空心桿雙柱塞洗井泵一體化技術(shù)研究與應(yīng)用

杜宏偉 唐光亮 毛洋 宋明垚 周濤 李麗香

（華北油田公司二連分公司）

在油井生產(chǎn)過程中，熱洗是油井清蠟最常用和最有效的措施手段之一，但對(duì)于地層水敏性強(qiáng)、地層能量虧空的油藏，洗井水易倒灌地層造成近井地帶污染影響產(chǎn)量，為解決這一問題，二連油田前期開展了空心桿洗井系列技術(shù)的研究并取得了顯著成效，但無法對(duì)泵體進(jìn)行清洗以改善泵況，基于此，技術(shù)人員專門開展了空心洗井泵的研究設(shè)計(jì)工作，以空心抽油桿作為洗井通道，形成一體化技術(shù)，以便進(jìn)一步增強(qiáng)清洗改善泵況的效果，解決泵體閥副因結(jié)蠟、沉積砂泥導(dǎo)致密封不嚴(yán)等問題，該技術(shù)可為今后的工況管理、清防蠟管理提供全新的解決思路。

1 實(shí)施方案研究

1.1 工藝原理

與單流閥熱洗方式相比（圖1、圖2），空心柱塞洗井泵的熱洗方式更具有優(yōu)勢(shì)：

1）熱洗液通過空心桿流入抽油泵內(nèi)部，可直接清洗泵閥副上附著的雜質(zhì)，進(jìn)一步改善泵況。

2）洗井閥與泵結(jié)合為一體，不需要單獨(dú)配套洗井閥，管柱結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，節(jié)約投資。

3）洗井過程中，洗井液從泵筒底部流出，產(chǎn)生向上的沖擊力，使井筒沖洗更加徹底。

圖1 空心桿+單流閥熱洗工藝

圖2 空心桿+洗井泵熱洗工藝

1.2 配套工具

1）空心桿三通。井口接頭（圖3）安裝于空心光桿的頂端，主要作用是連接空心桿和地面熱洗管線，保證熱洗介質(zhì)順利進(jìn)入空心桿。

圖3 井口接頭

2）高壓軟管。高壓軟管（圖4）一端連接熱洗車，一端連接井口三通，具有密封、耐高溫等性質(zhì)，承壓25～30 MPa。

圖4 高壓軟管

1.3 工藝流程

空心桿熱洗清蠟采用正循環(huán)方式，利用空心桿、空心洗井泵在井中與油管形成的循環(huán)通道，對(duì)井筒結(jié)蠟段進(jìn)行有效的清洗（圖5），循環(huán)流程為[1]：

清蠟車——高壓軟管——井口三通——空心抽油桿——空心洗井泵——井口集油管線——計(jì)量間。

圖5 空心桿+空心泵熱洗工藝流程

2 小直徑雙柱塞泵的研制

2.1 設(shè)計(jì)思路

實(shí)現(xiàn)洗井液泵內(nèi)循環(huán)；與同等直徑泵體相比，最大外徑不顯著增加，滿足偏心測(cè)試要求。

改變常規(guī)管式泵結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)內(nèi)外雙層柱塞、形成環(huán)形空間（圖6、圖7），為洗井在泵內(nèi)循環(huán)提供通道，空心柱塞下部設(shè)計(jì)洗井閥，由彈簧和閥球、球座組成，用于控制洗井通道的打開和關(guān)閉。

圖6 常規(guī)管式泵結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 洗井泵結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

洗井過程中，洗井液經(jīng)地面由空心桿流至洗井閥處，隨著洗井壓力的上升，洗井閥自動(dòng)打開，洗井液流入泵筒內(nèi)，當(dāng)洗井壓力進(jìn)一步上升，洗井液頂開游動(dòng)閥球，進(jìn)入內(nèi)外柱塞的環(huán)空，通過環(huán)空流入泵筒內(nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán)，從而達(dá)到清洗泵同閥副的目的。

