塔里木油田長(zhǎng)柱塞防砂泵采油新工藝的研究及應(yīng)用

雷騰蛟，蘇 洲，崔小虎，王法鑫，馮治鋒, 周碧輝，劉毅石

(1中石油塔里木油田分公司輪南油氣開(kāi)發(fā)部 2中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 3中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程公司國(guó)際鉆采物資供應(yīng)分公司 4 中石油塔里木油田分公司哈得油氣開(kāi)發(fā)部)

塔里木油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層地質(zhì)情況復(fù)雜，油井多為裸眼完井，存在產(chǎn)層深、溫度高、裸眼段易垮塌出砂、原油黏度高等特點(diǎn)[1-2]。經(jīng)過(guò)前期研究，形成一套深井、超深井長(zhǎng)沖程慢沖次有桿泵采油工藝[3-4]。然而，隨著油井泵掛增加、地層出砂嚴(yán)重、原油黏度增大，該工藝存在泵效低、易發(fā)生砂卡泵、上游動(dòng)閥罩?jǐn)嗝摰葐?wèn)題。因此，在前期深井有桿泵采油工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套適用于塔里木油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層易出砂的長(zhǎng)柱塞防砂泵采油新工藝。該工藝具有高泵效、防砂卡泵的特點(diǎn)，可確保油井高效生產(chǎn)。

一、現(xiàn)有抽油泵采油工藝的局限性

塔里木油田碳酸鹽巖油井產(chǎn)層深達(dá)6 000 m，有桿泵采油井合理泵掛深度為2 500～3 500 m，且隨著地層供液能力的降低，油井動(dòng)液面將再次下降，油井泵掛深度將進(jìn)一步加深。而目前常規(guī)抽油泵為單泵筒結(jié)構(gòu)(圖1)，柱塞上沖程運(yùn)行時(shí)游動(dòng)閥關(guān)閉，在深井高液柱壓力、高溫作用下，柱塞上部泵腔內(nèi)脹變形，加大柱塞與泵筒之間間隙；由于柱塞下部泵腔沉沒(méi)壓力小，而變形較小。柱塞下沖程運(yùn)行時(shí)，柱塞上下部壓力相同，高溫、高液柱壓力將造成柱塞上下泵腔都將發(fā)生內(nèi)脹變形。一方面，其將增大柱塞上部液體漏失量，降低泵效；另一方面，停泵后井液中泥砂進(jìn)入間隙造成卡泵，降低油井生產(chǎn)時(shí)率[5]。

圖1 單泵筒上下沖程運(yùn)行示意圖

常規(guī)有桿泵為短柱塞長(zhǎng)泵筒結(jié)構(gòu)(圖2)，柱塞始終在泵筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一方面，抽油機(jī)保養(yǎng)或故障停抽后泵筒內(nèi)易沉積泥砂，再次啟抽容易發(fā)生卡泵現(xiàn)象，而卡泵后解卡成功率低，少部分解卡成功井再次運(yùn)行也將嚴(yán)重影響泵效[6]；另一方面，柱塞上游動(dòng)閥罩在泵筒內(nèi)，閥罩直徑受限，加之該處應(yīng)力集中為疲勞薄弱點(diǎn)，且上游動(dòng)閥罩出油過(guò)流斷面受到泵筒內(nèi)徑的限制，出油阻力大，特別是抽吸稠油，易造成柱塞上游動(dòng)閥罩疲勞斷脫[7]。

圖2 常規(guī)有桿泵示意圖

二、長(zhǎng)柱塞防砂泵采油工藝原理及設(shè)計(jì)

1.長(zhǎng)柱塞防砂泵采油工藝原理

長(zhǎng)柱塞防砂泵在現(xiàn)有的常規(guī)懸掛式有桿泵基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，設(shè)計(jì)為長(zhǎng)柱塞、短泵筒結(jié)構(gòu)[8](圖3)，柱塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，柱塞閥罩始終處于泵筒外部，防止泥砂進(jìn)入泵筒造成卡泵，且進(jìn)一步增大了柱塞上游動(dòng)閥罩直徑和抗拉強(qiáng)度，避免閥罩?jǐn)嗝摚涣硪环矫?，將單泵筒結(jié)構(gòu)改造為雙泵筒結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)泵筒抗擠強(qiáng)度的同時(shí)，也利于下沉泥砂排入外管；再者，內(nèi)筒倒置結(jié)構(gòu)使管柱液柱重量作用于外管，改善泵筒受力狀況，降低疲勞傷害。

