石博士 何超 羅良冬 （中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司 天津300452）

桿驅(qū)螺桿泵在渤海油田低產(chǎn)低效井中的應(yīng)用研究

石博士 何超 羅良冬 （中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司 天津300452）

海洋油田受空間環(huán)境等限制，油井幾乎全為大斜度定向井或者水平井，且平臺(tái)空間狹小，無(wú)法安裝地面體積較大的人工舉升設(shè)備。作為主力采油手段的電潛離心泵在小排量、稠油、出砂等油井中損壞比例較高，而桿驅(qū)螺桿泵在這種井中具備一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但必須進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)。技術(shù)改進(jìn)后的桿驅(qū)螺桿泵在NB35-2B1井成功應(yīng)用，已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)1 000 d。對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用總結(jié)。

油氣田井開(kāi)發(fā)工程 螺桿泵 連續(xù)桿 大斜度 小排量

海洋油田受空間環(huán)境限制，油井幾乎全為大斜度定向井或者水平井，且平臺(tái)空間狹小，無(wú)法安裝地面體積較大的人工舉升設(shè)備，因此電潛離心泵是海洋油田的主力采油措施。而潛油電機(jī)因?yàn)殡姍C(jī)散熱要求，對(duì)于機(jī)殼流體表面流速有明確的限制，即不能低于3 m/s，因此小排量油井，特別是排量50 m3/d以下的油井，電泵損壞比例較高，壽命均不長(zhǎng)。

為解決這一問(wèn)題，2002年中海油采技服公司開(kāi)始了桿驅(qū)螺桿泵采油工藝在海洋油田大斜度、中低排量油井的應(yīng)用技術(shù)研究，目前已在渤海地區(qū)成功應(yīng)用，其中NB35-2B1井已經(jīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)1 000 d。

1 螺桿泵采油工藝對(duì)于低產(chǎn)低效井的適應(yīng)性

“低產(chǎn)低效井”指在渤海地區(qū)排量較小、油稠、含砂、增產(chǎn)措施無(wú)效等不適合電潛離心泵開(kāi)采或電潛離心泵運(yùn)行壽命很短的油井。

在“低產(chǎn)低效井”中，桿驅(qū)螺桿泵具有以下優(yōu)點(diǎn)：屬于容積式泵，具有平穩(wěn)提液的特點(diǎn)，適用于中小排量油井的原油開(kāi)采；吸入性好，容積效率高，壓頭損失小，適用于稠油、出砂井的原油開(kāi)采；地面設(shè)備體積小，適用于海上采油平臺(tái)井口區(qū)空間狹小的情況；井下設(shè)備簡(jiǎn)單，動(dòng)力源在地面，不存在潛油電機(jī)在小排量條件下的散熱問(wèn)題；系統(tǒng)效率高，省電，能有效緩解老采油平臺(tái)電機(jī)緊張的問(wèn)題。

2 在海洋油田環(huán)境應(yīng)用存在的技術(shù)瓶頸與改進(jìn)

雖然桿驅(qū)螺桿泵系統(tǒng)自身有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但要在海洋油田應(yīng)用還存在幾大技術(shù)難點(diǎn)需要解決：小排量油井中螺桿泵定子橡膠自身的散熱問(wèn)題；抽油桿在大斜度井中運(yùn)轉(zhuǎn)的強(qiáng)度和壽命問(wèn)題；有桿泵不能使用海洋油田現(xiàn)有的井下安全閥，需要解決油管的采油安全問(wèn)題。

2.1 螺桿泵本身的技術(shù)改進(jìn)

2.1.1 單頭螺桿泵換雙頭螺桿泵 2∶3形線的螺桿泵相對(duì)于傳統(tǒng)的1∶2形線的螺桿泵，單級(jí)揚(yáng)程高，單轉(zhuǎn)排量大，偏心距小，可有效降低系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，提高泵效，減小泵運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)，提高泵運(yùn)行壽命。

