全金屬螺桿泵蒸汽吞吐注采一體化試油技術(shù)

姜 東

(中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

油田開發(fā)中，對(duì)于地層產(chǎn)能評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)主要通過(guò)排液試油方法獲取相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù),目前現(xiàn)場(chǎng)常用工藝有：液氮誘噴[1]、水力泵[2-5]和機(jī)械抽汲[6-11]等工藝方法。隨著稠油油藏的深入開發(fā)，對(duì)于超稠油、特超稠油油藏多采用SAGD、CSS注蒸汽熱采開發(fā)方式，從舉升上主要應(yīng)用了抽油機(jī)-抽油泵有桿泵排液方式[12]，該技術(shù)通過(guò)下放桿柱打開注汽通道，注汽后上提抽油桿、調(diào)好防沖距快速轉(zhuǎn)抽生產(chǎn)，但到注汽中后期，隨井溫降低，油井產(chǎn)出液黏度增大，存在稠油進(jìn)泵困難、泵效低或抽油桿柱下行困難甚至不能正常生產(chǎn)的問(wèn)題，用于試油排液則不能準(zhǔn)確測(cè)試油井產(chǎn)能。針對(duì)稠油井產(chǎn)出液黏度大、流動(dòng)性差問(wèn)題，應(yīng)用了常規(guī)橡膠螺桿泵試油技術(shù)[13-14]，并見到了一定效果，但由于常規(guī)螺桿泵橡膠定子耐溫低(一般小于160℃)，目前主要用于普通常規(guī)稠油油藏的冷采試油排液，無(wú)法實(shí)現(xiàn)300℃以上稠油熱采井高溫舉升排液需求。

為滿足稠油熱采試油井快速、準(zhǔn)確、全面獲取油藏?cái)?shù)據(jù)資料需求，本文通過(guò)研究一種定轉(zhuǎn)子均為金屬材料的全金屬螺桿泵技術(shù)，在發(fā)揮螺桿泵適用于稠油、出砂油藏，并具有連續(xù)螺旋舉升排液優(yōu)勢(shì)同時(shí)，大幅提升螺桿泵耐高溫性能，通過(guò)技術(shù)配套形成適用于稠油熱采井、工作溫度達(dá)到380℃以上的全金屬螺桿泵注采一體化排液技術(shù)，為稠油熱采井的高溫長(zhǎng)效舉升試油排液提供一種新工藝。

一、全金屬螺桿泵特性研究

全金屬螺桿泵區(qū)別于普通常規(guī)橡膠螺桿泵的關(guān)鍵技術(shù)是其金屬定轉(zhuǎn)子采用間隙配合方式旋轉(zhuǎn)嚙合舉升。

1.全金屬螺桿泵結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

通過(guò)優(yōu)化用于金屬定轉(zhuǎn)子的材料及表面硬化處理工藝，實(shí)現(xiàn)了380℃高溫井況環(huán)境下舉升排液，繼承了常規(guī)橡膠螺桿泵適用稠油優(yōu)勢(shì)，用于探井試油能解決以下問(wèn)題：

(1)螺桿泵金屬定子、轉(zhuǎn)子采用真空氮化處理，其硬度分別達(dá)到HIV900-1100和HIV600-800，具有耐高溫、抗磨損優(yōu)勢(shì)，解決了常規(guī)橡膠定子螺桿泵耐溫低，因橡膠定子疲勞、老化壽命短的問(wèn)題，在高溫?zé)岵删蠎?yīng)用具有更長(zhǎng)的使用壽命。

(2)舉升排液連續(xù)、均勻，具有較強(qiáng)的自吸能力，適用于高黏度、高含氣和出砂油井高效、長(zhǎng)效舉升；與常規(guī)抽油機(jī)舉升方式相比，螺桿泵采油整體配套緊湊，地面設(shè)備占地空間小，具有安裝操作簡(jiǎn)便和運(yùn)行能耗低等優(yōu)勢(shì)。

因此，采用全金屬螺桿泵對(duì)于稠油井(尤其是熱采井)試油，能實(shí)現(xiàn)高溫、高效、穩(wěn)定排液，有效降低試油成本、提高試油效果。

2.全金屬螺桿泵特性試驗(yàn)

