提高螺桿泵井洗井效果的措施分析

王 蕭

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠 （黑龍江 大慶 163513）

螺桿泵井是一種高泵效、低能耗、投資低的油井舉升工藝，主要由地面驅(qū)動和井下工藝管柱兩部分組成。其中地面驅(qū)動工藝常采用電機(jī)直接驅(qū)動或電機(jī)經(jīng)皮帶減速后驅(qū)動的方式；井下工藝管柱一般由泵體、管錨、防砂篩管和絲堵等部分組成（圖1）。目前應(yīng)用的螺桿泵排量范圍在40～1200 mL/r。

圖1 螺桿泵采油舉升工藝系統(tǒng)圖

在生產(chǎn)過程中，管柱結(jié)蠟導(dǎo)致舉升負(fù)荷升高，嚴(yán)重時蠟卡卡泵，油井電流升高，產(chǎn)量降低，此時需要熱洗[1-3]。熱洗洗井時，泵車將熱水從油套環(huán)形空間泵入，水與采出液混合后，經(jīng)由篩管—螺桿泵—油管內(nèi)，循環(huán)返回地面回收。在這個過程中，結(jié)在油管壁、抽油桿柱和泵內(nèi)壁上的蠟被溶解，隨液流帶出地面，完成熱洗作業(yè)。目前螺桿泵井熱洗存在以下問題。

1）螺桿泵排量小，受螺桿泵排量限制，單位時間進(jìn)泵液量無法滿足大排量洗井需要，洗井液排量有待提高。

2）桿管配合中主要有兩種形式，Φ62 mm油管配合Φ22 mm抽油桿（以下簡稱Φ62（22）配合）和Φ 76 mm油管配合Φ25 mm抽油桿（以下簡稱Φ76（25）配合）。在抽油桿接箍處，桿與油管內(nèi)壁間隙小，過流面積較小，需要調(diào)整桿管配合，擴(kuò)大過流面積。

3）普驅(qū)螺桿泵井驅(qū)動電機(jī)采用工頻50 Hz工作，無法在洗井和洗井后排液時增大排液量，減少洗井時間和縮短含水恢復(fù)期。

針對上述問題，采取措施分類詳見表1。

1 優(yōu)化洗井單流閥結(jié)構(gòu)，增大熱洗排量

目前常用螺桿泵排量為40～1 200 mL/r螺桿泵，以某油田為例，550口螺桿泵井中，主要為200、300和500 mL/r螺桿泵，占72.4%，如圖2所示。按照洗井要求，洗井時需要泵入24 m3洗井液，對于500 mL/r螺桿泵，轉(zhuǎn)速150 r/min情況下，泵理論排量為108 L/d，將24 m3（約24 L）洗井液完全泵入所需時間為5.3 h，耗時太長，無法實現(xiàn)理想洗井效果。

表1 措施分類表

圖2 螺桿泵分排量分布圖

引入一種洗井單流閥，閥體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由上接頭、彈簧、外套、活塞、進(jìn)水孔、下接頭構(gòu)成[3-4]。下管柱時，將該閥置于螺桿泵以上即可。工作時，洗井活塞在水壓作用下上行壓縮彈簧，洗井液由進(jìn)水孔進(jìn)入油管，實現(xiàn)大排量洗井；洗井結(jié)束后，在彈簧彈力作用下，活塞下行歸位，進(jìn)水孔關(guān)閉。核心部件洗井活塞結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。據(jù)統(tǒng)計（調(diào)研A油田），該洗井閥在A油田應(yīng)用數(shù)量為402套，近3年共發(fā)現(xiàn)洗井閥失效26井次。失效原因:洗井活塞上的密封圈采用雙排通孔注膠加工而成，在高壓水通過時，密封膠體移位，密封失效，導(dǎo)致洗井閥漏。為解決密封問題，對螺桿泵洗井單流閥洗井活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。如圖4（b）所示，將洗井活塞原密封膠體密封改為鋼骨架支撐密封+支撐槽結(jié)構(gòu)，鋼骨架有較高韌性，在高水壓下，亦不會脫出支撐槽，從而避免洗井活塞漏失。在設(shè)計上，考慮到井液中攜砂容易造成活塞磨損，導(dǎo)致活塞壽命降低，在設(shè)計時，增加了沉砂槽，該砂槽能夠同時起到活塞的沉砂和密封作用，延長活塞使用壽命。改進(jìn)后，洗井閥工作正常，密封可靠，24 m3洗井液泵入時間縮短至1 h以內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)失效情況。

