徐東鋒

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163311）

大斜度井中潛油電泵排水采氣應(yīng)用技術(shù)

徐東鋒

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163311）

天然氣、煤層氣不僅儲(chǔ)量豐富，而且燃燒產(chǎn)物清潔環(huán)保。為了增加單井產(chǎn)氣量，技術(shù)人員通過鉆大斜度井將一些地質(zhì)儲(chǔ)量分散的儲(chǔ)層連通起來。由于潛油電泵為無桿采油設(shè)備，對(duì)大斜度井的適應(yīng)能力更強(qiáng)，因而經(jīng)常成為使用者的首選對(duì)象。本文通過對(duì)潛油電泵系統(tǒng)在大斜度井中排水采氣所面臨的難題進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出解決措施及配套工藝，希望能為解決潛油電泵系統(tǒng)在該領(lǐng)域應(yīng)用面臨的問題提供一些參考。

大斜度井；潛油電泵系統(tǒng)；排水采氣

隨著全球石油產(chǎn)量不斷遞減，新能源的開發(fā)利用成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。天然氣、煤層氣不僅儲(chǔ)量豐富，而且燃燒產(chǎn)物清潔環(huán)保，因而對(duì)于那些試圖盡量降低環(huán)境污染的國家具有很大的吸引力。根據(jù)BP公司的研究，全球天然氣探明儲(chǔ)量約156萬億m3，未來可能成為最重要的燃料資源。

然而，大部分的天然氣儲(chǔ)量都處于復(fù)雜的非均質(zhì)儲(chǔ)層中。為了增加單井產(chǎn)氣量，技術(shù)人員通過鉆大斜度井將一些地質(zhì)儲(chǔ)量分散的儲(chǔ)層連通起來。20世紀(jì)90年代以來國外天然氣開采技術(shù)取得很大進(jìn)步，主要以氣舉、配套產(chǎn)品及工藝技術(shù)為主。隨著氣藏的逐步開采，大部分的剩余儲(chǔ)量都分布在有水氣藏中，由于地層能量嚴(yán)重衰竭，這類氣藏大都需要借助于其它工藝進(jìn)行開采，而機(jī)械強(qiáng)制排采不失為一種有效的促產(chǎn)方式。潛油電泵具有排量范圍大、揚(yáng)程高、檢泵周期長、對(duì)大斜度井的適應(yīng)能力更強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠盡可能拉大井底壓差而使水淹氣井盡快復(fù)活。同時(shí)，通過強(qiáng)制排采控制水侵，阻止底邊水干擾氣井生產(chǎn)。

潛油電泵是多級(jí)離心泵，主要依靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力來舉升液體，其對(duì)氣體的適應(yīng)能力較差。潛油電泵在國內(nèi)應(yīng)用于排水采氣領(lǐng)域已有30多年，在試驗(yàn)過程中遇到了電纜故障、氣體干擾等諸多問題。近年來，隨著氣體處理器、防氣電纜及工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，潛油電泵在排水采氣領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)重新獲得用戶的重視。將潛油電泵應(yīng)用于大斜度井中進(jìn)行排水采氣主要面臨以下三個(gè)問題：

（1）如何保證機(jī)組順利通過造斜段安裝到預(yù)定泵掛位置；

（2）如何解決采出液中的氣體對(duì)離心泵運(yùn)行帶來的氣鎖問題；

（3）如何保證機(jī)組在運(yùn)行過程中的可靠性。

1 潛油電泵機(jī)組通過能力分析與電纜保護(hù)

1.1 潛油電泵機(jī)組通過能力分析

由于受油氣井套管內(nèi)徑的限制，潛油電泵機(jī)組一般外徑較小，為了滿足較高舉升揚(yáng)程和較大輸出功率的要求，經(jīng)常采用多節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)之初主要應(yīng)用于垂直井，如果將其應(yīng)用于大斜度井，則必須考慮其自身在套管中的通過能力，以保證機(jī)組能夠順利通過造斜段安裝到預(yù)定泵掛位置。