為掌握全金屬螺桿泵運(yùn)行特性，針對(duì)其定轉(zhuǎn)子間隙配合特點(diǎn)，依據(jù)《GB/T 21411.1-2014 石油天然氣工業(yè)井下設(shè)備》“人工舉升用螺桿泵系統(tǒng)”(第1部分)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)GLB160-30/JD全金屬螺桿泵樣機(jī)，在不同介質(zhì)及運(yùn)行轉(zhuǎn)速條件下，測(cè)試分析其舉升揚(yáng)程與泵效規(guī)律，分析其間隙漏失對(duì)泵效影響規(guī)律，掌握全金屬螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性規(guī)律，用于指導(dǎo)全金屬螺桿泵選型及應(yīng)用。

2.1 測(cè)試方法

采用100%水、100%油(32#液壓油，黏度53 mPa·s)為試驗(yàn)介質(zhì)，在轉(zhuǎn)速為100、150、200 r/min條件下，測(cè)試全金屬螺桿泵對(duì)應(yīng)不同出口壓力(等效舉升揚(yáng)程)下的泵效。

將圖1的四邊形OABC中的矢量等式r= b+ a- c的兩邊作自身的點(diǎn)積(數(shù)量積)有：rr= bb+ aa+ cc+ 2(ba- bc- ac)，即r2= b2+ a2+ c2+ 2(bacφ- bccφ?ψ- accψ)，[(b2+ a2+ c2- r2)/ 2+ bacφ] /c= acψ+ bcψ?φ，

2.2 全金屬螺桿泵特性分析

全金屬螺桿泵性能測(cè)試結(jié)果如圖1所示。由圖1看出，介質(zhì)分別為水、油時(shí)，全金屬螺桿泵表現(xiàn)出了不同特性。采用水介質(zhì)時(shí)，泵效整體呈快速下降趨勢(shì)，隨轉(zhuǎn)速增大泵效下降趨緩，當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min、泵出口壓力11 MPa時(shí)泵效降為0。而采用油介質(zhì)，全金屬螺桿泵具有較好特性，轉(zhuǎn)速對(duì)泵效影響不大，均達(dá)到75%以上，在轉(zhuǎn)速200 r/min、壓力16 MPa時(shí)，泵效達(dá)到70%。

圖1 采用純水純油介質(zhì)金屬螺桿泵特性曲線圖

全金屬螺桿泵特性測(cè)試結(jié)論表明，介質(zhì)黏度、運(yùn)行轉(zhuǎn)速是決定全金屬螺桿泵泵效的主要因素。當(dāng)輸送有一定黏度的油介質(zhì)時(shí)，因介質(zhì)黏度增大減少了全金屬螺桿泵定轉(zhuǎn)子配合間隙的漏失，表現(xiàn)出了較高泵效；而當(dāng)輸送黏度較低的水介質(zhì)時(shí)，間隙漏失對(duì)泵效產(chǎn)生量較大影響，但可通過(guò)增加轉(zhuǎn)速提高泵效，減小漏失對(duì)泵效的影響。

3.全金屬螺桿泵耐高溫旋轉(zhuǎn)扶正器配套技術(shù)

全金屬螺桿泵工作時(shí)，通過(guò)抽油桿柱將地面電機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞至井下驅(qū)動(dòng)螺桿泵舉升排液，該驅(qū)動(dòng)方式用于斜井必然存在抽油桿與油管間的接觸旋轉(zhuǎn)磨損。目前，對(duì)于螺桿泵旋轉(zhuǎn)防偏磨技術(shù)，扶正器主要采用橡膠、尼龍等高分子材料[15]，該類材料耐溫一般小于160℃，無(wú)法在溫度大于300℃注蒸汽熱采井中應(yīng)用。

針對(duì)螺桿泵在斜井中工作存在的管桿接觸旋轉(zhuǎn)磨損問(wèn)題，基于滑動(dòng)軸承原理，設(shè)計(jì)了耐高溫抽油桿剛性旋轉(zhuǎn)扶正器技術(shù)，該扶正器結(jié)構(gòu)上由扶正桿、扶正體組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。扶正器整體采用金屬材料，扶正桿外表面、扶正體內(nèi)表面采用合金粉末噴焊處理，耐溫達(dá)到400℃以上，具有潤(rùn)滑減磨、防腐抗磨特性，能適用于?76 mm油管中與?22 mm、?25 mm抽油桿連接應(yīng)用。

