盐井中上述手段均不失为解决 结盐的有效方法。油井防盐发展的趋势是针对不同的结盐油井井况， 多种防盐技术综合使用，使防盐效果更加显著。 随着文东、文中区块注水开发的不断深入，尤其是文东油区油井 大批转抽，油井结盐显得更为突出，因为九十年代初期以自喷气举井 为基础研究形成的防盐工艺技术己无法适应现有的井况。根据现场调 查发现对结盐油井解决效果欠佳，目前仅靠频繁作业来维持，主要原 因是油流经过抽油泵进油阀时液流速度和流态发生变化，致使盐结晶 核优先产生在相界面上，形成稳定晶核，盐在阀球和阀座表面沉积， 导致阀失效，泵充满度低，造成产量减少，严重时造成整泵失效。此 外盐沉积于泵筒内，还易造成卡泵。由上述分析可知，受现有防盐技 术的影响，造成了受结盐影响的油井泵效低、检泵周期短。 1 2 课题研究背景及主要完成内容 1 2 1 课题研究背景 油田进入注水开发中后期，油井生产状况异常复杂，结盐、腐蚀、 磨损、井况恶化的影响日益严重，特别是近年来在中原油田文留油区 抽油井生产管理中发现结盐问题显得尤为突出。文留油区属典型的高 压、高温、高矿化度油气藏。其中文东盐问油气藏原始地层压力5 5 6 8 m p a ，地层水矿化度达3 0 37 1 04 m g l 。结盐严重地影响了油井正 常生产。在实际生产中经常出现抽油泵被盐卡死，进油阀由于有盐结 晶的存在而关闭不严造成阀密封失效等现象，这两年来，中原油田采 油一厂发生类似问题的油井占所有抽油井的百分之八以上。 兰州理i 大学i 程硕士学位论文 结合中原油田目前采油现场的实际情况，以及国内外专家对盐类 沉积的研究，系统地分析在结盐油井中影响抽油泵性能的因素，并对 所存在的问题提出针对性措施，以提高抽油泵在结盐油井中的使用性 能。 1 2 2 主要完成内容 1 、 分析在结盐油井中抽油泵的失效原因：抽油泵在结盐油井中 工作环境恶劣，因而会有多种失效形式，这些因素都不同程度地影响 了抽油泵的性能。 2 、 提高抽油泵在结盐油井中性能的措施：针对抽油泵在结盐油 井中失效的多种原因，从结构、选材、表面强化等方面进行探讨，寻 求提高抽油泵在结盐油井中性能的措施。 本文就以上述两个重点提出本人的观点和看法。 3 兰州理工大学【程癌士学恃论文 第二章在结盐油井中抽油泵的失效形式及原因分析 21结盐油井井况及结盐机理 分析文中、文东油区结盐油井产出水分析表明，地层水矿化度在 ( 3 0 3 5 ) x l o4 m g l ，属于饱和盐水，氧离子含量( 1 9 2 1 ) 1 04 m g l 。 岩性分析表明，在文叶1 油区沙河街组地层中部分岩盐发育，电镜扫描 显示，在储层孔隙、岩石表面和裂缝中存在大量的n a c l 晶体微粒，分 析表明，结晶盐微粒一般为( 2 3 ) m 。这些高含盐流体由地层进入 井筒后，压力骤然f 降，温度逐步降低，就会在炮眼及近井地带、井 简等部位丈量结晶( 文1s 块、1 0 l 块最为典型) 。 文东盐问井处于文9 盐与文2 3 盐两套膏盐之间，由于其沉积环境 为超盐湖相沉积，又兼成岩压实过程中地层水的垂向循环渗滤作用， 导致其储层中存在盐微晶粒。同时从文1 3 2 5 ( 见表2 一1 ) 、文l3 2 8 ( 见表22 ) 两口井岩芯含盐分析资料表明，岩芯含盐量在o5 1 左 右，而岩芯孔隙中饱和盐水从地层温度降到室温所析出的盐量仅占岩 芯总含量的1 0 3 0 ，其余部分盐则来自地层中的固体盐微粒。 