圖3 長(zhǎng)柱塞防砂泵示意圖

2.長(zhǎng)柱塞防砂泵采油工藝設(shè)計(jì)

為提高長(zhǎng)柱塞防砂泵抽油桿柱井下工作可靠性，采用了美國(guó)石油學(xué)會(huì)推薦的修正古德曼應(yīng)力圖設(shè)計(jì)方法進(jìn)行桿柱組合設(shè)計(jì)[9]。修正的古德曼應(yīng)力圖給出了抽油桿許用應(yīng)力范圍，運(yùn)用應(yīng)力范圍比可有效評(píng)估桿柱組合使用情況。

(1)

其中抽油桿許用應(yīng)力可用式(2)計(jì)算：

σall=(σb/4+0.5625×σmin)×Sf

(2)

式中：σb—桿柱抗張強(qiáng)度，MPa；Sf—考慮井液腐蝕等因素使用的系數(shù)，無(wú)量綱。

根據(jù)塔里木油田碳酸鹽巖油藏含硫特性，選取安全使用系數(shù)0.85對(duì)?44 mm和?57 mm長(zhǎng)柱塞防砂泵進(jìn)行了抽油桿柱組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出，除加重桿外，各級(jí)桿柱的應(yīng)力范圍比均達(dá)到了87%，保持了較高的水平，確保了充分有效利用各級(jí)抽油桿。

表1 ?44 mm和?57 mm長(zhǎng)柱塞防砂泵桿柱設(shè)計(jì)表

將各級(jí)桿柱頂端最大應(yīng)力、最小應(yīng)力坐標(biāo)繪制在H級(jí)鋼桿修正的古德曼應(yīng)力圖中,見(jiàn)圖4。從圖4中可以看出，各級(jí)抽油桿工作所受應(yīng)力均落在疲勞安全三角區(qū)內(nèi)，且各級(jí)桿柱頂端最大應(yīng)力、最小應(yīng)力坐標(biāo)連線平行于最大許用應(yīng)力線，確保了抽油桿柱不會(huì)發(fā)生疲勞破壞且實(shí)現(xiàn)了利用率最大化[10]。

圖4 ?44 mm和?57 mm長(zhǎng)柱塞防砂泵桿柱受力分析

三、長(zhǎng)柱塞防砂泵采油工藝優(yōu)勢(shì)

1.雙泵筒結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)柱塞防砂泵采用內(nèi)泵筒和外管相結(jié)合的雙泵筒結(jié)構(gòu)，增大了泵筒徑向抗擠強(qiáng)度，降低了由于泵腔內(nèi)液柱擠壓造成的泵體變形程度，一方面有效降低了微小泥砂進(jìn)入泵筒膨脹縫隙而造成的卡泵概率，另一方面降低了柱塞上部液體漏失量，增大了泵效。再者，內(nèi)泵筒采用倒置結(jié)構(gòu)，抽油泵上部處于自由狀態(tài)，外管可承受尾管液柱重量產(chǎn)生的拉力，改善泵筒軸向受力狀況，提高泵筒工作年限及工作效率[11](圖5)。該設(shè)計(jì)滿足了深井、出砂井的工藝需求。

圖5 單泵筒雙泵筒結(jié)構(gòu)受力情況

2.長(zhǎng)柱塞、短泵筒結(jié)構(gòu)

