中原油田螺桿泵采油技術應用研究

王永亮 周嬋娟

（1.勝利油田森諾勝利工程有限公司；2.勝利油田東辛采油廠）

引言

螺桿泵是在20世紀30年代由法國人發(fā)明的，初期只應用于地面高黏度液體的輸送，到20世紀70年代后期開始應用于石油開采，20世紀80年代我國開始引進螺桿泵采油技術并逐步推廣應用。目前，螺桿泵已經(jīng)在常規(guī)油藏、煤層氣藏、稠油、瀝青熱采、出砂油藏、水淹氣藏排液采氣，及高溫、含鹽、硫、CO2油藏中廣泛應用。國內(nèi)大慶油田、遼河油田、吐哈油田、川渝氣田等多個油氣田應用螺桿泵采油技術已達到一定規(guī)模。

螺桿泵與普通抽油機舉升方式相比，具有地面裝置體積小、占地面積小、工作噪聲低、能耗低、易于管理，及能適用于原油黏度大、含砂量高的油井等特點[1]。隨著合成橡膠和硫化黏結技術的發(fā)展，螺桿泵也成為稠油出砂冷采、聚合物驅油的油田主要的人工舉升方式。

中原油田應用螺桿泵采油技術相對較晚。對照中原油田的地質(zhì)情況與螺桿泵采油技術的特點，并進行充分的可行性論證后，于2014年起開展螺桿泵現(xiàn)場試驗。通過在試驗應用過程中不斷優(yōu)化、改進，目前已用于多個采油廠，并初步完善了一系列配套工藝技術，取得了較好的使用效果。

1 中原油田地質(zhì)特征

1.1 構造

中原油田腹地位于河南省濮陽市，濮陽市的大地構造屬華北地區(qū)，其轄區(qū)位于東濮凹陷之上。東濮凹陷夾在魯西隆起區(qū)、太行山隆起帶、秦嶺隆起帶大構造體系之間。東有蘭聊斷裂，南接蘭考凸起，北界馬陵斷層，西連內(nèi)黃隆起。東濮凹陷是中原油田重要的油氣生產(chǎn)基地。

1.2 油藏

東濮凹陷屬于陸相湖盆沉積[2]，主要含油層系是古近系沙河街組，為大型復式油氣聚集帶。油藏具有構造破碎、埋藏深、滲透率低、原油黏度小、氣油比大、地層溫度高、原始地層壓力大及地層水礦化度高等地質(zhì)特點。

1）油藏埋藏深，含油井段長、小層多。儲層變化大、物性差。埋深2500 m以上的儲量占60%，低滲、特低滲儲量占40%，多為復雜斷塊油氣藏。

2）地層溫度高、原始壓力系數(shù)大。油藏溫度75～140℃，壓力系數(shù)超過1.2的儲層占35.0%。

1.3 流體性質(zhì)

原油具有密度小、黏度低的特點。地面原油密度一般為0.83 g/cm3左右，地層原油密度0.66～0.76 g/cm3，地層原油黏度0.5～5.0 mPa·s；油田地下水總礦化度為4.32×104～28.42×104mg/L，氯離子質(zhì)量濃度為2.81×104～19.37×104mg/L，屬于CaCl2型。

2 螺桿泵適應性分析

2.1 組成及原理

螺桿泵采油系統(tǒng)(PCP)[3]是80年代早期最新的人工舉升方式之一，其屬于一種正向推進式容積泵。螺桿泵的動力來源為地面驅動電動機，地面部分由變頻器、驅動頭組成；井下部分由定子和轉子組成。配套遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由液面監(jiān)測儀、扭壓傳感器、變頻器數(shù)據(jù)采集控制器、GPRS Modem、云平臺等組成。

螺桿泵轉子為單螺旋形狀，定子為一個雙螺旋形狀的橡膠內(nèi)襯，二者形成封閉腔。當其相對旋轉時，封閉腔室做軸向移動，迫使液體從下室移入上室并舉升至地面。流體在彈性密封推進腔(定子)內(nèi)流動時，容積不發(fā)生變化，因而沒有湍流攪動和脈動，有效降低井液乳化，避免氣堵現(xiàn)象發(fā)生。推進腔的設計與其應用的材料使螺桿泵能在抽取黏稠、研磨性液體時發(fā)揮理想的效果。