3 空心桿洗井工藝適用條件分析研究

結(jié)合空心桿洗井工藝的特點(diǎn)，通過綜合分析，認(rèn)為空心桿洗井工藝有如下適用條件。

3.1 采油方式

在采油方式上，目前僅適合于抽油機(jī)舉升方式，螺桿泵工作過程中屬于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，井口空心光桿處無法實(shí)現(xiàn)洗井供液，需要開展相關(guān)旋轉(zhuǎn)供水接頭的研制。

3.2 油藏狀況

通過前期的研究，空心桿洗井熱量損失小、洗井液直接作用于油管內(nèi)部，熔蠟化蠟迅速，因此特別適用于低壓、強(qiáng)水敏、高含蠟、膠質(zhì)瀝青質(zhì)、高熔點(diǎn)油藏的清蠟洗井[2]。

3.3 最大下泵深度

空心抽油桿的線密度較大，加之洗井過程空心內(nèi)部液體的重量，桿柱整體的懸點(diǎn)載荷較大，因此對(duì)空心桿本身強(qiáng)度提出了更高的要求，根據(jù)D36 mm×6.6 空心抽油桿的抗拉強(qiáng)度，通過強(qiáng)度校核以及考慮抽油機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，在滿足安全的前提下，空心桿的最大下深為1 600 m（根據(jù)二連地層的地溫梯度3 ℃/100 m，平均析蠟溫度45～46 ℃計(jì)算，此下深已經(jīng)超出了析蠟點(diǎn)深度）。

3.4 洗井方式

洗井液從空心桿內(nèi)部注入，空心桿內(nèi)徑小（φ 25 mm），排量低洗井易憋壓，加之空心桿外徑較大，與常用油管（2 7/8）的配合間隙小，不利于塊狀石蠟、膠質(zhì)排除，因此洗井時(shí)需要小排量、高溫工作方式，確保洗井不憋壓、蠟質(zhì)快速熔化排除，洗井方式的選擇上優(yōu)先考慮蒸汽洗井[3]，熱水洗井次之。

4 洗井參數(shù)制定優(yōu)化

結(jié)合目前生產(chǎn)的實(shí)際情況，寶力格油田由于“三高一低”的特點(diǎn)，清防蠟管理難度最大，因此洗井參數(shù)的制定優(yōu)化主要針對(duì)寶力格油田開展。

4.1 洗井泵最小下入深度的確定

洗井泵最小下入深度也就是清蠟深度，設(shè)計(jì)原則是應(yīng)超過原油析蠟點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的井深，同時(shí)下入深度還不能低于應(yīng)用之前的泵掛深度，以免影響提液，即取二者之間最大者[4]。

根據(jù)原油析蠟溫度，結(jié)合地層物性參數(shù)可以推算出原油蠟質(zhì)析出、結(jié)蠟的深度，該深度即為洗井泵下深的參考深度之一。以寶力格作業(yè)區(qū)油田為例，推算空心桿洗井泵的下入深度。清防蠟難度大的區(qū)塊巴19 的平均地溫梯度為3.3 ℃/100 m，原油中蠟的初始結(jié)晶溫度為52～53 ℃左右，凝固點(diǎn)為32 ℃，產(chǎn)出液溫度25 ℃，根據(jù)公式計(jì)算所需下入深度：

式中： L——所需清蠟深度，m；

a——地面常溫，℃；

d——該油區(qū)的地溫梯度，℃/100 m；

T ——區(qū)塊原油的析蠟溫度，℃。

計(jì)算原油的結(jié)蠟深度在850 m 左右，由于蠟的析出還與油流速度、井筒壓力、溶解氣量等多種因素有關(guān)，同時(shí)根據(jù)作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)大部分井結(jié)蠟段在井口到井深1 300 m 的實(shí)際情況，因此確定空心桿洗井的清蠟深度在850～1 300 m 左右，亦即洗井泵的下深最低不能小于850 m。

