大斜度井中潛油電泵排水采氣應(yīng)用技術(shù)

徐東鋒

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163311）

大斜度井中潛油電泵排水采氣應(yīng)用技術(shù)

徐東鋒

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163311）

天然氣、煤層氣不僅儲量豐富，而且燃燒產(chǎn)物清潔環(huán)保。為了增加單井產(chǎn)氣量，技術(shù)人員通過鉆大斜度井將一些地質(zhì)儲量分散的儲層連通起來。由于潛油電泵為無桿采油設(shè)備，對大斜度井的適應(yīng)能力更強，因而經(jīng)常成為使用者的首選對象。本文通過對潛油電泵系統(tǒng)在大斜度井中排水采氣所面臨的難題進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出解決措施及配套工藝，希望能為解決潛油電泵系統(tǒng)在該領(lǐng)域應(yīng)用面臨的問題提供一些參考。

大斜度井；潛油電泵系統(tǒng)；排水采氣

隨著全球石油產(chǎn)量不斷遞減，新能源的開發(fā)利用成為世界各國關(guān)注的焦點。天然氣、煤層氣不僅儲量豐富，而且燃燒產(chǎn)物清潔環(huán)保，因而對于那些試圖盡量降低環(huán)境污染的國家具有很大的吸引力。根據(jù)BP公司的研究，全球天然氣探明儲量約156萬億m3，未來可能成為最重要的燃料資源。

然而，大部分的天然氣儲量都處于復(fù)雜的非均質(zhì)儲層中。為了增加單井產(chǎn)氣量，技術(shù)人員通過鉆大斜度井將一些地質(zhì)儲量分散的儲層連通起來。20世紀(jì)90年代以來國外天然氣開采技術(shù)取得很大進(jìn)步，主要以氣舉、配套產(chǎn)品及工藝技術(shù)為主。隨著氣藏的逐步開采，大部分的剩余儲量都分布在有水氣藏中，由于地層能量嚴(yán)重衰竭，這類氣藏大都需要借助于其它工藝進(jìn)行開采，而機械強制排采不失為一種有效的促產(chǎn)方式。潛油電泵具有排量范圍大、揚程高、檢泵周期長、對大斜度井的適應(yīng)能力更強等特點，能夠盡可能拉大井底壓差而使水淹氣井盡快復(fù)活。同時，通過強制排采控制水侵，阻止底邊水干擾氣井生產(chǎn)。

潛油電泵是多級離心泵，主要依靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力來舉升液體，其對氣體的適應(yīng)能力較差。潛油電泵在國內(nèi)應(yīng)用于排水采氣領(lǐng)域已有30多年，在試驗過程中遇到了電纜故障、氣體干擾等諸多問題。近年來，隨著氣體處理器、防氣電纜及工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，潛油電泵在排水采氣領(lǐng)域的優(yōu)勢重新獲得用戶的重視。將潛油電泵應(yīng)用于大斜度井中進(jìn)行排水采氣主要面臨以下三個問題：

（1）如何保證機組順利通過造斜段安裝到預(yù)定泵掛位置；

（2）如何解決采出液中的氣體對離心泵運行帶來的氣鎖問題；

（3）如何保證機組在運行過程中的可靠性。

1 潛油電泵機組通過能力分析與電纜保護(hù)

1.1 潛油電泵機組通過能力分析

由于受油氣井套管內(nèi)徑的限制，潛油電泵機組一般外徑較小，為了滿足較高舉升揚程和較大輸出功率的要求，經(jīng)常采用多節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)。設(shè)計之初主要應(yīng)用于垂直井，如果將其應(yīng)用于大斜度井，則必須考慮其自身在套管中的通過能力，以保證機組能夠順利通過造斜段安裝到預(yù)定泵掛位置。

