海上油田測試求產(chǎn)保障稠油及高凝油流動研究與應用

＊汪鑫 阮剛

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術深圳分公司 廣東 518064）

引言

螺桿泵是一種容積泵，泵效高，多用于稠油井和含砂油井。測試作業(yè)常配合加熱電纜及氣凝膠隔熱管使用，將加熱電纜下入抽油桿中進行加熱，該工藝有效針對高粘、高膠質、高蠟、高凝固點的原油，達到提高流體溫度的目的，從而保障原油的流動性。

水力射流泵是一種特殊類型的水力泵，測試作業(yè)中配合連續(xù)油管持續(xù)泵入加熱后的動力液，在射流泵泵芯位置形成負壓，將地層流體與動力液混合形成高速流體，隨測試管柱返出至地面測試流程，經(jīng)高效油水分離器，動力液重新回到初始容器，形成閉路。

1.技術介紹

(1)螺桿泵熱采技術在測試中的應用

螺桿泵工作原理：電動機通過驅動裝置，使空心抽油桿產(chǎn)生順時針方向旋轉，抽油桿帶動井下螺桿泵的轉子在定子襯套內(nèi)做行星運動，轉子運動時，吸油密封腔沿軸向吸油端上移，同時形成新的密封腔，其中被吸入的液體隨著密封腔的上移，由吸入端移至排出端。密封腔的不斷形成、上移和消失，就起到了泵抽作用，將油、砂、水、氣一起舉升至地面。因屬容積式泵，所以解決了砂卡和稠油的難題。泵的排量大小除取決于泵的幾何參數(shù)外，還取決于泵的轉速，因此改變地面驅動裝置的轉速也可改變泵的排量，從而調節(jié)油井的產(chǎn)液量，可以集油管傳輸射孔、地層測試及螺桿泵排液聯(lián)合作業(yè)工藝于一體。

圖1 螺桿泵測試示意圖

圖2 螺桿舉升原理圖

熱采設計原理：將加熱電纜下至空心抽油桿中，將380V/50Hz的三相交流電經(jīng)整流后變成直流，經(jīng)逆變電路，變成500～2000Hz的單相電，再經(jīng)中頻變壓器隔離后輸送到加熱電纜。通過加熱電纜輸送到井內(nèi)的交直流電流，經(jīng)抽油桿末端回路器，由抽油桿本體構成回路，回到加熱設備。

輸出部分采用環(huán)形中頻變壓器，用于隔離輸入、輸出高壓，同時經(jīng)電容組與控制柜輸出相連接，起到隔直作用，防止由于直流偏磁或過勵磁產(chǎn)生的磁飽和問題，同時可起到串聯(lián)諧振的作用。中頻變壓器為非晶鈦材料，導磁率高，工作頻率高，自身能量損耗極低，因此整機效率大大提高。

為減少熱量在海水及泥線附近位置的損失，在測試管柱中需增加氣凝膠隔熱管配合使用，保障較高的井筒溫度。

2022年10月在南海東部惠州某區(qū)塊測試井中應用螺桿泵熱采技術，順利自噴求產(chǎn)，該井水深114m，油藏埋深3300m，原油凝固點較高，當加熱運行電流為100A時，地面實測井口鉆桿溫度達到58℃，在求產(chǎn)過程中溫度維持較好，創(chuàng)造了利于原油流動的有利條件。

圖3 中頻變壓器

圖4 安裝螺桿泵井口裝置

(2)射流泵熱采技術在測試中的應用

射流泵（Jet Pump）又稱噴射泵或水力泵，是一種利用湍射流的紊動擴散作用來傳遞能量和質量的流體機械和混合反應設備。管柱內(nèi)自循環(huán)射流泵是在傳統(tǒng)射流泵的基礎上與連續(xù)油管相配合，實現(xiàn)在測試管柱內(nèi)進行循環(huán)的新型射流泵，能夠與傳統(tǒng)的APR工具兼容且契合了目前低孔滲測試層下深大，產(chǎn)量低的嚴苛要求。