岩芯中盐微粒半径在10 1 5um 左右，这比地层条件下的盐微 晶要偏大些，因为岩样取出地层后由于温度降低，岩样中的饱和盐 水已析出部分盐，使盐微晶长大些，盐间油藏地质特征研究资料表 明，文东油区地层7 l 喉半径在盐微粒半径的二倍以上，足以使盐微粒 通过，借助孔隙内盐晶粒沉降速度和油层渗流速度计算表明，油层渗 流速度是盐晶粒沉降速度的数百倍，故只要在地层内发生渗流，孔隙 中未被吸附牢的盐晶粒完全可咀被油流带出，进入井简，由于盐微粒 的密度远比浊气的密度大，在重力的作用下盐微粒随油气流的流动速 度远比油气流的流动速度小，当油气流的流速不够大时，盐微粒必定 在流速减慢或转弯处的某些部位析出和堆积长大，造成结盐，这是文 东油区油井严重结盐的主要原因。 兰州理工大学工程硕士学位论文 表2 一l 13 - 2 6 井岩样含盐分析 序样岩石比重 含水饱和度 孔隙度岩样含盐量 o 号号 ( g c 1 1 ) l2 4 2 3 6 93 6 59 2o 8 69 2 3 23 02 1 9 24 4 6l5 80 9 41 9 7 3 3 7 2 3 2 23 9 71 6 40 8 61 9 8 9 44 42 0 2 64 4 3l5 10 8 42 0 5 5 55 02 1 8 44 0 11 5 2 0 4 42 1 5 1 65 72 3 2 33 8 415 6 o 9 716 2 9 76 22 2 5 95 0 71 1 90 8 21 8 2 4 86 72 2 4 75 2 41 41 2 51 4 9 6 97 32 2 7 06 1 11 3 6 1 151 8 5 2 1 0 7 6 2 2 5 02 6 21 5o 。9 71 0 2 8 1 l8 02 2 3 44 1 81 6 20 9 917 5 l 1 28 42 2 2 02 6 31 6 9o 9 7 1 1 8 9 1 38 62 2 0 0 4 4 41 7 20 9 22 1 7 3 1 48 82 2 3 02 8 8 1 4 90 9 211 7 8 1 59 22 3 l o3 6 71 4 4o 7 7 1 7 1 1 平均0 9 31 6 6 1 5 兰州理工大学工程硕士学位论文 表2 2 13 - 2 8 井岩样含盐分析表 序样岩石比重 含水饱和度 孔隙度岩样含盐量 o 号号( g c m ) l92 5 5 35 4 5l3 40 5 5 43 2 9 2152 2 2 24 6 21 6 81 6 5 93 0 5 33 52 2 4 32 5 51 3 0o 3 132 7 2 44 l2 4 5 l2 7 1 6 8o 3 4 612 5 55 22 3 3 44 0 ol3 3o 5 ll2 5 7 66 32 4 4 32 3 1 8 40 2 4 71 8 5 77 l2 5 6 04 2 1 1 4 2o 6 2 62 4 4 88 02 2 0 83 8 71 5 6 o 5 4 42 5 5 98 42 3 2 0 3 9 013 9o 5 4 42 4 7 1 08 52 2 2 64 2 1 1 4 9o 4 6 92 9 8 平均2 5 4 2 1 1 影响油井结盐的主要因素 ( 1 ) 原油中含盐量越高油井结盐越重 中原油田文东盐间油井普遍含盐高，其含量低值在5 0 0m g l 左右， 高值达2 0 1 0 4m g l 以上，一般在2 0 0 0 6 0 0 0m g 1 范围内。 