AFS與ADV在雙電潛泵采油系統中的應用及對比

◇中海石油深圳分公司 秦宇

隨著深水油田的不斷開發，為減少油井修井頻次，提高油田的生產時效，雙電泵采油技術在深水油田的應用將越來越普遍。本文主要通過對某深水油田雙潛油電泵組合采油系統中的自動導流閥在實際生產過程中出現的異常情況進行分析和總結，對以后使用雙電泵采油技術的油田的電泵管理和故障分析具有一定的借鑒意義。

AFS（AutoFlowSub）和ADV（AutomaticDiverterValve）是目前在井下實現雙電潛泵人工舉升方案中主流設備。近年來，雙電潛泵（DUAL-ESP）方案在海洋石油領域得到了越來越廣泛的應用。根據南海海域的使用經驗，電泵的平均使用壽命為3.5年，也就是單電泵油井平均3.5年就會進行一次修井作業，更換電潛泵及生產管串。而采用雙電潛泵設計，即一臺電泵運行，另一臺電泵備用，當一臺電泵故障時，另一臺泵能遠程控制其切換至工作狀從而實現繼續生產。根據建模計算和現場應用情況，修井頻率可延長至5年修井一次。大大提高油井生產時率，降低油田運營成本。AFS和ADV在雙泵系統中發揮了至關重要的作用，同時從現場實際應用情況看也表現出有待完善技術問題。

1 AFS功能特點及應用案例

1.1 AFS的功能特點

對于投產初期可以通過自噴生產的油井，此時電潛泵處于關停狀態。自噴流體通過電泵入口進入生產管串將產生較大壓降，并可能在泵腔內出現回壓效應，產生節流作用。相對提高了井底壓力，降低了油井自噴生產能力。在這種情況下將AFS設置在POD（罐體）以內電潛泵以上的位置，可實現將電潛泵旁通，流體通過AFS的閥瓣（閥瓣）直接進入生產管串，對于自噴油井來講可減少最低50psi的壓力損失。當自噴生產期結束，電潛泵投入運行時，流體從泵吸入口進入，向上泵送，AFS因壓差影響（內壓大于環空壓力）閥瓣關閉旁通通道并形成有效密封，流體正常向上輸送。在雙電潛泵舉升系統中，當下泵工作時，流體經下泵泵吸入口進入電潛泵向上泵送，經過下泵的AFS（該AFS的閥瓣處于關閉狀態）繼續向上，由于上泵未工作，上泵環空壓力高于泵管串內壓力，上泵AFS的閥瓣打開，由下泵泵送上來的流體從上泵的AFS進入生產管串，繼續向上輸送。當上泵工作時，下泵AFS段環空壓力大于管串內壓力，閥瓣打開，流體從下泵的AFS進入管串向上輸送，再經上泵泵吸入口進入上泵向上舉升，此時上泵的AFS管串內壓力大于環空壓力，閥瓣處于關閉狀態，設計上不會出現流體經閥瓣回流的現象。

圖1 自動導流閥工作示意圖和井液流程圖

圖2 雙電潛泵密封罐裝系統

1.2 AFS應用案例及分析

2015年2月A6井A泵由于“motorstall”跳井。測量三相直阻：AB=9.7歐姆，AC=9.7歐姆，BC=8.1歐姆，對地絕緣為0，無法重新啟動A泵。遂切換至B泵生產，發現液量大幅減少，泵出口與吸入口壓差較低（300psi），且馬達溫度上升較快。電流、電壓未見異常波動，而B泵剛開始運轉，泵軸斷裂的幾率較小。A泵運轉時，井口溫壓、流量均正常，排除管柱穿孔泄漏情況。該井化學藥劑從雙泵下部注入，因此B泵pubjoint短節腐蝕穿孔可能性很小。切換B泵運轉后，環空壓力正常，排除導流罩穿孔泄漏。考慮到A6井在完井時A、B泵均配置了AFS，且根據廠家反映，國外部分使用AFS的雙泵油井也出現過部分井的備用泵啟動后無產量或減產的情況。地面試驗發現泵排量大于8000BPD時待命電泵上端AFS的閥瓣處于半開半閉震動狀態。閥瓣不能完全關閉形成密封無疑將造成舉升過程中的液量損失。從A6h井的B泵表現看，AFS故障的可能性很大，經B泵舉升的流體到AFS后部分從閥瓣分流，又回到泵吸入口。這種情況下電流、電壓不會有明顯異常，而泵壓差將明顯變小，液量將顯著降低。在后來的修井作業中推斷得到了驗證，出井的B泵閥瓣的鉸鏈結構損壞且閥瓣表面有點蝕現象，導致AFS失效。

