浅谈海上油井出泥出砂条件下电潜泵的选材优化

唐文峰,李勇锋,代 文,黄映仕

中海石油（中国）有限公司惠州作业公司（广东深圳518067）

浅谈海上油井出泥出砂条件下电潜泵的选材优化

唐文峰,李勇锋,代 文,黄映仕

中海石油（中国）有限公司惠州作业公司（广东深圳518067）

针对海上油田电潜泵常见的机械故障模式，分析了电潜泵磨蚀发生的机理。结合惠州油田实际数据统计出泥出砂对电潜泵运行寿命的重要影响，提出了抗磨蚀的应对措施，包括优化耐磨轴承材质、升级叶轮材质、叶轮涂层等。结果表明，优化后的电潜泵在惠州油田三口出泥出砂井应用，其中出砂井HZ19-3-7井叶轮材质优化为5530合金材质后效果显著，从修井前的80天运行寿命增至1 493天。

电潜泵；海上油井；机械故障；耐磨轴承；叶轮

惠州油田位于南海珠江口盆地，自1992年投产以来，采用电潜泵和气举方式生产。2006年后，由于气源的地层能量下降，供气能力发生改变，陆续又把气举井转换为电潜泵开发生产。电潜泵的优点在于高举升能力、宽排量范围，适应深井、高气油比、小油套管环空间隙等需要，但电潜泵的应用也带来了一些故障，需要不断总结和优化。常见的电潜泵故障包含电气故障和机械故障，而机械故障可能由径向不稳定、下止推、磨蚀、震动等原因引起，出泥出砂的井况将会急剧加大电潜泵机械故障[1]。在历次修井作业中发现的常见机械故障有：泥砂堵住吸入口、泥砂磨损电泵轴承至轴承破碎、叶轮表面磨蚀严重、电泵轴被坚硬异物（例如破碎的轴承陶瓷）割断（图1）。本文着重分析出泥出砂引起的电潜泵机械故障，并通过优化电潜泵的轴承、设计抗磨蚀叶轮等来提高电潜泵运行寿命。

图1 出泥出砂导致的电潜泵机械故障

1 出泥出砂条件下电潜泵的应用工艺研究

1.1 油井出泥出砂对电潜泵寿命的影响评估

井下电潜泵生产是一个复杂变化的系统，出泥出砂对电潜泵的量化影响是难以模拟的，它包含很多不可控的变量，因为即使每种变量均能够在可控的条件下测试出对寿命的影响，但多种变量的综合影响还是难以模拟和计算的，包括电泵机械结构、生产状况等。基于广泛的统计分析，电潜泵在出泥出砂环境下的寿命与以下因素有关[2]：①井液特征（黏度、乳化、含水率等）；②电泵叶轮（径流或混流、材质、涂层）；③流量及运行区间是否在推进范围内；④电泵结构（浮式或压紧式、轴承配置）；⑤泥砂特性（组分、尺寸、形状、悬浮特性）；⑥叶轮表面液体流速（流速、频率）；⑦其他如结垢、腐蚀性井液等能够加剧磨蚀的因素。

综上评估油井出泥出砂对电潜泵寿命的影响，难以准确量化，更多基于统计和经验分析。统计南海惠州油田2010—2015年的电潜泵故障（图2），出砂出泥导致的故障躺井（17井次），占故障总井次比为24%，电潜泵平均寿命2.2年（表1），低于惠州油田平均电潜泵运行寿命3.7年。经验数据表明井液中含砂超过10mg/L将会显现对电潜泵的影响，常规的防砂型电泵可适用于含砂50～100mg/L的井况[3]。

图2 惠州油田2010—2015年电潜泵故障（井次）统计图

1.2 电潜泵轴承材质和配置优化

电潜泵轴承结构的示意图如图3所示，一组轴承包含套筒和轴承两块主要抗磨蚀部件，其中套筒固定于定叶轮上，相对电泵壳体静止，轴承则跟随电潜泵轴高速旋转。轴承对于电潜泵的稳定运转至关重要，一旦发生磨损或破碎可能导致剧烈震动、泵轴偏心、甚至断轴等。通常电潜泵的轴承材料包含3种,见表2。

图3 电潜泵轴承结构示意图

表2中3种材质使用成本依此增高，抗磨能力也逐渐加强，轴承可以是3种抗磨材质中的一种或是两者材质组合应用。可根据实际应用调整轴承的对数和组合，如每隔几级叶轮增加一组轴承，放置依据主要根据井下出砂情况和产液情况。从惠州油田实际设计来看，出砂严重，液量超过10 000桶每天的每级叶轮放置一组轴承，液量小于10 000桶每天的每三级叶轮放置一组轴承[1]。

1.3 电潜泵叶轮材质优化

电潜泵叶轮材质一般包含两种：Ni-Resist（耐蚀高镍铸铁）和5530合金[4]。从表3来看，5530合金的有效抗腐蚀成分Nickel（镍）比例更高，同时添加含Molybdenum（钼）新型特殊成分，因此抗冲蚀能力更高。故5530合金叶轮一般用于严重腐蚀和冲蚀的井况，但其价格昂贵增加了使用成本。对于经济性好、产量高但地层出砂出泥恶劣的油井建议采用5530合金。