潛油電泵機組在安裝過程中能否順利通過造斜段主要取決于四個參數(shù)，即套管內(nèi)徑、機組外徑、機組長度和造斜段最大曲率。判定機組能否順利通過的常規(guī)計算方法如下：機組未發(fā)生彎曲時與套管的關(guān)系如圖1所示，機組呈直線狀態(tài)，A、B、C三點與套管內(nèi)壁接觸，此時套管處的曲率值即為機組在不彎曲狀態(tài)下能夠通過的最大曲率，其計算公式可簡化為：

式中：L為造斜段長度，一般取30m；

D為套管內(nèi)徑，mm；

d為機組外徑，mm；

l為機組長度，m；

α為機組通過的最大曲率，°/30m。

如果通過計算α值大于造斜段最大曲率，機組可以順利通過造斜段，反之則無法順利通過。

圖1 機組在不彎曲狀態(tài)下與套管的關(guān)系

上述計算方法在工程實際中具有指導(dǎo)意義，但也存在一定的誤差和局限性。首先，潛油電泵機組在從垂直段下放到彎曲段的過程中存在變形，也就是說機組本身具有一定的柔韌性；其次，機組在下放過程中還會受到自身重力、作業(yè)機下放力、機組與套管內(nèi)壁的摩擦力和井底阻力等，這些參數(shù)都會影響機組在造斜段的通過能力。

隨著計算機科學(xué)與仿真技術(shù)的發(fā)展，在潛油電泵作業(yè)前應(yīng)用計算機進(jìn)行機組下放模擬仿真和力學(xué)分析，可以有效解決經(jīng)驗公式造成的計算結(jié)果存在較大誤差的問題；同時也能夠得到在下放過程中機組各部位的應(yīng)力，針對應(yīng)力集中的部位采取保護(hù)措施，從而提高機組的通過能力。

1.2 電纜保護(hù)

在潛油電泵應(yīng)用過程中，大部分故障都發(fā)生在電氣設(shè)備上，其中電纜故障占相當(dāng)大的比例。電纜主要是為井下潛油電機提供動力，對于大斜度井來說，當(dāng)機組通過造斜段時，由于井眼軸線存在曲率變化，機組和油管在下放過程中發(fā)生彎曲造成電纜的擠壓或拉伸，很容易造成電纜的損壞和失效。

為保護(hù)電纜在通過造斜段時不受損傷，通常采用電纜保護(hù)器來保護(hù)電纜，電纜保護(hù)器上面設(shè)計一個凹槽，用于放置電纜。電纜保護(hù)器能夠保證機組在通過拐點處和斜井段時減少對電纜刮傷、碰傷事故的發(fā)生，同時能起到很好的扶正和引斜作用。

2 大斜度井中潛油電泵氣體處理技術(shù)

純離心式潛油泵自身能夠處理的泵吸入口處最大氣液比約為5%，當(dāng)潛油電泵工作在含氣較高的環(huán)境中時，潛油電機運行電流波動較大，機組振動加劇，潛油泵內(nèi)部氣蝕加重，甚至氣鎖，嚴(yán)重影響潛油電泵的性能和運行壽命。因此，必須采用相應(yīng)的氣體處理設(shè)備以降低氣體對機組運行造成的影響。

在潛油電泵的典型應(yīng)用中，一般采用油氣分離器將采出液中的游離氣體與液體進(jìn)行強制分離，分離出來的氣體達(dá)到一定壓力時通過套管放氣閥進(jìn)行排空。該方法在潛油電泵應(yīng)用于垂直井段或斜度不大的斜直井段時可以有效減少進(jìn)入潛油泵的游離氣體，但在大斜度井中，由于油氣分離器的進(jìn)液孔與排氣孔幾乎處于同一水平面，油氣分離器將無法發(fā)揮作用。根據(jù)理論研究和現(xiàn)場摸索，潛油電泵在大斜度井中解決氣體影響的方法主要有以下幾方面。

