電泵井采油注水一體化管柱研制與應(yīng)用

李 琴，彭銀華，黃志強(qiáng)，邱成松，彭 云，趙普春，郭忠良

（1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都610500；2.中石化西北油氣田分公司 塔河油田，烏魯木齊830002）

塔河油田是我國最大的古生界碳酸鹽巖整裝油田，油藏埋深度5 300～6 600m，屬于超深碳酸鹽巖巖溶縫——洞型復(fù)合油氣藏，儲層主要為高角度風(fēng)化裂縫和構(gòu)造裂縫、溶蝕孔洞及大型溶洞，基質(zhì)基本不具備儲滲能力，井間連通性差，大多數(shù)井井間不連通，為單井控制的封閉油藏［1－2］。其主力產(chǎn)層主要集中在風(fēng)化殼以下近3 000m內(nèi)，油水關(guān)系極其復(fù)雜，原油主要為黏度大于100 000mPa·s（50℃）的稠油［3］。塔河油田的油藏特征、油品特性等因素造成油井生產(chǎn)工藝復(fù)雜，舉升難度大，在生產(chǎn)過程中需從油套環(huán)空摻入稀油來降低原油黏度［4］；在地層能量不足時，又需通過注水替油來補(bǔ)充地層能量，提高油井產(chǎn)能。原電泵管柱由于存在3個問題，難以滿足油井摻稀生產(chǎn)和注水替油工藝的需要。

1） 原電泵管柱結(jié)構(gòu)不合理，造成環(huán)空摻入的稀油與稠油混合效果差，造成原油入泵黏度高，增加了電機(jī)載荷，影響電機(jī)使用壽命，縮短檢泵周期。

2） 只能進(jìn)行環(huán)空注水，使得注入水與電纜直接接觸，注入水中的微小懸浮顆粒在高壓作用下，對電纜保護(hù)層及鎧皮形成沖蝕作用，損壞電纜，縮短電纜壽命。

3） 油井進(jìn)行環(huán)空注水時，由于過電纜井口置承壓能力較低，一般不超過15MPa，使得反注水的注水壓力達(dá)不到理想注水壓力，影響油井注水替油效果。

針對以上問題，研制出一種適用于塔河油田稠油開采的電泵井采油注水一體化管柱。該管柱通過提高摻稀混合效果，減低了原油黏度，延長電機(jī)使用壽命；通過實現(xiàn)正注水，避開了注入水與電纜的接觸，避免了注入水對電纜的損壞；同時正注水還可提高注水壓力，提高油井注水效果。

1 一體化管柱結(jié)構(gòu)和工藝原理

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

新型電泵井采油注水一體化管柱主要由油管、自主研發(fā)的井下開關(guān)閥、離心泵、電機(jī)、導(dǎo)流罩、篩管和混配器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在原電泵管柱的基礎(chǔ)上，在離心泵上端接入了自主研制的井下開關(guān)閥，用以實現(xiàn)正注水；在電機(jī)外側(cè)安裝了導(dǎo)流罩，并在導(dǎo)流罩下端依次連接混配器、特制篩管、絲堵等，用以提高摻稀混合效果。

圖1 電泵井采油注水一體化管柱及井下開關(guān)閥

1.2 工藝原理

塔河油田由于其油藏及原油特性，與常規(guī)油藏相比，要求電泵管柱在生產(chǎn)過程中必須能夠進(jìn)行摻稀生產(chǎn)、注水替油及正循環(huán)洗井3種工藝。研制的新型采油注水一體化管柱可在不動管柱的情況完成以上工藝。

1.2.1 摻稀生產(chǎn)

在進(jìn)行摻稀生產(chǎn)時，井下開關(guān)閥處于上下連通狀態(tài)，如圖1b所示。稀油從油套環(huán)空摻入，并與原油一同從篩管進(jìn)入，依次通過混配器和加長型導(dǎo)流罩，進(jìn)入離心泵，實現(xiàn)摻稀混配和稠油舉升。

