崔澎涛1    赵杰2   付军2

1.中海石油（中国）有限公司天津分公司 天津 300452；

2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452

摘要：渤海自营油田采用潜油电泵采油已取得较大效益，但在应用过程中，出现了多起的机组掉井事故，经分析研究，机组断裂位置主要位于分离器处，多由井液含砂，在分离器处形成砂切，壳断迼成。为解决此问题，调整材质和选用了耐砂涡流式分离器，避免旋转式分离器的砂切问题。从实际应用效果看，采用耐砂涡流分离器机组未再出现壳断掉井事故，确保了机组的正常运行，取得了较好的采油效益。

关键词：潜油电泵　分离器　砂切 涡流分离器

1 引言

渤海自营油田多为潜油电泵生产方式，截止到2014年12月，井下运行潜油电泵机组1771套，平均运行782天，取得了较好的效益。但在潜油电泵的应用过程当中，多次出现机组掉井事故，2012年1月至2014年9月期间，对出现机组掉井事故的油井进行统计分析发现：出现机组掉井17次井次，确定含砂井次为12次，机组断裂位置统计中，在分离器处断裂的井次为8次都为含砂井，经拆检分析，分离器处断裂位置大体一致，且均为旋转式分离器结构，为此，分析掉井原因，调整分离器配套是潜油电泵机组在出砂井应用的关键。

2 掉井原因分析

2.1旋转式分离器的结构

旋转式分离器的主要结构如图1所示。转动部主要由固定于轴上，与轴同步转动的诱导轮、导向轮、分离转子等部分构成；非转动部主要由上、下接头、壳体、轴承体及由上接头与轴承体挤压固定的衬套构成；扶正位置主要在上下接头及轴承体处；分离转子与衬套位置对应，间隙非常小，约1~2mm。分离转子的结构如图所示，其为四叶闭式腔体，当气液混合液进入分离转子时，被分割成四部分，因离心力分别进行气液分离，后经上接头汇集液体、排出气体，实现气液分离。

图1 旋转式分离器结构图

2.2旋转式分离器的掉井位置及原因分析

在对出现掉井故障的井组进行分析时，发现：分离器壳断位置主要位于A、B两处，且以B处居多，如图2所示。此两处位置分别位于分离转子及衬套的上沿及下沿10cm内。当井液不含砂或含砂较少时，在分离转子与衬套之间，充满着液体或混浊物，对分离转子与衬套的相对运动没有影响，并可使分离转子运行相对稳定；

当井液含砂达到一定程度，由其是砂子粒径较大， 接近分离转子与衬套间隙时，由于分离转子相对衬套高速旋转，砂子硬度又远大于衬套的强度，因此，将划伤分离转子外表或衬套内表面，在极短时间内，将在衬套内表面形成凹槽，使得更多的砂子停留在凹槽内；分离转子的高速旋转，带动间隙内的液体旋转，而液体带动凹槽内的砂子旋转，衬套及壳体将很快被旋转的砂子切断，造成机组掉井。

 

图2 分离轮图

出砂井砂粒度均值见下表

粒度范围

D50 平均粒度范围

D50 非均质系数

UC 微颗粒含量

（<44µm）

50－400µm 180　 ＞3 5%-40%

油井产出砂的主要成分是二氧化硅（石英），其硬度高，布氏硬度HB485，衬筒材质的布氏硬度HB200，由于砂的硬度较高，衬筒极易磨损，也就验证了掉井的原因。 

 

图3 分离器壳断位置示意图

旋转式分离器通常两端采用铜制或镍铸铁制滑动扶正轴承，硬度分别为：HB164和HB130~160硬度低于砂的硬度，因此，在含砂井中极易磨损，扶正轴承的磨损加速了分离器壳的磨损断裂。

由上述分析可知：旋转式分离器中，闭式分离转子与衬套配合的结构，不适于含砂较高的油井中，在高含砂井液中运行的分离器应尽量采用耐砂旋转的结构，避免掉井的发生。

3 解决措施

3.1涡流式分离器的选用

涡流式分离器与旋转式分离器外形相似，结构示意图如图4所示，内部扶正位置相似，最大的不同在于采用了锥形诱导轮及开式分离转子，砂子在分离轮的作用下流向分析如图5所示。锥形诱导轮能更好的适应固、气、液的三相混合流，并提供更大的流量；开式分离转子的应用避免了旋转式分离器闭式分离转子与衬套这间小间隙的出现，极大降低了出现砂粒刻划衬套内壁并停留在衬套内壁划伤位置的可能性；此外，涡流式分离器衬套壁厚增加，并可选择内壁硬质合金喷涂，进一步降低砂切的风险。

 

图4 涡流式分离器结构图

 

 

 

 

 

 

 

图5 锥形诱导轮结构砂子受力示意图

涡流分离器采用开式分离转子，使得气液分离腔主要由分离转子与衬套内腔构成，而不同于旋转式分离器的由分离转子主要构成，气液混合液进入分离腔后，不再被分割成多部分，而是一体在分离转子作用下进行分离，结构的改变对分离性能的影响如图6所示。涡流式分离器的分离效率与旋转式分离器的分离效率相差不大。

在涡流式分离器两端采用硬质合金扶正轴承（碳化钨），其布氏硬度达HB800考虑到涡流分离器对砂子的适应性强，增加了扶正轴承的耐磨性和运行的稳定性。因此,后续改进措施为将渤海自营油田所用潜油电泵机组配套的旋转式分离器全部更换为涡流式分离器。

 

图7 旋转式分离器与涡流式分离器性能对比图

4.涡流式分离器现场应用及分析

涡流式分离器的外形结构及与保护器及泵的对接参数与旋转式分离器相同，因此安装方法与旋转式相同，替换旋转式分离器非常容易。从2012年4月开始，在渤海自营油田的机组，均用涡流式分离器替换旋转式分离器。截止到2013年10月，配用涡流式分离器井数达到45口，平均运行时间达到610天，在含砂井中未出现掉井现象，涡流式分离器已克服旋转式分离器的结构缺陷，更好地适应了含砂井液的油气分离。

5.结论及认识

5.1由砂切产生的机组掉井需要两个前提：井液含砂及分离器结构能形成砂切。在实际应用中，要充分考虑这两种情况，避免此种情况再造成机组掉井。

5.2的旋转式分离器因自身结构限制，对含砂井液的适应能力低，在对含砂井进行开采时，应不予采用。

5.3涡流式分离器从结构上克服了旋转式分离器的缺限，对含砂井液的适应能力高，且分离性能不低于旋转式分离器，可在油田含砂区块推广应用。

 

【1】李宾飞，李兆敏，李晓宏等．旋流式井下液砂分离器的研制与应用[J]．石油钻采工艺，2008，30(1)：121-124.

【2】关醒凡．现代泵技术手册[M]．宇航出版社，1995，9：306-341.

【3】查森．叶片泵原理及水力设计[M]．机械工业出版社，1988，6：223-293.