4.2 熱洗排量的確定

通過實(shí)測(cè)排量與壓力之間的關(guān)系如圖8 所示。

圖8 實(shí)測(cè)排量與熱洗泵壓關(guān)系曲線

圖示泵壓值與計(jì)算值基本一致（單流閥開啟壓力在1.5 MPa 左右）。

目前寶力格作業(yè)區(qū)在用的蒸汽洗井車最高可將溫度提至140 ℃，熱洗排量1.6 m3/h、3.2 m3/h、4.8 m3/h，熱洗壓力4.5 MPa，根據(jù)實(shí)測(cè)熱洗排量與熱洗泵壓的情況，選擇1.6 m3/h、3.2 m3/h 作為熱洗排量。

4.3 熱洗溫度的確定

熱洗介質(zhì)的溫度主要根據(jù)原油的析蠟溫度，硬蠟的熔化溫度，以及油井的含蠟量，結(jié)蠟量等多方面考慮。一般情況下，石蠟的熔點(diǎn)為49～60 ℃，因此須保證熱洗液在井筒中的任意點(diǎn)溫度保證在60 ℃以上[5]。

實(shí)踐證明，空心桿洗井熱洗液經(jīng)空心桿、洗井泵直接給蠟塊或死油加熱，熱量損失少，熔蠟速度快，不會(huì)發(fā)生因死油、蠟塊脫落造成的卡井事故，故空心桿洗井由常規(guī)洗井的預(yù)熱、熔蠟、沖蠟3 個(gè)階段改為熔蠟、沖蠟2 個(gè)階段，在保證密封良好的狀況下盡可能提高熱洗溫度，而針對(duì)清防蠟難度較大的寶力格油田，前期研究發(fā)現(xiàn)，其井筒析出的瀝青質(zhì)蠟質(zhì)熔點(diǎn)高達(dá)80 ℃以上，因此最優(yōu)是將混合液溫度提至85 ℃以上。

由于地溫由地心至地表呈線性降低，洗井時(shí)，洗井液向下流動(dòng)，通過空心桿將熱量傳給油管內(nèi)的液體及油管，熱洗達(dá)到一定時(shí)間后，沿井筒某一深度的徑向散熱量趨于穩(wěn)定，此時(shí)，桿管環(huán)空中的洗井液將熱量傳遞給油管內(nèi)壁，再從油管內(nèi)壁傳遞給油管外壁、空氣環(huán)、套管及地層，為計(jì)算洗井液從空心桿至洗井泵處釋放的熱量，沿軸向列能量守恒方程如下：

式中： η——熱洗熱效率值，% ；

m1——空心桿中洗井液的質(zhì)量流速，kg/s；

C1——空心桿中熱洗液的比熱，J/kg·℃；

t1——空心桿進(jìn)處洗井液的溫度，℃；

t0——洗井液在單流閥出口處的溫度，℃；

λ——修正系數(shù)；

m2——產(chǎn)出液的質(zhì)量流速，kg/s；

C2——產(chǎn)出液的比熱，J/kg·℃；

t2——混合液井口溫度，℃；

ts——地層溫度，℃。

以巴19-26 井為例，日產(chǎn)液30 t，產(chǎn)出液在1 000 m 處溫度為40 ℃（圖9）。

圖9 巴19-26 井實(shí)測(cè)井溫曲線

從計(jì)算結(jié)果（表1）可以看出，為使混合液溫度達(dá)到85 ℃以上，熔蠟階段洗井液出口最低溫度應(yīng)保持在100 ℃以上。

4.4 熱洗液總量的確定

熱洗介質(zhì)總量要以清蠟徹底為根本目標(biāo)，要保證有充分的熔蠟時(shí)間和沖蠟時(shí)間。根據(jù)熱洗工藝規(guī)程（Q/SY HB 0022—2001），熱洗介質(zhì)用量應(yīng)為桿管環(huán)空的1.5 倍左右，借鑒其它油田空心桿熱洗經(jīng)驗(yàn)，以1 000 m 空心桿和油管內(nèi)容積為2.49 m3計(jì)算，為確保熱洗效果，采取循環(huán)3～4 周的辦法，用量在10 m3左右。

