孫郭鋒，，楊炳華，馬永凱

（1.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000；2.中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

海上油田采用潛油電泵進(jìn)行高凝固點(diǎn)油藏開發(fā)時(shí)，油井停井后，油管內(nèi)原油將逐漸凝固，堵塞油管，導(dǎo)致潛油電泵無(wú)法重新啟動(dòng)，因此該類海上油田設(shè)計(jì)有油管防凝工藝。常用工藝有3 種，即①反循環(huán)洗井[1]，過濾海水置換油管內(nèi)原油；②向油管內(nèi)正擠柴油，將油管內(nèi)可能發(fā)生凝固的原油頂替至油套環(huán)空；③同時(shí)向油管和油套環(huán)空內(nèi)注入柴油，將油管和油套環(huán)空內(nèi)可能發(fā)生凝固的原油擠入地層。在潛油電泵出口安裝單流閥的油井，若采用反循環(huán)洗井方式置換油管內(nèi)原油，需同時(shí)清洗置換套管內(nèi)原油，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，不適用于海上應(yīng)急。若采用向油管內(nèi)正擠柴油或同時(shí)向油管和油套環(huán)空內(nèi)注入柴油的方案，需首先通過鋼絲作業(yè)打開循環(huán)滑套或撈出Y-tool 結(jié)構(gòu)的堵塞器[2]，建立置換油管內(nèi)原油的通道。由于油田現(xiàn)場(chǎng)不配備鋼絲作業(yè)的設(shè)備和人員，需從陸地動(dòng)員，周期長(zhǎng)，也不適用于海上油田異常關(guān)停、臺(tái)風(fēng)撤離等突發(fā)情況。對(duì)于潛油電泵出口不安裝單流閥的油井，潛油電泵停泵后，井筒內(nèi)液體回流至井底，潛油電泵泵軸將遭受很大的反向扭矩，增加泵軸斷軸風(fēng)險(xiǎn)，影響電泵使用壽命[3]。

為解決潛油電泵開發(fā)高凝固點(diǎn)油藏時(shí)油管防凝和潛油電泵停泵后泵軸承受反向凝聚這一相互矛盾的問題，筆者研究了一種新型潛油電泵單流閥，既可以避免潛油電泵泵軸因井液回流而遭受反向扭矩，保護(hù)潛油電泵，又可實(shí)現(xiàn)直接對(duì)潛油電泵井進(jìn)行正循環(huán)洗井或正擠油管內(nèi)高凝固點(diǎn)原油的目的。無(wú)需鋼絲作業(yè)，從而縮短作業(yè)時(shí)間，降低作業(yè)費(fèi)用。尤其對(duì)動(dòng)液面較低的油井，潛油電泵停泵后，油管內(nèi)易凝管段的原油將在重力作業(yè)下流入油套環(huán)空[4]，不再需要對(duì)油管內(nèi)高凝固點(diǎn)原油進(jìn)行置換。

1 新型單流閥的設(shè)計(jì)

1.1 新型單流閥結(jié)構(gòu)

新型單流閥（如圖1 所示）由生產(chǎn)腔和排液腔兩部分構(gòu)成，主要包括生產(chǎn)腔殼體、排液腔殼體、排液腔端蓋、排液閥閥球、生產(chǎn)腔排液孔、排液閥閥桿、生產(chǎn)腔閥板、排液腔下腔室、排液腔泄壓孔、閥板支撐軸等部分。生產(chǎn)腔殼體為圓柱形，上下兩端帶有螺紋，與油管或潛油電泵連接。生產(chǎn)腔殼體上設(shè)置有生產(chǎn)腔排液孔和排液腔泄壓孔兩個(gè)孔道。生產(chǎn)腔內(nèi)設(shè)置生產(chǎn)腔閥板和密封凸槽，生產(chǎn)腔閥板設(shè)置有一長(zhǎng)閥柄，生產(chǎn)腔閥板可繞置生產(chǎn)腔殼體上的閥板支撐軸在90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，生產(chǎn)腔閥板與密封凸槽相配合。排液腔置于生產(chǎn)腔外側(cè)，包括上下兩個(gè)腔室。排液閥閥球置于排液腔上腔室內(nèi)，閥球上端面為凹型結(jié)構(gòu)，彈簧置于凹型結(jié)構(gòu)內(nèi)，防止伸縮移動(dòng)過程中發(fā)生側(cè)斜。排液閥閥球與排液腔內(nèi)壁尺寸相互配合，閥球底部連接排液閥閥桿，閥桿底部與生產(chǎn)腔閥板的閥柄對(duì)抵結(jié)合。排液腔頂部為排液腔端蓋。排液腔外側(cè)也設(shè)置有生產(chǎn)腔排液孔。