考慮到常規(guī)有桿泵停泵易沉砂卡泵的不足，長(zhǎng)柱塞防砂泵采取長(zhǎng)柱塞、短泵筒的工藝設(shè)計(jì)，柱塞始終處于泵筒外面，井液在長(zhǎng)柱塞擾動(dòng)下，砂垢不易在泵筒內(nèi)沉積(圖6)；另外，將長(zhǎng)柱塞防砂泵閥罩直徑增大(圖7)，生產(chǎn)及停抽過(guò)程中，可有效防止砂、垢沿柱塞進(jìn)入泵筒間隙造成卡泵；再者，將長(zhǎng)柱塞防砂泵內(nèi)泵筒的扶正壓帽設(shè)計(jì)為帶有較大導(dǎo)角的結(jié)構(gòu)(圖7)，使砂、垢順利進(jìn)入泵筒與外管的間隙，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)[12]。該設(shè)計(jì)解決了出砂井卡泵問(wèn)題。

圖7 柱塞閥罩、扶正壓帽外導(dǎo)角示意圖

認(rèn)識(shí)到常規(guī)有桿泵在深井、稠油井運(yùn)行中柱塞上游動(dòng)閥罩易斷脫的問(wèn)題，長(zhǎng)柱塞防砂泵進(jìn)行了該部位的改良，將柱塞上游動(dòng)閥罩始終保持在泵筒之外，進(jìn)一步加強(qiáng)閥罩直徑和過(guò)流斷面，一方面，增大了閥罩抗拉強(qiáng)度，提高閥罩上沖程承載能力；另一方面，加大了上游動(dòng)閥罩出液流道，增大過(guò)流斷面，降低閥罩下沖程出液阻力。從而該設(shè)計(jì)滿足了深井、稠油井的工藝需求。

四、長(zhǎng)柱塞防砂泵采油工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

HAA井于2016年4月轉(zhuǎn)抽油機(jī)生產(chǎn)，下入常規(guī)抽油泵運(yùn)行32 d，停機(jī)保養(yǎng)抽油機(jī)下行遇阻。該井于2016年7月檢抽作業(yè)，下入常規(guī)抽油泵運(yùn)行39 d，停機(jī)放套壓抽油機(jī)下行遇阻。該井于2016年12月檢抽作業(yè)，下入常規(guī)抽油泵運(yùn)行96 d，停機(jī)進(jìn)行地面集輸管線泄壓，啟抽后卡泵。三次作業(yè)均發(fā)現(xiàn)泵筒與注水間隙填滿泥砂，柱塞卡死在泵筒內(nèi)(圖8)。2017年11月進(jìn)行檢抽作業(yè)，下入長(zhǎng)柱塞防砂泵，截止2019年12月，該井已連續(xù)生產(chǎn)767 d，工況良好，大大降低作業(yè)頻次，節(jié)省作業(yè)成本，提高生產(chǎn)時(shí)率，累計(jì)增油1 956 t(圖9)。

圖8 2016年7月HAA井檢抽抽油泵切面實(shí)物圖

圖9 HAA井生產(chǎn)曲線

截止2019年12月長(zhǎng)柱塞防砂泵采油工藝在塔里木油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用14井次，減少砂卡泵作業(yè)13井次，減少閥罩?jǐn)嗝撟鳂I(yè)2井次，提高了油井生產(chǎn)時(shí)率，實(shí)現(xiàn)累增油量23 434 t，長(zhǎng)柱塞防砂泵采油新工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果明顯(表2)。新工藝不僅大大降低了油井卡泵次數(shù)，降低了檢抽作業(yè)頻次，降低了生產(chǎn)成本，還實(shí)現(xiàn)了油井高時(shí)率生產(chǎn)，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益。

表2 長(zhǎng)柱塞防砂泵應(yīng)用井?dāng)?shù)統(tǒng)計(jì)

五、結(jié)論

(1)通過(guò)雙泵筒結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)柱塞短泵筒結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)，長(zhǎng)柱塞防砂泵新工藝實(shí)現(xiàn)了抽油泵泵筒低漏失、柱塞低砂卡、閥罩高強(qiáng)度的目標(biāo)。

(2)長(zhǎng)柱塞防砂泵新工藝大大降低了塔里木油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層出砂超深稠油井砂卡泵、柱塞閥罩?jǐn)嗝摰墓收锨闆r，提高了抽油泵泵效，減少了檢抽作業(yè)頻次，降低了作業(yè)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了油井高效生產(chǎn)。