圖2 全金屬抽油桿扶正器結(jié)構(gòu)示意圖

扶正防磨原理：使用時(shí)，在偏磨井段將扶正器代替抽油桿接箍與抽油桿連為一體，扶正器扶正體通過(guò)力的作用與油管保持相對(duì)靜止；抽油桿帶動(dòng)扶正桿在扶正體內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將抽油桿與油管間的旋轉(zhuǎn)磨損轉(zhuǎn)變?yōu)榉稣鞣稣龡U與扶正體間的潤(rùn)滑減磨運(yùn)動(dòng)，避免油管抽油桿磨損，大幅提升熱采螺桿泵井抽油桿、油管使用壽命。

二、全金屬螺桿泵注采一體化工藝

為滿足稠油熱采井注蒸汽熱采舉升排液試油需求，研究了全金屬螺桿泵注采一體化工藝，在勘探開發(fā)井，采用全金屬螺桿泵實(shí)現(xiàn)了一趟管柱注汽-放噴-轉(zhuǎn)抽生產(chǎn)高效舉升排液試油。

1.注采一體化管柱組成

全金屬螺桿泵注采一體化管柱由驅(qū)動(dòng)裝置、光桿、注汽密封裝置、油管四通、套管四通、抽油桿、油管、全金屬螺桿泵(定子、轉(zhuǎn)子)、油管補(bǔ)償器、防轉(zhuǎn)錨、注汽封隔器組成，管柱圖如圖3所示。作業(yè)施工時(shí)，首先安裝套管四通和油管四通，按照?qǐng)D3所示油管柱、抽油桿柱下入井內(nèi)。可通過(guò)抽油桿柱的上提下放，實(shí)現(xiàn)注汽-生產(chǎn)-再注汽-再生產(chǎn)多輪次熱采排液試油。

2.注汽轉(zhuǎn)抽一體化工藝

全金屬螺桿泵注采一體化排液施工分為三個(gè)階段：

(1)注蒸汽階段。將油管、全金屬螺桿泵定子、油管補(bǔ)償器、防轉(zhuǎn)錨、注汽封隔器連接組成的油管柱下入井內(nèi)，油管柱通過(guò)管螺紋與套管四通連接，并實(shí)現(xiàn)注汽高溫密封；將光桿、抽油桿柱、全金屬螺桿泵轉(zhuǎn)子組成的驅(qū)動(dòng)抽油桿柱下入螺桿泵定子內(nèi)，調(diào)好防沖距，上提光桿使全金屬螺桿泵金屬轉(zhuǎn)子脫出金屬定子，懸掛于驅(qū)動(dòng)裝置頂部。

(2)注汽燜井放噴階段。由油管四通閘門經(jīng)過(guò)油管向井底注入高溫高壓蒸汽(見圖3注汽狀態(tài))。注汽過(guò)程中，光桿與注汽密封裝置配合實(shí)現(xiàn)井口高溫高壓靜密封。其中，注汽密封裝置采用石墨材料組合與光桿實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償彈性密封，確保安全注汽。按照設(shè)計(jì)方案完成注汽、燜井后放噴，放噴產(chǎn)出液由油管四通另一端排出進(jìn)流程。

(3)轉(zhuǎn)抽生產(chǎn)階段。放噴后待井口壓力、溫度降低到可施工工況后，將懸掛光桿下放至預(yù)先調(diào)好的防沖距位置，螺桿泵轉(zhuǎn)子進(jìn)入定子實(shí)現(xiàn)正確嚙合(見圖3生產(chǎn)狀態(tài))。接通螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)電源，按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速開機(jī)生產(chǎn)排液，測(cè)試記錄相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

