高溫采油泵舉升技術試驗研究

郝忠獻，耿 莉，呂增烈，張立新，雷德榮

（1.中國石油勘探開發研究院，北京100083；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京100022；3.大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163000；4.新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000）

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高溫采油泵舉升技術試驗研究

郝忠獻1，耿 莉2，呂增烈3，張立新1，雷德榮4

（1.中國石油勘探開發研究院，北京100083；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京100022；3.大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163000；4.新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000）

摘要：高溫采油泵舉升工藝是針對目前熱采井舉升中存在的井溫高、泵效低等難題研發的新技術。研制了高溫采油泵并進行了室內試驗，其額定泵效在75%以上，且對于黏性流體有較好的適應性，耐溫性240℃以上。研究了注采一體化配套工藝，形成了完整的吞吐井舉升技術。在新疆油田進行了15口井的現場試驗，取得了較好的效果。試驗結果表明：高溫采油泵舉升工藝能夠滿足吞吐井生產需求，平均泵效達到了49.32%，提高了舉升效率，有著良好的發展前景。

關鍵詞：高溫采油泵；舉升；室內試驗；現場試驗

稠油儲量占石油總儲量的20%，具有黏度高、流動性差的特性。由于對溫度有極強的敏感性，熱采是目前應用規模最大，也是最為成熟的E O R技術［1］。注蒸汽降黏后，井筒溫度在200℃以上，目前主要采用傳統的抽油機舉升，存在效率低、耗能大的缺點，而常規螺桿泵定子橡膠耐溫性能限制了其應用。國內外對高溫熱采技術進行了大量研究：斯倫貝謝高溫電潛泵耐溫達到250℃［2-3］，產量高，已經在S A G D開展應用［4］；金屬螺桿泵是另一項耐高溫舉升技術［5-9］，國內也進行了大量研究［10］，但未開展規模應用。目前，人工舉升仍然是制約高溫井采油技術的瓶頸［11］。

筆者通過多年的研究，研制了全金屬的高溫采油泵［12］，耐溫達到240℃以上，還具有注采一體化、排量調整范圍寬、連續抽吸等優勢，為高溫井人工舉升提供了新技術。

1 技術分析

1.1 結構組成

全金屬高溫采油泵為容積式泵，主要由定子、轉子、滑片、主軸組成，如圖1所示，各個部件均為金屬件。轉子與泵軸通過鍵固定，運行時通過外力驅動泵軸轉動，泵軸帶動轉子、轉子帶動滑片同速旋轉。滑片可以在轉子槽中自由伸縮滑動。

1—定子；2—轉子；3—滑片；4—主軸。圖1 高溫采油泵結構

1.2 吸排機理

運轉方向如圖1中箭頭所示。滑片在離心力作用下被甩出，并與定子內表面緊密接觸，形成動密封。泵體下端有2個低壓口（吸入口）。圖中a區陰影部分面積是由定子、轉子和H G（或D C）葉片圍成的封閉腔室，隨著轉子不斷轉動，腔室容積不斷增加，將流體通過低壓口吸入。繼續運轉時，到了b區陰影部分所示區域，腔室面積又不斷減小，通過高壓口將流體排出。

1.3 接力增壓機理

該高溫泵通過不同的級數來實現不同的舉升壓頭。如圖1所示，高壓口、低壓口分別位于每級泵的上下位置，當需要增壓時，在該級上部串聯1級，使第2級的下部低壓口對準第1級上部的高壓口，依次類推，通過不斷增加級數提高舉升壓頭。

1.4 理論排量計算

可根據油井排量對泵的設計參數進行調整。該泵理論排量為

V＝2πb（R2－r2）－2ZbS（R－r）/cosθ

式中：θ為葉片傾角；Z為葉片數；S為滑片厚度；b為葉片寬度；R為定子長軸半徑；r為定子短軸半徑。

2 高溫采油泵室內試驗

2.1 泵級數與舉升壓力和容積效率呈線性關系

舉升壓力與容積效率關系曲線如圖2所示，可以看出：在試驗條件下，在同一舉升壓力下，高溫采油泵容積效率呈級數越多容積效率越高的趨勢；在轉速為160 r/min、舉升壓力為4MPa時，三級泵容積效率為90.82%，雙級泵容積效率為85.78%，單級泵容積效率為75.4%。泵級數越多，舉升壓頭越高，現場可以根據不同的油井深度采用不同級數的滑片泵，提高效率。

