杏北油田螺桿泵井質量管理實踐

劉曉娟

中國石油大慶油田有限責任公司 第四采油廠工程技術大隊（黑龍江 大慶163511）

螺桿泵采油系統作為一種重要的機械采油工藝，在油田生產中應用越來越廣泛[1]，雖然目前各項技術都以趨于成熟，但在生產過程中仍存在一些亟需解決的問題：主要體現在小排量泵熱洗效果差導致原油產量下降[2]，缺少相關的判斷手段導致分析問題困難;以及桿斷、偏磨嚴重導致檢泵率高、檢泵周期短等問題。因此，為了提高杏北油田螺桿泵井的管理水平，本文對強化螺桿泵井管理的相關對策進行了研究。

1 螺桿泵井生產現狀分析

1.1 小排量泵熱洗效果差

由于小排量螺桿泵井理論排量較小，且為容積泵，熱洗水在油套環形空間內不能進行有效循環，導致洗井液流量低，熱損率大，導致熱洗效果不好。同時由于小排量螺桿泵排量小，從油管外壁傳遞來的高溫優先熔化緊靠油管內壁的蠟層，這些蠟層熔化后會造成油管內的蠟塊快速脫落[3]。油管內熔化的蠟不能及時排出，在管壁上產生二次結晶，熱洗達不到預期效果，導致螺桿泵井泵效降低、卡泵現象嚴重。

1.2 缺少量化的泵況診斷方法

目前螺桿泵井判斷泵況的方法主要是根據現場的轉速、電流、扭矩等第一手資料來了解螺桿泵的生產情況[4]，再結合泵效、沉沒度以及量油值的變化進行分析，進而判斷螺桿泵運行是否良好；該判斷方法誤差較大、泵況診斷時間較長，導致許多油井帶病生產，油井潛力不能充分挖掘，影響開發效果。

1.3 桿斷脫、偏磨嚴重

螺桿泵井檢泵率整體較高，統計2019—2020年螺桿泵井檢泵原因，發現桿斷脫、偏磨為影響檢泵率主要原因。桿偏磨集中發生在70根以下，主要表現為扭卡式扶正器串位，或注塑扶正器數量少保護不到位，長時間運轉導致桿磨斷，如圖1所示。

圖1 磨細的抽油桿示意圖

2 對策實施

為解決上述存在的問題，提出了以下對策。

2.1 增加小排量泵循環能力，提高熱洗效果

針對螺桿泵井熱洗時排量只能依靠自身舉升能力循環液體，造成洗井液流通不順暢的問題，研制了熱洗輔助裝置，增加小排量泵的循環能力。

原理：需要洗井時，從油套環空打壓，高壓液體推動外套、上活動凡爾壓縮上部彈簧上行，下活動凡爾壓縮下部彈簧下行，打開中心管進液通道。高壓液體從油套環空流入，從采油管柱內流出，帶出環空內的泥砂及雜物，具體實物如圖2所示。

圖2 工具實物圖

該工具應用時在泵的上端接1根油管（圖3），油管上部接小排量洗井閥，閥上部接采油管柱，隨管柱一起下到設計位置。

圖3 工具下井工藝設計圖

2.2 創新泵況診斷方法，實現工況量化診斷

為改變目前螺桿泵井泵況判定方法單一、誤差大的問題，創新泵況診斷方法，對其他廠再用的動態控制圖進行改進并明確具體改進方案。

如圖4所示，該改進方案中主要包括優選控制圖橫縱坐標、重新劃分控制圖邊界曲線以及連接動靜態數據庫3個方面。

圖4 動態控制圖改進流程圖

2.2.1重新確定動態控制圖橫縱坐標及邊界

從產量最大化、能耗最低、經濟效益最高3個角度對動態控制圖邊界條件重新定義，主要是流壓上限的確定、泵效下限的確定、落實量油和液面線確定。螺桿泵的生產過程，流壓和泵效在一定程度上反映了供排關系，分別選取流壓和泵效為橫縱坐標。泵效理論計算公式：

式中：Pwf為井底流壓，MPa；h為泵入口到油層中部的距離，m；fw為含水率，%；RP為生產油氣比，%；RSP為校正溶解氣油體積比，%；B0為原油體積系數；Th為泵所在地層溫度，K；P0為地面大氣壓力；Z為天然氣壓縮系數。

計算選取杏北油田地質參數，見表1。

表1 地質參數選值

由上式整理得：ηv=f（fw，L，Pf），此關系函數是容積效率與含水、泵深及流壓關系式。

含水和泵深有一定的分布范圍，由頻率分布圖（圖5、圖6）可以看出，部分范圍的占比較低，不能反映參數的整體特性，因此選取含水下限為91%，泵深的上下限分別為820 m、1 020 m，兩線之間的部分是螺桿泵井處于正常抽汲狀態時泵效與流壓的對應關系。