通過(guò)上述工序施工，完成全金屬螺桿泵注蒸汽熱采一體化舉升排液，實(shí)現(xiàn)油井的生產(chǎn)和試油。

圖3 全金屬螺桿泵注采一體化示意圖

1驅(qū)動(dòng)裝置 2光桿 3注汽密封裝置 4注汽入口 5油管四通 6套管四通 7抽油桿 8油管 9螺桿泵金屬轉(zhuǎn)子 10螺桿泵金屬定子 11油管補(bǔ)償器 12防轉(zhuǎn)錨 13注汽封隔器 14注汽/返排通道 15套管 16油層 17排液出口 18旋轉(zhuǎn)扶正器

3.全金屬螺桿泵注采一體化工藝技術(shù)指標(biāo)

可實(shí)現(xiàn)注蒸汽-燜井-防噴-轉(zhuǎn)抽多輪次注蒸汽吞吐一體化作業(yè)，耐溫大于380℃，耐壓達(dá)到25 MPa。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

全金屬螺桿泵排液舉升技術(shù)在勝利油田生產(chǎn)井和探井開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，應(yīng)用效果證明，全金屬螺桿泵運(yùn)行平穩(wěn)可靠，形成的注蒸汽熱采一體化技術(shù)用于高黏流體稠油熱采井，實(shí)現(xiàn)了注汽、轉(zhuǎn)抽一體化排液試油生產(chǎn)，為稠油熱采井注采一體化試油排液提供了新技術(shù)。

1. 612生產(chǎn)井

該井為稠油熱采井，井筒為?177.8 mm套管，油層深度1 315.8 m，油層厚度7.9 m，早期因高含水關(guān)井。2016年2月注蒸汽吞吐后，采用GLB160-30/JD全金屬螺桿泵高溫生產(chǎn)。該井下泵深度1 100 m，采用頂部驅(qū)動(dòng)，?25.4 mm抽油桿驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速在80～140 r/min。正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速140 r/min時(shí)，油井產(chǎn)量20 m3/d，產(chǎn)油量1 m3/d，含水95%，泵效52%，平穩(wěn)運(yùn)行18個(gè)月泵效穩(wěn)定。通過(guò)該井的試驗(yàn)證明，全金屬螺桿泵技術(shù)成熟，用于油井舉升能維持較高的泵效長(zhǎng)壽命生產(chǎn)。

2. 688試油井

該井為勝利油田西部油區(qū)的一口勘探試油井。該井井筒為?177.8 mm套管，油層深度1 502.8 m，油層厚度6.7 m，地層溫度32℃，原油黏度>6 600 mPa·s，含水32%，因油稠采用抽油機(jī)試抽桿柱緩下不成功。2016年11月采用全金屬螺桿泵注蒸汽吞吐試油排液。注汽時(shí)，井口溫度達(dá)到320℃～380℃、注汽壓力16 MPa；采用GLB110-30/JD全金屬螺桿泵配套一體化高溫注汽井口排液求產(chǎn)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速100～120 r/min，產(chǎn)量2.7～13.2 m3/d，連續(xù)試油8 d累排液42 m3，累采油15 m3，實(shí)現(xiàn)了油井產(chǎn)能的測(cè)試。

四、結(jié)論

(1)以全金屬螺桿泵為核心，通過(guò)井口高溫密封注汽轉(zhuǎn)換技術(shù)、井下高溫減磨抽油桿扶正器技術(shù)配套實(shí)現(xiàn)了全金屬螺桿泵用于稠油熱采井生產(chǎn)和試油排液，為稠油油藏的注蒸汽高溫舉升和注采一體化試油排液提供了新工藝。

(2)全金屬螺桿泵特性測(cè)試結(jié)果表明，介質(zhì)黏度、運(yùn)行轉(zhuǎn)速是決定全金屬螺桿泵泵效的主要因素。舉升高黏度大于53 mPa·s有一定黏度油介質(zhì)時(shí)，泵效大于70%；而舉升純水介質(zhì)時(shí)，因定轉(zhuǎn)配合間隙漏失泵效隨增壓值增大呈快速下降趨勢(shì)，但可通過(guò)增加轉(zhuǎn)速提高泵效，減小漏失對(duì)泵效的影響。

(3)勝利油田試驗(yàn)應(yīng)用表明，全金屬螺桿泵用于油井舉升能維持較高的泵效長(zhǎng)壽命生產(chǎn)運(yùn)行。