姚 軍 薛天飛 劉 通，黃 華，王衛(wèi)剛 南 雷

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075) (延長油田股份有限公司王家川采油廠，陜西 延安 717100) (陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075) (延長油田股份有限公司南區(qū)采油廠，陜西 延安 716000)

地面驅(qū)動螺桿泵舉升工藝及其應(yīng)用

姚 軍 薛天飛 劉 通，黃 華，王衛(wèi)剛 南 雷

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075) (延長油田股份有限公司王家川采油廠，陜西 延安 717100) (陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075) (延長油田股份有限公司南區(qū)采油廠，陜西 延安 716000)

針對延長油田常規(guī)抽油設(shè)備遇到的干抽、管桿偏磨嚴(yán)重、設(shè)備投資、運(yùn)行及維修費(fèi)用高等問題，以現(xiàn)有成熟螺桿泵配套技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合延長特低滲透油田的地質(zhì)特征和井況特點(diǎn)，對螺桿泵工作原理進(jìn)行了分析，重點(diǎn)開展螺桿泵無級調(diào)參技術(shù)、抽油桿柱受力分析及扶正器的合理分配位置及數(shù)量、選泵與單井設(shè)計技術(shù)研究，完善工況診斷等技術(shù)規(guī)范，形成具有延長特色的螺桿泵配套工藝技術(shù)，該技術(shù)在低滲透油田值得推廣。

螺桿泵；采油系統(tǒng)；舉升工藝

延長油田位于鄂爾多斯盆地中部，由于特殊的地層特點(diǎn)，自然產(chǎn)能低，是一個特低滲、異常低壓、低豐度的“三低”巖性油藏。隨著油田開發(fā)不斷深入，定向井在延長油田愈來愈多，井下情況日趨復(fù)雜，井筒環(huán)境愈趨惡劣，同時許多難動用儲量相繼投入開發(fā)，使常規(guī)抽油設(shè)備遇到了諸如干抽、管桿偏磨嚴(yán)重、不能根據(jù)油井供液能力自動調(diào)整抽汲參數(shù)、舉升方式能耗高以及設(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)用高等難題。

螺桿泵采油系統(tǒng)具有體積小、節(jié)省鋼材、重量輕、維修方便、投資少、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，不僅適合于高粘度、高含砂、大油氣比、低產(chǎn)油田的開發(fā)，而且對于普通油藏及水驅(qū)油藏后期高含水開采階段也表現(xiàn)出很好的適應(yīng)性。地面驅(qū)動單螺桿泵是一種新型采油設(shè)備，它具有一次性投資少，采油效率高，能耗低，結(jié)構(gòu)簡單，作業(yè)、安裝、維修方便等特點(diǎn)，特別適合延長油田丘陵溝壑的地理特征及生產(chǎn)現(xiàn)狀［1-2］。下面，筆者通過對螺桿泵舉升工藝及配套技術(shù)和裝置的研究，開展螺桿泵采油現(xiàn)場先導(dǎo)性試驗(yàn)應(yīng)用及分析，總結(jié)出適合延長油田的螺桿泵采油系統(tǒng)和工藝技術(shù)，為延長油田開發(fā)提供一種全新的機(jī)械采油方式。

1 地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)工作原理

在整個螺桿泵采油系統(tǒng)中，地面驅(qū)動發(fā)展較早，也比較成熟，但是井下驅(qū)動避免了地面驅(qū)動扭矩的損失、設(shè)備也比較少，具有較高的采油效率，國內(nèi)正處于試驗(yàn)階段。國內(nèi)各油田現(xiàn)用的螺桿泵采油系統(tǒng)，一般都選取地面驅(qū)動方式。筆者試驗(yàn)采用皮帶傳動地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)。地面驅(qū)動螺桿泵是由地面動力驅(qū)動抽油桿帶動其螺桿在襯套內(nèi)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)將原油從井下舉升到地面。地面部分包括地面驅(qū)動和變頻控制柜；井下部分包括井下泵、抽油桿、油管、配套工具(如錨定工具、扶正器)等［3-4］。

2 地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1無級調(diào)參驅(qū)動技術(shù)

