薛 瑾

(中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院)

隨著瑪湖10×108t特大型油田的發(fā)現(xiàn)，瑪湖地區(qū)將成為未來新疆油田油氣開發(fā)的重要區(qū)域，主要含油層系三疊系百口泉組埋深為2 812～3 920 m，滲透率0.35 mD，屬于低滲儲(chǔ)層。近幾年，先后在該區(qū)域開發(fā)了瑪2、瑪18等區(qū)塊，為降低鉆完井成本，采用?127 mm、?139.7 mm套管完井。生產(chǎn)井主要采用壓裂后自噴的方式投產(chǎn)，產(chǎn)量遞減很快?，?井區(qū)7口試驗(yàn)井初期油井產(chǎn)油量13.1 t/d，投產(chǎn)前3個(gè)月日產(chǎn)油遞減率0.4%～2.2%。轉(zhuǎn)機(jī)抽后采用有桿泵進(jìn)行生產(chǎn)，平均下泵深度2 500 m，由于地層供液不足，5口井采用間抽生產(chǎn)，問題較為突出。同時(shí)，沖程損失大，平均泵效僅有24.6%，平均系統(tǒng)效率僅為12.3%，呈現(xiàn)出“液面、泵效、系統(tǒng)效率、產(chǎn)量”均較低的“四低”特點(diǎn)，開發(fā)效益差。

目前，國內(nèi)遼河、青海、勝利等油田均開展了深井舉升工藝技術(shù)的研究[1-4]，以采用有桿泵為主，滿足了泵掛深度≤4 000 m的要求，但存在系統(tǒng)效率和泵效較低以及桿柱偏磨問題，仍然需要完善配套技術(shù)。中原油田試驗(yàn)了30 m3/d的電潛離心泵深抽技術(shù)[5]，下泵深度達(dá)到了3 000 m，解決了有桿泵應(yīng)用于深井桿柱偏磨、桿斷等難題，但對(duì)于產(chǎn)量較低特別是產(chǎn)量≤10 m3/d的油井，卻無法應(yīng)用電潛離心泵。本文根據(jù)瑪湖區(qū)塊埋藏深、產(chǎn)量低的特點(diǎn)，在國內(nèi)首次開展了電潛柱塞泵無桿深抽工藝研究及試驗(yàn)，解決了有桿泵在深抽中存在的一些問題，驗(yàn)證了無桿泵相對(duì)于有桿泵在深井舉升中的優(yōu)勢(shì)，取得了良好的試驗(yàn)效果。

一、技術(shù)分析

1. 總體技術(shù)方案

電潛柱塞泵的下入深度受抽油泵的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、油管強(qiáng)度、直線電機(jī)額定載荷的影響，套管尺寸決定了的工具設(shè)計(jì)和選型，也是影響下入深度的因素。國內(nèi)油田多采用API油管，具有成熟的產(chǎn)品系列，深井舉升條件下需要采用高鋼級(jí)油管，并對(duì)油管強(qiáng)度進(jìn)行校核。直線電機(jī)也已形成了產(chǎn)品的系列化，小規(guī)模試驗(yàn)受經(jīng)濟(jì)因素影響不能根據(jù)需要研發(fā)直線電機(jī)，只能選用現(xiàn)有成熟產(chǎn)品。因此，為提高抽油泵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，滿足深井舉升的需要，抽油泵采用插入式結(jié)構(gòu)從而改變了泵筒的受力方式[6]，大大增加了下泵深度。通常情況下，抽油泵和油管的強(qiáng)度足夠，直線電機(jī)的載荷決定了抽油泵的下入深度。投撈式電潛柱塞泵舉升管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

抽油泵上端設(shè)計(jì)有油管密封、定位的裝置和抽油泵可打撈結(jié)構(gòu)，下端設(shè)計(jì)了與直線電機(jī)動(dòng)子對(duì)接和脫開的裝置。生產(chǎn)時(shí)從油管下入抽油泵，然后將抽油泵與油管錨定、坐封，啟動(dòng)電機(jī)對(duì)接動(dòng)子和柱塞，即可正常抽油；在需要檢泵時(shí)，用抽油桿下入打撈器提出抽油泵，無需提出其他工具，大大提高了檢泵作業(yè)效率。

圖1 投撈式電潛柱塞泵舉升管柱

2. 舉升載荷計(jì)算方法

目前，未見有電潛柱塞泵舉升載荷的計(jì)算模型和方法公開報(bào)道。投撈式電潛柱塞泵的主要結(jié)構(gòu)包括直線電機(jī)和柱塞泵，參考常規(guī)有桿抽油泵的載荷計(jì)算組成，舉升載荷主要有液柱載荷、液柱與油管摩擦載荷、柱塞與泵筒半干摩擦力、慣性載荷。上行程時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉、固定閥打開，液柱作用在柱塞上，此時(shí)電機(jī)上作用最大載荷。定義最大舉升載荷計(jì)算方法為:

p=Appd-(Ap-Ard)ps+Ff+F慣

(1)

式中:Ap—柱塞橫截面積，m2；pd—泵的排出壓力，Pa；Ard—柱塞桿橫截面積，m2；ps—泵的沉沒壓力，Pa；Ff—柱塞與泵筒之間的摩擦力，N；F慣—液柱的慣性力，N。

(2)

