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抽油泵和泵筒材料如何選擇

   截至 2005 年 4 月,國內(nèi)油田使用有桿泵的井?dāng)?shù)約 15 萬口,其中大部分是式抽油泵,常規(guī)抽油泵已成為主要的采油方式之一。
   由于國內(nèi)油田大部分已進入了高含水開發(fā)期,加上高含砂、高溫蒸氣稠油開采、注聚合物開采及強腐蝕的介質(zhì)環(huán)境和井況差等因素影響,抽油泵的泵筒和的磨損、腐蝕、劃傷越來越嚴(yán)重,油井平均檢泵周期越來越短,有的甚至不到 30 天就需要檢泵,嚴(yán)重影響油田開發(fā)綜合經(jīng)濟效益的提高。國內(nèi)外眾多機構(gòu)投入了大量的力量研究抽油泵的失效原因和防護措施。其中一個有效的方法就是優(yōu)選泵筒和的材料和表面處理工藝。 泵筒和摩擦副及周圍工作環(huán)境和條件構(gòu)成了一個摩擦學(xué)系統(tǒng),這一系統(tǒng)的腐蝕磨損量由泵筒的腐蝕磨損量和的腐蝕磨損量的總和所決定。而泵筒和各自的腐蝕磨損量則由構(gòu)成材料的物理機械化學(xué)性能、相互運動關(guān)系、工作環(huán)境和條件等因素決定。最終從抽油泵角度上看,抽油泵泵筒和的材料和表面處理工藝的選擇成為決定這個摩擦學(xué)系統(tǒng)腐蝕磨損量的決定因素。

   選擇并優(yōu)化抽油泵泵筒和材料和表面處理工藝的目的是讓這個摩擦學(xué)系統(tǒng)的腐蝕磨損量達到最小。由于影響因素眾多,所以泵筒和的材料選擇匹配仍然沒有一個理論指導(dǎo),研發(fā)人員目前做的最多的工作是選擇各種泵筒和的材料和表面處理工藝,然后在一定的腐蝕磨損條件下進行室內(nèi)摩擦磨損試驗,從試驗的結(jié)果來確定在這種試驗條件下,應(yīng)該選擇什么樣的泵筒材料。這里介紹兩種試驗結(jié)果:

   第一種結(jié)果:抽油泵泵筒材料及表面處理工藝為 45 鋼表面化學(xué)鍍鎳磷合金、 303 鋼表面鍍鉻、 4% - 6% 鉻鋼加壓氮化等 3 種;材料及表而處理工藝為碳鋼鍍鉻、碳鋼激光處理、海軍黃銅化學(xué)鍍鎳磷合金、蒙耐爾合金鍍鉻等 4 種。將上述材料分別配對進行耐磨性試驗,試驗用的摩擦副由環(huán)和塊組成。介質(zhì)為清水,溫度 60 ℃ ,黏度為 0.000653Pa/s 。試驗機為 MG - 200 型高速高溫摩擦磨損試驗機。所加載荷 1kN ,試件總摩擦行程為 20km 。通過對不同泵筒和的材料及表面處理工藝的配對耐磨性試驗研究,并按先失效原則排序,可供選用泵筒和摩擦副最優(yōu)匹配材料分別為碳鋼化學(xué)鍍鎳磷合金和碳鋼鍍鉻。

   第二種結(jié)果: 抽油泵泵筒材料及表面處理工藝為碳鋼表面鍍鉻、碳鋼表面化學(xué)鍍鎳磷合金和 38CrMoAl 氮化;材料及表面處理工藝為碳鋼表面鍍鉻、碳鋼表面化學(xué)鍍鎳磷合金、碳鋼表面噴焊鎳基合金和 38CrMoAl 氮化,分別組合配對成 9 對摩擦副。試驗?zāi)Σ粮庇森h(huán)和柱構(gòu)成。試驗介質(zhì)為含油污水,其中含油 5% ;水中的礦物質(zhì)含量:氯離子 11000mg/1 ,二氧化碳 25mg/1 ,鈣離子 25mg/1 ,碳酸氫根離子 30mg/1 ,鎂離子 13mg/1 ,總鐵 8mg/1 ;含砂 0.4% ;溫度為 60 ℃ 。同樣采用國產(chǎn) MG-200 高速高溫摩擦磨損試驗機。試驗載荷 100N ,摩擦總行程約為 6km 。綜合分析試驗結(jié)果,認(rèn)為碳鋼噴焊與碳鋼鍍鉻泵筒配對為最優(yōu), 38CrMoAI 氮化與碳鋼鍍鉻泵筒配對次之。

   上述可見,實驗室的試驗結(jié)果是在設(shè)定的條件下得出的。如果變化不同的試驗條件,則工作量巨大,即使變化不同的條件,也不一定和油田現(xiàn)場井下條件一致,所以實驗結(jié)果是有局限性的。由于試驗條件和摩擦副的形狀不同,各個試驗結(jié)果之間也沒有可比性。

   可以看出,通過試驗確定抽油泵泵筒和材料匹配有其不足,試驗沒有理論指導(dǎo)因此試驗工作量很大。試驗所選用的材料只是眾所周知的已有材料,很難提出其它并未在抽油泵上使用過的但性能可能更好的材料。

   隨著材料工程學(xué)的發(fā)展和新的材料表面處理工藝出現(xiàn),很多材料和表面處理工藝都有可能應(yīng)用于泵筒和表面,靠單純的實驗室配對材料的摩擦磨損試驗來決定取舍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前對提高抽油泵泵筒和壽命的急迫要求,如何借助材料學(xué)和其它學(xué)科的原理與技術(shù)來設(shè)計泵筒和配對材料是目前急需解決的課題。

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