油井原油含盐量在平面上分布的规律性较差，但在主要断层附近 的油井含盐量较高，故结盐严重。严重结盐井在断裂发育带附近成带 分布，这是因为断层破碎带在断裂活跃期为地层水垂向循环渗滤的通 道，当断层带通过盐层时，盐层内的饱和盐水离子扩散的不均匀性， 使断层破碎带周围局部地带储层内含盐量相对较高，从而造成了盐间 6 兰州理工大字工程坝士学位论文 储层含盐量在平面上的差异。 ( 2 ) 油井地层水的矿化度高，结盐程度加剧 一般地，地层水在地层条件下含盐已达到饱和状态。如文l3 断块 区南部断裂较发育，地层水矿化度相对较高( 3 3 3 7 l o4 m g 1 ) ，油井 结盐程度就较严重。当油井所含高矿化度地层水随油气流进入井筒后， 压力猛然下降，温度逐渐降低，盐的溶解度也逐渐下降，部分盐结晶 析出，盐微粒在流动过程中逐渐长大，到一定程度其沉降速度大于油 流的流动速度时就会下沉到井底或附在油管上形成盐块，因此，油井 产量高，地层水矿化度高时，会使结盐程度加重。 文中油田如文1 5 块、文1 0 l 块、文2 0 9 块、文1 4 块的部分抽油 井，含水达8 5 以上，水矿化度高达3 0 l o4 m l l 以上，结盐也十分严 重。 ( 3 )流速对结盐的影响 从地层中携带出的盐微粒，在 随油气流动的过程中存在着盐微晶 的沉降和被携带两方面的影响，其 结果表现为流速与结盐的关系，借 用砂粒在牛顿流体中沉降速度计算 表明，当油流速度vr 大于盐微粒沉 降速度v 。的1 7 倍时，颗粒随油流 运动，不易结盐；当v i = ( 1 5 1 7 ) v 。时，盐微粒处于相对静止状态； 当v 【 s 。= 8 0 4 m m 2 ， 即优化后的进油阀罩过流面积大于优化 前的进油阀罩过流面积。 优化后的进油阀罩具有良好的导向 性能，阀球的飘忽量很小，故入座损失减 譬0 ，。里旦 笺 图3 2 少。而且优化后的结构还有一个优点：井液自下向上流过斜槽时，液 体对阀球有一个向下的分力，使阀球不会紧靠在球室顶端，这样不但 增加了出油面积，而且当柱塞反方向时，此分力促使阀球迅速下降， 减少了入座损失。 3 2 正确选用抽油泵易损件的材质 2 7 兰州理工大学工程坝士学位论文 阀球、阀座是抽油泵的关键件之一，它们的质量好坏直接影响抽 油泵的抽油效率和检泵周期。 目前国内大部分抽油泵阀球、阀座材料采用高铬不锈钢、其次是 铬钨钴合金、碳化钨合金，这些材料的阀球阀座在结盐油井中使用时， 其抗盐结晶性能都较差，使得盐在阀球和阀座口处结晶，易造成泵阀 的密封失效。因此，要大幅度提高抽油泵的泵效及延长检泵周期，其 阀球、阀座材料使用性能必须耐磨、耐冲蚀和耐腐蚀外，还应具备足 够的抗冲击韧性和避免或减缓盐结晶。 阀球和阀座的结构简单，其性能主要取决于其材料。有关资料表 明，盐的化合物在非金属表面结晶沉积的速度远低于在金属表面结晶 沉积的速度，所以在结盐油井中，优先选用非金属材料一陶瓷。陶 瓷材料是一种非金属材料，它和金属材料一样都是多晶固体材料，但 是陶瓷的硬度远高于金属，多数陶瓷的室温弹性模量也高于金属，这 一点是人所共知的。