江漢油田淺層水平井螺桿泵舉升工藝技術(shù)探討

楊延紅

（中國石化江漢油田分公司江漢采油廠，湖北 潛江433123）

江漢油區(qū)目前有水平井61口，開井55口，其中，油藏埋深在1 500 m左右的淺層水平井3口：王3平2、鐘112平2、丫平1，三口井日均產(chǎn)液量9.0 t，日均產(chǎn)油量3.8 t，綜合含水52.3%，平均下泵深度1 220 m，動液面1 178 m，平均水平段長度130 m，均采用游梁式抽油機(jī)生產(chǎn)。

1 淺層水平井面臨的主要問題

1）低液量稠油井運(yùn)行成本高，管理難度大。如已投產(chǎn)的鐘112平2井每天需投加降粘劑降低原油粘度，以保障抽油桿順利下行；而當(dāng)原油粘度達(dá)到一定程度時(shí)，還需采用蒸汽吞吐或摻稀生產(chǎn)來降低原油粘度。如新井鐘100斜－1原油粘度1 291 mpa.s，日產(chǎn)液僅3方，為保證油井生產(chǎn)，每天加降粘劑1 kg，地面配套摻水泵摻輸10方，井筒摻水2方，同時(shí)需定期采用罐車從地面擠熱油進(jìn)吞吐，后期運(yùn)行成本高、工作量大。

2）稠油井采用抽油機(jī)舉升耗電量大、系統(tǒng)效率低。對比勝利油井和江漢油區(qū)采用抽油機(jī)與螺桿泵兩種不同的舉升方式，抽油機(jī)舉升耗電量是螺桿泵舉升的2.9倍，而系統(tǒng)效率僅為螺桿泵的55%。

3）中高含水期油井出砂嚴(yán)重，免修期短。江漢采油廠每年出砂檢泵占維護(hù)作業(yè)總井次的1／2，有桿泵出砂已成為油井作業(yè)的首要失效原因。近兩年通過攜砂、清砂技術(shù)的不斷攻關(guān)，取得一定的效果，但出砂仍是制約油井連續(xù)生產(chǎn)的主要問題。如東1－2井工作48天砂卡，鐘70－20 CZ因砂導(dǎo)致砂卡堵，平均檢泵周期為71天。

4）游梁式抽油機(jī)占地面積大，噪音大，對地處村莊、偏遠(yuǎn)位置的油井適應(yīng)能力差。這類油井由于地理環(huán)境的影響，地面設(shè)備偷盜嚴(yán)重。

針對江漢油區(qū)淺層水平井斜度大、油稠，以及高含水期出現(xiàn)的出砂等問題，有必要進(jìn)行舉升工藝的轉(zhuǎn)型研究，最終形成適合這類油井的開發(fā)工藝配套模式，提高單井產(chǎn)能，減少后期運(yùn)行管理難度。

2 淺層水平井舉升技術(shù)分析

2.1 國內(nèi)其它油田淺層水平井舉升情況調(diào)研

目前，國內(nèi)淺層水平井多采用有桿泵和地面驅(qū)動螺桿泵兩種抽汲方式。

2.1.1 淺層水平井游梁式抽油機(jī)有桿泵舉升技術(shù)

河南油田在淺層超稠油水平井采用了有桿泵配套抽稠泵或水平泵的措施：該油田針對不同的井斜角，配套采用了抽稠泵、偏心抽稠泵、水平泵等三種不同類型抽油泵（見表1），水平井平均沉沒度為100 m～200 m。如樓8平3井，設(shè)計(jì)最大下泵深度520 m，泵所在井斜角68°，全角變化率為0.21°／m，并配套了專用抽油桿扶正器短節(jié)、灌鉛加重桿，取得了良好的效果。

表1 稠油水平井配套抽油泵類型

2.1.2 淺層水平井地面驅(qū)動螺桿泵舉升技術(shù)

吉林、冀東、勝利、大慶等油田先后都在淺層水平井中試驗(yàn)應(yīng)用地面驅(qū)動螺桿泵采油技術(shù)，并形成了以控制實(shí)鉆井眼軌跡為基礎(chǔ)，以減阻、扶正和防磨為核心的配套技術(shù)。

吉林油田淺層水平井平均埋深400 m～600 m，井斜角為25°～60°，全角變化率可達(dá) （8°～15°）／30 m，具有斜井段長度大、全角變化率大等特點(diǎn)。扶平1井是吉林油田第一口淺層水平井，螺桿泵下深440米，井斜角60°，正常生產(chǎn)達(dá)7個(gè)月。為保證油井生產(chǎn)，主要采取的防偏磨配套技術(shù)有：3〃玻璃襯里油管、碳纖維材質(zhì)扶正器及較高排量螺桿泵，低轉(zhuǎn)速生產(chǎn)（80轉(zhuǎn)）。在扶平1井成功舉升的基礎(chǔ)上，又在扶平2等23口淺層水平井應(yīng)用了螺桿泵，平均免修期273天，取得了良好的開采效果（見表2）。