5 應(yīng)用情況及效果評(píng)價(jià)

5.1 應(yīng)用情況

項(xiàng)目開展以來，與相關(guān)單位結(jié)合，共計(jì)加工洗井泵2臺(tái)，結(jié)合檢泵作業(yè)試驗(yàn)性應(yīng)用2口井（巴18平8），洗井過程中優(yōu)化洗井參數(shù)8井次，表2、表3是該井的主要生產(chǎn)情況及洗井過程中的相關(guān)參數(shù)情況。

表1 熱洗溫度模擬計(jì)算結(jié)果

表2 空心桿洗井工藝試驗(yàn)井生產(chǎn)情況

表3 空心桿熱洗實(shí)施情況

5.1.1 巴18 平8 井應(yīng)用情況

該井9 月底因?yàn)楸寐┦Мa(chǎn)液下降檢泵，應(yīng)用洗井泵后，產(chǎn)量恢復(fù)到正常水平（圖10），且基本保持穩(wěn)定，說明洗井泵功能正常，性能可靠，發(fā)揮了管式泵應(yīng)有的基本作用。

圖10 巴18 平8 應(yīng)用洗井泵前后產(chǎn)量變化

5.1.2 試驗(yàn)小結(jié)

1）洗井水量明顯降低。該井以往采取傳統(tǒng)洗井水量每次都在60 m3左右，而空心桿洗井4 h，液量9.7 m3左右，洗井用水減少低83.8%。洗井前后電流變化及功圖載荷變化都比較明顯。

2）載荷變小、泵況改善。洗井前憋壓顯示泵存在漏失，洗井恢復(fù)正常，泵況改善。功圖最大載荷由51.2 kN 下降至48.0 kN，若考慮空心桿中的0.49 m3水的重量，則載荷下降8.1 kN。

3） 排水周期明顯縮短，洗井后影響產(chǎn)量少。巴18 平8 井常規(guī)洗井平均排液周期為3 天，年均洗井7 次，影響產(chǎn)量45.57 t，而空心桿洗井泵洗井，由于洗井液不進(jìn)入地層，不會(huì)對(duì)地層造成壓井及污染[6]，只影響洗井當(dāng)天產(chǎn)液產(chǎn)油，量小可忽略。

5.2 效果評(píng)價(jià)

研究設(shè)計(jì)的空心桿雙柱塞洗井泵一體化技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)2 口井的應(yīng)用達(dá)到了良好的效果（表4）：

1）洗井泵應(yīng)用后能夠正常生產(chǎn)，且自循環(huán)洗井能夠有效改善泵況。

2）應(yīng)用該工藝后洗井液大幅下降，由之前的單次60 m3液量下降至目前10 m3左右，減少洗井用量達(dá)85%以上。

3）實(shí)現(xiàn)了洗井后零排液周期的目標(biāo)，單井年均減少熱洗導(dǎo)致的產(chǎn)量損失43.7 t。

表4 巴18 平8 井空心桿熱洗實(shí)施前后對(duì)比情況

6 結(jié)論

雙柱塞洗井泵的研制成功以及形成的一體化空心桿洗井技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，不斷優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，單次洗井水量較常規(guī)熱洗下降了83.8%以上，排液周期由之前的3 天變?yōu)? 天。洗井泵應(yīng)用后，單井產(chǎn)液量與應(yīng)用之前相比，基本保持穩(wěn)定，同時(shí)通過洗井?dāng)?shù)據(jù)表明，洗井過程單流閥能正常開啟、關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)泵內(nèi)循環(huán)，驗(yàn)證了洗井泵是可靠、性能穩(wěn)定的工具。