陶瓷材料之所以具有硬度大、弹性模量高的这一 特点，是由内部离子晶体的结构所决定的。一般情况下离子的半径愈 小，离子电价愈高，键的结合能也愈大，正负离子的结合就更为牢固， 抵抗外力弹性变形、刻划和压入的能力也就愈强，从而表现出弹性模 量高和硬度大的特点。部分陶瓷虽然是由共价键组成的共价晶体，但 它却与高分子化合物的共价键不同，它们的共价电子分布不对称，往 往倾向于“堆积”在比较负电性的离子一边，称它为“极化效应”。极 化的共价键具有一定的离子键特性，常常使结合更加牢固，具有相当 高的结合能，所以也同样表现出硬度大、弹性模量高的性能特点。陶 瓷材料抗拉强度低；但抗压强度还是较高的。以金属材料中最脆的铸 铁为例，其抗拉强度与抗压强度之比值，一般约为1 3 ，而陶瓷则在 l l o 左右。 陶瓷的组织结构非常稳定。在离子晶体中，金属原子被周围的非 金属元素( 氧原子) 所包围，屏蔽于非金属原子的间隙之中，形成极 为稳定的化学结构。所以在一般情况下，它不可能再同介质中的氧发 生作用，不但在室温下不会氧化，即使在1 0 0 0 以上的高温下也不会 氧化。由于陶瓷具有稳定的化学结构，因而对酸、碱、盐类以及熔融 的有色金属均有较强的抗蚀能力。 氧化锆材料的密度和断裂韧性都明显高于其它陶瓷。氧化锆结构 2 r 兰州理i 大学i 栏坝士学位论文 陶瓷是采用高纯正度( 一。般是9 9 ，9 ) 超细( 一般粒径小于o 5um ) 材料，通过控制原料的组成和材料的显微组织结构形成的烧结体，具 有极好的化学稳定性，能在除氢氟酸和玻璃溶液外的各种酸碱盐等恶 劣环境下长期使用而不被腐蚀。氧化锆陶瓷的生产工艺很特别，通过 人为添加yz 0 。、c a 0 、m g o 或稀土金属氧化物等稳定剂来增加材料的强 度和韧性的。根据陶瓷相变理论，部分稳定氧化锆的高强度、高韧性 是因为四方晶体的应力诱导相就所致，增韧和增强必须在陶瓷基体中 保存四方晶相。目前，四方相氧化锆在所有的陶瓷材料中，韧性和强 度是最好的。 尽可能提高陶瓷的韧性，这也是氧化锆陶瓷材料能否成功应用于 抽油泵阀球、阀座的关键。原因何在呢? 1 9 2 0 年格罩菲( g r i f f i t h ) 提出的脆性断裂理论，即脆性材料的缺口强度理论认为，材料内部存 在原始裂纹，裂纹的存在引起应力集中，裂纹尖端处的应力比平均应 力高得多，当裂纹尖端处的应力达到理论强度值时，裂纹就迅速扩展 而断裂。根据这种理论可知，制备致密无孔隙的材料，细化晶粒从而 减小裂纹尺寸是提高陶瓷韧性的有效途径之一。其抗拉强度接近4 5 号 钢，因而制成球状产品具有很高的机械强度，当它从高处跌落地面时 可以反弹起来而不致裂，将球体放在水泥地上用锤子使劲敲打，甚至 水泥地出现凹坑球体也不破碎。由此可见，阀球、阀座材料选用氧化 锆是最合适的。 上出油阀罩承受着较大的交变载荷，在使用过程中容易从出油口 处的筋部断裂。如何提高其使用寿命，不仅需要如上一节所述，对结 构进行改进外，还要在选材上进行优选。钢材的选用可从技术性和经 济性两方面来分析。所谓技术性，是指所选用的钢材按正常的加工工 艺制造的零件能够胜任它的服役条件，具有一定的使用寿命。从这个 要求出发，在技术上并不排除选用高于要求的优质材料的可能性。所 谓经济性，一般是指在满足性能要求的前提下，材料的费用必须便宜。 