圖5 螺桿泵井含水分布圖

圖6 螺桿泵井泵深分布圖

將含水91%和泵深820 m代入得圖7中函數曲線a（泵效關于流壓最大值曲線）：

取含水99.9%和泵深1 020 m代入得函數曲線b（泵效關于流壓最小值曲線）:

曲線c（流壓上限）：流壓大于飽和壓力時，流壓降低產量增加，流壓降低到一定界限，產量反而下降，這一值為合理流壓下限。計算得最小流壓，與泵效理論關系公式計算出泵效下限為40%；

曲線d（泵效下限）：根據螺桿泵井工作特性曲線，確定泵效上限為90%，反推流壓上限6.5 MPa。

根據井底流壓與泵效的關系最終完成了邊界劃分，如圖7所示；并將動態控制圖劃分為工況合理區、參數偏大區、參數偏小區、待落實區、斷脫漏失區5個區域。

圖7 動態控制圖邊界劃分

2.2.2建立動態控制圖網絡管理平臺

軟件重新修訂后，連接Oracle數據庫，讀取單井基礎數據；依托VS.NET平臺，開發動態控制圖繪制模塊連接數據，建立螺桿泵動態控制軟件，初步實現網頁查詢功能。

2.2.3結合生產進行應用

該軟件進行應用后，可以通過線上查詢指導分析螺桿泵井的工況，以泵效-流壓數學模型為基礎，方便快捷的將所有井反映在圖8所示的圖中。

圖8 動態控制圖應用圖

通過查詢分散在各個區域的單井在此圖上的分布情況，實現螺桿泵井的量化管理；有利于問題井的及時發現和治理。

2.3 推進數字化管控，實現智能化管理

推進油田生產數字化建設和管理，已經成為油田可持續發展、高質量發展的新動能和新引擎，為企業智能生產、效益提升提供可能[5]。通過應用螺桿泵液面自適應舉升技術實現了油田螺桿泵井管理數字化、智能化[6]；通過對液面等間隔測試，經過分析、對比，采取定步長變頻調速進行自動調控；同時油井控制器將獲得的相關數據遠傳至控制中心后，經分析遠程發送指令（圖9）。

圖9 工作原理圖

該系統控制模塊可人工設定油井的液面目標值，根據液面檢測模塊的數據信號，進行液面深度的自動計算，同時數據中心對數據進行匯總和分析[7]，根據設定的目標值進行油井采油速度的智能分析與調整，最終穩定油井的采油狀態。

圖10為某井應用后沉沒度和轉數變化情況。由曲線可以看出，該井由前期的高沉沒度狀態通過自動調整轉速轉變為后期的合理沉沒度的生產狀態；實現了油井的自動及精確控制，可遠程監控油井的生產狀態，減少了人力投入，對于油井的故障可第一時間發現并處理。

圖10 某井應用后沉沒度、轉數變化曲線

2.4 建立桿柱力學模型，優化扶正器分布

為減少螺桿泵井桿管偏磨及桿斷脫作業井數，對螺桿泵井桿柱扶正方式進行優化。通過建立抽油桿軸向應力分布數學模型并模擬井眼軌跡三維形態圖，綜合分析抽油桿載荷分布，最終通過計算形成扶正器優化程序（圖11）。

圖11 扶正器扶正位置計算流程

利用模型模擬井眼運動軌跡，可有效指導井下工藝設計，特別是對于偏磨嚴重的井，通過受力分析可以合理地優化設計扶正器數量，有效延緩偏磨狀態，提高了治理桿管偏磨治理水平[8]。

3 管理實踐效果

在螺桿泵井質量管理實踐中[9]，通過不斷改善技術，強化管理，降低了勞動強度、提高了工作效率。對GLB500及以下小排量泵入熱洗輔助工具后，發現熱洗時返回溫度升高，壓力平穩無憋壓現象，熱洗效果明顯提升。應用螺桿泵井動態管理控制圖，泵況診斷變為主動發現、提前治理的管理模式；液面自適應采油技術可實現螺桿泵井的數據采集、變頻調速、故障分析等功能，以上兩項技術的應用，實現了螺桿泵井工況量化診斷及智能高效管理[10]。通過建立桿柱力學模型優化扶正器分布，可有效減緩偏磨的影響，實現了螺桿泵井生產時率，利用率以及泵效等各項技術經濟指標的全面提升；有效提高了生產效益。

4 結論

1）小排量螺桿泵井熱洗效果不好的主要原因是排量低造成循環能力差以及攜蠟能力差。

2）應用熱洗輔助工具，可以有效提升螺桿泵井熱洗效果。

3）應用螺桿泵井動態控制圖可以實現螺桿泵井的量化管理；有利于問題井的及時發現和治理。

4）螺桿泵井液面自適應舉升技術可以根據液面值實現變頻調速、故障分析、產量計量等功能，實現了油井的自動控制。

5）建立桿柱力學模型并模擬井眼軌跡三維形態圖可以有效指導螺桿泵井工藝設計，通過優化扶正器分布，有效延緩偏磨。