圖1 新型單流閥結(jié)構(gòu)

1.2 新型單流閥的工作原理

該潛油電泵單流閥通過生產(chǎn)腔上、下兩端的螺紋安裝在潛油電泵出口（如圖2所示）。油井生產(chǎn)及停井后，新型單流閥呈現(xiàn)2 種工作狀態(tài)，應(yīng)用時(shí)可以有4種不同的應(yīng)用方式。

圖2 新型單流閥安裝位置

油井正常生產(chǎn)時(shí)，在潛油電泵出口液流作用下，閥板處于開啟狀態(tài)，閥柄不再向排液閥閥桿施加向上的作用力，閥球在彈簧的作用下向下移動(dòng)，堵塞排液通道排液孔，使油管內(nèi)部與油套環(huán)空不連通，保證了潛油電泵井的正常生產(chǎn)。

停泵后，閥板在油管內(nèi)液體重力作用下關(guān)閉，同時(shí)閥柄帶動(dòng)排液閥閥桿和閥球向上運(yùn)動(dòng)，置于生產(chǎn)腔和排液腔腔體上的排液孔打開，實(shí)現(xiàn)油管與油套環(huán)空之間的連通，這樣油管內(nèi)井液在重力作用下流入油套環(huán)空，不會(huì)給潛油電泵泵軸施加反向扭矩。

對(duì)于靜液面深度大于原油凝固點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地層深度的油井，由于油管內(nèi)原油流入油套環(huán)空后，容易發(fā)生原油凝固的油管上部管段的原油流入井底，不存在油管內(nèi)原油凝固的風(fēng)險(xiǎn)，不會(huì)影響潛油電泵井的再啟動(dòng)。因此，應(yīng)用此新型單流閥的此類油井停泵后，不需要井下油管內(nèi)原油置換作業(yè)。

靜液面深度小于原油凝固點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地層深度的油井，潛油電泵停泵后，盡管油管上部的原油會(huì)通過新型單流閥的生產(chǎn)腔排液孔流入油套環(huán)空[5]，但油管內(nèi)原油仍存在部分管段凝管的風(fēng)險(xiǎn)，為此需進(jìn)行油管內(nèi)高凝原油置換作業(yè)。進(jìn)行原油置換作業(yè)時(shí)，由于生產(chǎn)腔和排液腔腔體上的排液孔處于連通狀態(tài)，即可采用正循環(huán)洗井方式，也可采用反循環(huán)洗井方式，但由于油套環(huán)空具有較大的體積，為減少作業(yè)時(shí)間和置換油管用的柴油消耗量，建議采用正擠柴油的方式，即從油管四通向油管內(nèi)擠注柴油，柴油從油管內(nèi)自上而下進(jìn)入油管，將油管內(nèi)易凝原油通過生產(chǎn)腔排液孔進(jìn)入油套環(huán)空。原油進(jìn)入油套環(huán)空后，可儲(chǔ)存于油套環(huán)空的上部空間，若從油管內(nèi)進(jìn)入油套環(huán)空的原油量較多，可通過套管閥排放至油田的閉式排放系統(tǒng)，亦可關(guān)閉套管閥，增加正擠壓力，使原油在高壓下重新擠回地層[6]。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑89 mm，總長(zhǎng)度800 mm，連接扣型73 mm或89 mm（2～7/8英寸或3～1/2英寸）油管扣，最大承受壓差30 MPa，最高耐溫100℃。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及創(chuàng)新性

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為解決傳統(tǒng)油管防凝工藝中潛油電泵泵軸容易遭受反向扭矩的問題[7]，新型單流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

1）閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。新型潛油電泵井單流閥由生產(chǎn)腔和排液腔兩部分構(gòu)成。生產(chǎn)腔是潛油電泵井正常生產(chǎn)通道，通過上下兩端的螺紋連接于電泵出口的油管上[8]。排液腔位于生產(chǎn)腔外側(cè)，上部有密封端蓋，外殼上設(shè)置有與油套環(huán)空連通的排液孔。

