直線電機往復泵在海上低產低效油井的應用

彭可偉(中海石油(中國)湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

海上平臺油井通常使用電潛泵舉升方式進行生產，一些低產低效井在初期地層能量較足的情況下還能正常生產，后期隨著地層能量下降產量不斷遞減，雖然通過提頻、調整油嘴、降低套壓的方式對個別油井可以短期恢復產出，但是不久又不同程度出現供液不足而欠載停機，甚至機組因為散熱不足發生過熱故障。而海上油田開采具有它特殊的性質，包括：安裝空間、修井檢泵周期、安全有效性、節能環保、作業費用等。傳統往復泵由于體積大、運行不穩定而不被海上平臺選用；桿驅螺桿泵舉升方式因不符合海上石油開采最新的安全規范而停用；減速器電潛螺桿泵因減速機械尚不成熟致使故障率高、運轉壽命短而被擱置。南海西部海上油田一些低產低效井因未找到合適的舉升方式，長期處于關停狀態。因此，探究一種適合這類低產、低效油井的直線電機往復泵采油技術，具有十分重要的意義。

1 直線電機往復泵采油技術

1.1 工作原理

直線電機往復泵是一種使用潛油式直線電機直接驅動潛油式往復泵進行采油的無桿采油設備。利用直線電機往復運動與管式泵柱塞運動方向一致的特點，由直線電機驅動柱塞做往復運動，采用電機下行程做功，倒置下拉抽油泵下行程出液的方式設計，將油液舉升至地面。 而直線電機是通過控制電流的方向和交變頻率，使定子產生周期交變的行波磁場，與動子的固定磁場相互作用，實現動子的直線往復運動。

1.2 系統組成

直線電機往復泵是一種由直線電機驅動的新型高效潛油電泵。系統組成如圖1所示，包括地面專用控制柜、電纜專用井口、動力電纜、抽油泵及潛油直線電機組成。

圖1 直線電機往復泵系統組成

1.3 特點

1.3.1 節能環保

采用的柱塞泵和永磁式直線電機配合使用，電機采用間歇式供電方式，只有在往復沖次約3秒時間內耗電，能耗較小；與多級離心泵相比，泵受徑向分力較小，靠柱塞直接舉升原油，泵效最高可達95%以上；井口完全密封，無盤根和抽油桿上下拉動，不會產生落地油，地面無機械傳動，無噪音。

1.3.2 易于控制

可以隨油井的儲液高度調節泵的沖程、沖次，提高采收率。

1.3.3 防氣鎖

固定凡爾設計在泵腔上端，柱塞行程至上止點時，柱塞與固定球座之間的距離小于10mm。上沖程結束時，泵腔基本被排空，不會發生氣鎖。

1.3.4 防砂

柱塞上端設有下行收、上行漲的合金鋼刮砂杯，能夠將貼附在泵筒內壁上的砂、垢及時清除，落入沉砂筒。防砂、防卡效果明顯。泵下端設有多刀刃刮砂器，與推桿緊密配合，防止砂粒落入電機定子和動子的間隙中。

1.3.5 檢泵周期延長

由于去掉了抽油桿，有效解決了桿管磨檫及油管偏磨問題，有利于消除桿管磨檫及油管偏磨造成的系統失效，壽命得到了提高。

1.3.6 維護成本低

由于空間限制，取消了地面抽油機及其機械傳動系統，可在線調整沖次和上、下行頻率，減少了地面設備的維護節點和管理環節。大大減輕了操作人員的勞動強度。

2 現場應用實例

直線電機往復泵對地層流體適應性好，在陸地油田小排量油井、稠油井及高含氣油井，都有過良好的應用效果。海上油田應用相對較少，南海西部海上油田應用該項技術尚屬首次。

2.1 典型油井的選擇

某平臺A8井于2014年7月9日投產，電潛泵生產，機組參數50m3/1200m，開采層位ZJ1-3U，為低孔特低滲儲層，儲層物性差，地層疏松易出砂，原油中膠質瀝青質含量較高。生產9個月以后產油量從最初的高峰45m3/d下降為4m3/d。表現為地層能量下降快，電泵舉升能力不足。期間為了維持生產現場人員采取了一些列措施，具體包括：

(1)調整頻率。考慮到該井地層供液不足，現場通過調小頻率減少產量以期維持生產，但是當頻率小于40Hz時，井口壓力下降到小于地面管匯壓力，井口不出液。

(2)調整油嘴開度。為了保持小排量生產，采取關小油嘴方式，當油嘴小于4.76mm時，油嘴發生堵塞現象，井口壓力、產液量開始大幅波動，需要頻繁活動油嘴解除堵塞。井口壓力變化如圖2所示。

