柔性連接水平泵注采一體化工藝研究與應用

姜 東

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院)

目前，對于稠油、超稠油油藏的開發，大多采用注蒸汽熱采降黏方式開發，從舉升方式上形成了抽油機有桿泵注采一體化工藝[1-2]，實現了稠油井的注汽-燜井-放噴-轉抽生產。但受井筒井斜角、產出液黏度影響，現有常規注采一體化工藝適用井斜角小于70°[3-4]，存在抽油桿柱緩下或卡泵問題。因限制了抽油泵最大下泵深度，蒸汽吞吐中后期油井沉沒度小、供液能力差，造成注采周期短、注入熱能利用率低的問題。本論文提出了一種柔性連接水平泵注采一體化技術，通過研究具有雙級異徑柔性連接結構的注采一體化抽油泵，配套井口懸掛注采一體化轉換技術，實現液力反饋助力下行、密封副遮蔽防垢注汽，將抽油泵下深到水平段循環注汽、轉抽、生產一體化，最大限度增加了注蒸汽吞吐熱采井輪次周期采油量，提高熱采稠油油藏的開發效益。

一、柔性連接水平抽油泵技術

現有注采一體化抽油泵有多種結構類型[5-6]，一種是串聯式抽油泵[7-10]，該抽油泵泵筒上沒有閥體，上提柱塞出泵筒，通過抽油泵泵筒內通道注汽，完成注汽后直接下放抽油泵柱塞，提防沖距后生產。采用該原理抽油泵注汽時，因抽油泵密封副裸露在注入的熱蒸汽中，柱塞、泵筒表面容易結垢導致轉抽時，柱塞不能進泵筒或卡泵；另一種是加裝外筒的長柱塞抽油泵[11]，該泵在注汽時柱塞與泵筒處于密封狀態，熱蒸汽經抽油泵外筒與泵筒環空穿過抽油泵注入油層，避免了抽油泵密封面結垢問題，但用于大斜度井生產時，因長柱塞長期位于彎曲井段往復運動，存在柱塞、泵筒快速磨損或卡泵不能生產問題。

1.結構組成

通過創新串接式雙級異徑柱塞配合開式懸掛泵筒結構，研究設計了柔性連接注采一體化水平抽油泵技術，減少了抽油泵柱塞、泵筒磨損，實現了密封副遮蔽注汽防卡，采用液力反饋原理增大了抽油桿柱下行動力，提高了有桿泵舉升在大斜度、水平井段下泵深度及使用壽命。其結構原理見圖1，主要由上接頭、柱塞上接頭、上泵筒、上柱塞、復位彈簧、上游動閥、外筒、柔性連管、下柱塞、下泵筒等組成。

圖1 柔性連接注采一體化水平抽油泵結構示意圖1上接頭 2柱塞上接頭 3上泵筒 4上柱塞 5復位彈簧 6上游動閥 7外筒 8柔性連管 9下柱塞 10下泵筒 11下游動閥 12固定閥 13分流接頭

2.關鍵技術

2.1 柱塞分級柔性連接、泵筒開式懸掛串聯技術

由上柱塞、上游動閥、上泵筒、下柱塞、下游動閥、固定閥、外管、管式連接球頭、柱塞連管、下泵筒等組成，結構原理見圖2。其功能特點：①泵筒分上下兩部分分段懸掛于外管內，一端固定，另一端為自由狀態，通過彎曲井段時由外管承受力的作用，上、下泵筒可隨井筒彎曲自由伸展處于平直狀態，避免彎曲變形；②上、下柱塞通過管式連接球頭實現柔性密封聯結，與上、下泵筒配合形成密封副，不僅實現了密封而且可在一定角度內轉動；③采用分級柔性柱塞與開式懸掛串聯泵筒配合結構，整體提升了抽油泵適應彎曲變形能力，滿足了井筒曲率小于30°/100 m大斜度井段自適應彎曲井筒柔性往復運動，減輕了抽油泵磨損，避免了在斜井段工作柱塞、泵筒卡死不能正常生產問題。

