攜排砂采油系統在大港油田的應用

韓啟清 孫福山 高維剛 李莉 李少浦 （大港油田公司采油工藝研究院）

攜排砂采油系統在大港油田的應用

韓啟清 孫福山 高維剛 李莉 李少浦 （大港油田公司采油工藝研究院）

攜排砂采油系統是根據水力射流原理，通過特殊的井下工藝設計，將注入井內的高壓動力液的能量傳遞給井下油層產出液的排砂采油裝置，由于攜排砂采油裝置具有阻止地層砂沉降，可使地層砂能夠順利排出地面的功能，所以適合于西46-20等疏松砂巖油藏的油井井筒舉升，可有效消除或減少有桿泵舉升工藝大斜度井桿管柱偏磨以及油層出砂對油井生產的影響。通過優化井筒工藝和地面工藝配套，該技術在西46-20井的應用取得良好效果，達到了節能降耗、保持油井正常生產的目的，為大港油田疏松砂巖油藏大斜度井舉升提供了有效技術手段，為一些受地表環境限制無法動用的儲量區塊得到開發提供了新思路。

疏松砂巖 攜排砂 流速 水力泵 同心管 節能

1 概述

大港油田的港東、港西、羊三木等油田是典型的疏松砂巖油藏，由于受到地表條件和環境保護要求的限制，近年來水平井和大斜度井呈逐年增多的趨勢，特別是低產液大斜度井和淺層出砂井的不斷出現，應用常規機械采油工藝[1]（抽油機有桿泵、潛油電泵、螺桿泵等主體工藝）已經不能解決油井的正常生產問題，例如：水平井多采用割縫篩管完井，擋砂效果不穩定，油井出砂后無有效的應對措施；采用套管完井的大斜度井采用現有防砂工藝有效率低，導致砂卡、砂埋的情況頻繁發生；傳統機械采油方式使油井桿、管、泵磨蝕嚴重，導致作業成本增加[2]。

2006年投產的西46-20井是港西油田的新鉆評價井，投產后始終未達到正常連續生產的目的，自2008年8月以來處于停產狀態。造成停產的原因是：

1）地層出砂嚴重。2008年3月至2008年7月的153 d時間內，多次轉換電泵、螺桿泵等生產方式，共檢泵作業4次，最長工作時間僅為89 d，其原因均為砂埋油層，累計砂柱高度1 028.98 m、沖出砂量12.4 m3、折算砂面平均上升速度6.7 m/d，最高達到了36.6 m/d。由于油層膠結疏松、細粉砂含量高、泥質含量高等難題制約，防砂難度大，有效期短。

2）大井筒復雜程度高，舉升工藝配套難度大。該井為1口淺造斜大斜度井，造斜點深度212.26 m、最大井斜84°（深度：斜1 366.27 m/垂926.78 m）、最大全角變化率4.87°/30 m（深度：斜1 433.85 m/垂936.09 m）、油層處井斜79.58°、水平位移1 239.79 m。

3）目前生產層明二5油層產液量低。日產液6.10 m3，日產油3.01 t，分析認為砂埋是造成油層供液能力差的重要原因。

因此，舉升工藝能否滿足需要成為疏松砂巖和特殊地貌油田儲量能否動用的關鍵環節。為了解決出砂油藏油井生產管理中存在的頻繁砂卡砂埋、桿管摩擦加劇、泵效低甚至無泵效等突出矛盾，有必要引進特別適用于低產液大斜度井和淺層出砂井開采的采油工藝新技術。

2 攜排砂采油技術的原理和特點

2.1 技術原理

該技術根據水力射流原理，通過特殊的井下工藝設計，將注入井內的高壓動力液的能量傳遞給井下油層產出液的排砂采油裝置，由于攜排砂采油裝置具有阻止地層砂沉降的功能，使地層砂能夠順利排出地面。攜排砂采油系統由地面系統和井下系統兩大部分組成。地面系統包括地面注水泵、變頻控制系統、分配計量管匯、過濾器、儲液分離罐、采油樹和地面管線，井下系統包括特制井口裝置、同心管管柱、井下泵組、尾管和油管錨等幾部分。見圖1、圖2。