2）生產(chǎn)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。生產(chǎn)腔殼體中設(shè)置有可單向封閉生產(chǎn)通道的閥板，生產(chǎn)腔殼體在生產(chǎn)通道的壁上設(shè)置有與閥板配合的密封凸槽，這樣潛油電泵停泵后，更有利于單流閥的密封，防止油管內(nèi)液體通過潛油電泵回流。閥板后端設(shè)置有閥柄，與排液閥閥桿抵接，生產(chǎn)腔閥板關(guān)閉后，帶動(dòng)排液閥閥桿和閥球向上移動(dòng)，使生產(chǎn)腔和排液腔上的排液孔不被閥球堵塞，從而實(shí)現(xiàn)油管內(nèi)部與油套環(huán)空之間的連通。生產(chǎn)腔殼體上還設(shè)置有排液腔泄壓孔，一是保證排液腔上腔和下腔承受的液體壓力始終平衡，防止因排液腔上腔和下腔承受的液體壓力不同而使排液腔閥球產(chǎn)生不合理的動(dòng)作。二是當(dāng)排液腔閥球向上移動(dòng)時(shí)，可以及時(shí)泄掉排液腔上腔的壓力，防止上腔憋壓，影響排液腔閥球的正常上移和生產(chǎn)腔閥板的正常開關(guān)。

3）排液腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。排液腔由上腔和下腔兩部分組成，排液腔殼體上設(shè)置排液孔，生產(chǎn)腔殼體上的排液孔和排液腔殼體上的排液孔受排液閥閥體控制，實(shí)現(xiàn)油管與油套環(huán)空的連通或隔離。排液閥閥球隨生產(chǎn)腔閥板開關(guān)上下運(yùn)動(dòng)，打開或封閉排液孔。當(dāng)閥板封閉生產(chǎn)通道時(shí)，閥球打開排液孔，當(dāng)閥板打開生產(chǎn)通道時(shí)，閥球封閉排液孔。

排液閥閥球下端連接閥桿，閥桿位于排液腔殼體內(nèi)部，與殼體內(nèi)部開設(shè)的孔槽相配合，可以保證排液閥閥球上下運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定。閥桿下端與閥板的閥柄抵接，閥板繞鉸接在生產(chǎn)腔殼體上的支撐軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)閥桿上下運(yùn)動(dòng)。排液腔殼體與排液閥球之間設(shè)置有使閥球向下運(yùn)動(dòng)的彈簧，當(dāng)生產(chǎn)腔閥門打開時(shí)，閥柄不再給閥桿施加向上的作用力，閥球在彈簧的作用下向下運(yùn)動(dòng)，堵塞生產(chǎn)腔排液孔，封閉油管與油套環(huán)空。

排液腔下腔是排液閥閥桿和生產(chǎn)腔閥板閥柄的活動(dòng)空間，可以防止油管內(nèi)流體因閥板支撐軸位置不密封流入油套環(huán)空，同時(shí)不影響閥板帶動(dòng)排液通道閥桿上下運(yùn)動(dòng)。

排液腔殼體頂部通過螺栓固定有排液閥端蓋，彈簧上端頂在排液閥端蓋下面。排液閥端蓋的設(shè)置是為了方便安裝彈簧、排液閥閥球與閥桿等。

排液腔的內(nèi)腔整體呈圓柱形，內(nèi)腔下部通過兩個(gè)排液孔分別與油管和油套環(huán)空連通，排液閥閥球與排液腔內(nèi)腔的內(nèi)徑相配合，防止井液通過排液閥閥球與排液腔內(nèi)腔之間的縫隙流入油套環(huán)空。當(dāng)排液閥閥球向下運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置時(shí)封閉排液孔。

排液腔內(nèi)腔上部通過排液腔泄壓孔與生產(chǎn)腔的出口端連通。排液腔泄壓孔與油管內(nèi)保持連通，可以防止排液閥閥球向上移動(dòng)時(shí)受到壓縮流體的阻力，設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證排液閥閥球始終不會(huì)堵塞排液腔泄壓孔。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新性

1）海上油田使用潛油電泵開采高凝固點(diǎn)原油時(shí)，為防止停井后油管內(nèi)原油凝固，需實(shí)施油管防凝措施?，F(xiàn)有潛油電泵單流閥無(wú)法安裝在此類潛油電泵井中，油井停井后，井液回流，潛油電泵泵軸產(chǎn)生較大扭矩，容易導(dǎo)致潛油電泵泵軸斷裂事件，影響潛油電泵使用壽命和油井正常生產(chǎn)。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種新型潛油電泵單流閥，通過生產(chǎn)腔閥板的開關(guān)和排液腔彈簧的作用帶動(dòng)排液閥閥球的上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)油管與油套環(huán)空的自然連通或隔離，為快速置換油管內(nèi)高凝固點(diǎn)原油提供了一種新的技術(shù)手段。同時(shí)，有效避免了油井停井后井液回流對(duì)潛油電泵泵軸的影響，有助于潛油電泵泵軸的保護(hù)，從而延長(zhǎng)潛油電泵使用壽命。

