油田生产用旋转防砂抽油泵的制造与应用

孙大鹏

在传统的抽油设备中，由于抽油泵泵筒和柱塞组成一对滑动摩擦副，在抽油过程中，原油中富含的砂粒（泥浆）在柱塞与泵筒间分布不均，经常会导致摩擦副产生严重的局部磨损。此外由于油井含水率升高，抽汲参数不合理、杆柱组合不当等也会引起柱塞偏磨。引起柱塞偏磨最主要原因是泵筒与柱塞之间的接触位置在圆周方向基本保持不变，受产出液性质、温度、生产参数、井身结构及地层条件等影响，偏磨的程度也因此而有所区别。辽河油田经过40年的开发建设，大部分区块已进入高含水期，油井出砂现象已经成为影响正常生产的一个重要隐患，对于柱塞式抽油泵泵筒和柱塞的磨损、腐蚀、划伤等现象越来越突出，油井平均检泵周期越来越短，频次不断增加，这样会对油田开发综合经济效益产生较为严重的影响。

为了预防柱塞偏磨，油井砂卡，延长抽油泵寿命和检泵周期，提高泵效，我们着手对旋转式防砂抽油泵进行研究。

防砂抽油泵的主要构成：旋转防砂抽油泵采用长柱塞、短泵筒、侧向进油、环空沉砂结构、长柱塞上连接一旋转装置结构。

设备的工作原理：在上下冲程过程中，柱塞上部阀罩始终在泵筒外面，能够防止砂粒进入柱塞和泵筒之间的密封间隙，从而减少砂卡事故，减轻了泵筒与柱塞的磨损。当油井停抽时，柱塞上部阀副关闭，下沉的砂粒沿沉砂环空沉入尾管，避免了常规抽油泵在泵上聚积砂粒，造成卡泵、砂埋抽油杆的现象。

在长柱塞上加一旋转装置，旋转装置借助抽油杆柱上、下冲程的上提拉力和下放压力强迫固定在轴套上驱动销在旋转道内顺时针旋转，从而带动柱塞旋转。柱塞在运动中既做往复直线运动，同时还做旋转运动，从而使泵筒和柱塞均匀磨损，延长泵的使用寿命。

技术特点

柱塞旋转，防止局部磨损以免发生柱塞腐蚀、结垢砂卡、热胶合等问题出现，适用于出砂井、斜井和热采井。

柱塞均匀磨损，细小砂粒或泥浆难以存在于柱塞和泵筒之间。整体长柱塞、短泵筒结构，还具有沉砂功能，避免砂埋抽油杆，防砂卡效果好。

沉砂结构可消除胀泵现象，适用于深抽井。

阀球采用无磁硬质合金，因其硬度、抗弯强度、冲击韧性、耐腐蚀性比其它材料阀球高，因而适用于热采井、出砂井。

柱塞旋转，偏磨减小，泵的漏失量减小，泵效较高。

柱塞右旋，杜绝杆柱脱扣；柱塞和泵筒均匀磨损，泵的寿命延长，延长检泵周期。

旋转式防砂泵的工作原理：在容易出砂的油井中，经常会出现砂埋抽油杆、砂磨泵筒和柱塞、砂卡柱塞等故障和现象，我们在采用常规柱塞抽油泵时，会使抽油泵过早出现失效。针对这些问题，我们重点对长柱塞短泵筒防砂泵进行了深入的设计和研究。在油井的生产过程中，由于泵筒处会有一部分外露的柱塞，经过现场认真地查看，可以发现泵筒与柱塞之间的间隙不易产生沉砂现象，这样可以避免停抽后砂卡或砂埋柱塞事故发生，这样会有效地延长油井的维护周期，这样可以有效防止砂在泵筒之间的沉积出现，从而进一步提高防砂的效果。

旋转式柱塞抽油泵在工作过程中，柱塞每一冲程中随机转动过程中，都会不断地改变柱塞与泵筒的接触面，使柱塞圆周逐渐均匀磨损的同时将砂粒或结垢从柱塞与泵筒之间排出，解决了磨蚀材料聚集所引起的严重定位磨损及杆柱脱扣。

据现场综合运用和应用统计，柱塞抽油泵上阀罩失效情况较突出，其失效形式主要为断裂。容易发生故障的部位有主要有两处：一是上阀罩出油孔处；一是拉杆与上阀罩连接处螺纹根部。因此，我们在设计中充分考虑并研制防断上阀罩，这样可以有效避免抽油泵工作时上阀罩断裂。为了防止凡尔球和凡尔座之间的漏失，开发设计了多个游动凡尔和固定凡尔以提升效果。

防砂抽油泵材料和表面处理

随着材料加工工艺水平的不断改进和表面处理技术的进步，新的柱塞与泵筒的材料将会出现，表面处理工艺水平也随之进步，但这时要注意柱塞和泵筒的材料的优化匹配。随着表面处理技术和材料加工工艺的提高，不断会推出新的柱塞与泵筒的材料和表面处理工艺。其中，防砂抽油泵一般衬套材料为20CrMo渗碳或38CrMoA氮化，配合副的保护层比较容易在高硬度石英砂的磨蚀下被破坏，随后发生严重的电化学腐蚀，造成保护层脱落，严重的还会造成卡泵事故。从目前油田实际状况看，使用镍基喷焊合金涂层的柱塞已经比较普遍，能部分解决部分问题，但这时尤其要注意泵筒的材料和柱塞的优化匹配，对于市场上即将推出的陶瓷特殊泵，对于柱塞抽油泵防砂、防垢、抗磨、耐高温几方面的性能有较好的效果，也将会大大提高柱塞抽油泵防砂、防垢、抗磨、耐高温几方面的性能。

从辽河油田各应用现场的综合应用情况进行综合分析和对比，我们可以发现，部分材质的硬度、耐磨性及抗蚀性较差是造成固定阀刺坏、失效的主要原因。采用超高强度抽油杆柱，并在杆柱底部配置一定重量的加重杆，可以防止泵筒的弯曲，减少柱塞与泵筒的磨损。3Cr13是阀及阀座所采用的主要材质，也有6Cr18Mo和9Crl8Mo材质的占一小部分。有的油区采用碳化钨硬质合金阀座替代原来的6Cr18M，采用这种材质要注意的是阀球密度的变化，因为密度变大后将增加油流进泵阻力和固定阀处的压降。对于陶瓷凡尔球和陶瓷阀座，陶瓷凡尔有时可能会开裂，使用过程中也要注意。

旋转式防砂抽油泵的制造工艺

由于泵筒柱塞的加工、材料处理、组装等环节存在差异性，相同规格泵的各种参数不可能完全一致，因此会引起多种意想不到的事故，加工过程中要加强质量监控，合理采用低冲次、长冲程的参数进行适度匹配，在有充足供液能力的油井以及在保持相同泵效的情况下，采用大泵的沉没度应略大于小泵，这种设计也能够在一定程度上延长泵的使用寿命，提高整体的经济性和安全性。

防砂抽油泵在辽河油田的应用前景：旋转防砂抽油泵用于出砂井、斜井、热采井和深抽井、低效井：具有防砂、防偏磨、防腐蚀、防结垢、防高温热胶合、泵效高、延长检泵周期、降低采油成本等特点。为出砂井、斜井、热采井深抽井和低效井、带封隔器采油井提供技术支持，具有广阔的应用前景。目前在沈阳采油厂、茨榆坨采油厂、欢喜岭采油厂、高采油厂、齐40块蒸汽驱开发项目管理部等现场应用500余井次，均取得了较好的效果，具有良好的开发前景。