超深井举升工艺存在问题分析及技术进展

1超深井举升工艺存在问题分析及技术进展徐建礼张雷刘丙生（胜利油田分公司采油工艺研究院）摘要：塔河油田奥陶系碳酸盐岩油藏具有超深、缝洞发育等特点，由于注水困难，后期开采方式将以追踪液面深抽为主。本文综合分析了深抽的技术难点，提出了防气、锚定、减小偏磨等具体解决措施。对于超深液面油井，建议采用有杆泵－电泵复合举升工艺。关键词：深抽油气分离气油管锚定长冲程复合举升随着开发的不断深入，油层能量逐渐降低，低液面油井不断增多。特别是以塔河油田奥陶系碳酸岩储层为代表的西部油藏具有超深、高气油比、缝洞型地层等特征，油井深度5000米以上。随着油藏的开发，地层能量逐渐降低，由于塔河油田特殊的地层条件和西达里亚等外围油田特定的社会环境，目前还没进行正规的注水开发。由于地层能量没能及时得到补充，地层压力不断下降，将有越来越多的油井表现为深泵挂、低液面、低产能。进行深抽是塔河油田后期提液的主要手段。一、超深井举升技术现状及存在的问题深抽的目的是为了放大生产压差，强化开采，进一步挖掘油藏的生产潜力，以保证油田的持续稳定生产。从国内外的综合分析来看，其主要手段以有杆泵、电潜泵为主。特别是塔河油田全部采用了H级超高强度抽油杆，抽油机基本上是14型大抽油机，这些都为深抽创造了有利条件。目前最大下泵深度已超过3000m，居国内领先地位。近年来，由于潜油电泵制造质量的提高，电缆的耐温等级、电泵机组整体技术可靠性都有了较大改善，大功率电机的推出，使机组有效扬程可高达3000米以上，平均无故障连续运转时间长达1年半以上。高扬程潜油电泵越来越多地应用于深抽井中。深井举升存在的难点问题主要有以下几方面。1、深井举升面临的首要问题是液面低造成原油脱气，将严重影响举升泵的效率。当井筒压力低于气体溶于液体的饱和压力时，溶解于井液中的气体将分离出来，对举升设备将产生很大的影响。对于抽油泵来说，通常以两种方式影响泵的排量。首先在下死点开始上冲程时，由于泵筒内有气体，抽汲时泵筒压力下降缓慢，固定阀不能及时打开，减少了泵的有效冲程。同时造成在吸入过程中气体伴随液体进入泵内，降低了每一冲程的产液量。其次，由于泵腔内含气，下冲程时泵腔内压力上升缓慢，游动阀不能及时打开，降低了排油时间。当气体影响极端严重时，会造成泵腔内气体往复膨胀、压缩。上行程泵腔压力始终大2于泵吸入口压力，下行程泵腔压力始终小于液柱压力，固定阀和游动阀均无法开启，形成气锁。气体对离心泵的影响更大。根据离心泵的工作特点，在工作介质为气液两相的情况下，泵的排量、压头和效率都会明显下降。离心泵叶轮在工作时，当气体分离后，在叶轮和导壳中产生涡流。这些气泡一方面占据了流道体积，使液体排量减少。另一方面，气体使混合液密度降低，离心力减小，从而降低了泵的扬程。严重时会造成气锁排不出液体，并产生气蚀现象，损坏叶轮和导轮。2、深抽大负荷引起杆管失稳偏磨失稳弯曲是造成管杆偏磨的主要原因。在上冲程过程中，杆柱每一点的合力都是向上的，杆柱被拉直，不会发生偏磨现象。中合点(即合力为零的点)以下油管受力如下：上部油管在井液中的重力形成的向下的压力，下部油管在液体中的重力以及管内介质对油管和活塞泵筒向上的摩擦力。在上述力的作用下，下部油管发生摆动与抽油杆接箍产生偏磨。。在下冲程过程中，油管每一点的合力都是向下的，油管被拉直，不会发生偏磨现象。杆柱下冲程时各点受力比较复杂，而且处于变化中，下冲程运动开始时，还受到杆柱向上的惯性力的作用。下部杆柱在压力作用下完成下冲程，容易弯曲变形，发生偏磨现象。由于杆柱的塑性较强，上部的重力不会很快对下部形成压力，而下部杆柱在上冲程的惯性力作用下还在向上运动，大大增加了中下部杆柱的弯曲程度，杆柱发生弯曲的这种现象，称为失稳。杆柱失稳是偏磨的主要原因。由于偏磨，使抽油杆强度变低，加之交变载荷的影响，抽油杆容易疲劳。因此，底部抽油杆出现断脱的情况较多。