管柱內(nèi)自循環(huán)射流泵（以下簡稱射流泵）的工作是基于能量守衡原理，高壓動力液通過噴嘴將其勢能（凈液柱高度加上地面泵壓產(chǎn)生的壓力）轉化為高速動力流體的動能，能量轉換過程中，流體速度增加但壓力值減小，由此產(chǎn)生相對于地層壓力的“負壓值”，可以將地層流體吸入喉管，在喉管內(nèi)高速動力液與地層流體充分混合，并將其動能傳遞給地層流體，使地層流體速度增加，到擴散管內(nèi)，擴散管內(nèi)流動面積如圖5所示逐步增加，隨著流動面積的增加，混合流體速度減小但壓力增高，其動能重新轉化為勢能，通過地面泵壓的調節(jié)和喉管/噴嘴的配比選擇可以實現(xiàn)克服凈液柱高度的流體舉升至地面流程。

圖5 射流泵原理示意圖

地面處理方案仍沿用傳統(tǒng)的地面處理流程為主體，不同的是優(yōu)化了油水計量與化學注入流程。油水計量仍沿用罐液位計量，通過罐系數(shù)與液位差相乘得到流體體積，與泵注流程計量對比即可得到地層流體產(chǎn)量；化學注入主要有降黏劑，破乳劑和消泡劑三種選項，在注入流程通過化學注入泵進行定量添加。

射流泵同時具備對動力液進行加溫的能力為解決低產(chǎn)、高凝點原油求產(chǎn)的難題提供了化學和物理降黏的一體化解決方案。

射流泵下入深度不同，主要將影響射流泵的效率、作業(yè)可實施性及排液能力等，因此應綜合考慮以下幾點影響因素：

①泵在最高效率區(qū)間工作要求射流泵在井液中的沉沒率在30%以上；

②下入越深，其將井筒中的液體排出越徹底；

③泵下入越深，其運行過程動力液摩阻和混合返出液摩阻越大；

④考慮連續(xù)油管最大下深能力。（采用1.5“×4900m/1.75”×4200m連續(xù)油管，最大下入至4555m/4000m，上提最大載荷處于1.5"連續(xù)油管80%強度安全載荷內(nèi)，可以滿足連續(xù)油管攜帶射流泵在3000m深度坐掛作業(yè)安全要求。

工藝流程：

①泵注流程：海水—儲水罐—化學注入流程—柱塞泵—地磁加熱器—連續(xù)油管—試油樹清蠟閥。

②返出流程油路：試油樹生產(chǎn)閥—撓性軟管—油嘴管匯—加熱器—分離器—計量罐—儲油罐—燃燒臂。

③返排流程水路：試油樹生產(chǎn)閥—撓性軟管—油嘴管匯—加熱器—分離器—計量罐—儲油罐—高效油水分離器—儲水罐。

④地面泵壓力級別：30MPa/55MPa。

⑤動力液選型：1.03S.G海水。

⑥5分離器選型：采用臥式分離器。

圖6 射流泵流程示意圖

熱采設計原理：動力液通過變頻電磁加熱器實現(xiàn)循環(huán)加熱效果，利用電磁感應原理，將電能轉化為熱能，在控制器內(nèi)由整流電路將50Hz的交流電壓變成直流電壓，在經(jīng)過控制電路將直流電壓轉換成頻率為22kHz的高頻交流電壓。高頻交流電壓流過纏繞在非金屬材料管外的高頻導線，高速變化的磁場內(nèi)部產(chǎn)生的磁力線切割非金屬材料管內(nèi)部的金屬容器，產(chǎn)生無數(shù)小渦流，通過熱量散發(fā)系統(tǒng)（如水循環(huán)系統(tǒng)），達到加熱效果。

2022年4月在南海東部惠州某區(qū)塊測試井中首次應用，該井水深115m，油藏埋深4000m，屬于低孔、低滲儲層，且原油凝固點及含蠟較高，地層自身能量較低，使用常規(guī)連續(xù)油管氣舉返排或螺桿泵泵排無法實現(xiàn)舉升效果，利用水力射流泵熱采技術，通過射流泵原理及動力液熱循環(huán)效果，將井筒難以返排的地層流體帶出，成功獲取地質資料。