2.2 技術優(yōu)勢

目前，在油田開發(fā)中常用的采油方式主要為抽油機、螺桿泵、電泵等。針對中原油田地質(zhì)特征，在優(yōu)選采油方式上主要從螺桿泵的技術優(yōu)勢[4]、管理及經(jīng)濟效益等方面進行了分析及對比。

三種采油方式的特點、適用條件等技術指標對比如表1所示。

由表1可知，三種采油方式各有特點，適用不同工況的油井；但考慮到提液增效、節(jié)能降耗、日常維護、管理、安全環(huán)保、經(jīng)濟效益等方面，在中原油田應用螺桿泵較前兩者更具優(yōu)勢，更適合目前油田開發(fā)和生產(chǎn)。

表1 三種采油方式技術指標對比

表2 21口螺桿泵井應用情況

表3 系統(tǒng)效率測試指標對比

3 現(xiàn)場應用及效果評價

3.1 采油二廠應用情況

采油二廠自2014年至2016年，共實施轉改螺桿泵井21口。其中，電泵轉螺桿泵9口井，抽油機轉螺桿泵12口井。轉改情況如表2所示。

由表2可知，與電泵井生產(chǎn)相比，螺桿泵井雖然存在一定的降液情況，但日產(chǎn)油增加0.2 t，且節(jié)電效果明顯，平均單井日節(jié)電1355 kWh。相比抽油機井，尤其針對大泵徑抽油機井（?56泵及以上）泵掛淺、提液能力不佳的問題，螺桿泵的下泵深度更大，平均泵掛1521 m，較大泵徑抽油機井增加236 m，平均單井增液10.6 t；對于小泵徑抽油機井（?44泵及以下）排量小、提液能力有限的情況，螺桿泵提液效果更為明顯，平均單井增液17.7t。螺桿泵在有效提液的同時，能夠降低能耗[5]。21口井平均單井噸液單耗4.6 kWh/t，較實施前的11.4 kWh/t降低6.8 kWh/t，節(jié)電率為59.6%，整體應用效果較好。

實施螺桿泵的21口油井產(chǎn)量保持穩(wěn)中有升的同時，能耗降低明顯；但螺桿泵在中原油田應用時間還較短，應用過程中也出現(xiàn)了各種問題，比如定子破膠、偏磨等。具體問題如下所述：

1）定子橡膠破碎。定子與轉子的過盈率過大。定子橡膠浸泡在井液中會逐漸溶脹直到完全溶脹，溶脹過度會增加摩擦扭矩，嚴重時導致定子與轉子抱死或者出現(xiàn)定子脫膠現(xiàn)象[6]。受中原油田油藏埋藏深、井深、高溫、高壓、高礦化度等特點影響，定子橡膠地層實驗配伍數(shù)據(jù)與實際應用數(shù)據(jù)有差距，造成橡膠等級不夠。

解決方法：通過多口井實際數(shù)據(jù)的補充，下調(diào)定子與轉子的過盈配置級別，提高橡膠等級，采用氫化高飽和丁腈橡膠。該型橡膠具有更強的耐高溫、耐老化、耐腐蝕性能，在高溫高壓下仍保持與常溫相當?shù)奈锢頇C械性能，經(jīng)過多次室內(nèi)實驗，效果非常理想，基本解決了定子短時間破碎的問題。

2）管桿偏磨。在高速旋轉過程中，扭力桿尤其是接箍部分與油管產(chǎn)生旋轉摩擦[7]。螺桿泵在中原油田的下泵深度遠遠高于國內(nèi)外其他油田（1500 m以上），無法借鑒鄰近或同類油田的防偏磨治理經(jīng)驗，對偏磨造成的影響估計不足、準備不足等。目前防偏磨主要根據(jù)井筒軌跡和拐點位置進行配套，防偏工藝主要采用尼龍材料熱加固技術。

