油井出砂造成抽油泵失效分析及治理措施

摘要：本文通过采取生产过程分析和现场描述相结合的办法，对孤岛油田油井出砂对抽油泵的机理，从管柱沉砂、抽油泵结构、油井井况和产出液介质四个方面进行分析。针对存在的问题，采取了系列防砂治砂、上提油井泵挂和推广应用新型抽油泵等措施，取得了较好的效果。

关键词：油井出砂 抽油泵失效 机理分析 治理措施

1 抽油泵失效原因分析

1.1 砂粒在管柱内的沉降

目前孤岛油田油井的含砂量基本上大于0.3‰，含砂量最高的达到10‰以上。由于原油的粘度远远大于地层水的粘度，而在相同的流速下，不同介质的携砂能力与介质的粘度呈正比，所以地层油的携砂能力要大于地层水的携砂能力。当井液进入抽油泵后，由于活塞的抽吸作用以及抽油杆与油管的相互运动，使得地层水与地层油充分混合，大的油滴变成小油滴分散在地层水中，因此地层油中的砂粒混合在地层水中，由于地层水的携砂能力差，部分砂粒会在重力作用下下沉。

在抽油杆下行时，靠近油管壁的流速为零，而与抽油杆接触的流体与抽油杆的下行速度相同。因此井液在油管中运移速度从纵向上和径向上都是变速运动，砂粒会在井液低速时沉降，部分砂粒也会沿着井壁的低速区沉降到抽油泵。特别是在油井停产时，砂粒快速沉降，严重时会造成卡泵和砂埋。

1.2 抽油泵结构因素

普通抽油泵在结构上没有任何挡砂措施，而且柱塞端部有0.5°的锥面，抽油泵在往复运动过程中，使得砂粒直接沉降到柱塞与泵筒间隙中，而且抽油泵柱塞上的防砂槽只具备挡砂和刮砂性能，对防砂槽沉砂的清除没有考虑，在防砂槽存砂后，同样会造成活塞衬套磨损。

抽油杆通过游动凡尔与活塞连接，活塞往复运动使得游动凡尔罩承载着大小不对称的变载荷应力。现场抽油泵由于游动凡尔罩失效的因素占11%，是游动凡尔失效的一个主要因素。凡尔罩由于受到凡尔和液流通道的限制，凡尔罩的有效横截面积小于活塞的有效横截面积，在整个杆柱上产生应力集中。在凡尔开启过程中，凡尔罩受到连续间断的撞击，而凡尔球的硬度大于未经处理的凡尔罩的硬度，连续的撞击加速了疲劳破坏。

1.3 井身结构和地层能量下降加剧了磨损

由于抽油泵所处位置径向偏差增大，使得抽油泵在油井中呈倾斜状态，沿着井身轨迹呈一定的角度。这种状态使得抽油泵在抽吸过程中，偏磨现象加重。抽油泵在上行和下行过程中，分别偏磨抽油泵和柱塞的两个侧面。

1.4 磨损和腐蚀双重作用，造成抽油泵失效

由于抽油泵在井中是呈倾斜状态，在上行与下行的瞬间，在往复运动过程中，使得双倍间隙半径大小的砂粒进入泵筒与柱塞之间，从而加大了摩擦系数和磨损时间，使得柱塞与泵筒之间的压力和摩擦力都增加，造成柱塞和泵筒表面磨损。表面被破坏后，由于井液介质的强电解性和弱酸性，心部极易被腐蚀和磨损。一般活塞两端的压差是7-14Mpa，在高压差下，含砂液体会对柱塞和泵筒产生水力切割，加剧磨损。

2 治理措施及效果

2.1 防砂治砂配套技术的应用评价

2.1.1 稳定剂、抑砂剂的应用

在矿场应用过程中，稳定剂和抑砂剂主要应用于出砂不很严重，但是由于含砂量较高，造成抽油泵生产周期短的油井。通过对现场应用的620井次稳定剂和240井次抑砂剂数据对比分析（表1），取得了较好的效果。