2）該新型潛油電泵單流閥依靠生產(chǎn)腔閥板的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)排液閥閥球上下運(yùn)動(dòng)，屬于內(nèi)部構(gòu)件連動(dòng)，不需要外接動(dòng)力源，因此可靠性強(qiáng)，安裝和使用成本低，實(shí)用性和推廣性強(qiáng)。

3）該新型潛油電泵單流閥應(yīng)用于低動(dòng)液面油井時(shí)，由于油管內(nèi)液體依靠自身重力回流至井底，無(wú)需進(jìn)行油管內(nèi)高凝原油置換即可避免原油在油管內(nèi)凝固，零成本解決油管內(nèi)原油凝管問題。

該新型單流閥已獲得專利授權(quán)（專利號(hào)ZL2016 21120835.1），其研制成功為海上油田的高凝固點(diǎn)原油開采提供了新的技術(shù)手段。

3 新型單流閥的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及節(jié)能效果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某海上油田原油凝固點(diǎn)39℃，油井停井后，油管內(nèi)約600 米的原油會(huì)發(fā)生凝固，當(dāng)油井長(zhǎng)時(shí)間停井時(shí)，需要將油管內(nèi)原油進(jìn)行置換。該油田有生產(chǎn)井10口，設(shè)計(jì)為無(wú)人駐守井口平臺(tái)，不配備修井機(jī)、泥漿泵和鋼絲作業(yè)設(shè)備，設(shè)置1臺(tái)排量為10 m3/h的壓井泵。油田在臺(tái)風(fēng)避臺(tái)等緊急情況下，無(wú)法通過鋼絲作業(yè)打開生產(chǎn)管柱中的循環(huán)滑套，也不滿足大排量循環(huán)洗井的條件。為實(shí)現(xiàn)油管內(nèi)液柱替換功能，傳統(tǒng)工藝是以潛油電泵泵體為流道進(jìn)行油管內(nèi)原油置換。沒有單流閥的保護(hù)，潛油電泵的使用壽命會(huì)受到影響。為解決這一問題，利用油田修井時(shí)機(jī)，該油田5口潛油電泵安裝了新型單流閥。

3.2 節(jié)能效果分析

應(yīng)用新型單流閥近2 年來，油井經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井5 次，其中4 口油井采用向油管內(nèi)正擠柴油的方式置換油管內(nèi)高凝原油，將高凝原油通過油套環(huán)空及套管閥排入油田閉排罐。1 口油井由于動(dòng)液面很低，油井停井后，油管內(nèi)原油依靠重力回流至井底，未單獨(dú)進(jìn)行油管內(nèi)原油置換作業(yè)。5 次關(guān)井，共節(jié)約柴油消耗350 m3，節(jié)約柴油使用費(fèi)及作業(yè)費(fèi)300萬(wàn)元。近年來，壓井柴油消耗情況如表1所示。

同時(shí)，由于無(wú)需鋼絲作業(yè)打撈循環(huán)滑套建立壓井循環(huán)通道，節(jié)省了作業(yè)時(shí)間和作業(yè)費(fèi)用。實(shí)際應(yīng)用表明，該新型單流閥具有很高的可靠性，使用方便，適用于開發(fā)高凝固點(diǎn)原油的潛油電泵井的油管內(nèi)原油置換作業(yè)。

表1 壓井柴油消耗情況

4 結(jié)論

安裝該新型潛油電泵單流閥后，由于單流閥閥板具有隔離作用，可以用海水代替柴油置換油管內(nèi)原油，節(jié)省壓井柴油使用量。若油井靜液面較低，深度低于原油凝固點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地層深度，安裝此新型單流閥后，無(wú)需對(duì)油管內(nèi)高凝原油進(jìn)行置換，也可防止油管內(nèi)原油凝管，降低置換柴油消耗。

置換液可以采用柴油或過濾海水，若將油管內(nèi)原油頂替至油套環(huán)空，選擇海水作為置換液經(jīng)濟(jì)性好，但由于海水密度大，容易下沉，為防止置換完成后，油管內(nèi)原油上浮，需要相應(yīng)增加油管內(nèi)原油置換程度。進(jìn)行油管內(nèi)原油置換作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)置換深度計(jì)算置換液用量，只需保證油管內(nèi)原油不會(huì)在油井停井期間發(fā)生凝固即可。