表2 扶余油田淺層水平井螺桿泵應(yīng)用情況

大慶油田在水驅(qū)、聚驅(qū)等多種驅(qū)動類型油藏中應(yīng)用了螺桿泵（見表3），逐步完善形成了從GLB40－42到GLB2000－12的大中小系列螺桿泵，排量范圍（2～241）方／天，揚(yáng)程500 m～1 800 m，油井平均檢泵周期為550天，同時(shí)，針對常規(guī)實(shí)心轉(zhuǎn)子螺桿泵暴露出的熱洗清蠟困難、測試和抽油桿柱脫扣等問題，開發(fā)研制了等壁厚空心轉(zhuǎn)子和直通式空心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的空心轉(zhuǎn)子螺桿泵，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、高效開采的目的。

勝利、純梁等油田在含砂稠油冷采工藝中采用螺桿泵，下泵深度800 m，下泵位置井斜50°。同時(shí)冀東、勝利等油田為減緩螺桿泵偏磨，在井斜角30°的油井配套了多功能旋轉(zhuǎn)式抽油桿扶正器短節(jié)、抽油桿萬向短節(jié)等技術(shù)。

目前，影響螺桿泵應(yīng)用的關(guān)鍵問題抽油桿傳遞扭矩大、桿管偏磨和橡膠的耐高溫、耐磨性能低。因此，國內(nèi)螺桿泵的研究方向是開發(fā)新膠種，并探索新型螺桿泵：如采用等壁厚定子螺桿泵縮短泵的長度，減小扭矩和功率；采用插入式螺桿泵在大套管中不提管柱檢泵，降低檢泵費(fèi)用；采用新型橡膠提高耐高溫、耐砂性能；采用雙螺桿泵適應(yīng)高轉(zhuǎn)速、大排量、高含砂油井需要等等，隨著螺桿泵泵型的系列化和配套技術(shù)的日趨完善，在聚合物驅(qū)井、大排量井、出砂井及斜井中的應(yīng)用均見到了良好效果，使用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，已成為油田高含水后期首選的舉升設(shè)備之一。

上述調(diào)研表明，螺桿泵可在井斜角60°以內(nèi)、井深1 800 m以內(nèi)、排量 （2～200）m3／d的油井工作，同時(shí)應(yīng)配套采用防偏磨技術(shù)，提高螺桿泵的工作性能。

表3 大慶油田螺桿泵生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)

2.2 江漢油區(qū)淺層水平井地面驅(qū)動螺桿泵舉升技術(shù)可行性分析

以下從前期投入、運(yùn)行成本、工況適應(yīng)性等三方面對游梁式抽油機(jī)和螺桿泵這兩種舉升工藝進(jìn)行對比分析。

2.2.1 一次性投資費(fèi)用

以井深在1 500 m以內(nèi)的油井配套設(shè)備為例，有桿泵與螺桿泵一次性投資對比（見表4）。表4中，投產(chǎn)時(shí)，采用抽油機(jī)生產(chǎn)比螺桿泵高出9萬元～12.8萬元。

表4 有桿泵與螺桿泵一次性投資對比

2.2.2 運(yùn)行費(fèi)用

包括日常耗電量及日常維護(hù)及作業(yè)費(fèi)用。

以習(xí)2－7－9井為例（見表5）。該井2000年6月17日作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)尾管砂堵由抽稠泵改為螺桿泵，2000年到2012年12年間因腐蝕換螺桿泵4臺，螺桿泵平均使用周期達(dá)1 090天，而采用抽稠泵時(shí)每次檢泵都需更換。同時(shí)，其耗電量是采用有桿泵時(shí)的1／3。

表5 習(xí)2－7－9兩種舉升方式對比

新斜1311井耗電量的情況同樣體現(xiàn)了螺桿泵節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)（見表6）。

表6 新斜1311兩種舉升方式對比

同時(shí)，螺桿泵井由于地面零部件少，日常的維修保養(yǎng)工作量極小，成本低。

2.2.3 工況適應(yīng)性對比分析

從適應(yīng)原油物性特點(diǎn)及系統(tǒng)效率等方面對兩種舉升技術(shù)進(jìn)行了對比分析：

1）粘度。螺桿泵適應(yīng)于粘度變化范圍較大的井，可舉升稠油。通常，螺桿泵可直接舉升粘度8 000 mP·s（50℃）以下的各種含原油流體；江漢油區(qū)淺層稠油水平井粘度在 （100～1 000）mP·s，對于粘度達(dá)900 mP·s（50℃）以上的稠油，有桿泵需配套摻稀或熱油吞吐，配套工作量大。