井下泵總成主要由噴嘴、喉管及擴散管組成。具有一定壓力、流量的高壓動力液從噴嘴噴出后形成高速射流，在射流處形成局部低壓區，使地層液進入射流周圍。由于射流質點的橫向紊動，兩種液體發生混摻作用，一起流入喉管并獲得能量，隨著擴散管的逐漸擴大，混合液流速降低，壓力升高，最后混合液由泵經大、小油管環空排出至地面。

該系統通過流體壓能與動能之間流體能量的直接轉換來傳遞能量，而不像其他類型的泵，必須有機械能量與流體能量的轉換。因此射流泵沒有運動部件，結構緊湊，泵排量范圍大，對定向井、水平井和海上叢式井的舉升有良好的適應性。由于可利用動力液的熱力及化學特性，水力射流泵可用于高凝油、稠油和高含蠟油井。射流泵可以采用自由安裝，因而檢泵及井下測量工作都比較方便。

井下泵下至油層中部或油層底界以下深度，產出液和混合液通過優化的液體流道，既可使地層出砂全部隨采出液排至地面，不會造成砂埋油層；又最大可能地放大生產壓差。對于稠油油藏由于下泵深度的增加，有利于原油的流動，當油層溫度較高時，這類油藏可實現稠油冷采。

2.2 技術特點

1）具有適應大斜度井舉升的技術優勢。由于井筒舉升無運動部件，屬無桿泵采油系統，因此受井斜和全角變化率影響較小，從根本上解決了桿管偏磨問題。

2）具有攜排砂能力強的技術優勢。采用雙管管柱結構，明顯不同于水力噴射泵采油工藝，因此混合液返出通道過流面積與水力噴射泵采油相比大幅度降低（攜排砂采油環空截面積相當于φ58.68 mm油管，而水力噴射泵混合液返出環空截面積相當于φ100 mm油管），攜排砂采油返出液液流速度提高了3倍，實現了液體流速大于懸浮砂沉降速度的2倍以上[3]，確保了砂粒不沉積而排出井筒。

3）具有油層保護技術優勢。動力液不流入地層，不與地層發生接觸，不會對油層造成回壓和污染。

4）具有調整工藝參數簡便的技術特點。由于其不同于水力噴射泵的管柱結構，不需要依靠封隔器來實現通道封隔，而是采用井下泵總成實現動力液和返出液通道分離，只需下入錨定器實現管柱固定，因此可實現動液面的測試，可及時依據地層供液狀況調整工作參數，且調整參數簡便。

2.3 技術性能參數

允許全角變化率：φ139.7 mm，≤10°/30 m；允許工作段井斜角90°；

最高揚程2 500 m；地面泵壓15～20 MPa；地層產液 0～10 m3/d；動力液 30～150 m3/d；工作溫度120～380℃；原油黏度7 500 mPa·s；含砂量10%，粒徑中值2 mm。

3 現場應用

3.1 設計優化

3.1.1 攜排砂能力

室內試驗表明，在砂粒舉升過程中，井下管柱每個橫截面的液體流速必須均大于砂粒的沉降末速的2倍以上，才能保證地層砂能順利地排至地面。

西46-20井地層砂粒徑中值為0.07～0.10 mm，按0.10 mm計算，在內徑φ25 mm靜液中的沉降末速0.0118 m/s，保證砂粒上升的最低液流速度0.036 9 m/s，其對應的排量為2 m3/d（當地層砂粒徑為0.20 mm，其對應排量為3.5 m3/d)。

由于地層砂粒徑不均勻，且在井筒中有可能形成高砂比混合液，因此應保證產出液排量不低于10 m3/d，此時砂子的上升速度為69 mm/s，也就是說地層砂在24 h內上升5 961 m。對于此井而言，在8 h以內將地層砂粒排出井筒。

混合液排出通道環空截面相當于直徑φ58.68 mm油管，地層砂在靜液中的沉降末速0.026 9 m/s，保證砂粒上升的最低液流速度0.082 9 m/s，其對應的排量為8.6 m3/d（當地層砂粒徑為0.20 mm，其對應排量為19.4 m3/d)。設計混合液排量應不低于50 m3/d，砂子的上升速度為61.5 mm/s，在8 h以內將地層砂粒排出井筒。