解決方法：在防偏磨配套上，利用專業(yè)化軟件優(yōu)化螺桿泵扶正器安裝位置及數(shù)量，優(yōu)化熱注塑扶正器配方，增加扶正體韌性，減小摩擦系數(shù)；同時設計研制軸套式扶正器，扶正套不隨桿轉動，延長扶正器使用壽命，延長檢泵周期。如典型井XP1井，未應用防偏磨配套時，檢泵周期僅為50天左右，后來應用防偏配套后，檢泵周期超過500天。

為準確分析螺桿泵節(jié)能降耗應用情況，選取8口螺桿泵井、210口抽油機井和22口電泵井進行系統(tǒng)效率測試和節(jié)能監(jiān)測（表3）。通過與抽油機、電潛泵的測試數(shù)據(jù)對比，螺桿泵的平均系統(tǒng)效率、噸液單耗、噸油單耗和百米噸液單耗等指標均優(yōu)于其他兩種采油方式，說明螺桿泵效率最優(yōu)，在節(jié)能降耗方面優(yōu)勢明顯，適合推廣應用。

自2014年以來，中原油田采油二廠借鑒國內(nèi)外成熟的螺桿泵采油技術，先后在21口井實施螺桿泵采油應用試驗。通過多方合作、研究，技術不斷優(yōu)化改進，試驗指標已高出國內(nèi)同行水平，如平均泵深超過1500 m，最深達到1802 m，平均排量83 m3/d，最大到123 m3/d，檢泵周期也大幅提高，超過365天。

3.2 采油一廠應用情況

采油一廠在借鑒采油二廠應用螺桿泵經(jīng)驗的基礎上，于2016年底首先選取5口井（3口抽油機井、2口電泵井）開展螺桿泵應用試驗，應用效果較好。

5口井轉改螺桿泵后，平均單井日降液量3.8 t、日增油量0.3 t，平均單井噸液單耗為4.7 kWh/t，較轉改前的7.6 kWh/t降低2.9 kWh/t，節(jié)電增油效果顯著。其中，抽油機轉螺桿泵3口井，轉改后平均單井日產(chǎn)液98.1 t，日產(chǎn)油2.3 t，與轉改前相比平均單井日增液26.4 t、日增油0.3 t,泵掛深度增加204 m，噸液單耗降低0.2 kWh/t;電泵轉螺桿泵2口井，轉改后平均單井日產(chǎn)液76.7 t,日產(chǎn)油3.5 t，與轉改前相比日降液49.1 t，日增油0.3 t，日節(jié)電1055 kWh，噸液單耗降低6.8 kWh/t（表4）。

表4 螺桿泵轉改前后生產(chǎn)情況對比

通過對比分析表明，螺桿泵較抽油機下泵深度更大，提液效果更好，節(jié)能降耗更優(yōu)；較電泵而言，在基本達到穩(wěn)產(chǎn)的同時，能夠有效降低能耗，節(jié)電率達52.3%。

隨著螺桿泵在中原油田各廠推廣應用過程中的不斷改進和提高，定子破膠和偏磨等問題得到很大改善，檢泵周期明顯延長。在高效開發(fā)、效益為上的形勢下，螺桿泵采油技術在中原油田開發(fā)中將發(fā)揮重要的作用。

4 結論

1）通過對比螺桿泵應用后生產(chǎn)情況，分析認為螺桿泵較潛油電泵在穩(wěn)產(chǎn)的情況下能夠有效降低能耗，較抽油機在提液、降耗等方面的優(yōu)勢也較為明顯，具有較好的推廣價值。

2）中原油田通過對螺桿泵采油技術的不斷探索、優(yōu)化、改進，已基本形成規(guī)模化，大排量、高揚程螺桿泵采油技術具備國內(nèi)領先水平。

沙漠綠島石西油田

3）螺桿泵采油作為一項成熟技術，盡管目前在中原油田的推廣應用效果較好，但實際生產(chǎn)應用過程中仍存在不少問題，受客觀因素制約較多，未來仍需要在防偏磨、定子壽命等方面開展螺桿泵配套工藝攻關研究。