2 ADV功能特點及應用案例

2.1 ADV功能特點

ADV安裝于電潛泵上部，當電潛泵啟動時，由泵液動力推動內滑套上移，閥生產主通道立即打開，循環出口自動關閉，正常采液生產。電潛泵關停時，在油管柱內、外壓差作用下內滑套自動復位，閥生產主通道立即關閉，循環出口自動打開，油管內液體(或管內有摻雜著固體顆粒的液體)被排出到環空，液面回落。由于通往電潛泵的流道被切斷，因而阻止了固體或流體進入電潛泵，同時也避免了電潛泵倒轉。ADV與雙電潛泵配套工作原理如圖5所示。當上部電潛泵工作時，井下流體旁通下部電潛泵進入上部電潛泵的吸入口，處于上部電潛泵上方的ADV關閉上部電潛泵與環空之間的循環通道，同時開啟生產主通道;當下部電潛泵工作時，處于下部電潛泵上方的自動換向閥關閉下部電潛泵與環空之間的循環通道，同時開啟生產主通道，井下流體被引導到上部電潛泵外面，通過其上ADV流入油管，到達地面。當油井具有自噴能力時，上、下電潛泵均關閉，井下流體不經過電潛泵，直接通過ADV形成流動通道，避免了流體通過電潛泵內部產生的節流和沖蝕。

圖3 ADV工作原理圖

圖4 ADV內部構造

圖5 A6第一次生產數據異常曲線圖

2.2 ADV應用案例及分析

A6井于2016年初完成修井并復產，采用了帶ADV的雙電潛泵進完井，并從之前的雙罐結構該為了單罐結構。然而在一年后該井再次出現異常情況。

第一次生產數據異常發生在2017年9月5日19:24，泵出口壓力上升500psi后26秒回落170psi，同時吸入口壓力有80psi的小幅上升，初步判斷B泵上部的流道發生改變。

圖6 A6第一次生產數據異常工況模擬分析

異常情況下B泵在52.9Hz運行，根據軟件模擬B泵的產量約為12536bpd。發生異常情況后根據泵效曲線52.9Hz，揚程為823米時，B泵的產量約為659bpd.異常前后B泵產量下降12536-659=11877bpd，根據井口壓力波動幅度，到達井口的液量降低約10000bpd左右，情況基本吻合。

第二次生產數據異常發生在9月11日04:10，與第一次相似，泵出口壓力突然上升后24秒回落200psi，吸入口壓力小幅升高。在第三次發生類似現象時海上及時進行了降頻調整，但泵出、入口壓力較以往仍然偏高。關掉B泵，開啟A泵從40Hz逐步提頻到53Hz時突然出現供液能力下降的現象，然后降頻到40Hz后仍發現泵出、入口壓力較以往偏低。

圖7 A6第二、三次生產數據異常曲線圖

異常情況前B泵運行在52.9Hz，井下產量為12639bpd，異常后B泵運行在40Hz，井下B泵產量模擬約為657bpd，與第一次情況相似。

圖8 A6第二、三次生產數據異常工況模擬分析

下泵生產時，正常情況下下泵的流體應該通過上部的ADV環空通道進入到油管中，由于受到流量的影響，上部ADV環空關閉，下泵的流體經過上泵進入到油管，水力摩阻增加，造成憋泵現象。上泵生產時，正常情況下上泵的流體應該通過下部的ADV環空通道進入到油管中，由于受到流量的影響，下部ADV環空關閉，上泵的流體經過下泵吸入口進入，水力摩阻增加，造成供液不足的現象。

圖9 下泵生產正常流道與非正常流道對比

圖10 上泵生產正常流道與非正常流道對比

圖11 ADV閥門端面

判斷當井下流速達到一定大小時，通過ADV環空通道的流體會在閥門端面形成紊流，壓力降低，在閥桿上下形成壓差，導致閥桿動作關閉ADV環空通道，但該推斷被ADV廠家否定，理由是根據ADV設計不存在這種可能。

40Hz正常啟動B泵，每1Hz逐步向上調節頻率，每一個頻率穩定運行2個小時左右，數據無異常繼續進行，泵運行在53Hz時已反復出現過3次泵工況異常狀態，推薦在53Hz下至少運行24小時，如仍無異常再調整到55Hz，模擬產量約15000bpd達到ADV沖蝕極限，55Hz作為穩定生產的最大頻率。如在某一頻率下出現憋泵現象（如53Hz），停泵恢復1小時，然后重新正常40Hz啟泵并運行到該憋泵頻率下一個頻率（如53Hz憋泵，那么只能運行在52Hz）作為穩定生產的最大頻率。

3 結論

（1）結合A6修井檢泵情況和其余生產井運行穩定性情況可以看出AFS閥瓣不耐沖蝕，壽命較短，導致AFS失效。另外，對于使用ADV雙泵采油的生產井，當下泵運行時，若下泵ADV閥未完全關閉，則會出現打循環的情況，馬達溫度長時間相對升高，出口壓力低于正常值，入口壓力高于正常值。若上泵ADV閥門未完全打開，則會出現憋泵現象，泵出、入口壓力高于正常值；當上泵運行時，若下泵ADV閥門未完全打開，會出現供液不足和節流現象，入口壓力低于正常值，若上泵ADV閥門未完全關閉，則會出現打循環的情況，馬達溫度長時間相對較高，出口壓力低于正常值，入口壓力高于正常值。

（2）上泵生產時更容易出現入口壓力低，供液不足的情況，下泵生產時更容易出現憋泵的情況。