2.1 加深泵掛位置

由泵汽蝕理論關(guān)系可知，泵發(fā)生汽蝕的臨界條件是吸入裝置汽蝕余量NPSHa與泵的汽蝕余量NPSHr相等。NPSHr由泵的設(shè)計決定，而NPSHa則隨著泵應(yīng)用條件的改變而發(fā)生變化，當(dāng)泵設(shè)計完成后，如欲防止汽蝕發(fā)生，則必須提高NPSHa，從而使NPSHa>NPSHr，由于潛油電泵在使用時潛入液面以下，則：

由式2可知，其它條件保持不變的情況下，盡可能地加深泵掛位置可以增加泵吸入高度gh，減少泵內(nèi)汽蝕的發(fā)生。在套管尺寸允許的前提下，可以配套使用導(dǎo)流罩工藝技術(shù)將機組安裝到射孔段以下，進(jìn)一步增加NPSHa值（如圖2）。

圖2 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 氣體處理器

由于潛油電泵機組位于斜度較大的井段，油氣分離器無法正常工作，為了降低氣體對潛油泵性能的影響，氣體處理設(shè)備采用氣體處理器。

氣體處理器是一種具有特殊功能的泵，與油氣分離器的工作原理不同，它并不是將氣體從液體中分離出去，而是通過采用獨特設(shè)計的葉導(dǎo)輪，將氣液兩相流體轉(zhuǎn)化為如同單相流一樣的更小更均勻的流體，通過增壓使氣泡尺寸減小，即減少了游離氣體總量，從而保證整機正常工作。氣體處理器安裝于潛油泵與吸入口之間，能夠處理的泵吸入口處最大氣液比為57%。

2.3 組合式潛油泵

組合式潛油泵主要是針對純離心葉輪而言，它是將純離心葉輪和混流葉輪進(jìn)行組合裝配，利用混流葉輪對氣體適應(yīng)能力強的優(yōu)勢，保證潛油泵整體不會產(chǎn)生氣鎖而能夠連續(xù)工作。其中混流葉輪安裝的數(shù)量越多，潛油泵的抗氣鎖能力越強，但是混流葉輪的排量相對都比較大，與小排量的離心葉輪匹配使用后，工作點會明顯偏離其高效區(qū)，工作效率將會大幅降低，安裝過多會嚴(yán)重影響潛油泵的整體效率，導(dǎo)致所需電機功率增加。

組合式潛油泵的設(shè)計在充分利用現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過靈活匹配組合不同特性的葉導(dǎo)輪，既滿足某些油氣井對潛油泵的低排量要求，同時加強了低排量葉導(dǎo)輪的抗氣鎖能力。實際上，組合式潛油泵是一種簡單、高效的抗氣鎖混合流型泵。

3 相關(guān)配套產(chǎn)品與工藝技術(shù)

3.1 井口穿越器

井口穿越器是一種電纜穿越裝置，與潛油電泵井口配合使用，使電纜穿越井口給電機供電。天然氣井由于井口壓力普遍較高，必須采用電纜穿越裝置以確保井口部位的密封能力，保證安全。

3.2 防氣電纜

天然氣井應(yīng)用潛油電泵電纜，電纜擊穿損壞占潛油電泵故障的首位。其原因一方面是井下的高溫、高壓天然氣滲入電纜絕緣層，致其鼓包破壞絕緣；另一方面是高溫、高壓、腐蝕環(huán)境對絕緣材料、接頭材料和施工技術(shù)提出了較高的要求。針對以上問題，第一，選用耐溫等級高的電纜；第二，嚴(yán)格執(zhí)行電纜聯(lián)接工藝，采用進(jìn)口連接料；第三，采用鉛護(hù)套電纜，防止高壓氣體進(jìn)入絕緣層造成的電纜絕緣層鼓包問題。

3.3 控制合理的套壓生產(chǎn)