从经济上说，还必须将材料费用、加工费用以及管理费用结合起来， 即总的制造费用是最低的。所以在考虑钢材选用的同时还应想到加工 工艺方面的主要工序。 技术性涉及可归纳为零件的服役条件和零件的加工工艺性要求两 方面。属于零件服役条件的要求，最基本的是零件的受力状态，即机 2 9 兰州理t 大学工程硕士学位论文 械性能的要求，如抗拉强度，抗蠕变性、耐疲劳性、耐冲击性、耐磨 性等等。 综合上述选材的两个基本出发点，结合上出油阀罩的服役条件， 可以选用优质不锈钢。如：马氏体型3 c r l 3 的强度、硬度淬透性和热 强性都较高，它的抗腐蚀能力在弱腐蚀介质中有较好的抗腐蚀性能， 同时有较好的热稳定性，目前上出油阀罩材料用得较多的便是这种材 质。泵筒和柱塞从选材的这两个基本点出发，选用综合机械性能好的 中碳钢便可以较好地满足使用要求。这是因为泵筒和柱塞的失效形式 主要与其表面强化工艺、加工工艺、操作方法等之间有重要的因果关 系。4 5 钢因其综合机械性能好，目前普遍用作泵筒和柱塞的基体材料。 3 3 正确选用抽油泵易损件的表面强化工艺 柱塞是抽油泵的重要零件，它与泵筒组成一个运动副，同时它又 是游动阀、柱塞上部出油阀罩等零部件的支持件。对柱塞的性能要求： 柱塞的材料、强化工艺与泵筒构成理想的匹配；要有足够的强度、 刚度；要有较好的耐磨、抗腐蚀能力。 柱塞表面强化工艺主要是金属喷焊和镀铬，由于喷焊层在厚度， 结合强度、耐磨、抗腐蚀和易形成油膜等方面都优于镀铬，且与共渗 泵筒，镀铬泵筒都能构成良好的匹配，故使用较为广泛。柱塞表面喷 焊层的材料主要是镍基合金粉末，粉末以n i 元素为主，并含有少量b 、 s i 、c r 、f e 、a 1 、c 等元素。n i 元素有较好的耐磨、耐腐蚀性能，b 、 s i 元素不仅可提高喷涂层的硬度，还可以降低合金熔点，改善润湿性； c r 可提高涂层的抗氧化性和耐蚀性；f e 、c 元素有利于涂层的硬度和 耐磨性；a l 可增加涂层的高温塑性，并减少涂层的收缩率。喷涂方法 主要有等离子弧喷涂、爆炸喷涂和气体火焰喷涂。等离子弧喷涂主要 适用于喷涂陶瓷材料，爆炸喷涂适用条件受基体形状限制，而且还需 要有隔音、防尘等措施，柱塞表面喷焊用得较多的是粉末气体火焰喷 涂法。目前也有氧化物陶瓷喷涂用在柱塞的表面强化上，这是因为氧 化物陶瓷具有金属和有机高分子材料所没有的独特的优良特性和功 能，但是从经济性考虑，这种强化方式应用较少。 泵筒是抽油泵的主要零件，柱塞在其内作往复运动，抽汲油液， 它又是固定阀、泵筒接箍等零件的支持件，泵筒是加工难度最大的， 兰州理工大学工程硕士学位论文 价值约占标准抽油泵总价的6 0 。对它的性能要求相对也高：泵简要 有足够的强度、刚度和疲劳强度，能适应深抽需要；有较好的耐磨 性；要有较好的抗腐蚀能力。从井下介质情况来看，主要存在固体 颗粒和腐蚀性物质，不同井中固体颗粒大小、含量和腐蚀性物质的化 学成分、浓度都有变化，应该根据不同介质选择相应的泵筒材料。为 了更好地发挥材料的使用性能，还应该与采用的工艺结合起来，以达 到较好的经济效益。制造泵筒的基体材料很多，但是从经济性和服务 役条件，综合考虑，最常用的是中碳钢。泵筒摩擦表面强化工艺主要 有碳氮共渗( 或渗碳) 、氮化、镀铬、镀镍等工艺。