孟曉春 韓歧清 韓濤 陳銳

（1.大港油田公司第二采油廠；2.大港油田公司采油工藝研究院）

大港油田稠油油藏動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的30%，主體分布在棗園、王官屯、羊三木、劉官莊等區(qū)塊；原油黏度高，50℃條件下地面原油黏度為200～16 800 mPa·s，井筒流動(dòng)性差，油藏整裝程度低，無法配套蒸汽驅(qū)、火燒油層等熱采開發(fā)技術(shù)，需配套電加熱、井筒摻水、加藥等降黏措施輔助生產(chǎn)；開采能耗大，抽油機(jī)配套電加熱工藝，單井年運(yùn)行能耗費(fèi)用高達(dá)30萬元；一次性投入及維護(hù)成本高，較抽油機(jī)有桿泵一次性投入增加25萬元，井筒摻水、加藥投入增加7萬元。因此，高黏稠油油藏面臨降投入和降運(yùn)行成本的技術(shù)需求[1]。

電動(dòng)潛油螺桿泵舉升工藝具有系統(tǒng)效率高、直驅(qū)無減速裝置、無桿采油等工藝優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)螺桿泵利用擠壓增壓方式，剪切作用小，適合發(fā)展稠油冷采舉升工藝。大港油田首先開展了電動(dòng)潛油螺桿泵新型無桿泵舉升工藝配套研究試驗(yàn)，為大港油田稠油區(qū)塊效益開發(fā)和大斜度井的工藝配套提供了有效技術(shù)途徑。

1 工藝原理及適用條件

1.1 工藝原理

電動(dòng)潛油螺桿泵采油系統(tǒng)是將潛油電動(dòng)機(jī)置于井下機(jī)組的底端，通過保護(hù)器、聯(lián)軸器組件與螺桿泵的轉(zhuǎn)子下端直接連接，利用電纜將電力傳送至井下潛油電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過轉(zhuǎn)子輸出扭矩驅(qū)動(dòng)螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)，將井液舉升到地面。

電動(dòng)潛油螺桿泵井筒配套主要由螺桿泵、聯(lián)軸器、保護(hù)器、永磁同步電動(dòng)機(jī)、測(cè)溫測(cè)壓裝置等組成[2]（圖1）。

圖1 電動(dòng)潛油螺桿泵管柱

1.2 工藝特點(diǎn)

1）井筒機(jī)組配套：低轉(zhuǎn)速大扭矩永磁同步電動(dòng)機(jī)+保護(hù)器+聯(lián)軸器+PCM螺桿泵+智能測(cè)溫測(cè)壓裝置。

2）地面控制系統(tǒng)配套：智能啟停及保護(hù)+運(yùn)行監(jiān)測(cè)及智能控制+數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳及診斷系統(tǒng)。

3）相比于貝克休斯?jié)撚吐輻U泵，應(yīng)用了10級(jí)永磁同步電動(dòng)機(jī)，配套變頻控制，轉(zhuǎn)速降為80～250 r/min，無需配套減速器裝置，避免了故障點(diǎn)。另外，無轉(zhuǎn)子損耗、無轉(zhuǎn)差損耗，電動(dòng)機(jī)效率達(dá)到80%；啟動(dòng)扭矩高，可達(dá)到額定扭矩的250%；機(jī)組溫升低，配套電動(dòng)機(jī)功率低，運(yùn)行電流低，發(fā)熱量僅為異步電動(dòng)機(jī)的20%。

4）相比于潛油電泵，螺桿泵采用擠壓增壓方式，機(jī)械效率高，低剪切作用，從而提高稠油進(jìn)泵效率，節(jié)能降耗；相比于電熱桿舉升工藝，螺桿泵應(yīng)用連續(xù)舉升方式，致使過流面積大幅增加、摩阻大幅降低，從而實(shí)現(xiàn)稠油的井筒冷采，降低能耗。

1.3 技術(shù)適應(yīng)條件

排量≤80 m3/d

舉升揚(yáng)程≤2 600 m

50℃地面脫氣原油黏度≤16 000 mPa·s

套管內(nèi)徑≥121.4 mm

泵掛處井斜≤90°

泵掛處全角變化率≤5°/30 m

2 稠油冷采工藝試驗(yàn)