式中：Lp—柱塞長度，m；D—柱塞直徑，m；Δp—柱塞上下壓差，Pa；δ—柱塞與泵筒的徑向間隙，m；μ—流體黏度，Pa·s；νp—柱塞的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；ε—偏心比，與柱塞泵的精度有關(guān)，ε=e/δ，e—柱塞與柱塞泵內(nèi)徑的偏心距。

(3)

式中:α—柱塞運(yùn)動(dòng)的加速度，m/s2；F液—液柱的靜載荷，kN。

下行程時(shí)，泵游動(dòng)閥關(guān)閉、固定閥打開，此時(shí)沉沒壓力作用在柱塞上，直線電機(jī)承受載荷最小。定義最小舉升載荷計(jì)算方法為:

p=(Ap-Ard)ps-Ff

(4)

對(duì)不同泵徑、不同泵掛深度的舉升載荷進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 不同條件下舉升載荷計(jì)算

3. 泵筒受力分析

由于泵筒采用上部自由懸掛的方式固定，工作時(shí)泵筒所承受的載荷主要有內(nèi)壓、外壓po、自重、浮力以及柱塞、液流對(duì)泵筒內(nèi)壁的摩擦力。自重、浮力及摩擦力可忽略不計(jì)。柱塞下行時(shí)，密封定位裝置以上的泵筒部分，在外壓(數(shù)值等于pi)與內(nèi)壓(數(shù)值等于po)作用下產(chǎn)生徑向收縮；柱塞上行時(shí)，密封定位裝置以下的泵筒部分在內(nèi)壓pi、外壓po作用下產(chǎn)生徑向膨脹[7]。

泵筒內(nèi)壓計(jì)算方法：

pi=ρgh+pb+Δp

(5)

式中：pi—泵筒內(nèi)壓力，Pa；ρ—液體密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2，數(shù)值取9.8；h—泵下深，m；pb—井口油壓，Pa；Δp—摩擦壓降，Pa。

泵筒所受的外壓與抽油泵的沉沒度有關(guān)，按公式(6)計(jì)算：

p0=ρgΔh

(6)

式中：Δh—抽油泵沉沒度，m。

泵筒材料為35CrMo，考慮極端情況外壓取0 MPa，對(duì)泵筒在上、下行程中的受力進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

計(jì)算結(jié)果表明，采用頂部自由懸掛方式，?32 mm和?38 mm抽油泵泵筒強(qiáng)度完全能夠滿足≤5 000 m深井舉升要求。

4. 下泵深度設(shè)計(jì)

在確定不同下泵深度時(shí)的舉升載荷以及抽油泵可下入深度以后，針對(duì)目前區(qū)塊采用?139.7 mm套管條件下，可以選用的直線電機(jī)型號(hào)有WFQYDB-114-660-(22～35)和WFQYDB-114-1140-(30～50)，外徑均為114 mm；根據(jù)普遍產(chǎn)量低于10 m3/d條件，配套采用?32 mm或?38 mm抽油泵?？紤]油管重量及動(dòng)力電纜重量，需要對(duì)油管的可下入深度進(jìn)行計(jì)算。最終，綜合考慮抽油泵強(qiáng)度、直線電機(jī)舉升力、油管強(qiáng)度以及油藏條件等因素，確定了不同抽油泵的極限下入深度，結(jié)果見表3。

表2 不同泵掛深度條件下泵筒受力

表3 極限下泵深度計(jì)算

二、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

1. 應(yīng)用實(shí)例及生產(chǎn)效果

2017年12月至今，先后在?139.7 mm套管試驗(yàn)3口井。采用的直線電機(jī)型號(hào)為WFQYDB-114-1140-(30～50)，推力為35 kN；采用?32 mm×1.23 m抽油泵，理論排量11.4 m3/d。試驗(yàn)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 生產(chǎn)數(shù)據(jù)表

最深泵掛深度達(dá)到3 503.4 m，平均深度3 477 m，平均產(chǎn)液量4.57 m3/d，平均泵效80.3%，與該區(qū)塊抽油機(jī)井泵掛2 500 m相比，大大加深了泵掛，保證了油井的連續(xù)生產(chǎn)，取得了較好的試驗(yàn)效果。

2. 節(jié)能效果分析

為對(duì)比該技術(shù)相對(duì)于游梁式有桿泵的節(jié)能效果，2018年12月對(duì)Ma1303井進(jìn)行了節(jié)能效果測(cè)試，結(jié)果見表5。

表5 節(jié)能效果測(cè)試對(duì)比

由表5可以看出，與原來該井的游梁式有桿泵相比，電機(jī)功率因數(shù)提高了111.6%，系統(tǒng)效率提高了95.6%；產(chǎn)液單耗降低了64.79%；百米噸液單耗下降了47.7%。節(jié)能率為47.7%，節(jié)能效果顯著。

三、結(jié)論及建議

(1)國內(nèi)首次開展了無桿柱塞泵深井舉升試驗(yàn)，滿足了相關(guān)區(qū)塊?139.7 mm套管中泵掛深度≤3 500 m、排量≤10 m3/d的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)需求，為同類型油井的開采提供了技術(shù)借鑒。

(2)解決了有桿泵深井舉升系統(tǒng)效率低、泵效低以及管桿偏磨、斷脫問題。

(3)研究外徑≤94 mm以及推力≥60 kN直線電機(jī)以及配套工具，滿足?127 mm小井眼深井舉升和大排量油井進(jìn)一步加深泵掛的需求。