潛油電泵機(jī)組在安裝過程中能否順利通過造斜段主要取決于四個(gè)參數(shù)，即套管內(nèi)徑、機(jī)組外徑、機(jī)組長度和造斜段最大曲率。判定機(jī)組能否順利通過的常規(guī)計(jì)算方法如下：機(jī)組未發(fā)生彎曲時(shí)與套管的關(guān)系如圖1所示，機(jī)組呈直線狀態(tài)，A、B、C三點(diǎn)與套管內(nèi)壁接觸，此時(shí)套管處的曲率值即為機(jī)組在不彎曲狀態(tài)下能夠通過的最大曲率，其計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

式中：L為造斜段長度，一般取30m；

D為套管內(nèi)徑，mm；

d為機(jī)組外徑，mm；

l為機(jī)組長度，m；

α為機(jī)組通過的最大曲率，°/30m。

如果通過計(jì)算α值大于造斜段最大曲率，機(jī)組可以順利通過造斜段，反之則無法順利通過。

圖1 機(jī)組在不彎曲狀態(tài)下與套管的關(guān)系

上述計(jì)算方法在工程實(shí)際中具有指導(dǎo)意義，但也存在一定的誤差和局限性。首先，潛油電泵機(jī)組在從垂直段下放到彎曲段的過程中存在變形，也就是說機(jī)組本身具有一定的柔韌性；其次，機(jī)組在下放過程中還會(huì)受到自身重力、作業(yè)機(jī)下放力、機(jī)組與套管內(nèi)壁的摩擦力和井底阻力等，這些參數(shù)都會(huì)影響機(jī)組在造斜段的通過能力。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與仿真技術(shù)的發(fā)展，在潛油電泵作業(yè)前應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)組下放模擬仿真和力學(xué)分析，可以有效解決經(jīng)驗(yàn)公式造成的計(jì)算結(jié)果存在較大誤差的問題；同時(shí)也能夠得到在下放過程中機(jī)組各部位的應(yīng)力，針對(duì)應(yīng)力集中的部位采取保護(hù)措施，從而提高機(jī)組的通過能力。

1.2 電纜保護(hù)

在潛油電泵應(yīng)用過程中，大部分故障都發(fā)生在電氣設(shè)備上，其中電纜故障占相當(dāng)大的比例。電纜主要是為井下潛油電機(jī)提供動(dòng)力，對(duì)于大斜度井來說，當(dāng)機(jī)組通過造斜段時(shí)，由于井眼軸線存在曲率變化，機(jī)組和油管在下放過程中發(fā)生彎曲造成電纜的擠壓或拉伸，很容易造成電纜的損壞和失效。

為保護(hù)電纜在通過造斜段時(shí)不受損傷，通常采用電纜保護(hù)器來保護(hù)電纜，電纜保護(hù)器上面設(shè)計(jì)一個(gè)凹槽，用于放置電纜。電纜保護(hù)器能夠保證機(jī)組在通過拐點(diǎn)處和斜井段時(shí)減少對(duì)電纜刮傷、碰傷事故的發(fā)生，同時(shí)能起到很好的扶正和引斜作用。

2 大斜度井中潛油電泵氣體處理技術(shù)

純離心式潛油泵自身能夠處理的泵吸入口處最大氣液比約為5%，當(dāng)潛油電泵工作在含氣較高的環(huán)境中時(shí)，潛油電機(jī)運(yùn)行電流波動(dòng)較大，機(jī)組振動(dòng)加劇，潛油泵內(nèi)部氣蝕加重，甚至氣鎖，嚴(yán)重影響潛油電泵的性能和運(yùn)行壽命。因此，必須采用相應(yīng)的氣體處理設(shè)備以降低氣體對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成的影響。

在潛油電泵的典型應(yīng)用中，一般采用油氣分離器將采出液中的游離氣體與液體進(jìn)行強(qiáng)制分離，分離出來的氣體達(dá)到一定壓力時(shí)通過套管放氣閥進(jìn)行排空。該方法在潛油電泵應(yīng)用于垂直井段或斜度不大的斜直井段時(shí)可以有效減少進(jìn)入潛油泵的游離氣體，但在大斜度井中，由于油氣分離器的進(jìn)液孔與排氣孔幾乎處于同一水平面，油氣分離器將無法發(fā)揮作用。根據(jù)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)摸索，潛油電泵在大斜度井中解決氣體影響的方法主要有以下幾方面。