表1 惠州油田2010—2015年出泥出砂井寿命统计表

表2 电潜泵轴承材质表

表3 电潜泵叶轮材质表

1.4 镀层的使用

镀层是通过强化电潜泵叶轮表面，更好地适应腐蚀或冲蚀情况，在一定范围内替代升级电潜泵叶轮材质（采用5530合金），以降低成本。常用的叶轮镀层包含环氧树脂（Epoxy）和铁氟龙（Teflon）基底的镀层，还有陶瓷硬表面镀层。陶瓷镀层只能适用于表面积较大的叶轮，多为高排量的电潜泵。以下列举了南海东部油田6种常用镀层：环氧树脂涂层（EPOXY COATING）；嵌入抗研磨层（EXTRUDE HONING）；鹰柏伦237系统涂层（IMPREGLON 237 COATING）；碳化钨涂层（TUNGSTEN CARBIDE COATING）；碳化铬涂层（CHROMIUM CARBIDE COATING）；鹰柏伦410系列涂层（IMPREGLON 410 COATING）。

以上镀层升级方案同样适用于吸入口、分离器、防砂处理器等，由于镀层目前大部分停留在理论或者实验室研究效果分析上，缺乏现场明显的优化对比数据，镀层效果和材料优选相比有一定局限性，故各种类型的镀层差异不大，在设计时注意点主要集中在保证整个电潜泵管串防砂镀层规格一致不存在缺失或者薄弱点。

1.5 安装防砂器

使用防砂器件安装于电泵轴顶部，可防止泥砂进入电泵轴与叶轮之间和轴承缝隙。其原理为井下加装旋流器，利用密度差将泥砂与液体分离。

2 现场应用

出泥出砂是南海惠州油田潜油电泵生产中常见的问题，部分处于防砂临界点的油井在没有防砂的情况下，随着油井生产的进行，含水上升、地层压力下降和生产压差的增大，油层胶结能力减弱，导致地层有一定的出砂。同时也有一部分防砂措施井会出现防砂失败，或者由于地层砂分选度不均匀，筛管选择不合理，防住了粗砂未防住细砂。

表4 惠州油田出砂出泥井优化选材设计后运行寿命统计表

鉴于南海惠州油田有部分井存在出泥出砂问题，如表1中HZ21-1-4Sb1、HZ21-1-13、HZ19-3-7井，在其躺井后，采取了防砂防泥设计，使用的电泵设备已达到了标准防砂级别，所使用的轴承材质为氧化锆，每两组轴承之间距离为25.4cm（10＂），叶轮材质均为改进型Ni-resit（5530合金），暂且未用到镀层和防砂器。目前运行数据见表4，HZ19-3-7井为2012年首口防砂选材优化后的井，截至2016年6月27日，已持续运转1 493天，效果极好，超过躺井前的寿命60天，同时也超过油田出砂出泥井的平均寿命2.2年；HZ21-1-4Sb1、HZ21-1-13两口井为2015年修的井，目前状况良好，并持续记录监测中，以便建立油井运行寿命的初步对比模型，为后期必要的升级计划提供依据[5-6]。

3 结论

从三口井的应用效果来看，此三口井对叶轮材质的升级效果是很明显的。然而井下工况存在多样性和不确定性，对于出砂出泥井，综合考虑应从以下3个方面加强工作。

1）完备出泥出砂井电潜泵运行的统计信息和统计数据，并扩大至整个油田，特别是对于大液量生产、层位浅、出砂明显的井，要做好日、周、季度泥沙样的监控并制作成趋势曲线。锁定目标井，便于找准出砂规律和摸清严重度。

2）现场需根据电潜泵出泥出砂情况下的运行寿命影响因素，分析不同情况来升级材质方案，在考虑经济费用可控的情况下，优化电潜泵的轴承、叶轮及镀层的组合，进而提高电潜泵抗磨蚀能力，延长运行寿命。

3）井下管柱安装防砂器，必要时采取大修冲砂，同时考虑防砂、控砂完井措施，以减少泥砂对电潜泵生产流程和地面设备的影响。这些方法对海洋油田此类情况的电潜泵设计有一定的参考指导意义。

[1]邱宗杰.海上采油工艺新技术与实践[M].北京:石油工业出版社,2009.

[2]万仁溥.采油工程手册[M].北京:石油工业出版社,2003.

[3]张钧.海上采油工程手册[M].北京:石油工业出版社, 2001.

[4]郑春峰.采油电泵采油系统功率计算:Q/HS 2008-2009[S].北京:石油工业出版社,2016.

[5]代文.海上油田井口控制盘日常操作与管理[J].石油工业技术监督,2014,30(7):51-52.

[6]李令喜,付军,刘滔.387系列高扬程电潜泵开发[J].石油工业技术监督,2014,30(9):1-3.

The abrasion mechanism of electric submersible pump is analyzed according to the common mechanical fault patterns of elec⁃tric submersible pump in offshore oil fields,the influence of oil well producing sand and mud on the service life of the electric submers⁃ible pump is also analyzed based on the actual data of Huizhou Oilfield,and some measures against abrasion are put forward,including the optimization of bearing material,impeller material and impeller paintcoat.After the impeller material of the electric submersible pump used in sand producing well HZ19-3-7 of Huizhou Oilfield was changed to 5530 alloy,the service life of the electric submersible pump before workover was increased from 80 d to 1 493 d.

electric submersible pump；offshore oil well；mechanical failure；wear-resistant bearing；impeller

王梅

2016-06-21

唐文峰（1969-），男，工程师，现主要从事海上油田管理研究工作。