2.1.2 泵下挡砂器的应用

为降低采出液的含砂量，在管柱优化方面，通过在抽油泵下加装泵下挡砂器，该装置外边为保护外管，内有一滤芯，对进泵液体进行过滤。通过对现场应用的15口井进行分析，含砂量由应用前的0.9416‰降低到0.5207‰。该装置可以有效的延长抽油泵的高泵效生产期，而且从二次作业的2口井现场描述发现，尾管中有20米的沉砂，说明起到了明显的滤砂作用。例如GD10XN13井（图1）。

2.1.3 确定合理的采液强度

通过对油井采液强度和含砂量的历史数据进行拟合，可以得出该井含砂量与采液强度的变化规律，从而确定合理的采液强度。例如GD11X3009井（图2），可以看出含砂量只有在超过一定的临界值后，含砂量会大幅度上升。GD11X3009井的临界采液强度确定为20t/（d*m），通过控制该井的产液量，使得该井的含砂量控制在0.25‰以下，有效的控制了油井的含砂量。在生产过程中，由于各油井的生产层位，生产时间以及胶结类型和强度的不同，因此差异较大，而且会随着不同的生产时期，临界采液强度也会发生变化。

2.2 恢复地层能量，严格控制油井沉没度

经统计，孤岛油田平均动液面由90年的531.3米下降到目前的749.8米。油井的平均泵挂由1044.53米下降到1272米。油井泵挂的加深，会使得抽油泵承受的载荷增大，从而使得柱塞与泵筒之间的压力和摩擦力增大，井液对柱塞和泵筒液力冲刷也会增大。

在搞清油井供液能力的前提下，降低油井泵挂，可节约投入，改善抽油泵工况的另一项有效途径，是严格控制油井沉没度。通过对油井合理沉没度的研究分析表明，含水大于90%，沉没度250米，含水小于90%，沉没度400米即可满足油井生产要求。

2.3 推广应用新型抽油泵，提高抽油泵可靠性

为提高抽油泵抗砂能力，推广应用了改进泵、防砂卡泵和等径泵，主要应用于由于磨损而造成免修期短的油井。改进泵在结构上，将游动凡尔移到活塞的下端，可避免凡尔球撞击凡尔罩。在活塞的两端加高硬度弹性刮砂装置，直径大于泵筒内径，在弹力和液柱压力的作用下，弹性斜片紧贴在泵筒内壁上，活塞往复运动时将砂子被斜片刮下由井液带走，提高抽油泵的可靠性。

通过现场10口井对比分析，平均免修期延长98天。防砂卡泵有动筒式和长柱塞式两种，利用环空沉砂原理，防止砂卡泵，减轻泵的磨损。等径柱塞泵柱塞外径相同，且去掉了防砂槽，可在一定程度上，减少砂粒进入抽油泵和柱塞的几率，达到减缓磨损的目的，而且还可提高油井泵效。通过对比79口防砂卡泵，平均免修期由187天延长到246天。9口等径柱塞泵免修期延长了37天，而且具有高泵效期长的特点。

3 结论与认识

（1）油井含砂量和矿化度越高，抽油泵的高泵效期越短，而且泵效下降越快；

（2）有杆泵在生产过程中，必然会有部分砂粒沉降到抽油泵上，使抽油泵磨损。通过一系列防砂工艺，可以降低油井的含砂量，延长抽油泵的高泵效期；

（3）油井井况的复杂变化，是造成抽油泵失效的重要因素，泵挂越深，抽油泵的工况越差。通过恢复地层能量，严格控制油井沉没度，可有效改善油井工况；

（4）高含砂、强腐蚀是造成抽油泵短命的重要因素，通过应用新型抽油泵，可提高油井的泵效，延长油井免修期，降低油井的维护费用。

参考文献

[1] 辜志宏，张凤民.出砂油井用抽油泵初始间隙的选择.石油机械。2001.29（3）

作者简介：李云涛（1971.05-），女，采油技师，孤岛采油厂孤一油藏经营管理区注采管理105站员工。