2.1 加深泵掛位置

由泵汽蝕理論關(guān)系可知，泵發(fā)生汽蝕的臨界條件是吸入裝置汽蝕余量NPSHa與泵的汽蝕余量NPSHr相等。NPSHr由泵的設(shè)計(jì)決定，而NPSHa則隨著泵應(yīng)用條件的改變而發(fā)生變化，當(dāng)泵設(shè)計(jì)完成后，如欲防止汽蝕發(fā)生，則必須提高NPSHa，從而使NPSHa>NPSHr，由于潛油電泵在使用時(shí)潛入液面以下，則：

由式2可知，其它條件保持不變的情況下，盡可能地加深泵掛位置可以增加泵吸入高度gh，減少泵內(nèi)汽蝕的發(fā)生。在套管尺寸允許的前提下，可以配套使用導(dǎo)流罩工藝技術(shù)將機(jī)組安裝到射孔段以下，進(jìn)一步增加NPSHa值（如圖2）。

圖2 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 氣體處理器

由于潛油電泵機(jī)組位于斜度較大的井段，油氣分離器無法正常工作，為了降低氣體對(duì)潛油泵性能的影響，氣體處理設(shè)備采用氣體處理器。

氣體處理器是一種具有特殊功能的泵，與油氣分離器的工作原理不同，它并不是將氣體從液體中分離出去，而是通過采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的葉導(dǎo)輪，將氣液兩相流體轉(zhuǎn)化為如同單相流一樣的更小更均勻的流體，通過增壓使氣泡尺寸減小，即減少了游離氣體總量，從而保證整機(jī)正常工作。氣體處理器安裝于潛油泵與吸入口之間，能夠處理的泵吸入口處最大氣液比為57%。

2.3 組合式潛油泵

組合式潛油泵主要是針對(duì)純離心葉輪而言，它是將純離心葉輪和混流葉輪進(jìn)行組合裝配，利用混流葉輪對(duì)氣體適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，保證潛油泵整體不會(huì)產(chǎn)生氣鎖而能夠連續(xù)工作。其中混流葉輪安裝的數(shù)量越多，潛油泵的抗氣鎖能力越強(qiáng)，但是混流葉輪的排量相對(duì)都比較大，與小排量的離心葉輪匹配使用后，工作點(diǎn)會(huì)明顯偏離其高效區(qū)，工作效率將會(huì)大幅降低，安裝過多會(huì)嚴(yán)重影響潛油泵的整體效率，導(dǎo)致所需電機(jī)功率增加。

組合式潛油泵的設(shè)計(jì)在充分利用現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過靈活匹配組合不同特性的葉導(dǎo)輪，既滿足某些油氣井對(duì)潛油泵的低排量要求，同時(shí)加強(qiáng)了低排量葉導(dǎo)輪的抗氣鎖能力。實(shí)際上，組合式潛油泵是一種簡(jiǎn)單、高效的抗氣鎖混合流型泵。

3 相關(guān)配套產(chǎn)品與工藝技術(shù)

3.1 井口穿越器

井口穿越器是一種電纜穿越裝置，與潛油電泵井口配合使用，使電纜穿越井口給電機(jī)供電。天然氣井由于井口壓力普遍較高，必須采用電纜穿越裝置以確保井口部位的密封能力，保證安全。

3.2 防氣電纜

天然氣井應(yīng)用潛油電泵電纜，電纜擊穿損壞占潛油電泵故障的首位。其原因一方面是井下的高溫、高壓天然氣滲入電纜絕緣層，致其鼓包破壞絕緣；另一方面是高溫、高壓、腐蝕環(huán)境對(duì)絕緣材料、接頭材料和施工技術(shù)提出了較高的要求。針對(duì)以上問題，第一，選用耐溫等級(jí)高的電纜；第二，嚴(yán)格執(zhí)行電纜聯(lián)接工藝，采用進(jìn)口連接料；第三，采用鉛護(hù)套電纜，防止高壓氣體進(jìn)入絕緣層造成的電纜絕緣層鼓包問題。

3.3 控制合理的套壓生產(chǎn)

