涂 東

（中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆巴音郭愣 841604）

0 引言

目前，稠油熱采工藝受潛油電泵工作溫度的限制，只有在很少的工況可以采用。由于稠油熱采井工作溫度較高，主要配置載荷大、沖程長(zhǎng)的有桿重載抽油機(jī)，配套連續(xù)抽油桿，抽油泵活塞直徑120～160 mm，來(lái)實(shí)現(xiàn)有桿稠油舉升，基本可以滿足工藝要求。但抽油桿在井泵下潛深度、排量、泵檢周期等方面存在技術(shù)局限，采油成本較高，針對(duì)工藝參數(shù)條件，排量調(diào)節(jié)范圍有限。因此稠油熱采工藝技術(shù)下，開發(fā)完善高溫潛油電泵采油技術(shù)有重大的現(xiàn)實(shí)意義。與常規(guī)井技術(shù)相比，潛油電泵比有桿泵在油氣舉升方面有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。潛油電泵無(wú)抽油桿機(jī)械運(yùn)動(dòng)，舉升揚(yáng)程高、排量調(diào)節(jié)范圍大，可有效解決有桿抽油泵在稠油熱采技術(shù)中下潛深度深、斜井抽油、水平井抽油、排量大范圍調(diào)節(jié)等技術(shù)瓶頸問(wèn)題。

1 稠油熱采工藝技術(shù)

稠油根據(jù)黏度及相對(duì)密度指標(biāo)可分為超稠油、特稠油、普通稠油，均需借助熱力技術(shù)進(jìn)行開采，目前主要的開采方式有：蒸汽（熱水）吞吐、蒸汽（熱水）驅(qū)開發(fā)、蒸汽輔助重力泄油開發(fā)、火燒油層等。

1.1 稠油蒸汽熱采增產(chǎn)機(jī)理

向油層注入高溫高壓蒸汽，近井地帶相當(dāng)距離內(nèi)的地層溫度升高將油層及原油加熱。注入油層的蒸汽優(yōu)選進(jìn)入高滲透帶，而由于蒸汽密度小，在重力作用下，蒸汽將向油層頂部超覆，油層加熱并不均勻，但由于熱對(duì)流和傳導(dǎo)作用，注入蒸汽量足夠多時(shí)，加熱范圍逐漸展開，蒸汽帶的溫度仍保持井底蒸汽溫度250～350 ℃，蒸汽凝結(jié)帶，即使熱水帶的溫度有所下降，但仍然很高。形成的加熱帶中的原油注入蒸汽后，砂粒表面的瀝青膠質(zhì)性油膜破壞，潤(rùn)濕性改變，油層由原來(lái)親油或強(qiáng)親油，變?yōu)橛H水或強(qiáng)親水。在同樣水飽和度條件下，油相滲透率增加、水相滲透率降低、縛水飽和度增加。

溶解氣在高溫的作用下從原油中逸出，產(chǎn)生溶解氣驅(qū)的作用。同時(shí)油藏中的流體和巖石骨架產(chǎn)生熱膨脹作用，孔隙體積縮小，流體體積增大，維持原油生產(chǎn)的彈性能量增加。熱脹彈性能是一種相當(dāng)可觀的能量。與壓縮彈性能量相比，熱膨脹彈性能量要大得多，原油的熱膨脹程度主要取決于原油的組分組成，通常情況下，輕質(zhì)原油的熱膨脹系數(shù)大于重質(zhì)原油。原油和蒸汽壓隨溫度升高而升高，形成蒸餾作用引起混合液沸騰產(chǎn)生的擾動(dòng)效應(yīng)，能使死孔隙中的原油向連通孔隙中轉(zhuǎn)移，從而提高驅(qū)油效率。

1.2 蒸汽（熱水）吞吐（圖1）

圖1 蒸汽（熱水）吞吐熱采示意

將高溫高壓濕蒸汽注入油層，油井周圍油層加熱降黏，燜井換熱后開井采油。一般蒸汽吞吐周期可達(dá)6～10 次。每個(gè)周期的采油期由幾個(gè)月到一年左右，每個(gè)周期內(nèi)的產(chǎn)量變化幅度較大，有初期的峰值期，有遞減期，周期產(chǎn)量呈指數(shù)遞減規(guī)律。峰值期是主要產(chǎn)油期，因?yàn)槭侵鹬芷谙挠蛯幽芰坑途罢麄€(gè)油藏的產(chǎn)油量必然逐次遞減，這是該工藝主要的生產(chǎn)規(guī)律。

2 電潛泵在稠油熱采中應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)

（1）高溫潛油電泵在稠油淺層蒸汽驅(qū)及蒸汽重力泄油，正常地層壓力下可直接進(jìn)行開采，而對(duì)于深層油藏蒸汽吞吐均需要加壓注入，且溫度較高。采油初期油層壓力較高（部分需要降壓），原油混合液產(chǎn)量高，因此要求抽油泵耐高溫、額定負(fù)荷大、排量大。產(chǎn)出的混合液溫度近200 ℃，混合液乳化嚴(yán)重，含水分布不均勻，蒸汽吞吐區(qū)域上層含水量高，下部重油及膠質(zhì)含量高，油水密度差較小。若采用潛油電泵開采，只需解決電泵耐溫問(wèn)題，排量大、負(fù)荷大等特性都是電泵已經(jīng)具備的特性，且潛油電泵具有地面組件簡(jiǎn)單、安裝時(shí)間短、區(qū)塊設(shè)備管理方便等特點(diǎn)，更適應(yīng)于注蒸汽油層中高含水及后期排量范圍大的油田開采。