通過氣體壓力、流速和壓縮系數(shù)來分析氣體實際的工作狀態(tài)，初期當(dāng)壓力增大時，壓縮系數(shù)反而減小，即通過環(huán)形截面積的流速隨之減小；但到一定值后，壓縮系數(shù)隨著假定壓力增大而增大，流速也隨之增大。同時我們還要考慮泵的合理運行狀態(tài)，所以需要我們根據(jù)以往摸索的經(jīng)驗，理論結(jié)合實際，控制合理的油、套壓、泵吸入口及出口壓力是排采的核心所在。

3.4 變頻調(diào)速生產(chǎn)

變頻調(diào)速是一種潛油電泵驅(qū)動控制技術(shù)，它可以通過變頻器內(nèi)的變頻裝置及控制系統(tǒng)，根據(jù)油氣井的生產(chǎn)實際情況，通過改變電源頻率調(diào)節(jié)潛油電機的轉(zhuǎn)速，使油氣井產(chǎn)能和電泵匹配合理。當(dāng)有氣體干擾時可采取高頻運轉(zhuǎn)的辦法，提高電機轉(zhuǎn)速，增強氣體分離和處理效果，減少天然氣對潛油泵的干擾，從而延長機組使用壽命。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2013年9月底，蘇里格氣田蘇59-15-48H井計劃安裝潛油電泵，其井身結(jié)構(gòu)如圖3所示，垂直深度3550m，最大井斜角90°，生產(chǎn)套管5-1/2”， 壁 厚9.19mm， 內(nèi) 徑121.44mm，機組安裝在水平段，泵掛位置上方最大曲率5.549°/30m。

圖3 蘇59-15-48H井身結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上述油井資料，潛油電泵機組選用101系列泵、氣體處理器、吸入口、保護(hù)器和95系列電機的配套方式。由于機組安裝在水平段，迷宮型保護(hù)器和油氣分離器將失去作用，因而保護(hù)器選用膠囊式，氣體處理設(shè)備選用氣體處理器與吸入口。由于電機主要依靠流經(jīng)其表面的液體進(jìn)行散熱，而當(dāng)電機水平放置時其一側(cè)緊貼套管內(nèi)壁，必然會影響電機的散熱效果。因此，我們提升了潛油電泵機組的耐溫等級。根據(jù)機組參數(shù)、生產(chǎn)套管數(shù)據(jù)和最大曲率值，如果采用式1進(jìn)行計算，所選潛油電泵機組將無法通過最大曲率點，而軟件仿真分析的結(jié)果為所選機組在該井中能夠通過的最大曲率為9.125°/30m，機組能夠順利通過最大曲率點。

該井于2013年9月30日順利投產(chǎn)，吸入口壓力由3100psi逐漸降低至1800psi左右（如圖4），即動液面持續(xù)降低，由此可知該井潛油電泵機組達(dá)到了快速排液、降低井筒動液面促進(jìn)產(chǎn)氣的效果。

圖4 蘇59-15-48H井泵吸入口壓力趨勢圖

5 結(jié)束語

在可以預(yù)見的未來，天然氣、煤層氣在能源構(gòu)成中所占的比重會逐漸增大，相應(yīng)的開采工藝與技術(shù)也將成為新的重點研究領(lǐng)域。通過潛油電泵能力分析與評價軟件在機組下井作業(yè)前進(jìn)行模擬計算分析，可以避免因經(jīng)驗不足帶來的作業(yè)風(fēng)險。同時根據(jù)機組所受應(yīng)力分布情況，通過更換機組材質(zhì)、設(shè)計保護(hù)措施、調(diào)整選井選泵設(shè)計參數(shù)等方法，提高機組的通過能力。

現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，在大斜度井中應(yīng)用潛油電泵排出井底積液、降低井底壓力可以快速實現(xiàn)水淹井、水氣同產(chǎn)井的復(fù)產(chǎn)。隨著潛油電泵排水采氣和大斜度井應(yīng)用工藝技術(shù)的日益完善，潛油電泵在天然氣、煤層氣開采領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇碌陌l(fā)展機遇。

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