通過氣體壓力、流速和壓縮系數(shù)來分析氣體實(shí)際的工作狀態(tài)，初期當(dāng)壓力增大時(shí)，壓縮系數(shù)反而減小，即通過環(huán)形截面積的流速隨之減??；但到一定值后，壓縮系數(shù)隨著假定壓力增大而增大，流速也隨之增大。同時(shí)我們還要考慮泵的合理運(yùn)行狀態(tài)，所以需要我們根據(jù)以往摸索的經(jīng)驗(yàn)，理論結(jié)合實(shí)際，控制合理的油、套壓、泵吸入口及出口壓力是排采的核心所在。

3.4 變頻調(diào)速生產(chǎn)

變頻調(diào)速是一種潛油電泵驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，它可以通過變頻器內(nèi)的變頻裝置及控制系統(tǒng)，根據(jù)油氣井的生產(chǎn)實(shí)際情況，通過改變電源頻率調(diào)節(jié)潛油電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使油氣井產(chǎn)能和電泵匹配合理。當(dāng)有氣體干擾時(shí)可采取高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的辦法，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，增強(qiáng)氣體分離和處理效果，減少天然氣對(duì)潛油泵的干擾，從而延長機(jī)組使用壽命。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2013年9月底，蘇里格氣田蘇59-15-48H井計(jì)劃安裝潛油電泵，其井身結(jié)構(gòu)如圖3所示，垂直深度3550m，最大井斜角90°，生產(chǎn)套管5-1/2”， 壁 厚9.19mm， 內(nèi) 徑121.44mm，機(jī)組安裝在水平段，泵掛位置上方最大曲率5.549°/30m。

圖3 蘇59-15-48H井身結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上述油井資料，潛油電泵機(jī)組選用101系列泵、氣體處理器、吸入口、保護(hù)器和95系列電機(jī)的配套方式。由于機(jī)組安裝在水平段，迷宮型保護(hù)器和油氣分離器將失去作用，因而保護(hù)器選用膠囊式，氣體處理設(shè)備選用氣體處理器與吸入口。由于電機(jī)主要依靠流經(jīng)其表面的液體進(jìn)行散熱，而當(dāng)電機(jī)水平放置時(shí)其一側(cè)緊貼套管內(nèi)壁，必然會(huì)影響電機(jī)的散熱效果。因此，我們提升了潛油電泵機(jī)組的耐溫等級(jí)。根據(jù)機(jī)組參數(shù)、生產(chǎn)套管數(shù)據(jù)和最大曲率值，如果采用式1進(jìn)行計(jì)算，所選潛油電泵機(jī)組將無法通過最大曲率點(diǎn)，而軟件仿真分析的結(jié)果為所選機(jī)組在該井中能夠通過的最大曲率為9.125°/30m，機(jī)組能夠順利通過最大曲率點(diǎn)。

該井于2013年9月30日順利投產(chǎn)，吸入口壓力由3100psi逐漸降低至1800psi左右（如圖4），即動(dòng)液面持續(xù)降低，由此可知該井潛油電泵機(jī)組達(dá)到了快速排液、降低井筒動(dòng)液面促進(jìn)產(chǎn)氣的效果。

圖4 蘇59-15-48H井泵吸入口壓力趨勢(shì)圖

5 結(jié)束語

在可以預(yù)見的未來，天然氣、煤層氣在能源構(gòu)成中所占的比重會(huì)逐漸增大，相應(yīng)的開采工藝與技術(shù)也將成為新的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。通過潛油電泵能力分析與評(píng)價(jià)軟件在機(jī)組下井作業(yè)前進(jìn)行模擬計(jì)算分析，可以避免因經(jīng)驗(yàn)不足帶來的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)根據(jù)機(jī)組所受應(yīng)力分布情況，通過更換機(jī)組材質(zhì)、設(shè)計(jì)保護(hù)措施、調(diào)整選井選泵設(shè)計(jì)參數(shù)等方法，提高機(jī)組的通過能力。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，在大斜度井中應(yīng)用潛油電泵排出井底積液、降低井底壓力可以快速實(shí)現(xiàn)水淹井、水氣同產(chǎn)井的復(fù)產(chǎn)。隨著潛油電泵排水采氣和大斜度井應(yīng)用工藝技術(shù)的日益完善，潛油電泵在天然氣、煤層氣開采領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇碌陌l(fā)展機(jī)遇。

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