以國(guó)內(nèi)某品牌的螺桿泵為例，GLB300型螺桿泵，單頭泵徑為102 mm，雙頭泵徑為89 mm。而采用Φ89 mm泵徑的單頭螺桿泵排量只能做到200 mL/r，而采用Φ89 mm泵徑的單頭螺桿泵排量可以做到500 mL/r。而同樣定子橡膠外形尺寸的雙頭泵由于內(nèi)部腔室較單頭的大，因此單轉(zhuǎn)排量也高，一般高出50%～55%。

由于單頭改雙頭，定轉(zhuǎn)子密封線多了一圈，以國(guó)產(chǎn)某品牌GLB300-20系列螺桿泵為例：20級(jí)單頭螺桿泵單級(jí)承壓0.45 MPa，每級(jí)有3條密封線，單線承壓能力為0.45 MPa/3=0.15 MPa。雙頭螺桿泵每一級(jí)有4.5條密封線，單線承壓能力約為0.15 MPa×4.5=0.675 MPa，因此雙頭泵理論提升單級(jí)揚(yáng)程50%。雙頭泵在有效提高泵揚(yáng)程的情況下，還能通過(guò)降低過(guò)盈值，減小定轉(zhuǎn)子摩擦，有利于提高定子壽命。同時(shí)雙頭泵定子橫截面橡膠厚度較單頭泵均勻，能有效提高定子內(nèi)部的散熱能力，減少橡膠內(nèi)部的熱應(yīng)力集中，提高定子的使用壽命。

因此，同樣的油井額定排量情況下，雙頭泵需要提供的轉(zhuǎn)速更低，泵的漏失相對(duì)較小，能有效降低抽油桿的彎曲疲勞次數(shù)和工作載荷，提高抽油桿的使用壽命。

2.1.2 橡膠材質(zhì)改進(jìn) 普通的螺桿泵橡膠應(yīng)用環(huán)境溫度不超過(guò)90℃，但由于“低產(chǎn)低效井”的實(shí)際產(chǎn)液量較低，原油較稠，不利于泵體散熱，因此必須提高橡膠的耐溫等級(jí)。

我們改進(jìn)后的橡膠耐溫等級(jí)從90℃提高到了140℃，表1是我們改進(jìn)前后兩種橡膠的性能對(duì)比。

2.2 對(duì)于抽油桿的改進(jìn)

2.2.1 對(duì)于抽油桿本身的技術(shù)改進(jìn) 桿驅(qū)螺桿泵技術(shù)在海洋油田應(yīng)用的初期，由于抽油桿斷桿造成故障檢泵的油井占到了100%。

表1 橡膠性能參數(shù)對(duì)比

當(dāng)時(shí)采用的主要是Φ38的空心桿和Φ28的實(shí)心桿。Φ38空心桿雖然抗扭、抗拉等強(qiáng)度指標(biāo)均好于Φ28實(shí)心桿，但由于在大斜度井中運(yùn)轉(zhuǎn)，抽油桿彎曲度大，同撓度情況下越粗的抽油桿桿體外壁形變也越大，受到的疲勞破壞程度也越強(qiáng)，抽油桿斷桿的可能性就越高。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)抽油桿接頭主要有兩種：一種是錐螺紋連接，接頭采用桿體鐓鍛工藝制造；一種是插接扣，采用接頭與桿體摩擦焊方式連接制造。插接扣雖然能有效防止桿柱脫扣，但接頭的摩擦焊制造工藝強(qiáng)度不如鐓鍛式，成為了桿柱的一個(gè)薄弱點(diǎn)，增加了桿體斷裂的可能性。

經(jīng)過(guò)3年的失敗與嘗試，現(xiàn)在成功應(yīng)用在大斜度油井中的是Φ28的連續(xù)型抽油桿。這種抽油桿沒(méi)有普通抽油桿的接頭，使得抽油桿在工作時(shí)應(yīng)力分布更為均勻，同時(shí)桿體經(jīng)過(guò)熱處理工藝改進(jìn)后，韌性也得到了較大的提高，斷桿可能性大幅度降低，而且沒(méi)有連接螺紋扣，消除了桿柱反轉(zhuǎn)脫扣的隱患。表2是幾種抽油桿性能的對(duì)比。