采用轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行電流及井口液量、壓力等實(shí)時檢測信號和變頻器控制系統(tǒng)可滿足井下螺桿泵運(yùn)動和動力的要求，同時具有過載與欠載保護(hù)、過載與欠載停機(jī)、軟啟動和軟停機(jī)等功能，其中主要是電流調(diào)參法、轉(zhuǎn)矩調(diào)參法。螺桿泵變頻自動控制系統(tǒng)包括螺桿泵、轉(zhuǎn)速-扭矩傳感器、變頻系統(tǒng)(主要由變頻器、主控制電路和輔助電路組成)、PLC、驅(qū)動電機(jī)和二次儀表等單元組成［5］。

2.2螺桿泵專用抽油桿及扶正器

從抽油桿受力、設(shè)計、保護(hù)等不同的角度，通過受力分析、載荷及扭矩的計算，對桿柱組合、扶正位置及個數(shù)進(jìn)行設(shè)計，使扶正措施避免桿柱與油管直接接觸產(chǎn)生偏磨，消除振動。

圖1 桿柱動力學(xué)分析模型

1)地面驅(qū)動螺桿泵抽油桿柱的力學(xué)分析 地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)中，作用于桿柱上的外載荷主要由2部分組成。如圖1所示，一部分為主動載荷，這部分載荷包括桿柱自重Fw、液體浮力f、井底螺桿泵產(chǎn)生的軸向力F、地面驅(qū)動設(shè)備施加的轉(zhuǎn)矩以及桿柱所受的反扭矩等。桿柱所受的反扭矩主要包括轉(zhuǎn)子與定子間的初始過盈配合所產(chǎn)生的反扭矩Mb1、抽油桿柱與液體間的摩擦扭矩Mb2、螺桿泵進(jìn)出口壓差造成的反轉(zhuǎn)力矩Mb33部分。另一部分為被動載荷，這部分載荷包括桿柱與管柱和扶正器之間的接觸摩擦力、井口卡子的約束力等［6］。

2)地面驅(qū)動螺桿泵基本參數(shù)計算 單頭螺桿泵旋轉(zhuǎn)1周的排量q和螺桿泵的進(jìn)出口壓差ΔP計算公式為：

q=16eRtΔP=(PO-PT)+(L-hD)ρg

式中，q為排量，m3；e為泵轉(zhuǎn)子的偏心距，m；R為轉(zhuǎn)子截面圓半徑，m；t為定子導(dǎo)程，m；ΔP為進(jìn)出口壓差，MPa；PO為油壓，MPa；PT為套壓，MPa；L為泵深，m；hD為沉沒度，m；ρ為密度，kg/m3；g為重力加速度。

3)地面驅(qū)動螺桿泵軸向載荷F的計算 螺桿泵進(jìn)出口壓差引起的軸向載荷F計算如下：

F=(πR2+16eR)ΔP

式中，F(xiàn)為軸向載荷，N。

4)地面驅(qū)動螺桿泵工作時扭矩計算 關(guān)于轉(zhuǎn)子與定子之間的初始過盈配合所產(chǎn)生的反扭矩計算，依據(jù)大量實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)采用回歸方法給出了一個經(jīng)驗(yàn)計算式［7］：

Mb1=91.3δ0-n0.45+46.5

式中，Mb1為反扭矩,N·m;δ0為定子與轉(zhuǎn)子之間初始過盈值，mm；n為螺桿泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)桿柱勻速轉(zhuǎn)動時，單位長度抽油桿受到的液體摩阻力扭矩Mb2為：

式中，Mb2為液體摩阻力扭矩,N·m;μ為井液動力粘度，Pa·s；D為油管內(nèi)徑，m；d為抽油桿直徑，對于空心抽油桿它指的是抽油桿的外徑，m。根據(jù)能量守恒定律，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體能，所以由能量轉(zhuǎn)換關(guān)系得螺桿泵進(jìn)出口壓差造成的反轉(zhuǎn)力矩Mb3：

式中，Mb3為反轉(zhuǎn)力矩,N·m;e為轉(zhuǎn)子偏心距，mm；D為轉(zhuǎn)子直徑，m。當(dāng)已知實(shí)際產(chǎn)液量及壓差ΔP時，抽油桿受到液體的摩擦扭矩可由下式進(jìn)行計算：

Mb2ω=Q·ΔP

式中，ω為角速度，ω=2πn;Q為實(shí)際產(chǎn)液量，m3。

抽油桿柱自重是一個均布載荷，這里將抽油桿柱浮力處理為浮重即均布載荷，則抽油桿柱單位長度的自重Fω為：

Fω=Agγ=πr2gγ

式中，F(xiàn)ω為抽油桿柱單位長度自重,N/m;A為抽油桿的橫截面，m2；γ為抽油桿在液體中的密度，kg/m3；r為抽油桿半徑，m。

扶正器的配置主要通過建立抽油桿的力學(xué)模型、載荷的計算、建立力學(xué)模型的約束條件以及對其進(jìn)行求解，并考慮井眼曲率對尺寸的影響，最后得到所需扶正器的數(shù)量和安放位置。