圖2　舉升壓力與容積效率關系曲線

2.2 對黏性流體的適應性

熱采井生產過程中，油井轉抽前期井溫高、黏度低、產量高；后期黏度升高、產量降低［13］。要求采油泵對黏性流體有較好的適用性。

壓力排量與流體黏度關系曲線如圖3所示，可以看出：在試驗條件下，當舉升壓力和轉速一定時，滑片采油泵對黏度適應性好。參考壓力為3MPa，轉速為160 r/min下的數據為：當介質黏度為690、1 800、2 800、3 800、4 800MPa·s時，對應排量為22.98、23.80、23.16、22.86、24.60 m3/d。所以，在1 800～4 800MPa·s，該泵的流量基本穩定。黏度低于1800MPa·s時，由于泵體漏失增加，所以流量下降；當流體黏度大于3 800MPa·s時，黏度增加泵體漏失量減小，排量增加。根據試驗結果得知，滑片采油泵具有良好自吸性能，對黏性介質有良好的適用性。

圖3　壓力排量與流體黏度關系曲線

2.3 泵體耐溫試驗

為了避免泵體金屬件在高溫下會由于膨脹系數不均發生卡泵現象，進入現場前模擬現場注汽的溫度，對泵體進行了耐溫試驗。將柴油加熱到240℃后，用轉矩扳手旋轉泵軸，啟動轉矩在10 N·m左右，與常溫下旋轉轉矩一致。耐溫試驗完成后又進行了水力性能試驗，基本無變化。

3 注采一體技術

吞吐井生產過程中，需要定期或不定期地進行蒸汽注入，提高井底溫度和地層原油流動性，實現注采一體化，提高作業效率，降低能量損失。

高溫泵與螺桿泵、柱塞泵結構均不相同，泵體整體下入，為了實現注采工藝，特別研制了專用注汽技術管柱，如圖4所示。需要注汽時，上提抽油桿，注汽活塞上移，注汽口打開，從油管開始注汽；注汽結束后下放抽油桿，注汽活塞下移，注汽口關閉，完成轉抽。整個過程中，無需動油管柱。

1—油管短節；2—抽油桿；3—注汽外筒；4—注汽活塞。圖4 專用注汽技術管柱結構

4 現場試驗及效果分析

新疆油田稠油埋藏淺，主要工藝為蒸汽吞吐和蒸汽驅，為高溫滑片泵先期現場試驗提供了條件。2010—2013年，在98區和風城2個區塊進行了15口井的現場試驗，泵掛井深150～500 m，產量5～25 m3/d，取得了初步的效果。

3.1 施工工藝

將可伸縮錨定器、高溫采油泵系統、油管下入到預定深度。下入驅動桿和抽油桿至泵深，安裝驅動頭等井口設備，開機運轉。高溫采油泵舉升工藝管柱結構如圖5所示。

圖5　高溫采油泵舉升工藝管柱結構

3.2 試驗效果

根據現場需要，采用額定排量118 m L/r的高溫采油泵，外徑114mm，泵長1.3 m，通過調整轉速滿足油井產量要求。

15口井中最長檢泵周期13個月，最短7 d（軸承壞），平均泵效49.32%，比原抽油機舉升系統泵效提高29.12%，裝機功率下降50%，節能提效明顯。

現場試驗吞吐井注汽壓力6～12MPa，計算井底溫度在260℃以上［14］，注汽后順利完成轉軸。其中：F340098井完成了3輪次注汽轉軸作業，每次注汽壓力8MPa，平均注汽10 d左右，驗證了高溫采油泵的耐溫和注汽工藝的可靠性。

3.3 出現的主要問題及改進

該泵靠金屬配合面進行滑動密封，磨損是現場試驗前筆者最擔心的問題。第1口試驗井65018 A井泵掛325 m，運行時間11個月，最后由于不產液將泵提出。回到實驗室做了對比試驗，試驗前后對比數據如圖6所示（140 r/min）。

由圖6可以看出：滑片泵經過長時間運行，流量下降明顯，尤其是在高壓區，最多降低了80%，泵體內部泄漏嚴重［15］。拆開后發現定子內表面與葉片磨損嚴重（如圖7所示），最大磨損量超過了1mm。

圖6　試驗前后水力性能對比

圖7　磨損的定子和葉片

為了提高耐磨性，重新優選了定子和葉片的材料［16］，定子材料由38CrMoAlA換成了高耐磨材料，葉片材料換為合金材料，并對葉片倒角結構進行了優化。在J561井進行了試驗，泵掛435 m，運轉11個月后由于油井作業而起泵。試驗前后對比數據如圖8所示。

圖8　新材料試驗前后水力性能對比

由圖8可以看出：經過11個月的現場應用，相同壓力下，泵的排量不但沒有下降還呈增加的趨勢，尤其是在高壓區，最多提高了242.9%。

5 結論

1） 高溫采油泵是針對高溫井舉升難題研發的新技術，可以滿足不同舉升壓力和黏度的流體舉升要求，并配套研究了注采一體化工藝，滿足了吞吐井的舉升需要。

2） 現場試驗取得了初步的效果，泵效高，注轉抽工藝方便可靠，解決了磨損泄漏等關鍵問題。

3） 需要繼續擴大現場試驗規模，提高泵體壽命及可靠性，延長檢泵周期。

參考文獻：

［1］ 計秉玉.國內外油田提高采收率技術進展與展望［J］.石油天然氣地質，2012（1）：111-117.