3、深抽冲程损失明显加大有杆泵在抽油过程中,油管承受交变载荷,上冲程油管因卸载而缩短,下冲程油管因受载而伸长,这不仅会增加光杆冲程损失,而且将造成油管弯曲、偏磨,从而影响了管柱寿命。对于直井,如果不进行锚定,则冲程损失为式中,λ为冲程损失,m;ρ1为液体密度,kg/m3;fp、ft为活塞、油管金属截面积,m2;L为抽油杆柱总长度,m;E为钢的弹性模数,2.06×1011Pa;3η为影响泵效,%;S为光杆冲程,m。在以下参数情况下生产:1600m泵挂、44mm泵、冲程为5m、冲次为3次、73mm油管、井液密度为0.9g/cm3,因管柱伸缩可造成的冲程损失在0.14m,泵效降低2.8个百分点,而且泵挂越深,影响越大。表1不同泵深的冲程损失泵挂深度/m1600180020002200240026002800冲程损失/m0.140.180.220.270.320.380.43降低泵效/%2.83.64.45.46.47.68.6由此可见,油管锚定是深抽配套技术的一项重要内容。4、抽油泵的漏失加大，应用缝隙流的流量方程计算漏失量。122UPulq323δΔ2πD1+εδ式中，q——漏失量，m3/s；D——柱塞直径，m；ε——相对偏心距ε=e/δ；g——9.8m/s2δ——单面间隙，m；ΔP——柱塞上下压差，Pa；U——柱塞最大运动速度，m/s；μ——动力粘度Pa.s由于漏失量与柱塞压差成正比，随着举升高度的增加，泵的漏失显著增加。5、单项举升工艺无法满足进一步深抽的要求表2举升工艺适应性对比对比项目适应条件有杆泵螺杆泵电潜泵水力活塞泵水力射流泵气举系统基本复杂程度简单简单井下复杂地面复杂地面复杂地面复杂一次投资低低较高较高较高最高4状况运行费较低较低高较低，但高含水后运行费高较低较低，但小油田较高排量，m3/d正常范围1～10010～20080～70030～60010～50030～3180最大值3002501400129315907945泵深，m正常范围300012002000400020003000最大值国外453020004572548445723658国内30001200348025002000从上表可以看出，单项举升采油工艺应用于3000米之内是可行的，但对于更深液面的举升，必须采用新的采油技术。总之，深抽井对系统设计，油井设备及配套工具和生产管理提出了更高的要求。深井采油要取得好的效果，必须要有完善的配套技术做保正。二、深抽配套技术进展1、有杆泵油气分离器有杆泵油气分离器结构如图所示。油气分离装置的基本原理是利用油气的密度差，通过滑脱和离心作用将油气分开。分气过程可分为五个步骤。第一步：气泡在套管内随液流上升时，由于油气密度差，使油气产生滑脱，气泡上行速度vg等于液体上升速度vf加上气泡在静止液体中上升速度vd。因此，气泡上升速度较液体上升速度快一个vd，气泡首次分离。根据斯托克公式2dogo1.8dgv式中vd——气泡在静止液体中的上浮速度，cm/s；d——气泡直径，cm，一般取0.1~0.2cm；o——原油密度，g/cm3；图1有杆泵油气分离器示意图油管抽油杆抽油泵放气阀螺旋分离总成外管沉降分离总成套管5g——气密度，g/cm3；o——油的动力粘度，Pa·s；g——重力加速度，cm/s2；因此，气泡上浮速度与气泡直径平方成正比，与液体粘度成反比。降低泵吸入口压力使气泡直径变大会大大提高分气能力，而高粘度原油中气泡不易分离。第二步：气泡在进液孔附近进行二次分离。当气泡到进液孔附近时，液流要流向进液孔，流动方向发生改变，气泡上升速度及方向也将改变，气泡垂直分速为vd+vfv，水平分速为液流水平分速vfh，如图2所示。由图2可见，液体比气泡更容易进入分离器，而且液体中气泡能否进入分离器将取决于垂直分速度与水平分速度的比值。垂直分速度愈大，水平分速度愈小，则气泡越不容易进入。因此，越靠近吸入口的气泡，水平分速度愈大，越容易被液流带入。气泡直径愈小，垂直分速度愈小，越容易被液流带人气锚。第三步：进入吸入口的气泡，在吸入口附近进行三次分离。