圖2 A8井井口壓力變化曲線

(3)間歇生產。關停一段時間后井底流壓恢復到6.72MPa，啟井后壓力迅速降低到2.62MPa，直到不出液。

通過上述方式斷斷續續維持生產到2015年8月1日該井故障躺井，后處于長期關停狀態，是一口典型的低產、低效油井。

2.2 機組選型

直線電機往復泵采油要統籌考慮油井的油藏特性、井身結構、生產管柱、井液流體的性質、配產來選擇合適的電泵機組及地面控制柜，而井下泵的選擇和直線電機的設計是其關鍵環節。

根據A8井的實際情況采用先進的大直徑直線電機往復泵，并且在機組減震、控制柜優化設計等方面也進行了改進。具體包括：

表1 直線電機往復泵技術參數

表2 控制柜技術參數

表3 沖次和排量對應表

(1)選擇143系列直線電機，將電機功率增大到80kW，舉升噸力增加到6t，以滿足井深、液量所需的大舉升力要求，配備PPC200型控制柜，設置沖次為8次/分鐘。

(2)考慮到機組震動對運行壽命的影響，在上、下行程末端對控制程序進行優化，降低往復運動時機組的振動幅度。

(3)對電纜連接進行優化，將電機引出線延長到泵頂端以上，減少一次電纜連接，增強了電纜的可靠性，使用壽命大大延長。A8井直線電機往復泵選型及參數配置如表4所示。

美國視聽教育家愛德加·戴爾1946 年寫了一本書《視聽教學法》（Audio-Visual Methods in Teaching），其中提出了”經驗之塔”（cone of experience）的理論，如圖2 所示。

表4 A8井直線電機往復泵參數

2.3 操作控制

直線電機往復泵操作控制在上位機控制面板進行，如圖3所示：包括改變頻率和沖次、短路和欠過載保護的設置，也可以實時監控泵的運行電壓和電流，查詢歷史數據和報警記錄等。

圖3 直線電機往復泵上位機控制面板

在實際運行中，頻率和沖次的調整可以通過兩種操作模式來完成，提高了泵的可靠性和安全性。(1)手動模式調整頻率和沖次的操作，即在線調整上行頻率和下行頻率改變力矩，調整沖次改變排量，來滿足直線電機往復泵揚程及油井沉沒度的要求。(2)自動模式調整頻率和沖次的操作，即當上行電流連續三個沖次大于過載保護設定值時，變頻柜自動降低頻率1Hz和1沖次，報警顯示超荷但不會停機；當上行電流又連續三個沖次大于降低頻率后的過載保護值時，變頻柜自動降低頻率1Hz和1沖次，報警顯示超荷但不會停機；當上行電流在一個沖次后任然大于降低頻率后的過載保護值時，變頻柜過載停機。常規電潛泵兩次啟機間隔時間要求30分鐘，而直線電機往復泵無需等待時間，在解決故障后進行復位以后，直接點擊啟動即可。

2.4 應用效果

某平臺A8井修井作業下入直線電機往復泵恢復生產。截止目前運行穩定，達到了增產的目的：

2.4.1 運行更加平穩

圖4所示為A8井使用直線電機往復泵前后開采曲線。

圖4 A8井電潛泵開采曲線

從曲線可以看出，該井在使用電潛泵生產期間，電泵在40Hz工作制度下的產油量波動很大，短短幾個月產量就從26m3/d下降到13m3/d左右，只能通過調整頻率和油嘴來保持一定的產量。而使用直線電機往復泵生產后機組運行更加穩定，油嘴全開避免了結蠟堵塞，通過改變沖次和頻率來調整產量，在沖次為8次/分鐘的情況下，產油保持28.4m3/d左右，達到了該泵的額定排量。

2.4.2 經濟效益顯著

通過下入直線電機往復泵，保障了A8井的正常不間斷生產。該井每天生產原油Q=28m3，按同期60美元/桶原油計算，折合人民幣M：M=Q×6.293×60=10572(美元)即，由于使用直線電機往復泵復產后，每天來帶的經濟效益就高達10572美元。

2.4.3 推廣應用價值

直線電機往復泵具有流量和壓力波動小、工作壽命長、安裝維護方便等優點。對海上低產、低效、出砂油井具有很強的適用價值，值得推廣。

3 結語

南海西部海上低產低效油井使用直線電機往復泵技術采油應用非常成功。即減少了頻繁調整工作制度、間歇生產的人為干預次數，延長了油井的檢泵周期，又保證了油井的連續生產，增油效果明顯。