圖7 電磁加熱原理圖

圖8 電磁加熱示意圖

2.技術對比

海上油田試油作業(yè)中，常用到的人工舉升方式為：連續(xù)油管氣舉、螺桿泵，射流泵技術，三種舉升方式有著各自的優(yōu)勢及劣勢，綜合考慮儲層物性、原油性質，施工工況等因素，選擇最佳的求產(chǎn)方式。

連續(xù)油管技術經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，配套的井下工具越來越多樣化，作業(yè)種類從最初的沖砂、氣舉到現(xiàn)在的鉆井、壓裂等，海上油氣田開發(fā)中大斜度井及水平井越來越多，該技術應用也日益廣泛。連續(xù)油管作業(yè)最大優(yōu)勢是可以帶壓作業(yè)，連續(xù)油管在井筒內(nèi)移動的同時，可泵入液體或氣體。在試油作業(yè)中，通過氣舉返排液墊的方式，減小靜液柱高度，增大井筒內(nèi)負壓，從而提高地層流體返排至地面流程的效率，也可配合射流泵技術使用。但其內(nèi)徑一般較小，抗拉強度較低，不能旋轉。由于連續(xù)油管橇較重，因此在海上的使用受到作業(yè)設施吊裝能力及場地條件的限制。氣舉泵入的氣體為氮氣，無法實現(xiàn)井筒升溫的效果，注入氮氣對地層產(chǎn)生回壓，不利于地層液體流向井筒，針對低孔、低滲、地層能量不足、稠油，高凝油的井，不適用連續(xù)油管氣舉技術。

螺桿泵技術是一種容積泵，泵效高，受汽油影響比較小，多用于稠油井和含砂油井，工藝發(fā)展較為成熟，工具簡單，可配合加熱電纜及氣凝膠隔熱管使用，對于稠油及高凝油返排有非常好的效果，下入深度受揚程影響，目前海上油田泵筒下入深度最深為1400m左右，當轉速達到250rpm時，常用螺桿泵排液量最大為180m3/d，適用于低產(chǎn)井，當?shù)貙幽芰坎蛔銜r，無法確保泵筒位置有相對穩(wěn)定的沉沒度（確保動液面在去除氣體影響條件下垂深不小于50m），若長時間沒有流體潤滑冷卻，極易造成轉子在定子中干磨，導致膠皮疲勞磨損，甚至被切削成小塊卡在抽油桿及管柱間隙中。

射流泵技術是海上油田測試求產(chǎn)中的全新應用，具有產(chǎn)量調節(jié)范圍廣、檢泵方便、運轉周期長的優(yōu)點，適用于低含水、高氣油比、高溫、高含砂和含腐蝕性流體的油井，射流泵舉升在噴嘴與喉管處形成負壓，吸入地層流體，不對地層產(chǎn)生正向壓力，有利于地層液體流向井筒，注入動力液最高溫度65℃，而注入氮氣溫度普遍較低，且氣體擴散屬于吸熱過程，不利于管柱內(nèi)流體返出流動，初步估算射流泵泵掛深度處井筒溫度至少高于連續(xù)油管注入深度處井筒溫度30℃以上，對于地層產(chǎn)能低、稠油，高凝油具有非常好的效果。但其不適于含水率高的油井，水力射流泵采油需有高壓動力液作為舉升條件，但舉升效率比電潛泵和螺桿泵低。

3.結束語

海上油田測試作業(yè)中，不斷向深層勘探，稠油及高凝油也不斷涌現(xiàn)，針對受溫度影響較大的原油，人工舉升的工藝也在不斷創(chuàng)新引入，根據(jù)不同情況選擇合適的舉升方式尤為重要，選對舉升方式，利于現(xiàn)場工程施工的開展，地質資料的求取。

對于地層產(chǎn)能低的稠油及高凝油，更適用射流泵技術，通過動力液熱循環(huán)將地層流體混合帶出，對于地層產(chǎn)能一般達不到自噴條件的稠油及高凝油，更適用于螺桿泵技術，通過加熱電纜配合氣凝膠隔熱管，保障井筒溫度恒定，確保了原油不會在井筒中凝固，對比兩種加熱方式，螺桿泵工藝的熱采技術熱量損失更小。