2.3選泵與單井設(shè)計技術(shù)

選泵技術(shù)是根據(jù)油井的產(chǎn)能、原油物性、油層深度、螺桿泵特性等來合理選擇螺桿泵的泵型、確定泵的工作參數(shù)，使螺桿泵處于高效工作區(qū)、機(jī)桿泵井達(dá)到最佳匹配，并根據(jù)單井生產(chǎn)動態(tài)及時進(jìn)行工作參數(shù)的調(diào)整，確保螺桿泵在合理區(qū)域內(nèi)工作。

2.4工況檢測

利用地面驅(qū)動螺桿泵非接觸式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速軸向力傳感器及采集系統(tǒng)直接測試轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，使得螺桿泵工況分析從定性走向了定量，實(shí)現(xiàn)采油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)工況的實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和故障診斷。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

筆者在陜北某采油廠選取了4口井進(jìn)行螺桿泵采油先導(dǎo)性試驗(yàn)，井號為3002、3102、3121和3156-1(直井3口，斜井1口)。泵掛深度范圍1199～1313m；最大井斜31.64°；日產(chǎn)液量范圍4.02～9.916m3；含水率范圍61%～87%，為高含水油藏；含有少量伴生氣。根據(jù)此4口油井基本參數(shù)(表1)分析，滿足螺桿泵投產(chǎn)條件。4口試驗(yàn)井均選用GLB75-40型號的螺桿泵，HY型D級1″抗扭抽油桿，選取電機(jī)功率為15kW，沉沒度為60m，防沖距為1.2m左右。

表1 螺桿泵井抽汲工作參數(shù)表

對4口正常運(yùn)行的螺桿泵試驗(yàn)井進(jìn)行效果分析，試驗(yàn)前后的電量數(shù)據(jù)及系統(tǒng)效率如表2所示。

表2 4口試驗(yàn)井措施前后對比分析

通過表2及單井分析和措施前后對比分析得出，螺桿泵井較措施前抽油機(jī)相比較，具有更好的系統(tǒng)效率，節(jié)能降耗效果明顯。①4口螺桿泵井中單井日節(jié)電最高達(dá)108.84kW·h，最低為15.12kW·h，平均節(jié)電76.11kW·h；單井節(jié)電率高達(dá)47.26%，最低為22.03%，平均節(jié)電率為35.95%；達(dá)到預(yù)期節(jié)電率25%的目標(biāo)。②4口螺桿泵井單井系統(tǒng)效率最高達(dá)42.98%，最低為17.79%，平均效率為32.74%。

4 結(jié) 論

1)螺桿泵由于其泵效高、地面設(shè)備節(jié)點(diǎn)少，因此與抽油機(jī)采油系統(tǒng)相比具有機(jī)采系統(tǒng)效率高和能耗低的特點(diǎn)。通過現(xiàn)場應(yīng)用，試驗(yàn)井平均機(jī)采系統(tǒng)效率提高了20.3%，平均單井節(jié)電率為35.95%。

2)選井、選泵、專用抽油桿及扶正器、無級調(diào)參驅(qū)動技術(shù)和單井設(shè)計技術(shù)的配套應(yīng)用，是地面驅(qū)動螺桿泵工藝技術(shù)應(yīng)用取得成功的關(guān)鍵。

3)泵掛和單井產(chǎn)液量是螺桿泵投產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)?？紤]到螺桿泵的安全性和經(jīng)濟(jì)可行性，本次先導(dǎo)性試驗(yàn)井泵掛嚴(yán)格控制在1400m以內(nèi)，具有較好的適應(yīng)性。因此，根據(jù)試驗(yàn)應(yīng)用的4口螺桿泵井正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可以初步確定螺桿泵在延長油田西部采油廠的單井日產(chǎn)液量高且單獨(dú)投產(chǎn)延安組的油井上具有一定的適應(yīng)性。

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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.027

TE355.5

A

1673-1409(2012)07-N080-03

2012-04-28

姚軍(1979-)，男，2002年大學(xué)畢業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)工程專業(yè)采氣工藝技術(shù)方面的研究工作。

［編輯］ 洪云飛