針對(duì)稠油開采能耗高的問題，開展稠油冷采舉升工藝試驗(yàn)，初期試驗(yàn)6口井，4口井成功，2口井出現(xiàn)問題。針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，依據(jù)大港油田的油藏特征、液性、井況，對(duì)工藝設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，同時(shí)開展了不同井況配套技術(shù)研究，提高了電動(dòng)潛油螺桿泵在大港油田稠油井的適應(yīng)性。

2.1 試驗(yàn)中存在的問題

A井是1口因原油黏度大而不能正常生產(chǎn)的長期關(guān)停井，也是開展冷采試驗(yàn)的第1口低含水率、低液量、高黏度的油井。生產(chǎn)井段為1406.1～1 411.9 m，50℃地面原油黏度為10 918 mPa·s，泵入口處溫度60℃，套管內(nèi)徑124.26 mm。設(shè)計(jì)螺桿泵型號(hào)13E2600（在轉(zhuǎn)速100 r/min情況下，理論排量是13 m3/d），配套電動(dòng)機(jī)功率11 kW，泵掛深度1 375 m，泵掛處井斜18.6°，泵掛處全角變化率0.35°/30 m，泵上最大井斜23.25°，泵上最大全角變化率3.15°/30 m。

問題一：高黏稠油井筒摩阻預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，對(duì)地層供液能力估計(jì)不足，螺桿泵排量選型不當(dāng)。2017年5月完井投產(chǎn)，機(jī)泵轉(zhuǎn)速66 r/min，日產(chǎn)液5 m3，日產(chǎn)油4.75 t，含水率5%，電流9 A。頻繁出現(xiàn)過流報(bào)警，判斷地層供液不足，采取套管補(bǔ)液的方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。每天摻水3～5 m3，摻水后電流迅速降低，隨著液面逐漸降低，電流逐漸升高，電流多次超額定電流運(yùn)行，摻水生產(chǎn)10天后，電動(dòng)機(jī)無絕緣（圖2）。

問題二：小扁電纜與電動(dòng)機(jī)接頭處無絕緣，小扁電纜密封失效。

問題三：螺桿泵吸入口過流面積小，稠油進(jìn)泵阻力大。

B井為2014年11月開發(fā)的探井，投產(chǎn)后含水率高達(dá)98%，采用普通抽油機(jī)有桿泵，由于原油黏度大、流動(dòng)性差、出砂等原因?qū)е缕渖a(chǎn)不正常，頻繁檢泵，2015年8月關(guān)停。該井為開展電動(dòng)潛油螺桿泵試驗(yàn)的第1口井，是1口中高含水率、中高液量、中高黏度稠油井。生產(chǎn)井段為1908.2～1932.2 m，套管內(nèi)徑為124.26 mm。設(shè)計(jì)泵型13E2600，配套電動(dòng)機(jī)功率11 kW，泵深1 600 m，泵上最大井斜2.44°，泵上最大全角變化率1.28°/30 m，泵掛處井斜2.19°，泵掛處全角變化率0.28°/30 m。2017年5月試用電動(dòng)潛油螺桿泵，機(jī)泵轉(zhuǎn)速100 r/min，日產(chǎn)液22 m3，日產(chǎn)油3.4 t，含水率84%。

問題四：2018年5月17日電流頻繁過載，采用罐車熱洗無效，作業(yè)后發(fā)現(xiàn)螺桿泵轉(zhuǎn)子卡死在定子橡膠內(nèi)，分析為干抽，轉(zhuǎn)子與定子干摩溫度升高，破壞了定子橡膠。

問題五：作業(yè)發(fā)現(xiàn)保護(hù)器放油孔的螺釘存在松動(dòng)情況，判斷為震動(dòng)導(dǎo)致。該螺釘松動(dòng)使井液從此處進(jìn)入保護(hù)器內(nèi)部，致使保護(hù)器失效。