为了与喷焊柱塞形 成最优的匹配，泵筒选用碳氮共渗( 或渗碳) 、镀铬较好。 3 4 正确选配摩擦副、泵隙、防冲距 根据结盐油井的生产能力，原油的物性，正确选择适合该油井的 摩擦副、泵隙、防冲距，以便充分发挥抽油装备的能力，增长其使用 寿命，从而获得油井高产、高效、低成本。 3 4 1 正确选配摩擦副 如果摩擦副选配不当，易导致柱塞与泵筒之间发生粘着磨损，严 重时使柱塞卡在泵中。选择不同表面强化方式进行匹配，避免配合双 方表面覆盖层的金属在摩擦下产生互溶。 如：镍基合金喷焊处理的柱塞，与碳氮共渗泵筒，镀铬泵筒都能 构成良好的匹配，但不宜与镀镍泵筒配合使用。 34 2 正确选配泵隙 当柱塞与泵筒配合间隙过小，得不到原油的充分润滑，它们之间 会发生粘着磨损，严重时造成卡泵。还有另一个原因是在结盐油井中， 由于温度、流速等多种原因的影响，在泵的各个部件都有盐结晶，若 配合间隙选用不当，易造成盐卡。所以在结盐油井中选择泵隙时，要 考虑原油的物性，选用的配合间隙比在普通油井中的配合间隙宜大一 级。 抽油泵的泵隙可以先根据泵d 、井液粘度u 。、下泵深度h 、冲程s 、 冲次n 等确定泵隙，再根据井况的其它条件调整泵隙。 抽油泵泵隙的选择应保证抽油泵有令人满意的泵效，有良好的润 3 1 兰州理工大学工程硕士学位论文 滑条件和较小的耗能等要求，用下式计算 c ：3 3 5 7 1o _ 3 瓶丽 其中：l gu = ( 1 91 1 。一b ) 1 9 ( t + 1 8 0 一a ) ( 1 9 6 8 一h ) + b a = 1 9 6 5 3 b = 1 9 0 0 7 5 s p = s 一1 0 1o d 2 h 2 式中：c 一一抽油泵泵隙，m m ； u 。一一温度为5 0 时原油粘度，m p a s ； u 一一抽油泵入口处原油粘度，m p a s ； l 一柱塞长度，m m ，一般l = 1 2 0 0 m m ； s 一抽油机冲程长度，m ； n 一冲次，l 次； d 一一泵径，m m ： h 一抽油泵下泵深度，m ； s p 一一柱塞冲程长度，m 。 对于结盐油井，若井液粘度较小，结晶粒较粗大时，可以用较小 的泵隙，防止结晶进入泵筒与柱塞之间；如果结晶很细，且井液粘度 较大，可以用较大的泵隙使结晶颗粒在泵筒与柱塞间通过。如果泵径 较小，下泵深度又较大，可以采用较长的柱塞，并采用较大的泵隙， 保证柱塞运动灵活。 泵的初始间隙选定后，泵在油井中工作时，因为受油井、井下泵 深度以及磨损等影响，改变了初始间隙值，实际上泵在工作中间隙是 个变量。 柱塞与泵简的初始间隙值是在常温下测得的，井下温度比地面温 度高。如果油井的平均温度梯度为3 lo o m ，井口温度为2 0 ，抽油 泵下入井深2 0 0 0 m ，则抽油泵的工作温度达8 0 ，对于热采油井，在 蒸汽吞吐和蒸汽驱动的热采期间，井底温度2 0 0 ，这将大大地改变初 ， 兰州理工大学工程硕士学位论文 始间隙值，因此，不能忽视井下温度对间隙值的影响。 抽油泵工作时，柱塞和泵筒除承受自身的重力、尾管重力、柱塞 和泵筒间的摩擦力等轴向力，更主要的是要承受泵内外静液柱作用下 的内压力、外压力引起的轴向力。泵筒和柱塞在内压力、外压力和轴 向力的作用下产生径向变形，改变柱塞与泵筒间的初间隙值，特别是 在井深且沉没度较浅的情况下，使柱塞与泵筒的初间隙值变化较大。 