其中特制篩管長度為9～15m，可保證在摻稀壓力出現(xiàn)波動的情況下，始終保持稠油與稀油之間的接觸面在篩管長度范圍內(nèi)，避免了原管柱中離心泵在壓力出現(xiàn)波動時，全部吸入稠油或全部吸入稀油的情況發(fā)生。篩管上部的混配器［5］則可對吸入的稠油和稀油進(jìn)一步進(jìn)行攪拌，提高混合效果，最大程度地降低原油入泵黏度。同時，導(dǎo)流罩減小了電機(jī)周圍流體的過流面積，提高了流體速度，相比原電泵管柱，電機(jī)散熱效果更好，保證了電機(jī)的正常運(yùn)行［6］。

1.2.2 注水替油

在地層能量發(fā)生虧空需要注水時，一體化管柱可采用正注水的方式，即從油管內(nèi)進(jìn)行注水。實施步驟：首先從井口向油管內(nèi)投入專用堵塞器，在堵塞器到位后，再通過油管柱向油管注水；由于堵塞器關(guān)閉了井下開關(guān)閥的向下通道，在注水壓力達(dá)到開關(guān)閥的啟動壓力后，彈簧被壓縮，關(guān)閉套向下移動，閥體上的注水孔打開，使得油管與環(huán)空聯(lián)通，實現(xiàn)正注水，如圖1c所示。

由于新型電泵井一體化管柱采用油管內(nèi)注水，與原管柱從環(huán)空注水相比，注水壓力得到大幅提高，由原來的井口最大壓力15MPa可提高到30MPa以上，更大限度地滿足了底層對注水壓力的要求。另一方面，從管柱內(nèi)進(jìn)行注水還可避開注入水與電纜的接觸，減少注入水對電纜的損壞，提高電纜使用壽命。

1.2.3 正循環(huán)洗井

生產(chǎn)過程中，在發(fā)生稠油上返造成堵泵的情況時，需進(jìn)行正循環(huán)洗井。一體化管柱僅在注水時投入堵塞器，在注水完成后即從管柱中打撈出來，上下通道暢通，可進(jìn)行正循環(huán)洗井作業(yè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井下開關(guān)閥

在調(diào)研分析國內(nèi)外相關(guān)井下工具的基礎(chǔ)上［7－10］，自主研制了適用于電潛泵稠油開采的井下開關(guān)閥。井下開關(guān)閥主要由殼體和閥心總成2部分組成。殼體由上下接頭、閥體、密封等組成；閥心總成由堵塞器、關(guān)閉套、彈簧、調(diào)節(jié)螺母等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。相關(guān)參數(shù)如表1所示，可滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

圖2 井下開關(guān)閥結(jié)構(gòu)

表1 井下開關(guān)閥參數(shù)

井下開關(guān)閥具有5個特點：

1） 可根據(jù)需要，通過投撈堵塞器選擇性地控制油管柱上、下通道和旁通道，實現(xiàn)1趟管柱完成摻稀生產(chǎn)、正注水及正循環(huán)洗井3種工藝。

2） 堵塞器可直接從井口投入，免去了下鋼絲繩，施工工藝簡單可靠。

3） 調(diào)節(jié)螺母可調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力，改變井下開關(guān)閥的啟動壓力，適用于不同油井工況。

4） 堵塞器前端設(shè)計了橡膠頭，避免堵塞器下落的沖擊力對關(guān)閉套密封錐面造成損傷。

5） 在進(jìn)行正注水時，堵塞器關(guān)閉了向下通道，阻止注水進(jìn)入離心泵，避免葉輪反轉(zhuǎn)損壞電泵。

2.2 混配器

混配器是一種提高液體混合效果的井下工具，其結(jié)構(gòu)特點為：中心軸上帶有可轉(zhuǎn)動的葉片，葉片可由井筒內(nèi)流體帶動旋轉(zhuǎn)，從而攪拌流體，達(dá)到提高混合效果的目的。流體通過混配器后，混合效果如圖3所示。

由圖3可以看出：在稠油與稀油按照0.4︰0.6比例從混配器左邊摻入后，經(jīng)葉片攪拌，稀油體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，稀油體積分?jǐn)?shù)由原來的60%增大到70%以上，改善了稀油與稠油的混合效果。