圖2 摻水生產(chǎn)過程中電流變化

2.2 含水率對(duì)井液黏度的影響

摩阻計(jì)算模型中，雖然考慮了原油黏度、地層溫度、井眼軌跡等因素對(duì)黏度變化的影響[3]，但是通常應(yīng)用50℃地面脫水原油黏度值計(jì)算摩阻。而實(shí)際生產(chǎn)過程中，井筒液體為油水混合物而非純油，因此，需要研究不同含水率條件下油水混合物黏度的變化規(guī)律，應(yīng)用油水混合物黏度來計(jì)算摩阻，其結(jié)果更貼合實(shí)際情況，為螺桿泵舉升揚(yáng)程優(yōu)選提供重要依據(jù)[3]。

研究了不同含水率條件下油水混合物的黏度，發(fā)現(xiàn)在含水率為40%時(shí)是油水混合物黏度的轉(zhuǎn)向點(diǎn)，即含水率為40%時(shí)油水混合物黏度最高，含水率高于40%后，黏度急劇降低（圖3）。

圖3 不同含水率條件下油水混合物的黏度變化

選取劉官莊油田油水混合物黏度最高的1口C井，進(jìn)行了不同含水率油水混合物黏度條件下的摩阻計(jì)算?；緮?shù)據(jù)及摩阻計(jì)算結(jié)果見表1及表2。

表1 C井基本數(shù)據(jù)

表2 C井摩阻計(jì)算結(jié)果

2.3 研究配套井下測(cè)溫測(cè)壓裝置

為了預(yù)防螺桿泵干抽，同時(shí)解決稠油井地面測(cè)量動(dòng)液面誤差大或無法測(cè)量的問題，優(yōu)化配套了井下測(cè)溫測(cè)壓裝置，實(shí)時(shí)獲取井下壓力、溫度數(shù)據(jù)。依據(jù)沉沒壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，恒定控制沉沒度，預(yù)防干抽的同時(shí)實(shí)現(xiàn)油井產(chǎn)量的最大化。

最終形成了間抽自動(dòng)啟停及恒定動(dòng)液面自動(dòng)調(diào)速兩種智能控制模式。測(cè)溫測(cè)壓裝置見圖4，裝置參數(shù)見表3。

表3 測(cè)溫測(cè)壓裝置參數(shù)

圖4 測(cè)溫測(cè)壓裝置示意圖

恒定動(dòng)液面自動(dòng)調(diào)速模式：依據(jù)監(jiān)測(cè)的壓力值可計(jì)算出沉沒度，通過設(shè)定壓力值實(shí)現(xiàn)油井在最佳沉沒度下高效生產(chǎn)，超過設(shè)定壓力值，自動(dòng)提高轉(zhuǎn)速，低于設(shè)定壓力值自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒定動(dòng)液面智能采油。例如A井，設(shè)置壓力值為2.0 MPa，通過壓力數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了恒定動(dòng)液面生產(chǎn)（圖5）。

間抽自動(dòng)啟停模式：與恒定動(dòng)液面自動(dòng)調(diào)速模式不同的是設(shè)定壓力上下限值。當(dāng)監(jiān)測(cè)壓力低于設(shè)定的壓力下限值時(shí)，關(guān)停電動(dòng)機(jī)恢復(fù)液面；當(dāng)監(jiān)測(cè)壓力高于設(shè)定壓力上限值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

例如C井，由于近井地帶污染，油流通道不通暢導(dǎo)致供液不足，設(shè)置壓力上限值為2 MPa，壓力下限值為0.3 MPa，通過壓力數(shù)據(jù)自動(dòng)啟停電動(dòng)機(jī)，壓力在該區(qū)間內(nèi)變化，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)間抽采油（圖6）。

圖5 恒定動(dòng)液面模式下壓力-轉(zhuǎn)速示意圖

圖6 間抽模式下壓力變化示意圖

2.4 優(yōu)化螺桿泵吸入口

螺桿泵吸入口尺寸由110 mm×12 mm優(yōu)化為120 mm×15 mm，過流面積增加62%，進(jìn)液阻力降低27%[4]。螺桿泵吸入口優(yōu)化對(duì)比見圖7。

圖7 螺桿泵吸入口優(yōu)化示意圖

2.5 優(yōu)化保護(hù)器結(jié)構(gòu)