圖2 分級柔性連接柱塞及開式懸掛串聯泵筒結構示意圖

1上柱塞 2上游動閥 3上泵筒 4下柱塞 5下游動閥 6固定閥 7外管 8管式連接球頭 9柱塞連管 10下泵筒

2.2 閉式串聯液力反饋技術

通過上大、下小柱塞閉式串聯結構設計，實現了油管內液壓力作用在柱塞截面上產生液壓反饋力，下行過程增大抽油桿下行動力，解決常規抽油泵應用于大斜度井段因抽油桿重力分解造成抽油柱緩下甚至不能正常往復運動舉升問題。

該抽油泵工作時，液壓反饋力一般發生在抽油桿下行過程。如圖2所示，抽油泵柱塞下行時，大、小柱塞游動閥均處于開啟狀態，固定閥處于關閉狀態，抽油泵大小柱塞內壓力均為油管液柱產生的液壓力。假設上部大柱塞外徑截面積為S1，下部小柱塞外徑截面積為S2，大小柱塞連管外徑截面積為S，油管內液柱產生的壓力為p1，動液面沉沒度產生的壓力為p2，則有：

大柱塞受力F1=(p1-p2)·(S1-S)，方向向下；

小柱塞受力F2=(p1-p2)·(S2-S)，方向向上；

則，因大小柱塞串聯產生的下行反饋力F：

F=F1-F2=(p1-p2)·(S1-S)-(p1-p2)·(S2-S)= (p1-p2)·(S1-S2)

(1)

式中：F—下行反饋力，kN；

p1、p2—油管液柱、動液面液柱壓力，MPa；

S1、S2—大、小柱塞外徑截面積，m2；

式(1)表明，抽油泵下行過程產生的液壓反饋力F與油井的油套壓差和大、小柱塞的面積差成正比。根據式(1)，通過大小柱塞不同尺寸組合設計，可優化得到柔性連接注采一體化水平泵不同排量和下行反饋力。通過綜合考慮抽油泵排量及下行反饋動力，設計了?70 mm/63.5-6 m柔性連接注采一體化水平泵，其基本參數見表1。該泵型最大行程6 m、排量系數為4.56，當油管內與油套環空液柱差為1 000 m時，由式(1)計算能增加下行反饋力0.7 t，滿足了大多數油井舉升排液需求。

表1 柔性連接注采一體化水平泵技術參數表

2.3 抽油泵密封副遮蔽防垢注采轉抽技術

該技術實現了下放抽油桿柱碰泵注汽，解決了柱塞、泵筒表面結垢問題，其結構原理如圖3所示。

注汽過程：下放抽油桿柱確保水平泵柱塞位于泵筒下死點，該狀態下抽油泵游動閥、固定閥均為關閉狀態，抽油泵柱塞與泵筒上的注汽孔聯通。注入蒸汽由泵上A腔通過上柱塞排液口進入上柱塞腔室B，再通過上柱塞、上泵筒聯通注汽孔進入大小柱塞與外管形成的環空腔室C，注入蒸汽繼續下行通過下泵筒下部聯通孔到達柔性柱塞水平抽油泵下部腔室D，最終通過生產管柱底部篩管注入到油層，實現對油層稠油的加熱降黏。整個注汽過程，抽油泵柱塞、泵筒密封副與注入蒸汽隔離，避免了抽油泵柱塞、泵筒裸露在蒸汽中表面結垢，解決了注汽后轉抽抽油泵柱塞不能進泵筒問題。

圖3 防垢注汽通道示意圖1上柱塞 2注汽孔 3上泵筒 4下柱塞 5下泵筒

轉抽過程：注汽燜井后需要轉抽時，上提防沖距，抽油泵柱塞上的注汽孔由泵筒封閉，如圖3所示。該狀態為抽油泵運行下死點，正常生產時抽油泵柱塞在該位置上部往復運動舉升，確保抽油泵始終保持密封狀態運行。

二、柔性連接水平泵注采一體化工藝管柱

以柔性連接水平抽油泵為核心，配套形成了柔性連接水平泵注蒸汽吞吐熱采一體化工藝，主要由注汽井口、懸掛注汽裝置、柔性連接水平泵、注汽封隔器以及油管、抽油桿、篩管等組成，其工藝管柱如圖4所示。