［2］ Jose Caridad，Colin Drever. Where the elite meet the heat［J］. E＆P，2013（3）：106-107.

［3］ Cameron K Chung，Don Cox，Larry Dalrymple，et al.Latest Development and Project Utilization of Heater Cablein ESP Production System［G］.SPE 141508，2011.

［4］ 李景波，吳鈞，伶立紅，等.遼河油田SAGD超稠油井有桿泵舉升技術［J］.石油地質與工程，2008（6）：75-78.

［5］ Noonan SG，Langer D，Klaczek W，et al. Technical Challenges and Learnings from a High Temperature Metallic Progressing Cavity Pump Test［G］.SPE 165668，2013.

［6］ Noonan SG，Klaczek W，Piers K，et al. Quest to Validate and Define Performance for the High Volume Metallic Stator PCP at 250°C［G］.SPE/PS/C H O A 117493，2008.

［7］ Guerra E，Sanchez A，Matthews C. Field Implementation Experience With Metal PCP Technology in Cuban Heavy Oil Fields［G］.SPE 120645，2009.

［8］ Jean-Louis Beauquin，Felix Ndinemenu，Gilles Chalier，et al. World＇s First Metal PCP SAGD Field Test Shows Promising Artificial-Lift Technology for Heavy-Oil H ot Production：Joslyn Field Case［G］.SPE 110479，2007.

［9］ Arystanbay R，Bae W，H uy X Nguyen，et al. Succesful Application of Metal PCP Rechnology to M aximize Oil Recovery in SAGD Process［G］.SPE 149944，2011.

［10］ 陳舟圣，劉志龍，楊萬有，等.全金屬螺桿泵工作特性實驗研究［J］.石油鉆采工藝，2012（5）：65-67.

［11］ 穆元平.特種抽油泵在齊40塊蒸汽驅生產井組中的研制與應用［J］.內蒙古石油化工，2008（11）：10-12.

［12］ Tongbin W ang，Zejun Shen，Xiaohan Pei，et al. Vane Pump-A nother Pro mising Artificial Lift Form［G］. SP E 158429，2012.

［13］ 袁謀，郭益軍，黃日成，等.稠油蒸汽吞吐井有桿泵變排量抽油技術［J］.油氣采收率技術，2000，7（3）：62-65.

［14］ 倪若石.注蒸汽采油井底溫度計算［J］.石油鉆采工藝，1989（2）：93-100.

［15］ 張海竹，盧勇，張薇，等.高壓葉片泵流體泄漏研究［J］.流體機械，2009（3）：1-5.

［16］ 陳琍，樓白楊，鄭曉華.葉片泵材料磨損失效分析［J］.煤礦機械，2004（9）：40-41.

［17］ 趙光明.特種泵技術在超稠油油藏中的應用［J］.內蒙古石油化工，2009（3）：65-68.

High Temperature Vane Pump In-house and Field Experiment

HAO Zhongxian1，GENG Li2，L YU Zenglie3，ZHANG Lixin1，L EI Derong4
（1. Reseɑrch Institute of Petroleum Explorɑtion＆Deυelopment，Beijing，100083，Chinɑ；2. Drilling Reseɑrch Institute，C N PC，Beijing 100022，Chinɑ；3. No.1 Drilling Compɑny，Dɑqing Drilling Engineering Compɑny，Dɑqing 163000，Chinɑ；4. Engineering Technology Reseɑrch Institute，Xinjiɑng Oilfield Compɑny，Kɑrɑmɑy 834000，Chinɑ）

Abstract：High Temperature Pump（HTP）technology is a new artificial lift technology which aims at the high Temperature and loWefficiency in thermalrecovery well oil production. The HTP was designed and its characteristics were tested via laboratory experiment. The results showed that the flow of the Pump was affected by lifting pressure，rotation speed and the fluid character. The Pump efficiency was more than 75%.It waSGood at lifting viscous fluid and can resist more than 240 centigrade Temperatures. The injection converting to the production matching technology was also designed. Fifteen apparatuses were deployed in Xinjiang oil field and obtained better results. The field test shows that the vane Pump could satisfy the need for thermal recovery wells lifting. A verage Pump efficiency was 49.32%. The system could enhance the work over efficiency and will have good develop ment prospects.

Key Words：vane Pump；artificial lift；in-house experiment；field test

作者簡介：郝忠獻（1981-），男，河北衡水人，工程師，博士研究生，主要從事采油技術研究，E-mail：haozx @ petrochina.com. cn。

基金項目：中國石油天然氣集團公司重大科技攻關項目“采油及井下作業新技術新裝備研究與現場試驗”（2011B-1705）

收稿日期：2015-07-16

文章編號：1001-3482（2016）01-0060-04

中圖分類號：T E952

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.014