由于稠油黏度大、流動(dòng)性差，在下井過程中以及正常生產(chǎn)過程中井液不能快速通過呼吸孔填充保護(hù)器腔體，從而導(dǎo)致保護(hù)器內(nèi)外壓差增大，致使電動(dòng)機(jī)內(nèi)外壓差不能快速平衡，在電源接頭處易出現(xiàn)密封失效問題。

考慮稠油流動(dòng)引起的壓力差，將保護(hù)器呼吸孔由下端優(yōu)化至上端，并在下井前在膠囊外腔體注入電動(dòng)機(jī)油。在下井過程中由于提前注入電動(dòng)機(jī)油，使保護(hù)器內(nèi)外壓差迅速得到平衡，有效提高了對(duì)稠油井的適應(yīng)性[5]。保護(hù)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比見圖8。

圖8 保護(hù)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

2.6 改進(jìn)小扁電纜接頭材質(zhì)

小扁電纜接頭密封件材質(zhì)承壓失效是導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)進(jìn)液短路的重要原因，因此將接頭密封件材質(zhì)由耐壓0.35 MPa提升至0.6 MPa；同時(shí)對(duì)小扁電纜規(guī)格進(jìn)行升級(jí)[6]，進(jìn)一步提升小扁電纜適應(yīng)能力和工作穩(wěn)定性。

2.7 機(jī)組管柱減振優(yōu)化

潛油螺桿泵機(jī)組總長度18.2 m，平均轉(zhuǎn)速150 r/min。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行以及螺桿泵轉(zhuǎn)子的偏心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)易引起機(jī)組在套管內(nèi)產(chǎn)生非線性振動(dòng)，造成機(jī)組殼體連接處、電纜接頭松動(dòng)，保護(hù)器損壞等現(xiàn)象，也是電動(dòng)機(jī)短路失效的重要原因；因此，在螺桿泵兩端優(yōu)化設(shè)計(jì)了阻尼減振器，外徑為?124 mm或?121 mm，減少了機(jī)組在套管內(nèi)的振動(dòng)，提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 應(yīng)用效果

電動(dòng)潛油螺桿泵在高黏稠油冷采等方面取得良好成效，共實(shí)施27口井，平均單井產(chǎn)量由2.9 t提升至4.1 t，排量效率由43.7%提升至82.5%，平均運(yùn)行電流為9.8 A，平均運(yùn)行功率為3.7 kW，平均日耗電由應(yīng)用前的1 281 kWh降至89 kWh，節(jié)電率為93%，累計(jì)節(jié)電411×104kWh，年均運(yùn)行能耗由30萬元降至6.6萬元，節(jié)能效果顯著。

恢復(fù)因油稠不能正常生產(chǎn)的長停井7口，實(shí)現(xiàn)高黏稠油無輔助降黏冷采，累計(jì)增油6 000 t。單井投入成本由75萬元降至54萬元，累計(jì)節(jié)省一次性投入592萬元。通過高黏稠油難采區(qū)塊工藝技術(shù)評(píng)價(jià)，增加經(jīng)濟(jì)動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量343×104t，部署新井34口，新建產(chǎn)能3.48×104t。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）研究了不同含水井液黏度變化規(guī)律，為準(zhǔn)確計(jì)算摩阻、準(zhǔn)確配套螺桿泵型號(hào)提供了依據(jù)。

2）優(yōu)化改進(jìn)了保護(hù)器結(jié)構(gòu)及電纜接頭材質(zhì)，解決了稠油井保護(hù)器及電動(dòng)機(jī)內(nèi)外壓力平衡慢的問題，優(yōu)化了螺桿泵吸入口，提升了對(duì)稠油井的技術(shù)適應(yīng)性。

3）研究配套了智能測(cè)溫測(cè)壓配套技術(shù)，應(yīng)用壓力數(shù)據(jù)智能控制技術(shù)杜絕了螺桿泵干抽問題，為低液量稠油井的應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

4）應(yīng)用電動(dòng)潛油螺桿泵取代高耗能的電加熱工藝，實(shí)現(xiàn)高黏稠油無輔助降黏工藝?yán)洳?，相比抽油機(jī)電加熱工藝，節(jié)電率為93%，節(jié)能成效突出。