油井舉升方式適應(yīng)性評價與優(yōu)化應(yīng)用探究

蒲立新+劉文勇

摘 要：相較于自噴采油，人工舉升采油的成本要高一些。但油藏本身的能量，即地層壓力，會隨著采出原油的增多而逐漸下降，油井就會出現(xiàn)停噴現(xiàn)象，這時就要利用人工舉升辦法采油。高效開采是石油開采的核心技術(shù)。常規(guī)通過增壓、二次和三次采油等方法延長整個油田的開采壽命，因此注水開采的油田往往排出大量的水，需要采用人工舉升手段以維持油井生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：人工舉升方式；電潛泵技術(shù)；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；故障診斷；對策

如果地層壓力不能將原油舉升到井口，那么就需要借助某些人工舉升的辦法采油，或者向油層中注入某種流體提高地層壓力，將原油舉升出井口、采到地面。這種方法就是人工舉升采油。相較于自噴采油，人工舉升采油的成本要高一些。但油藏本身的能量，即地層壓力，會隨著采出原油的增多而逐漸下降，油井就會出現(xiàn)停噴現(xiàn)象，這時就要利用人工舉升辦法采油。一般情況下，油田的自噴期限只有1～5年，而油田的生產(chǎn)年限要延續(xù)20～30年以上，因此，油層中的原油大部分是靠人工舉升方式采出來的。人工舉升采油包括氣舉采油、抽油機(jī)有桿泵采油、潛油電動離心泵采油、水力活塞泵采油和射流泵采油等。

目前電潛泵技術(shù)廣泛應(yīng)用于油田開發(fā)中，隨著應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，電潛泵技術(shù)也在不斷改進(jìn)。電潛泵采油工藝具有排量大、功率高、生產(chǎn)壓差大、適應(yīng)性強(qiáng)、地面工藝流程簡單、自動化程度高、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油開采中。本文重點(diǎn)介紹了電潛泵的結(jié)構(gòu)原理、監(jiān)測系統(tǒng)及其故障的解決。

1 人工舉升方法

當(dāng)?shù)貙幽芰孔銐蚓S持將井液舉升到地面時，產(chǎn)量可通過向井流動動態(tài)曲線（IPR）和油管入口曲線進(jìn)行估算，其中必須考慮油管尺寸、井液特性以及溫度的影響。這兩條關(guān)系曲線的交點(diǎn)決定了預(yù)計的產(chǎn)量。當(dāng)油管入口曲線位于IPR之上時，地層沒有足夠的能量，需要使用人工舉升方法。五種常用的人工舉升方式為：有桿泵、螺桿泵、氣舉、水力泵和電潛泵。最常用的是使用有桿泵。有桿泵操作簡單，比其他人工舉升方式成本低，但效率和排量都較低，特別是在高氣液比通過小直徑油管生產(chǎn)的深井中尤其如此。另一種舉升方式為使用螺桿泵，螺桿泵成本較低，可靠性高，受地層出砂和結(jié)垢的影響較小，且容積效率高于有桿泵。在有氣源和壓縮機(jī)系統(tǒng)的情況下，通常采用氣舉方法，因?yàn)樵摲椒`活性強(qiáng)，易于調(diào)節(jié)，并且可以方便地通過鋼絲作業(yè)更換井下設(shè)備。氣舉系統(tǒng)不受出砂的影響，在高氣/油比和大斜度井中使用較為理想。但隨著地層壓力逐漸降低至棄井時的壓力，這些優(yōu)點(diǎn)不再顯現(xiàn)，在油田生產(chǎn)末期就需要使用其他人工舉升方法。目前應(yīng)用廣泛的人工舉升方式為使用電潛泵。本文將介紹電潛泵的工作原理、結(jié)構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)及電潛泵故障原因分析。

2 電潛泵采油工藝

2.1 工作原理。電潛泵全稱電動潛油離心泵，簡稱電潛泵，是將電動機(jī)和多級離心泵一起下入油井液面以下進(jìn)行抽油的舉升設(shè)備。其工作原理是地面通過變壓器、控制屏和電纜將電能輸送給井下電機(jī)，電機(jī)帶動多級離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，將井液舉升到地面。電潛泵廣泛應(yīng)用于非自噴高產(chǎn)井、高含水井。

2.2 電潛泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。電潛泵系統(tǒng)包括電機(jī)、保護(hù)器、泵、吸入口、動力電纜、氣體處理裝置和井下傳感器。地面設(shè)備包括泵控制設(shè)備（變頻器等）、數(shù)據(jù)傳輸箱和電源等。潛泵由三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動，由地面電源供電。電源可以調(diào)整，從而根據(jù)油藏條件的變化對泵的性能進(jìn)行微調(diào)。泵內(nèi)每級離心泵由旋轉(zhuǎn)葉輪和固定的導(dǎo)殼組成，旋轉(zhuǎn)葉輪周圍的流體通過軸向和徑向流動，形成一個螺旋形的上升運(yùn)動進(jìn)入高一級的泵級中，最后進(jìn)入油管。固定的導(dǎo)殼結(jié)構(gòu)將井下的流體動能轉(zhuǎn)化為勢能—壓力。動力電纜將地面上的電能通過由鎧裝保護(hù)且外層絕緣的電纜傳到井下。電纜一般為圓形，但在泵和保護(hù)器的位置處，可將電纜設(shè)計為扁平形。井下監(jiān)測設(shè)備包括漏電傳感器、壓力傳感器、溫度和壓力感器以及電機(jī)和泵振動傳感器，