圖4 柔性連接水平泵注采一體化工藝示意圖

1注汽井口 2懸掛注汽裝置 3套管 4油管 5抽油桿 6柔性連接水平泵 7注汽封隔器 8篩管

注汽時，將注采一體水平泵泵筒、注汽封隔器與油管柱聯結下入井內預定位置座封封隔器；抽油桿柱聯結水平泵串聯柱塞下入井內，碰泵后上提抽油桿柱至自由懸重并由懸掛裝置掛于注汽井口，此時柔性連接水平泵柱塞與泵筒上的注汽通道聯通，實現抽油泵泵筒、柱塞與注入蒸汽隔離注汽；完成注蒸汽后，起出懸掛裝置，聯結光桿上提防沖距完井，正常抽汲生產排液。

三、現場試驗

柔性連接水平泵注采一體化技術在勝利油田P20-90井上開展了現場實驗。該井采用?177.8 mm套管水平井開發，井筒造斜點576 m，最大井斜角84.4°位于斜深1 100 m，P20-90井井斜數據見表2。

表2 P20-90井斜數據表

1.問題分析

該井前期已開展了8輪次注蒸汽吞吐開發生產，上一輪次(第8輪次)采用常規?70 mm泵下到819 m(井斜角45°)生產，因受井斜限制常規?70 mm泵不能有效下深，減小了抽油泵沉沒度，經測試抽油泵沉沒度只有16 m，嚴重影響了泵效及周期采液量，生產134 d后因不出液重新作業。

2.柔性連接水平泵注采一體化工藝設計

針對因井斜大、液面低造成的常規抽油泵不能有效下深、注采生產周期短的問題，本次方案采用?70 mm/63.5-6 m柔性連接注采一體化水平泵下深到水平井A靶點位置，最大限度加深泵掛增大沉沒度，實現抽油泵在水平井段注采一體化生產舉升。

(1)生產管柱：采用熱敏封隔器密封套管環空，封隔器上部采用?114 mm隔熱管，封隔器下部采用常規?73 mm普通油管。

(2)抽油桿柱：采用?25 mm抽油桿+?38 mm加重桿組合，地面配套井口懸掛裝置。

(3)抽油泵：采用?70 mm/63.5-6 m柔性連接注采一體化水平泵，下深到接近水平段A靶點1 100 m(垂深880 m、井斜角84.4°)。

3.應用效果分析

與上一輪次對比[12]，采用柔性連接水平泵注采一體化技術最大限度增大抽油泵沉沒度，實現抽油泵在水平段舉升生產，延長了注蒸汽生產周期，有效增加了注采周期采油量。

(1)增產效果明顯。在注汽量減少358 m3條件下，輪次生產周期延長128 d，周期液量增加447 t，實現了加深泵掛、延長吞吐周期，有效提高油井產量效果，近兩次生產情況對比見表3。

表3 P20-90井近兩次生產數據對比表

(2)大幅縮短了轉周作業周期，綜合對比作業、注汽、燜井、放噴、排水整個作業過程，與上一輪次相比轉抽周期由74 d縮短為27 d，縮短了47 d，避免作業占產，節約了作業費用。

(3)加深泵掛深抽舉升效果明顯，該井前9個輪次生產情況見圖5。由圖5看出，本輪次生產周期延長128 d，輪次產液量增加447 t，輪次生產周期及產液量均達到歷史最高水平。

圖5 P20-90井各輪次生產效果對比圖

四、結論

(1)研究了柔性連接注采一體化水平泵技術，采用柱塞分級柔性連接、泵筒開式懸掛串聯結構，實現了抽油泵液力反饋增力下行、密封副遮蔽防垢注汽，形成了適用于稠油熱采水平井注采一體化舉升技術，最大限度加大了下泵深度，實現了抽油泵在水平井段的多輪次注采循環生產，適用井斜角90°。

(2)現場試驗1口井，柔性連接水平抽油泵下深到水平井A靶點，最大限度增大了抽油泵沉沒度，在減少358 m3蒸汽注入量條件下，延長輪次生產周期128 d，增加輪次產液量447 t，達到歷史最高水平。

(3)現場應用效果表明：柔性連接水平泵注采一體化技術具有有效延長輪次吞吐生產周期、增加輪次周期產量、節約轉抽作業費用的效果，在注采周期較短的中淺層稠油區塊的大斜度、水平井應用具有良好的增效潛力。