泵筒和柱塞的径向变形，因泵的类型和上、下冲程而不同，计算时视 具体情况对轴向力取舍，通常，油的粘度低，可忽略摩擦力；泵筒自 重占总轴向力的比例不大，也可忽略不计。温度增加常使间隙值减小， 而液力作用会使间隙值增大。 柱塞与泵筒间的间隙，因磨损而增大，由摩擦磨损规律得知：摩 擦表面的磨损程度是与作用其上的压强和另一表面与它的相对滑动的 行程成正比，与表面的硬度成反比。油井内的盐结晶、砂子的粒度是 不均匀的，粒度小于间隙的砂子，可自由地通过间隙，可以认为对表 面不产生磨损，而粒度大于问隙的砂子，也不能进入间隙磨损表面， 只是粒度大于间隙盐晶粒、砂子也不能进入间隙磨损表面，只是粒度 和间隙值相等的砂子，进入间隙磨损表面。假设作用在柱塞与泵筒表 面上的法向压强不变，柱塞和泵筒的表面硬度相等，那么，间隙的增 大是与相对滑动距离或行程成正比。此外，柱塞和泵筒的径向磨损量 是与行程成反比的。因此计算柱塞与泵筒间隙的漏失量应当考虑这一 实际情况。 用户在使用抽油泵时，泵隙应当根据实际井况进行酌情调整，切 忌采用过少泵隙，此时泵效增加不多，检泵周期大幅度下降，综合经 济效益并不高。 34 3 正确选配防冲距 抽油泵在井下工作时，要根据给定的泵挂深度来选择防冲距。如 何调防冲距，以整简管式泵为例：泵筒随油管下入到预定的深度，柱 塞总成随抽油杆下入泵筒内，柱塞总成最下端的压帽碰撞到进油阀罩 上部，然后停止下放抽油杆，上提根据下泵深度所选定的防冲距，然 后便可以开抽。 如果工作时不按调好防冲距工作，则会出现不同的问题：实际使 1 兰州理工大学工程硕士学位论文 用时如果小于设定的防冲距，抽油泵柱塞 总成会撞击到进油阀罩顶部，这样多频率 的撞击，会使柱塞镦租，造成卡泵：进油 阀罩顶部在撞击作用下出现凹陷，甚至顶 部击穿，造成阀密封失效。图3 3 所示为 顶部因遭受撞击的进油阀罩。如果防冲距 调得过大，这时在泵筒内柱塞长期不通过 的部位就会沉积结盐，内径变小。当冲程 稍有变化，柱塞向上或向下略微进入结盐 沉积区时，较小的内径就会将柱塞卡死， 图3 3 顶部出现凹坑的进油阀罩 形成卡泵。 从上述内容可以看出调节好防冲距，对提高抽油泵的使用寿命也 很重要。 兰州理工大学工程硕士学位论文 结论 1 结论 本论文结合中原油田目前采油现场的实际情况，系统地分析在结 盐井中影响抽油泵性能的因素，并对所存在的问题提出针对性措旌， 然后在实际运用中加以实践，取得了一些成果。综合起来，得到以下 结论： ( 1 ) 陶瓷阀球阀座在结盐油井中使用，可以较好地减轻盐结晶在 阀球及阀座表面的沉积速度，目前已经在结盐油井中得到较为广泛的 使用。陶瓷粉末也可以用于柱塞喷涂，但从经济方面考虑，应用有一 定的局限性。 ( 2 ) 针对上出油阀罩容易断脱的现象，采用增效杆的方法可以较 好的提高其强度，延长其使用寿命，目前运用也比较广泛。另一种将 上出油阀罩改为无球室的方法，目前正处于设计中，还没有进入实践 阶段，从理论上讲，可以减少上出油阀罩的断脱。 ( 3 ) 减轻结盐油井井况对抽油泵性能的影响，要从多方面入手， 不仅从机械方面，还应从化学方面着眼，多种方法综合应用，可以更 好地提高抽油泵的泵效，做到稳产、增产。 ( 4 ) 从文中的分析可以得知影响抽油泵性能的因素中有不少是人 为因素，这就要求在抽油泵的运输、储藏、使用过程中应该严格按照相 关标准、操作规程、使用说明书等进行操作。 