信號通過動力電纜傳遞到地面的遠(yuǎn)程控制單元，對井下壓力、溫度、振動、電流和電壓進(jìn)行連續(xù)采樣。傳感器的測量參數(shù)可設(shè)置為在給定的閾值打開開關(guān)，當(dāng)測量值發(fā)生變動時，關(guān)閉電機(jī)，以保護(hù)電機(jī)，免遭破壞。電機(jī)保護(hù)器把電機(jī)和泵連接在一起，支撐電潛泵產(chǎn)生的上沖力或下沖力，避免井液進(jìn)入電機(jī)并儲備足夠的電機(jī)油，平衡電機(jī)和油井的內(nèi)外壓力，提供流體來調(diào)節(jié)機(jī)油的熱膨脹或收縮。井液自泵的吸入口流入泵中且作為井下液體吸入的一部分。氣體處理裝置為一種多相、軸向的儀器，可將井液倒流或產(chǎn)生離心運(yùn)動把部分自由氣體從泵

吸入口前分離到環(huán)空中，用來處理泵中達(dá)75%的自由氣。當(dāng)氣體可排放到套管時，該裝置應(yīng)安裝在氣體分離器的上方；如果產(chǎn)出氣必須流經(jīng)泵，此裝置應(yīng)安裝在標(biāo)準(zhǔn)入口的上面。

3 井下監(jiān)測系統(tǒng)

在油井采油時，要對電潛泵的設(shè)定值進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)整，確保舉升系統(tǒng)的效率達(dá)到最高。電潛泵的監(jiān)控系統(tǒng)提供有價值的信息，監(jiān)控系統(tǒng)可每隔一分鐘監(jiān)測一次泵和井的動態(tài)，一天24小時連續(xù)工作，根據(jù)監(jiān)測到的信息提供油藏的動態(tài)，確定提高油藏生產(chǎn)率的方法。人工智能舉升監(jiān)測系統(tǒng)可輔助電潛泵作業(yè)，連續(xù)獲取泵的吸入口壓力和排出口壓力，吸入口、電機(jī)和排出口溫度，振動和泄漏電流等一系列數(shù)據(jù)，通過保護(hù)電氣系統(tǒng)不受超高泵溫的影響，保護(hù)泵不受閉合閥關(guān)閉的影響，保護(hù)泵不受高溫入口再循環(huán)和高產(chǎn)出液溫度造成過熱的影響，保護(hù)電機(jī)不受低流量條件、高電機(jī)負(fù)載和冷卻不良引起高溫的影響等監(jiān)控電潛泵的性能，通過監(jiān)測系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)電潛泵運(yùn)行中的一系列問題并及時調(diào)整生產(chǎn)措施，對生產(chǎn)井進(jìn)行主動干預(yù)。

4 電潛泵的故障及解決方法

（1）地層的高溫環(huán)境。電潛泵依靠產(chǎn)出液的運(yùn)動給電機(jī)散熱，這一要求將電潛泵的內(nèi)部工作溫度限制在200℃左右。隨著天然氣處理內(nèi)部組件材料的發(fā)展，利用陶瓷、冶金和合成橡膠等材質(zhì)可以拓寬電潛泵的工作溫度范圍。另一方面，深井中井下溫度高，嚴(yán)重影響潛油電機(jī)的絕緣和密封特性，最終可導(dǎo)致電機(jī)失效。高溫絕緣系統(tǒng)和密封技術(shù)已使電潛泵的耐溫能力提高到450℉以上。（2）運(yùn)動中的磨損程度。電潛泵在井下作業(yè)時，徑向軸承的磨損將縮短電潛泵電機(jī)和保護(hù)器的壽命，現(xiàn)有系統(tǒng)中徑向軸承增加了在自動潤滑襯套中運(yùn)行的軸套。（3）振動對泵使用壽命的影響。當(dāng)電機(jī)軸振動時，加大了對軸周圍密封墊的磨損，最終造成油井中的產(chǎn)出液泄漏到保護(hù)器中。井筒中的流體從保護(hù)器滲透過軸封，并滲透到電機(jī)，污染電機(jī)油，改變電機(jī)介電、水力和潤滑性質(zhì)，導(dǎo)致電機(jī)失效。由于保護(hù)器頂部軸承受泵吸入口振動及產(chǎn)出液磨蝕的影響，在改進(jìn)中使用了氧化鋯軸承，以加大抗磨性。（4）井下泥漿的影響。電潛泵運(yùn)行過程中，經(jīng)常遭遇泥漿的阻擋而停止工作。井下泥漿除砂器可清除砂巖井中地層流體中的砂巖，將砂巖留在井下，防止其進(jìn)入電潛泵，以減少損害。（5）系統(tǒng)設(shè)計和操作失誤導(dǎo)致的故障。變速驅(qū)動裝置通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，提供不同泵的優(yōu)化流量，靈活地適應(yīng)電潛泵的耗電及發(fā)熱，解決了這一問題。與固定速度的電機(jī)相比，配備變速驅(qū)動裝置的電潛泵可提供寬范圍的泵量，對電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行微調(diào)，當(dāng)井況發(fā)生變化時，無需更換泵，進(jìn)而縮短了停機(jī)時間降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]溫靜. 普通稠油油藏轉(zhuǎn)換開發(fā)方式研究與實(shí)踐[J]. 斷塊油氣田. 2012（S1）