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潜油电泵机组的工作过程及其故障分析

潜油电泵的工作是能源驱动方式为电能,输入电网电压需借助变压器进行完成电压的调节后,连接控制柜,借助潜油电缆实现电能传递到潜油电机,进而实现电机由电能向机械能的转换,使得潜油泵得以高速转动,在潜油泵高速转动举升,使得油井内部压力的升高,当在ca88手机版出口足以满足机组需求的举升扬程条件之后,使得油井内部的液体得以抽离举升到地表,随后通过地面配备的相关管线实现向地面系统的液体输送。

在潜油电泵机组中,保护器是重要组成部分之一,所起的作用主要是隔离井液和平衡电机内部与井筒之间的压力。目前,国内外在潜油电泵机组中,所使用的保护器种类很多,但从其原理来看,使用比较普遍的有两种:沉淀式保护器和胶囊式保护器。

图1:潜油电泵机组部分示意图


保护器的作用基本上有五个:

(1)是电机膨胀与收缩的呼吸腔:电机和保护器注满了电机油,用于润滑轴承和冷却电机。在电机安装、运行和起井过程中,电机油将膨胀或收缩,电机油体积的变化要由保护器来补偿。

(2)压力平衡:保护器用于平衡电机内部与井筒之间的压力,消除轴密封周围的压力不平衡。

(3)隔离井液:防止井液进入电机的作用。

(4)承受轴向力:保护器承担来自泵向下的轴向力。

(5)传递扭矩:保护器传递轴向的扭矩。包括传递壳体反向扭矩。


胶囊式保护器主要是依靠胶囊来实现隔离井液与电机油。ca88手机版厂在进行潜油电泵机组安装时,通过二次注油给保护器胶囊外腔注满电机油,将胶囊压缩成收缩状态。当电机运行时,由于温度升高,电机和保护器中的电机油受热膨胀而进入保护器胶囊内腔,使胶囊膨胀将外腔中的电机油挤入油套管环形空间。当电机温度达到最高时,胶囊膨胀到最大极限,多余的电机油将通过单流阀进入保护器外腔。当电机停止运行时,电机温度下降,胶囊内的电机油补充给电机,胶囊收缩,井液进入胶囊外腔,同时单流阀关闭。当电机继续运行时,保护器重复以上过程。


保护器故障点虽然不多,但作为电机的屏障一旦出了问题,对于电机就是致命的,保护器一旦损坏,直接造成电机烧毁,进而导致潜油电泵机组损坏。保护器在现场使用时,由于井底压力、温度、以及频繁呼吸工作,容易造成失效。在现场应用时发现,大排量保护器由于呼吸量量大,所配套的电机功率高,承载轴向力大,传递扭矩大,使得其使用寿命远远低于小排量保护器。大排量保护器主要失效模式如下。


在多年的应用中,在保护器起井拆检后,发现大多数保护器橡胶件均存在或轻或重的老化变硬和腐蚀现象,绝大多数胶囊起泡、破裂,所以橡胶件问题是保护器自身质量的最大瓶颈,它影响着整套机组的质量和检泵周期。现多数油井属于温度高于120°C的高温井,有的井温度达到160°C,使得保护器橡胶件老化变硬,失去弹性。再加上井液的腐蚀,胶囊内外表面分层起泡,这些都使橡胶抗拉强度降低,过早失效,降低其使用寿命。橡胶的弹性模量是橡胶元件设计的最基本的参数之一,它与橡胶的硬度、温度、形状有关。橡胶件的质量好坏直接影响到整机的使用性能及产品形象,致使整机可靠性的提升收到严重制约。保护器上主要的橡胶件有:胶囊、O环及机械密封波纹管。密封件失效的主要原因之一是橡胶材料在井下高温高压高含腐蚀性流体的苛刻环境中性能下降,引发密封件软化、变形等,可见橡胶材料的性能对ca88会员登录密封件的使用效果影响很大。


随着橡胶工业的发展,各种性能优异的橡胶材料在石油钻采工程中得到了广泛的应用。橡胶属于非线性材料,在很小的力的作用下能产生很大的变形,正因为这种超弹性而常被制作成密封件。0型圈就是一种非常常见的密封件,其结构简单,使用范围大、安装方便等优点。目前国内用于石油钻采工程橡胶制品的材料多为氟橡胶和丁腈橡胶,在腐蚀环境作业中,常会发生密封件失效的问题。


在拆检的保护器中,有近80-90%的保护器都是因为胶囊胀破或胶囊被上面接头的单流阀孔破而失效的。原因就是胶囊内压力达到一定时,单流阀不能及时开启,使胶囊内部压力过高或胶囊内充油过多造成胶囊损坏。


在大排量保护器使用时,配套的是较大功率的电机,加之井下井温较高,所以需要较大呼吸量的保护器,以保证电机正常工作。但从保护器拆检情况看,由于保护器只能满足“呼”的要求,而不能满足“吸”的需要,所以机组温度降低时,电机油收缩,呼吸管上的排气孔便将胶囊吸破;有时滤网上存有泥砂时,滤网在径向油孔处被堵塞,导致胶囊被吸破。


在拆检过程中,ca88手机版厂还发现经常有一种情况,就是胶囊完好,水泵机械密封和单流阀完好,且气密封无渗漏。这时将胶囊腔上面接头内的单流阀取出,单流阀密封0环已经老化变形,开口堵头松动。这种情况下的渗漏就应该是单流阀密封圈失效造成的。

图2:单流阀密封O环老化变形

单流阀密封O环老化变形

在多年的实际应用中发现,大排量保护器由于承载大,传递扭矩大,轴断的几率相对较高。综合现场起井和拆检情况分析,由于井液中颗粒砂使泵内部件磨损,并导致卡泵,使得电机负载过大,运行电流较高,瞬间扭矩过大,由于保护器承载整个管柱作用力,使得应力集中,导致保护器轴在瞬间大扭矩的情况下断裂,使得保护器失效。


保护器断轴是一种及其严重的油田作业事故,多伴有保护器弯曲,一般出现在斜井。故障点出现在双串保护器的中间连接部位,是保护器的薄弱部位,断轴的保护器,同时伴有花键套的严重磨损。


综上所述,保护器一旦失效,则会直接导致潜油电泵机组损坏,需要修井作业,陆上一口油井的修井作业费一般为几十万元,海上油田则高达几百万元;在修井作业期间,造成油井停产损失也巨大;不仅会给油田用户造成极大的经济损失,同时也造成及其不利的社会影响。


所以为了防止保护器失效,减缓保护器失效时间,减小失效几率,需对大排量保护器进行改进设计。本研究的主要目的是改进保护器的性能,保护器电机,防止井液浸入电机内,使电机内部压力与进口压力之间保持平衡,同时,补偿和缓冲电机在启动和运行过程中,因为温度变化而引起的电机油热胀冷缩,以保障电机正常运行,从而保证潜油电泵机组正常运转,延长使用寿命。


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点击次数:  更新时间:2017-12-25 08:55:17  【打印此页】  【关闭