（2）在應(yīng)用稠油熱采工藝技術(shù)開采中，由于油層溫度較高、含蒸汽量熱水量較大，這兩項(xiàng)綜合作用會(huì)使?jié)撚碗姳皿w腐蝕量比常規(guī)開采增大3～4 倍，泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮。

（3）在開采黏度較高的稠油區(qū)塊時(shí)，蒸汽驅(qū)及蒸汽重力泄油后，開采的不同時(shí)期會(huì)出現(xiàn)混合液黏度變化、密度不均勻性等情況，對(duì)于潛油電泵，在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮加大電機(jī)額定功率及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。

3 高溫潛油電泵熱采技術(shù)

高溫潛油電泵系統(tǒng)分為耐高溫、高壓、高腐蝕的井下泵組和地面控制設(shè)備，具體包括高溫電機(jī)、高溫離心泵、熱采井口、地面控制、輔助管柱、連接線纜等。

3.1 高溫電機(jī)及保護(hù)器

高溫電機(jī)是電泵組的動(dòng)力來(lái)源，帶動(dòng)多級(jí)離心泵將油井中經(jīng)過(guò)蒸汽吞吐的高溫高壓原油混合液舉升到地面；高溫電機(jī)是整個(gè)機(jī)組中溫度最高的元件，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)本身需要散熱，井下環(huán)境溫度又比較高，使得電機(jī)的工作溫度達(dá)200 ℃，因此電機(jī)設(shè)計(jì)選擇時(shí)的耐溫等級(jí)、電磁性能、可靠性，都將決定泵系統(tǒng)的機(jī)械可靠性及運(yùn)轉(zhuǎn)性能，高溫電機(jī)是高溫潛油電泵的核心元件。

高溫電機(jī)及泵組工作在井下，潛入高溫高壓原油混合液中，為確保運(yùn)行安全，防止原油混合液進(jìn)入高溫電機(jī)，設(shè)計(jì)的電機(jī)保護(hù)器可以平衡電機(jī)腔體內(nèi)外壓力，阻隔原油混合液進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，將井液與電機(jī)油隔開。電機(jī)保護(hù)器還承擔(dān)電泵葉輪推進(jìn)液體產(chǎn)生的軸向力，以及整個(gè)泵軸的重量，都將通過(guò)保護(hù)器外殼施加在平面軸承上。在常規(guī)的潛油電泵設(shè)計(jì)中，大多數(shù)采用膠囊式保護(hù)器或沉淀式保護(hù)器，但在稠油開采區(qū)塊中大多為斜井或水平井，井下油層溫度高達(dá)200 ℃，沉淀式保護(hù)器不適用于傾斜及水平放置，膠囊式保護(hù)器的彈性膠囊在高溫條件下不具備足夠的抗拉強(qiáng)度，所以兩種保護(hù)器均不適用。設(shè)計(jì)中將采用不銹鋼金屬囊保護(hù)器，不銹鋼金屬囊具有超強(qiáng)抗腐蝕及耐高溫性能，保護(hù)器由多個(gè)不銹鋼金屬囊連接而成。

3.2 高溫多級(jí)離心泵

潛油電泵泵體結(jié)構(gòu)為多級(jí)離心泵，工作過(guò)程中電機(jī)、泵體完全浸入原油混合液，電機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)軸上的葉導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)，葉輪機(jī)葉片驅(qū)使原油混合液沿葉片及泵殼形成的流道流動(dòng)，第一級(jí)葉導(dǎo)輪推送液體流向下一級(jí)葉導(dǎo)輪時(shí)，在泵入口處形成負(fù)壓，迫使泵入口處原油混合液吸入泵內(nèi)，這樣形成連續(xù)液體流動(dòng)，通過(guò)多級(jí)葉輪葉片驅(qū)動(dòng)、多級(jí)壓能疊加后形成電泵揚(yáng)程，將原油混合液輸送至地面。

對(duì)于泵體而言，葉輪、葉片、泵殼均為合金鋼材料，200 ℃的高溫對(duì)于材料本身的機(jī)械性能影響不大，只需在特殊設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮材料耐腐，材料性能對(duì)于200 ℃高溫的敏感性對(duì)結(jié)構(gòu)上做適當(dāng)改進(jìn)。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于葉輪及泵殼之間的減磨墊及動(dòng)密封材料的選擇，原常規(guī)潛油電泵減磨墊及動(dòng)密封材料的設(shè)計(jì)耐溫在100 ℃以內(nèi)，無(wú)法滿足超過(guò)200 ℃的要求。結(jié)合其他井下工具耐高溫處密封材料的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并借鑒斯倫貝謝高溫潛油電泵的成功案例，經(jīng)過(guò)多次試制試驗(yàn)，采用改性聚醚醚酮材料制作減磨墊及密封圈。改性聚醚醚酮材料是一種重復(fù)單元高聚物，屬于特種高分子材料，具有可耐高溫260 ℃、耐強(qiáng)化學(xué)腐蝕、硬度高、摩擦因數(shù)小等特性。

