浅论抽油泵结构和制造质量对防砂效果的影响

罗鹏飞

辽河油田钻采工艺研究院 辽宁盘锦 124010

随着含水率的增加，油井中后期出砂现象越来越严重。出砂引起的泵杆失效是生产的主要原因。对出砂机理和防砂措施的研究很多，但对入井后出砂和防砂灾害的研究还不够深入。在研究油井泵的砂卡、砂害机理时，往往将泵及其部件视为一个理想的整体，而很少考虑部件结构和制造质量对砂损形成的影响。通过对辽河油田100 多口出砂井的堵砂分析，发现出砂井存在硬化层薄、基体硬度低、短节变形和伸长等问题。因此，有必要研究油井泵堵塞的形成过程，并讨论之间的关系的结构和制造质量油井泵部件和防砂性能，以提高防砂抽油泵的性能和延长其使用寿命，这是一个重要的手段减少砂损坏。

1 抽油泵砂卡机理

1.1 砂卡的原因

在举升过程中，原油和排液砂会沉积，较小的会进入到泵筒和柱塞间隙。当砂粒径接近泵筒与柱塞之间的间隙时，砂粒会接触摩擦。摩擦力会增加，当正压力足够大时，摩擦副表面会磨损，有时甚至会将砂粒嵌入摩擦副表面以减小挠度，当摩擦副的摩擦力大于制砂时，动力会在柱塞中产生。柱塞与泵筒径向间隙不均匀，轴向间隙分布不均匀。由于柱塞与泵筒的局部间隙是随机的，柱塞在泵筒内沿泵筒偏心方向滑动。因此，进入间隙的细砂粒也可能与摩擦副接触，造成摩擦或砂卡[1]。

1.2 抽油泵间隙变化

抽油泵的工作间隙随系统负荷的变化而变化。在上升行程中，柱塞上端和下端之间存在压差，即靠近柱塞上端的泵筒内部压力大于柱塞下端的内部压力，因此泵筒上端的膨胀大于下端的膨胀柱塞。柱塞与泵筒的最大间隙远大于泵的初始间隙δ0。当沙子进入间隙时，它将移动到 “V” 形的底部。如果此时砂粒不能通过底部间隙向下流动，它将在带有柱塞的摩擦副上滑动。由于泵筒体自下而上收缩，砂土的正压力会逐渐增大。压力增大，摩擦力增大，砂粒对摩擦副表面的损伤也加剧，导致摩擦副表面磨损，甚至形成卡砂。因此，泵在冲程时更容易发生卡砂。

1.3 间隙中的砂粒来源

在大多数油井中，防砂措施可显著减少进入油管的砂量，并使其小于一定尺寸。油管中的大部分砂随井液上升到地面。研究表明，几乎所有井液都能携带直径≤0．22mm 的砂体。只有那些重量超过浮力和向下阻力的颗粒才会沉降。

2 抽油泵结构和质量对砂卡的影响

2.1 变形对粘砂的影响

抽油泵泵筒体一般采用优质碳素结构钢冷轧而成，轧制后不进行退火处理。材料中存在一些残余应力，这些残余应力在制造过程中没有得到有效消除。另外，泵筒在制造过程中一般是调直的，这会增加泵筒的局部应力。这些残余应力在老化或地下高温后会释放出来。应力的释放在很大程度上反映在材料的变形上。泵筒体的变形量超过了计算液柱压力引起的径向变化量。由于变形，泵筒体的圆度和直线度发生了很大的变化：泵筒体的横截面变成了不规则的椭圆，轴向成了 “s” 形，上下起伏。使泵筒与柱塞的表面接触成为分散点接触。此时，虽然理论上泵筒与柱塞之间存在较大间隙，但泵筒是凸形的起始点的间隙大大减小，增加了夹砂的可能性，更容易形成砂塞。同时变形泵筒对柱塞的正压力增大，摩擦阻力增大，卡泵概率大大增加[2]。

2.2 泵筒硬化层的厚度和基体的硬度对砂卡有影响

泵筒与柱塞的接触面不仅是摩擦副，也是密封副。泵筒和柱塞应硬化。目前泵筒有两种常用的处理方法： 铬和碳氮共氧化。为了保证泵的使用寿命，标准GB/t18607 规定了泵芯的硬化层和基体的性能。在实践中，人们发现，对于大多数砂卡现象，硬化层的硬度和厚度以及基体的硬度都不符合标准。由于砂的硬度比硬化层高得多，与泵缸接触后很容易进入淬火层，加速泵缸腐蚀磨损，导致泵失效。柱塞表面硬化层的硬度不令人满意，容易形成砂卡。

2.3 防砂槽的作用

为了降低砂粒进入间隙产生摩擦力矩的风险，设计了沿柱塞表面圆周的环形槽。当砂粒移到转轮位置时，特别是砂粒处于正压下时，很容易进入转轮。槽液中的沙粒不是静止的。在间隙内油流的冲击下，它们总是随油流而移动。一旦出现合适的真空，它们就会回到间隙。随着时间的推移，沙粒在裂隙中的堆积更有可能是沙尘浓度之间的间隔，从而形成富砂区。同时，砂粒浓度增大，局部磨损加剧，使砂卡极易形成。当槽中砂粒积累接近满槽时，沙粒无法完全进入，从而形成尖角，尖角由于有稳固根基。泵筒体会被划伤、划伤，固定到位，往复运动，划伤速度很快。当泵筒体硬化层被切割划伤或露出软质基体时，砂粒更容易附着或嵌入泵座中，使泵迅速失效。这种直线划伤在大多数卡砂泵中都能发现，证明存在与泵筒位置相对固定的砂粒。

2.4 加长短接的防砂作用

国外的油井泵，泵筒两端采用加长短接头连接，用于连接泵筒和两端油泵部件，以防止更换这些部件时频繁拆卸泵筒螺纹和损坏泵筒重要部件。一般来说，加长短接头的内径略大于泵筒的内径。根据泵的直径和结构的不同，直径一般为0．8-6mm。在出砂井中，柱塞进入加长短节后，泵筒与柱塞之间的间隙会突然变大，间隙和柱塞防砂槽中的砂粒会被释放[3]。柱塞重新进入泵筒后，大部分砂粒将留在油流中。因此，柱塞进入加长短节的时间越长，砂粒越干净越明显。然而，我国生产的常规抽油泵并没有充分发挥加长短接的防砂效果。泵筒与两端的抽油泵部件直接连接，去掉两端加长的短接。这样，柱塞和间隙中的砂粒就不会被 “清除”。

3 结语

泵的制造缺陷直接导致泵的寿命短。提高原材料质量，消除残余应力最大值，严格控制硬化层厚度和基体硬度，是减少堵塞和泵送的重要措施。泵的结构是决定喷砂井泵性能的主要因素。不要盲目使用槽塞。槽式活塞适用于无砂井或低砂井，但不适用于含砂量高的井。泵的结构、长度、间距、冲程、硬化方式和加长短连接长度的选择和设计应根据井的具体情况，并考虑井的特殊性。