圖3 混配器內(nèi)軸向稀油體積分?jǐn)?shù)云圖

2.3 篩管

一體化管柱中，篩管［11］按照特定開孔方式和比例設(shè)計，可提高摻稀混合效果、防止因摻稀壓力波動造成稠油入泵。其總長度一般在15～30m，可根據(jù)油井情況下入不同長度篩管。數(shù)值模擬分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 篩管稠油稀油體積分?jǐn)?shù)云圖

圖4 中井筒下部深色區(qū)域代表稠油，上部環(huán)空中淺色區(qū)域代表稀油。由圖4可以看出：未安裝篩管時（如圖4a），油管柱中的顏色深度雖有所變淺，但整體變化不大，說明在混合油中稀油所占的體積分?jǐn)?shù)小，稀油與稠油的混合效果較差；安裝篩管后（如圖4b），油管柱中混合物顏色從下至上逐漸變淺，說明稀油體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，管柱中稀油體積分?jǐn)?shù)最終達(dá)到65%左右。

以上分析表明：在相同條件下，安裝篩管后管柱中稠油稀油混合效果明顯提高，更有利于降低井筒中稠油黏度。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

在對各個關(guān)鍵工具進(jìn)行地面試驗和模擬分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。使用過程中，未發(fā)生因原油入泵黏度過高引起的故障停機(jī)，檢泵周期也由原來的平均379d提高到435d，提高了油井生產(chǎn)效率。注水時，堵塞器投撈順利，實現(xiàn)正注水，且井口壓力有所提高，滿足了注水壓力需要，一體化管柱取得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

1） 電泵井采油注水一體化管柱實現(xiàn)了在不動管柱的情況下，完成摻稀生產(chǎn)、注水替油、正循環(huán)洗井等工藝，滿足稠油井的實際生產(chǎn)需要。

2） 通過自主研制的井下開關(guān)閥實現(xiàn)了電泵管柱正注水，注水壓力由原來的最高15MPa提高到24MPa以上，滿足了地層對注水壓力不斷增加的要求。同時，正注水避開了注入水對電機(jī)電纜的損壞，增加了電泵機(jī)組的使用壽命，延長了檢泵周期，提高稠油井生產(chǎn)效率。

3） 混配器和特制篩管提高了油井摻稀混配效果，降低了原油入泵黏度，減少了故障停機(jī)次數(shù)，延長電泵使用壽命。

4） 該一體化管柱在應(yīng)用過程中也存在一些問題，例如在稠油環(huán)境下，井下開關(guān)閥中關(guān)閉套移動比較困難，造成啟動壓力較地面試驗有所增加等，需要在今后的工作中做進(jìn)一步研究與改進(jìn)，以提高應(yīng)用效果。

［1］ 吳振東.塔河油田超深層稠油井筒摻稀降黏技術(shù)［J］.油氣田地面工程，2009，28（12）：10-11.

［2］ 牛玉靜，康志宏.塔河油田奧陶系巖溶油藏溶洞儲集體成因及演化［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2011，25（4）：650-659.

［3］ 李 平，趙海洋.塔河油田西北部稠油基本性質(zhì)研究［J］.新疆石油地質(zhì)，2010，31（6）：601-603.

［4］ 劉金剛.潛油電泵注石腦油稀釋工藝技術(shù)應(yīng)用 ［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（6）：67-70.

［5］ 中國石油化工股份有限公司.稠油葉輪自動旋轉(zhuǎn)高效降粘器：中國，200920140210.5［P］.2010-08-11.

［6］ 王永慧，檀朝東，田旭慶，等.潛油電泵系統(tǒng)發(fā)熱對稠油黏度的影響［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（8）：58-61.

［7］ 楊盛余.氣舉閥氣舉排液技術(shù)研究［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（7）：18-21.

［8］ 盛磊祥，許亮斌，蔣世全，等.智能完井井下流量閥液壓控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（4）：34-38.

［9］ Michael Konopczynski.Design of Intelligent Well Downhole Valves for Adjustable Flow Control［G］.SPE 90664，2004：1-8.

［10］ 靳 濤，范曉峰.一種新型的液壓控制井下滑套開關(guān)閥：中國，201120319337.0［P］.2012-03-14.

［11］ 徐 鑫，張海燕，楊海波.勝利油田完井篩管現(xiàn)狀及研究展望［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（9）：10-14.