2）出砂。螺桿泵適應(yīng)于高含砂井，一般情況下，可用于含砂量在5%以內(nèi)的油井；而當(dāng)油井含砂量大于1%時(shí)，采桿泵砂卡堵井次激增。

3）螺桿泵體積小，噪音小，對靠近村莊、老鄉(xiāng)干擾大、偏遠(yuǎn)地區(qū)適應(yīng)性更強(qiáng)，對于板1平1、丫平1等井更為適合。

4）螺桿泵系統(tǒng)效率高（見表7）。

表7 兩種舉升方式系統(tǒng)效率對比表

5）螺桿泵采油允許井口有較高的回壓。偏遠(yuǎn)油井由于距離遠(yuǎn)，井口回壓較高，特點(diǎn)在冬季，常在1.0 MPa以上，采用有桿泵舉升時(shí)，需定期熱洗車掃線，增加成本及工作量，而采取螺桿泵，井口回壓可控制在1.5 MPa以內(nèi)或更高，因此對邊遠(yuǎn)井集輸更有利。

6）泵所下深度及防偏磨要求。

下泵深度：江漢油區(qū)淺層水平井在1 500 m以內(nèi)，國內(nèi)螺桿泵廠家完全可滿足此要求。

防偏磨：螺桿泵在水平井所受到的最大限制是井斜角過大導(dǎo)致抽油桿斷脫。因此，如何配套螺桿泵防偏磨配套是先期實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。扶平1油井下泵所在井斜角為60°，其配套的3"玻璃襯里油管、碳纖維材質(zhì)扶正器及較高排量螺桿泵，低轉(zhuǎn)速生產(chǎn)的運(yùn)行模式值得我們借鑒、采納，并在實(shí)踐中不斷摸索，以延長油井免修期。

綜述，螺桿泵具有地面設(shè)備簡單，一次性投資少，泵效和系統(tǒng)效率較高的優(yōu)點(diǎn)，適于高粘度、出砂淺層水平井生產(chǎn)（見表8）。

表8 兩種舉升方式經(jīng)濟(jì)及適應(yīng)性對比表

3 江漢油區(qū)淺層水平井螺桿泵舉升配套技術(shù)

綜合考慮各種因素，根據(jù)江漢油區(qū)淺層水平井油稠、斜度大、產(chǎn)能低的實(shí)際狀況，螺桿泵在大斜度段應(yīng)重點(diǎn)配套防偏磨措施：一方面井下采用專用抽油桿、扶正短節(jié)，地面配套無級變頻裝置，減緩桿的磨損斷脫；另一方面，采用高排量、低轉(zhuǎn)速的運(yùn)行方式，油井沉沒度控制在100米以上，提高使用壽命。

3.1 地面配套螺桿泵變頻自動控制裝置

螺桿泵在生產(chǎn)中易出現(xiàn)的問題之一是桿斷，主要原因是：啟動時(shí)，轉(zhuǎn)速瞬間提高，抽油桿產(chǎn)生很大的慣性扭矩，導(dǎo)致抽油桿承受的扭矩大于抽油桿的額定扭矩，抽油桿擰斷；停機(jī)時(shí)，抽油桿的扭矩載荷瞬時(shí)釋放，導(dǎo)致光桿快速倒轉(zhuǎn)，造成抽油桿脫扣。此外，為保證一定的沉沒度，還需通過更換傳動皮帶輪來改變生產(chǎn)參數(shù)，給生產(chǎn)帶來不便。因此，有必要在地面配套螺桿泵變頻自動控制裝置解決以上問題。

該裝置包括轉(zhuǎn)速－扭矩傳感器、調(diào)節(jié)器、變頻控制系統(tǒng)三部分。通過調(diào)節(jié)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對地面驅(qū)動螺桿泵轉(zhuǎn)速、扭矩的在線自動控制。當(dāng)螺桿泵的光桿扭矩遠(yuǎn)低于設(shè)定扭矩M時(shí)，變頻裝置將自動的提高螺桿泵轉(zhuǎn)速；當(dāng)光桿承受的實(shí)際扭矩遠(yuǎn)超過設(shè)定值M時(shí)，變頻裝置自動將螺桿泵轉(zhuǎn)速減小，使螺桿泵安全、高效地生產(chǎn)。