圖3 洗井單流閥閥體結(jié)構(gòu)圖

圖4 洗井活塞改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)圖

2 優(yōu)化桿柱配合，增大過流面積

目前機(jī)采井管柱設(shè)計中常用Φ62（22）和Φ76（25）兩種配合。而其他配合：如Φ62（25）配合由于抽油桿接箍與油管內(nèi)壁間隙過小（3.5 mm），容易發(fā)生桿管偏磨，一般不被采用。Φ76（22）配合由于相比Φ62（22）配合投資較高，螺桿泵井管柱設(shè)計中也相對較少采用。但通過對桿管接箍外環(huán)空面積計算（表 2）可以看出，Φ76（22）桿管配合相較Φ62（22）和Φ76（25）配合，接箍外環(huán)空面積分別增大111%和33%，調(diào)研20口井熱洗壓力（每種桿管配合選取5口井，4種配合共計20口井），環(huán)控面積越小，熱洗壓力越高，即存在憋壓現(xiàn)象。采用Φ76（22）桿管配合螺桿泵井由于擴(kuò)大了接箍外環(huán)空面積（熱洗液過流面積），獲得了較低的洗井壓力，熱洗液流動性更好。因此，在新管柱設(shè)計時，考慮采用Φ76（22）配合。2016—2017年共設(shè)計126口井，平均熱洗壓力3.66 MPa，平均洗井時間52 min，取得較好的效果。

表2 桿管配合表

3 應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)大參數(shù)抽洗及洗后排液

油井不停機(jī)洗井措施，有助于提高洗井排量和降低水泥泵車壓力[5]。現(xiàn)場常用措施為，洗井時調(diào)大參數(shù)，從而增大排液量，強(qiáng)化清蠟效果；洗井后，需要對灌入地層中的洗井液反排，此時也需要調(diào)大參數(shù)，在短時間內(nèi)排凈灌入地層中的水，使油井采出液含水變?yōu)檎Ｖ担^少影響產(chǎn)油量。因此，洗井前后對油井參數(shù)調(diào)大是有益的。目前在用普驅(qū)螺桿泵井地面驅(qū)動一般采用工頻下電機(jī)經(jīng)由主從皮帶輪帶動減速箱中錐齒傳動減速，錐齒減速比預(yù)設(shè)不變，現(xiàn)場主要通過調(diào)換皮帶輪實現(xiàn)調(diào)大或調(diào)小參數(shù)。以某廠生產(chǎn)的Ⅲ型功率11 kW驅(qū)動為例，錐齒減速比5.83，驅(qū)動設(shè)備共配有4個皮帶輪型號,分別為150、180、280、410 mm，通過不同的皮帶輪組合獲得相應(yīng)的光桿轉(zhuǎn)速，見表3。

由此可知，普通驅(qū)動螺桿泵井調(diào)大轉(zhuǎn)速只能通過更換皮帶輪方式實現(xiàn)，在洗井前后，調(diào)整參數(shù)非常不便，無法實現(xiàn)方便調(diào)參。因此，應(yīng)用了一種普驅(qū)螺桿泵井異步伺服變頻調(diào)速技術(shù)，該技術(shù)通過改變電機(jī)工作頻率實現(xiàn)電機(jī)端的轉(zhuǎn)速，而不需頻繁更換皮帶輪調(diào)速，頻率分辯率0.01 Hz，實現(xiàn)螺桿泵井無級調(diào)速。設(shè)計有過載、欠載、過壓、漏電、缺相等保護(hù)功能，在裝置控制面板上，設(shè)置了手動調(diào)速旋鈕，在控制器顯示屏中可直接讀取工作轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率。目前累計應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)55井次，洗井過程中轉(zhuǎn)速提高了35 r/min，洗后含水恢復(fù)期縮短了1.5 d，取得了良好效果。常規(guī)工頻控制柜和異步伺服變頻調(diào)速控制柜如圖5、圖6所示。

表3 采研QDTL3普通驅(qū)動裝置傳動情況表

圖5 工頻控制柜

圖6 異步伺服變頻調(diào)速控制柜

異步伺服變頻調(diào)速控制柜主要技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 變頻調(diào)速控制柜參數(shù)表

措施前后（2015—2017年），螺桿泵井洗井過流面積增大741.8 mm2、洗井排量增加5.9 m3/h、洗井時間減少0.6 h、含水恢復(fù)期縮短1.1 d，累計影響產(chǎn)油減少1586t。洗井質(zhì)量明顯提升，措施效果顯著（表5）。

表5 措施效果對比表

4 結(jié)論

1）螺桿泵洗井單流閥可實現(xiàn)大排量洗井的目的，活塞優(yōu)化設(shè)計中采用鋼骨架密封及骨架槽、沉沙槽設(shè)計可以解決單流閥密封失效問題。

2）采用Φ76（22）桿管配合螺桿泵井?dāng)U大了熱洗液過流面積，能獲得較低的洗井壓力，熱洗液流動性更好，試驗126口井，平均熱洗壓力3.66 MPa，洗井時間52 min，效果較好。

3）普驅(qū)螺桿泵井異步伺服變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了油井大參數(shù)洗井和洗后排液，減少了洗井時間，油井含水恢復(fù)期縮短，影響油量降低，效益顯著。