当油气刚进入吸入口时，液体流向是近似水平的，而气泡有向上的上浮速度，这时有部分气泡上浮，从吸入口排出。第四步：气泡在沉降分离总成环形空间进行四次分离。这时气泡速度是液流下行速度减去气泡上浮速度，环形空间有一部分能分离的最小气泡滞留在环形空间。第五步：初步脱气后的流体向上进入螺旋分离总成，含气油流在螺旋分离总成环形空间内旋转流动，由于不同密度的流体，离心力不同，使聚集的大气泡沿螺旋内侧流动，带有未被分离的小气泡的液体则沿外侧流动。被聚集的大气泡不断聚集，沿内侧上升至螺旋顶部聚集成气帽，经过排气孔排到油套环形空间。液体则下行通过螺旋分离总成的中心通道进入泵内。在下冲程时（泵的排出阶段），泵的固定阀以下液体流速为零，所进行的以上步骤的气泡都在静止条件下上浮。2、电泵防气装置防气装置也是利用滑脱效应、离心效应等原理。在举升泵之上部分油管换成特殊设计的双层管，双层管中间环空及双层管与套管之间的环空构成井液流动和油气分离的通道。高气油比井内液体首先从双层管外部上升到举升泵上方位置，上升过程中靠减压分离降低压力使溶解气析出，成为气泡或气体段塞从井口套管放出。脱气液体由上而下从双层管环空进入举vfhvfvvdvfvg图2二步骤气泡矢量图6升泵，双层管环空采用重力分离螺旋降压分离，进一步使溶解气析出，从而大大降低进泵液体中含气量，消除了气体对泵的影响。本分离装置的双层防气管柱长度可以任意延长，通过流动时的压力降低使溶解气充分析出，并且气泡合并膨胀足以排至井口。从根本上消除了气体对采油泵的影响。3、有杆泵防偏磨配套技术是以治理杆管失稳弯曲及避免井斜部位杆管直接接触为出发点，针对杆管失稳弯曲造成的杆管偏磨问题，应用抽油杆底部集中加重技术，克服杆柱下行阻力造成的杆柱失稳弯曲；杆管缓冲补偿防失稳技术，消除振动载荷造成的杆管失稳弯曲。针对井斜部位杆管直接接触造成的偏磨，研究杆管抗磨副抗磨蚀技术，避免杆管直接接触，消除井斜造成的杆管偏磨。通过优化设计防偏磨技术，优化生产参数及防偏磨工具的位置和用量，提高系统效率，降低能耗。（1）抽油杆集中加重防失稳技术在有杆泵抽油过程中，抽油泵活塞下行过程中由于阻力的影响，导致下部抽油杆失稳弯曲，造成杆管偏磨，摩擦阻力增加。由中心杆、外管组成的加重抽油杆位于杆柱的最下端，抽油时，中心杆承受载荷，外管起到加重的作用，中心杆受拉扶正外管，提高了杆柱的稳定性。同时外管的重力通过上管压下管的方式向下传递，集中加到抽油泵活塞上，使抽油杆柱的中和点下移到抽油泵活塞上，克服抽油泵活塞下行阻力造成的下部抽油杆柱失稳弯曲、杆管偏磨。图3为防偏磨加重抽油杆集中加重示意图。（2）抽油杆缓冲补偿防失稳技术抽油杆本身是一弹性体，在抽油杆往复运动过程中，由于杆柱作变速运动以及液柱载荷周期性的作用于抽油杆柱，从而引起抽油杆的弹性振动，造成的下部抽油杆柱的失稳弯曲偏磨。中心杆、外筒组成的抽油杆防失稳补偿器连接在抽油杆柱的失稳部位，当抽油杆失稳弯曲之前，外筒与中心杆之间相对滑动，使抽油杆柱的弹性势能通过抽油杆补偿器转化为抽油杆柱的重力势能，造成抽油杆失稳弯曲的力得到释放，抽油杆柱的稳定性提高，同时液体阻尼的图3防偏磨集中加重示意图中心杆加重外管滑套接箍7作用，使作用在抽油杆柱上的振动载荷快速衰减，抽油杆柱不会失稳，抽油杆与油管之间不会产生接触压力，从而可以防止抽油杆与油管之间的偏磨。图3为抽油杆补偿器示意图。（3）抽油杆抗磨副抗磨蚀技术抽油杆抗磨副主要由抗磨光杆和抗磨扶正滑套组成（如图4）。在井斜部位安装抽油杆抗磨副，抗磨扶正滑套与管柱相对固定，从而使抽油杆与油管之间的摩擦与磨损转变为抗磨副抗磨光杆与抗磨滑套之间的摩擦与磨损，达到防止抽油杆与油管直接接触磨蚀，保护油管与抽油杆，减小摩擦、磨蚀及冲程损失，提高抽油泵效及机采系统效率的目的。4）油管抗磨副抗磨蚀技术油管抗磨副主要由抗磨油管短接和油管抗磨扶正滑套组成（如图5）。在井斜部位的管柱上安装油管抗磨副，可使油管与套管之间的摩擦与磨损转化为油管抗磨副短接与抗磨扶