电潜泵分离器壳体断脱机理分析

任强

摘 要：本文对电潜泵系统结构进行了论述，对砂蚀导致分离器壳体断脱机理进行了分析，对汽蚀导致分离器壳体断脱机理进行了分析，对分离器壳体材质导致分离器壳体断脱原因进行分析并进行实例计算，并提出了改进建议。

关键词：电潜泵；分离器；壳体断脱；分析

1电潜泵系统结构

潜油电泵是同油管一起下入井内，并在井下工作的多级离心泵，地面电源通过变压器、控制屏和潜油电缆将电能输送给井下潜油电机，使电机带动多级离心泵旋转，将电能转化为机械能，通过机械能把油井中的液体举升到地面，由以上这些部分共同构成了潜油电泵机组，潜油电泵机组的基本组成如图1所示。

2砂蚀导致分离器壳体断脱机理分析

物体表面遭受流体裹携固体粒子的冲刷，使物体表面材料不断损失，这种磨蚀作用称为砂蚀。冲蚀速率指冲击靶体的单位质量的冲蚀粒子所磨蚀掉的靶体材料的质量。

冲蚀粒子旋转半径和转速是影响冲蚀速率大小的最为重要的两个因素，在分离器中，砂粒对分离器壳体的冲蚀速率与冲蚀粒子旋转半径和转速的关系式：

（1）

式中， n为冲蚀粒子转速，r/min ； r为冲蚀粒子旋转半径， m；E为磨蚀掉的分离器壳体质量，g；e为冲蚀粒子的质量，g； 取值2.0～6.5。

在电潜泵采油系統中，进入分离器中的井液在叶轮处被高速旋转加速，由式（2）可知在转速一定的情况下，冲蚀速率会随着冲蚀粒子旋转半径呈指数增长，叶轮外套内缘处的冲蚀粒子旋转半径比其他部位粒子旋转半径要大，则此处砂粒对分离器壳体的冲蚀速率最大。另外，叶轮外壳处存在拐角，导致砂粒易在此处沉积，砂粒质量大于其他部位。由式（1）可知，在冲蚀粒子速度一定的情况下，砂粒对分离器壳体所磨蚀掉的壳体质量会随着冲蚀粒子质量的增大而增大。综上所诉，叶轮外壳处是分离器中易断脱的区域。

3汽蚀导致分离器壳体断脱机理分析

分析现场使用过的分离器发现，部分含气量大的油井使用的分离器壳体内壁的表面具有非常明显的汽蚀损害特征，且电潜泵井分离器壳体断脱严重性会随着油井含气量的增大而增大。因此，气蚀对分离器壳体断脱有很大的影响。

进入到分离器中的井液随着叶轮作用不断加速，经导流轮后液体压力升高，增压后的流体进入分离腔进行高速旋转。描述流速与压力转换关系的流体伯努利方程为：

（2）

式中，p0为不受分离器壳体影响的流体压力，Pa；pmin为，壳体表面最低压力，Pa； v0为不受分离器壳体影响的流速，m/s； v为流速，m/s；g为重力加速度，m/s2； ρ为混合液密度，kg/m3 。

由式（2）伯努利方程可知，流体流动增加，压力降低，当流体的压力下降到汽化压力时，产生蒸汽，形成气泡。这些气泡随着液体向前运动，到一定程度时气泡周围的高压液体使气泡急剧缩小到破裂。在气泡破裂的同时，液体以高速填充空穴，在此瞬间形成水击作用，压力波以极高冲击频率打击金属表面，产生气蚀作用。分离腔中旋转运动的流体与分离器壳体内壁直接接触，具有发生汽蚀破坏的条件。同时，高矿化度和含腐蚀性物质的油井产出液对分离器壳体具有电解、化学腐蚀破坏，其中H2S腐蚀最为突出。分离腔中运动的流体、新裸露的金属表面等因素更加剧了腐蚀的破坏作用。

4分离器壳体材质导致分离器壳体断脱原因分析

分离器壳体材质是影响分离器性能的最主要的一方面。通常，分离器壳体采用的材料是45#钢，此种钢的硬度仅为HB=217-255，含Cr量通常小于0.25%，此种性质的钢耐磨耐腐蚀的能力较低，难以满足分离器在砂蚀、汽蚀下对材料硬度和强度的要求，这是导致分离器壳体断脱的内因。

5实例计算

本文对分离器壳体断脱的使用QYF98X分离器的电潜泵井进行实例计算。此分离器的基本参数为：内径0.031m，叶导轮转速2850r/min，携砂粒密度1.8g/cm3，砂粒直径0.1mm，排量85m3/d，井深3020m，油水混合物密度985kg/m3，沉没度800m，含砂量0.8‰，45#钢质的分离器经济流速2.2m/s，分离器吸入口处稳定流速0.4m/s。

把相应数值带入相应公式得分离器壳体受到流体46.65J冲击功，携砂流体冲刷速度9.25m/s，分离器口压力7722400Pa，经叶导轮高速旋转后的流体压力7680312.92Pa。

经实例计算分析，明确导致此井分离器壳体断脱的影响因素：

1） 携砂流体对分离器壳体的冲击功46.65J，而45#号钢冲击功仅39J左右，分离器壳体长期在这种力学作用下使用，使用寿命会收到影响。

2）分离器壳体经济流速2.2m/s，远远小于流体实际流速9.25m/s，没能保证分离器壳体在最有安全最经济的流速下生产，会对分离器壳体造成严重损坏，降低壳体使用寿命。

3）导叶轮高速旋转导致的压能损失42087.08Pa，足以举升密度985kg/m3的流体4.36m，压能损失巨大。压力的巨大损失影响汽蚀作用。

6结论

1）未经改进的分离器壳体即作为承载、封闭的部件，其内部又承受流体直接冲蚀，钢材材质为45#钢，性能不能满足耐砂蚀、汽蚀和腐蚀要求。

2）对分离器进行改进，在壳体内加装一层高强度的高铬钢材料，形成双层复合结构，内衬材料性能可以承受流体砂蚀、汽蚀和腐蚀影响，避免了流体对壳体的直接损害。

3）采用全内衬高铬钢分离器，可以完全避免流体对壳体冲刷腐蚀，避免局部内衬不能完全保护的缺陷，改进后的分离器使用寿命平均超过1003天。

参考文献：

[1]张岚辉电泵井分离器壳体断裂原因分析及对策[J].大庆石油地质与开发.2006-12-30.

[2]张冠林； 张立军；韩锡鹏；晁明伟；谢文献.电潜泵机组油气分离器的腐蚀研究[J] .石油机械.2014-04-10 .