同時(shí)，該自動控制系統(tǒng)具有的軟啟動、軟停機(jī)功能對防止桿斷及脫扣起到的有效的抑制作用。軟啟動功能可延長啟動時(shí)間，減小慣性扭矩，避免抽油桿因瞬間扭矩過大而擰斷。變頻器的軟啟動時(shí)間一般設(shè)定為60 s～120 s，在工頻狀態(tài)下，螺桿泵啟抽時(shí)，桿柱約在0.5 s達(dá)到正常轉(zhuǎn)速，設(shè)定軟啟動時(shí)間后，變頻器的軟啟動時(shí)間比工頻狀態(tài)延長了10多倍，抽油桿的慣性扭矩相應(yīng)地減少到原來的l% ～0.5% ，有效地防止了抽油桿扭斷。

軟停機(jī)功能可以延長停機(jī)時(shí)間，使抽油桿扭矩緩慢釋放，避免抽油桿扭矩因抽油桿急劇倒轉(zhuǎn)被釋放而導(dǎo)致抽油桿脫。變頻器的軟停機(jī)時(shí)間一般設(shè)為60 s～200 s，軟停機(jī)過程中，電機(jī)的速度在設(shè)定的停機(jī)時(shí)間內(nèi)緩慢地降低，直到停機(jī)，這樣有效地防止了抽油桿反向急速旋轉(zhuǎn)所造成的抽油桿脫扣。

3.2 螺桿泵專用抽油桿及井下扶正防偏磨技術(shù)

抽油桿在工作時(shí)受拉、壓、扭、磨損等影響，尤其在水平井中，抽油桿在油管內(nèi)旋轉(zhuǎn)，由于離心力及慣性力作用產(chǎn)生振動和彎曲，以及桿管在斜井段的磨損，抽油桿井下工況更為惡劣，因此使用專用抽油桿并配套扶正技術(shù)是保障油井生產(chǎn)的關(guān)鍵，螺桿泵常用抽油桿有：用于小排量螺桿泵井的D級和H級普通實(shí)心和空心抽油桿、用于中小排量井的錐螺紋抽油桿、用于中高排量的插接式抽油桿。螺桿泵井選擇抽油桿時(shí)，應(yīng)主要考慮其抗扭能力。

在斜度較大井段可采用自磨式抽油桿扶正短節(jié)。它由外環(huán)和內(nèi)環(huán)構(gòu)成，外環(huán)與油管接觸，內(nèi)環(huán)固定在驅(qū)動桿上，這樣就將驅(qū)動桿與油管之間的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)樽阅ナ椒稣魍猸h(huán)和內(nèi)環(huán)之間的摩擦，從根本上改善螺桿泵井大斜度井段桿管磨損；同時(shí)，為防止桿柱憋勁，還在井斜變化率較大井段的驅(qū)動桿上裝上柔性調(diào)節(jié)器，可上下或左右擺動5度 ，根據(jù)井斜變化調(diào)節(jié)方向。

江漢油區(qū)淺層水平井建議采用專用抽油桿配套自磨式桿扶正器，并在大斜度段采用萬向接頭。

3.3 螺桿抽油泵配套

江漢油區(qū)淺層水平井具有油稠、斜度大、泵掛深度小等特點(diǎn)，部分油井含硫，因此，應(yīng)配套小排量螺桿泵、低轉(zhuǎn)速生產(chǎn)。一方面可選擇GLB系列螺桿泵，另一方面可選用PCM螺桿泵。玉門、鴨兒峽、瑜林等油田在泵深2 000 m左右的稠油、出砂井采用了PCM螺桿泵，這種螺桿泵突破了以往下泵深度在1 500 m以內(nèi)的限制，適用于含CO2≤12%、H2S≤3%、原油含砂量 ≤20%、原油粘度 ＜13 000 mPa·s的油井。

4 建議及認(rèn)識

1）淺層稠油、出砂水平井采用螺桿泵相比有桿泵系統(tǒng)效率高、投入少，后期生產(chǎn)配套簡單、運(yùn)行費(fèi)用低，先期試驗(yàn)有待開展。

2）螺桿泵下入大斜度段后的偏磨問題是限制螺桿泵生產(chǎn)的難點(diǎn)，江漢油區(qū)目前螺桿泵下入井斜角在30度以內(nèi)，相比扶余、大慶油田的螺桿泵下入斜度還有較大差距，建議引進(jìn)配套螺桿泵專用桿、扶正短節(jié)、變頻器，完善螺桿泵防偏磨配套，形成適合江漢油區(qū)大斜度段的螺桿泵舉升技術(shù)。

［1］周勇.變頻調(diào)速地面驅(qū)動螺桿泵稠油開采技術(shù)［J］，斷塊油氣田，2002，9（5）：57－60.

［2］李興科，王鋒，于國棟.淺層定向井螺桿泵舉升工藝研究［J］，石油學(xué)報(bào)，2005，26（3）：118－122.