上述地層產液量和混合液產出排量完全可以達到，即井筒攜排砂技術基本上是可行的。

3.1.2 適應井眼軌跡能力

該井最大井斜84°，最大全角變化率4.87°/30 m，油層套管內徑φ124 mm，由于攜排砂采油裝置最大外徑φ110 mm，長度1.4 m，油管柱外徑φ88.9 mm，接箍直徑φ108 mm，在無特殊情況下采油管柱和井下工具可實現正常起下。

其次，設計泵掛深度為18 46.5 m，此處井斜角為80.12°，全角變化率為1.45°/30 m，在斜深1 841～1 851 m井段井斜角變化不大，處于穩斜段，而全角變化率變化較大，從1.45°/30 m增大至4.27°/30 m，經分析，由于同心管井下工作筒只有1.4 m，因此，不會造成系統裝置彎曲。

另外，同心管泵芯直徑為φ38 mm，長度1.2 m，因此，可以保證在φ40.45 mm油管(通徑)內順利起下。

3.1.3 經濟可行性論證分析

攜排砂采油工藝與有桿泵舉升工藝綜合費用對比，年節約成本78.7×104元。

同時，有桿泵舉升工藝年累產油861 t，攜排砂采油工藝年累產油1 047 t，多產油186 t；有桿泵舉升工藝年檢泵6次，會造成油層污染降低原油產量，而攜排砂采油工藝將地層砂及時排出地面，不會阻礙原油流入井筒，同時可適當放大生產壓差，提高油井產量。

綜合以上分析，攜排砂采油工藝技術可行、經濟有效。

3.2 應用效果

3.2.1 生產效果

通過論證，攜排砂采油系統在西46-20井進行了試驗應用，下泵深度1 846.5 m，進油孔（篩管）深度1 861.8 m，井斜角為79.13°，噴嘴直徑2.3 mm；喉管直徑3.9 mm。地面配套3ZS125-6/20三柱塞泵；45 kW變頻控制柜；PN2.5低壓過濾器；Pn20、Dn65高壓過濾器；分氣包；混合液計量儀表；LWD1-2.5-50電子流量計。

該井投產后動力泵工作壓力10 MPa；動力液排量55 m3/d；初期地層日產液量25.52 m3/d，日產油8.34 t，最高日產油達到12 t以上。目前隨著地層能量下降，日產油維持在1 t以上，混合液最高含砂量0.4%，折當日地層含砂量1.2%，達到了該井正常生產的目的。

3.2.2 經濟評價

攜排砂采油工藝實現了長停井生產的恢復，與抽油機有桿泵舉升工藝相比一次性投入增加14.41×104元，但從年維護費用上看每年可減少修井作業（4.6井次）、噸液耗電［節約17.44 kWh/（m3·d）］等維護費用25.46×104元。

4 結論和認識

1）從攜排砂采油系統的實際使用來看，該工藝針對疏松砂巖油井生產存在的問題，在管柱結構、地面處理系統和生產管理參數上進行了改進，達到了預期的效果，實現了油井的正常生產。

2）作為一項無噪音、無污染的環保節能的采油工藝新技術，攜排砂采油更適合于采油平臺叢式井、污染和噪音敏感地區等油井的開采。如果在1個井組或區塊規模應用，攜排砂采油工藝的平均單井投入費用可以大幅度降低。在大港油田的濕地保護區、泄洪區、廠礦村鎮周邊油田的開采有廣闊的發展前景。

[1]胡博仲.大慶油田機械采油配套技術[M].北京：石油工業出版社，1998:32-33.

[2]陳廣超,李文森,程宇輝,等.大斜度抽油井延長免修期的有桿泵舉升工藝技術[J].石油鉆探技術,2004,32(1):54-56.

[3]李明忠，王衛陽，何巖峰.垂直井筒攜砂規律研究石油大學學報[J].自然科學版,2000(24):2.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.07.009

韓啟清，1984年畢業于大港石油學校，高級工程師，現從事采油工程技術管理工作，E-mail：hangqiqing@petro china.com.cn，地址：大港油田公司采油工藝研究院，300280。

2011-07-29)