2 建议 本文尽管系统地分析在结盐油井中影响抽油泵性能的因素，并对 所存在的问题提出针对性措施，为含盐较高的抽油井优化抽油泵的结 构，选用合适的材质及合理的加工工艺，表面硬化、防腐处理工艺， 以延长抽油泵的使用寿命，也取得了一些成果，但还有许多方面的研 究需要进一步的深入探讨，在此提出一些建议： ( 1 )建议在进行抽油泵产品结构优化时，与用户进行深入联系， 收集采油现场使用情况及井况资料，以便使改进的抽油泵更能满足结 盐油井的需求； ( 2 ) 建议在加工及选材时，从经济方面、加工方面、性能方面、 服役条件等情况综合入手，选择更为经济合理的表面硬化、表面防腐 处理方式。 ( 3 )建议采油用户在使用抽油泵时应该严格根据结盐井况，选择 合理的泵径、配合间隙、防冲距、冲次、冲程等，并且在使用中不得 3 5 兰州理工大学工程硕士学位论文 随意改变工作参数，以免造成意外的损失。 ( 4 ) 建议在搬运抽油泵时应该小心操作，避免泵的磕碰造成抽油 泵零部件的变形、损坏：在储藏时应该注意做好防腐工作，避免或减 轻整泵的均匀腐蚀；在使用时应该严格按说明书进行操作，避免或减 轻人为因素对抽油泵性能造成的影响。 兰州理工大学工程硕士学位论文 参考文献 1 余梅卿、申秀丽，有杆泵抽油斜直井防冲距的计算，石油机械，1 9 9 8 ， 第2 6 卷，第1 2 期，9 1 1 ，1 5 。 2 李法中、彭振，控制油井结盐方法及应用效果，江汉石油科技，2 0 0 1 ， 第3 期，4 i 4 3 。 3 杨永超、崔大庆、谭国华、陈秋蓉，油井防盐工艺技术研究及应用， 钻采工艺，i 9 9 9 ，第2 2 卷，第2 期，6 3 6 5 。 4 汪勇章、闵玉、张宗晓、阂刚，文南油田文7 2 块s 3 中油藏清防盐 工艺技术，石油钻采工艺，2 0 0 1 ，第2 3 卷，第3 期，7 l 7 3 。 5 武德宁等濮城油田油井结盐机理分析及防治措施，钻采工艺， 2 0 0 2 ，第2 5 卷，第1 期，9 i 9 3 。 6 卢玉东、陈宗林等，文留油田清防盐工艺研究，中原油气，1 9 8 9 。 7 陈宗林、赵玉华等，防盐抽油泵的研制及在文留油田的应用，钻采 工艺，2 0 0 3 ，第2 6 卷，第6 期，6 6 6 7 。 8 沈迪成，抽油泵，石油工业出版社，1 9 9 4 。 9 刘永超，沈秀通等编，有杆泵技术问答，石油工业出版社，1 9 8 3 。 1 0 王鸿勋，张琪，采油工艺原理，北京，石油工业出版社，19 8 9 。 1 i 盛曾顺，王奕兰，a p i 整筒管式抽油泵下入深度及允许加尾管重量 的计算，石油机械，1 9 8 9 ，第12 卷，第4 期。 12 美国石油学会，a p ia p e c1 1 a x ，抽油泵及其组件规范，第i i 版。 13 国家标准，g b t 1 8 6 0 7 2 0 0 i ，抽油泵及其组件规范。 i 4 陈学定，韩文政主编，表面涂层技术，机械工业出版社，1 9 9 4 。 1 5 第一汽车制造厂，长春汽车材料研究所编写组编，机械工程材 料手册，( 非金属材料) 第四版，机械工业出版社，1 9 9 0 。 1 6 郑风禄，杆式抽油泵泵阀密封性浅析，石油机械，1 9 9 3 ，第2 1 卷 第3 期，1 1