4 高溫潛油電泵技術(shù)特點(diǎn)

（1）高溫潛油電泵根據(jù)工況參數(shù)設(shè)計(jì)要求載荷大、排量大，在不增加電泵長(zhǎng)度的條件下將參數(shù)提高，如原常規(guī)潛油電泵電機(jī)功率56 kW，排量250 m3/d，現(xiàn)提升參數(shù)為電機(jī)功率100 kW，排量5000 m3/d，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷及排量的提升，并按使用工況形成系列化產(chǎn)品。

（2）由于電泵下潛比較深，電纜比較長(zhǎng)，特研制開發(fā)新型電纜穿越器，可實(shí)現(xiàn)電泵電纜直接引出井口，減少井下連接點(diǎn)，降低成本，電泵電纜控制更加可靠。

（3）稠油熱采井隨著采油周期的不同，井溫變化比較大，為防止電泵井內(nèi)溫度變化造成電纜環(huán)形壓痕，影響電纜壽命及可能造成電纜失效，在電纜間的高溫密封采用“壓變自適應(yīng)密封”設(shè)計(jì)，提高電纜安全性及供電可靠性。

（4）為確保高溫高壓電泵作業(yè)安全，特研制開發(fā)高溫潛油電泵系統(tǒng)熱采環(huán)形防噴器，設(shè)計(jì)耐壓25 MPa，耐溫200 ℃，可實(shí)現(xiàn)電泵采油過(guò)程中井下突發(fā)狀況或井下壓力變化造成的安全事故前及時(shí)封井防噴，完善高溫潛油電泵配套技術(shù)。

5 高溫潛油電泵的應(yīng)用

隨著試制產(chǎn)品高溫潛油電泵現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的成功，隨后又對(duì)其進(jìn)行了系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用。2019 年在新疆油田九8 區(qū)HW9805 井淺層稠油井采用高溫潛油電泵采油，油井為稠油井蒸汽拌熱采油，下潛深度720 m，油井溫度175 ℃，采用高溫潛油電泵技術(shù)采油后最高原油混合液產(chǎn)量418 t/d，原油產(chǎn)量88 t/d；月平均產(chǎn)量為原油混合液產(chǎn)量336 t/d，原油產(chǎn)量76 t/d；相比原抽油桿采油日增產(chǎn)量102 t/d，原油產(chǎn)量28 t/d。2019 年在內(nèi)蒙二連盆地阿北區(qū)塊阿3-21 井中深層稠油井采用高溫潛油電泵采油，油井為稠油井蒸汽吞吐，下潛深度1780 m，油井溫度200 ℃，采用高溫潛油電泵技術(shù)采油后最高原油混合液產(chǎn)量318 t/d，原油產(chǎn)量69 t/d；月平均產(chǎn)量為原油混合液產(chǎn)量266 t/d，原油產(chǎn)量72 t/d；相比原抽油桿采油日增產(chǎn)量112 t/d，原油產(chǎn)量24 t/d?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析均到達(dá)設(shè)計(jì)預(yù)期，后期在選材及結(jié)構(gòu)上還做了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況數(shù)據(jù)分析，通過(guò)稠油熱采技術(shù)配套高溫潛油電泵可大幅增加油井產(chǎn)量超30%，提高油田采收率、降低采油成本。從技術(shù)上解決了原有桿泵在稠油井采油存在的偏磨、斷柱、排量不足、泵檢周期短等瓶頸問(wèn)題。通過(guò)20 多口高溫潛油電泵井?dāng)?shù)據(jù)分析，相比有桿泵采油日耗電量降低約150 kW·h 以上，節(jié)約能耗可達(dá)20%以上。相比有桿泵地面抽油機(jī)及動(dòng)力設(shè)備，高溫潛油電泵的地面設(shè)備只有電氣控制箱、熱采井口及采油防噴器，減少了大量的設(shè)備維護(hù)及檢修工作量，且電氣化自動(dòng)控制程度高，對(duì)于實(shí)現(xiàn)多口井統(tǒng)一管理提供便利，可大幅度降低管理維護(hù)工作強(qiáng)度，提高效率，節(jié)約管理成本。高溫潛油電泵可根據(jù)每一口井蒸汽吞吐實(shí)際井下參數(shù)，結(jié)合電泵系列化設(shè)計(jì)來(lái)選擇排量及揚(yáng)程匹配；結(jié)合蒸汽注入深度、注入量、井下溫度場(chǎng)，設(shè)計(jì)合理的電泵下潛深度，動(dòng)態(tài)調(diào)整電泵參數(shù)，促使蒸汽吞吐合理擴(kuò)散及泄油，綜合改善稠油區(qū)塊蒸汽吞吐油氣開發(fā)效果。