表2 抽油桿性能參數(shù)對(duì)比

2.2.2 桿體連接工藝改進(jìn) 抽油桿的扭矩主要來(lái)自4大部分：泵定轉(zhuǎn)子摩擦扭矩，泵工作時(shí)舉升井液的工作扭矩，桿液摩擦扭矩，抽油桿、扶正器、油管內(nèi)壁間的摩擦扭矩。井口為抽油桿扭矩受力的最大位置，也是抽油桿軸向力受力的最大位置，整個(gè)抽油桿柱的最大工作載荷位置就在井口。

傳統(tǒng)的螺桿泵抽油桿柱最上端都需要一個(gè)光桿配合方卡子坐于驅(qū)動(dòng)頭之上。普通光桿多采用40 Cr材料制造，表面鍍鉻，硬度較高能達(dá)到HRC60以上。連續(xù)桿由于桿體上無(wú)法加工連接螺紋扣，抽油桿和光桿的連接必須在抽油桿上焊接一個(gè)接頭。這個(gè)焊接點(diǎn)既是整個(gè)桿柱的強(qiáng)度薄弱點(diǎn)，又處于整個(gè)桿柱的載荷最大位置，所以這種焊接連接的方式增加了斷桿的可能性，而在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也發(fā)生過(guò)此處焊口斷裂的事故。

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，采用連續(xù)桿代替光桿，經(jīng)表面拋光處理后穿過(guò)驅(qū)動(dòng)頭懸掛桿柱的工藝，消除了上述的桿柱強(qiáng)度隱患。同時(shí)配合無(wú)牙痕方卡子，鉗住表面硬度較光桿低很多的連續(xù)桿（表面硬度HRC28～30），消除了傳統(tǒng)牙型方卡子咬斷材質(zhì)較軟桿體的隱患。

2.3 其他技術(shù)改進(jìn)

根據(jù)海油油田作業(yè)安全的需要，所有的油井都要下入井下安全閥。但海洋現(xiàn)有的井下安全閥全部針對(duì)無(wú)桿泵設(shè)計(jì)，無(wú)法用于桿驅(qū)螺桿泵。且傳統(tǒng)螺桿泵驅(qū)動(dòng)器機(jī)械密封承壓能力低，手動(dòng)BOP半封在有突發(fā)狀況時(shí)反應(yīng)時(shí)間較慢，不能完全滿足海上油田生產(chǎn)的要求。

因此必須在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)：第一是在驅(qū)動(dòng)頭減速箱的下部再額外增加一個(gè)雙端面的機(jī)械密封，把驅(qū)動(dòng)頭的承壓能力從3 MPa提高到10 MPa；第二是設(shè)計(jì)了一種針對(duì)桿驅(qū)螺桿泵的井口安全系統(tǒng)，主要用在含氣量較大、井壓較高的油井。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要安裝于驅(qū)動(dòng)頭的下部。井口安全裝置技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 井口安全閥工作參數(shù)

3 桿驅(qū)螺桿泵在NB35-2B1井的成功應(yīng)用

NB35-2B1井下桿驅(qū)螺桿泵之前一共進(jìn)行了4次電潛離心泵檢泵作業(yè)，平均檢泵周期僅99 d，而該螺桿泵機(jī)組已經(jīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)1 000 d，目前仍在運(yùn)行。泵效達(dá)89%，為之前所下電泵的3.7倍。累計(jì)產(chǎn)油10 613.66 m3，節(jié)約檢泵作業(yè)費(fèi)用600萬(wàn)元，直接與間接經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)3 600萬(wàn)元。

經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)后，桿驅(qū)螺桿泵技術(shù)滿足了海洋油田地產(chǎn)低效井的應(yīng)用要求?！?/p>

[1]蔣平.工程力學(xué)基礎(chǔ)（I）[M].北京：高等教育出版社，2003：356-357.

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2011-09-06