稠油井電泵井下監(jiān)測技術(shù)應用與分析

王磊磊，梁志艷,何強，蔣磊，侯獻海

(中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司，新疆 輪臺 841604)

塔河油田主力油藏為奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油藏，平均井深6.2 km，稠油密度介于0.92～1.12 g/cm3，在50 ℃時，平均黏度為450 Pa·s，最高黏度為1.5 kPa·s，硫的平均質(zhì)量分數(shù)為2.56%，蠟的平均質(zhì)量分數(shù)為5.43%，鹽的平均質(zhì)量濃度為17.55 g/L，硫化氫的質(zhì)量濃度為0.15～20 g/L，屬于典型的超稠油油藏，開采難度非常大。經(jīng)過多年的實踐，抗稠油電泵成為該油田超稠油區(qū)的主力開采設備之一，但隨著稠油的持續(xù)開發(fā)，原油黏度增加、含水量上升、能量下降，電泵運行工況日益惡劣，管理難度非常大。由于電泵機組井口參數(shù)滯后于井下的運行參數(shù)，生產(chǎn)中難以提前預防，異常發(fā)生后時常錯過最佳的優(yōu)化調(diào)整時機，導致停機頻發(fā)，嚴重影響開采效益。因此，迫切需要引進一種實時監(jiān)測井下工況及機組運行參數(shù)的技術(shù)，及時掌控油井的生產(chǎn)動態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常提前診斷調(diào)整，從而保障電泵高效運行。目前國內(nèi)外稠油井在應用傳感器監(jiān)測井下工況的案例較少，缺乏參考性。該油田首次引入稠油電泵井下傳感器，根據(jù)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)及時調(diào)節(jié)電泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)及時保護，從而延長電機的使用壽命，確保油井合理開采。

1 技術(shù)難題

電泵傳感器是用于井下電泵的一種監(jiān)測儀器，安裝在電泵機組的最底部，上端與電泵電機相連接，在井下與機組共同長期工作。參數(shù)測量單元由井下濾波電抗、電纜穿越插針、壓力接頭和各參數(shù)的測量傳感器及調(diào)整電路組成，并采用抗震結(jié)構(gòu)安裝在密封鋼桶內(nèi)，與外部環(huán)境隔離，避免其受到高壓、硫化氫、高含水等的復雜井下環(huán)境侵擾。井下單元通過大扁電纜供電并傳輸數(shù)據(jù)至地面儀器進行處理，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過串口送至觸屏顯示，實時監(jiān)測電泵井下環(huán)境溫度、電機溫度、離心泵吸入口壓力、排出口壓力、電機振動，泄漏電流等參數(shù)。

該油田井深、油稠、硫化氫含量較高、工況環(huán)境惡劣，常規(guī)傳感器難以滿足生產(chǎn)需要，因此技術(shù)人員引入斯倫貝謝公司生產(chǎn)的一種耐溫150 ℃，承壓70 MPa的超高強度傳感器，技術(shù)參數(shù)見表1所列，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于該類傳感器在超深稠油井中首次應用，國內(nèi)外沒有應用經(jīng)驗及方法供借鑒，因此超高強度傳感器如何指導生產(chǎn)應用成為亟待解決的難題。

表1 稠油井下傳感器參數(shù)

圖1 抗稠油電泵井下傳感器結(jié)構(gòu)示意

2 現(xiàn)場應用

該稠油電泵井2018年12月開始應用井下傳感器，截止目前已應用26口井，總體來看，稠油電泵井配套井下傳感器可以穩(wěn)定工作，有效監(jiān)控電泵機組的運行，不僅可以實時采集井下參數(shù)用于預警，提前主動優(yōu)化調(diào)整，避免機組工況惡化，提高異常處理的成功率及時效，而且可以實時監(jiān)測液面及壓力數(shù)據(jù)。長期應用可以提高電泵壽命，減少電泵停運。本文總結(jié)了五個方面的現(xiàn)場應用經(jīng)驗。

2.1 吸入口壓力折算液面

硅-藍寶石半導體敏感元件制造的壓力傳感器，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也能穩(wěn)定運行，采用應變電阻式工作原理，該壓力傳感器能測算壓力，還可利用公式p=ρgh計算液面高度。

稠油電泵因油套環(huán)空摻稀油生產(chǎn)，常規(guī)方法測液面難以實現(xiàn)，影響電泵井工況診斷及生產(chǎn)分析。吸入口壓力可間接反映油井液面情況，比常規(guī)的聲波法測液面更加及時。某油井在2019年2月采用排量120 m3/d，揚程為3.5 km的稠油電泵，下深3 km，尾管加深后至3.872 km，配套井下傳感器。開井后采用生產(chǎn)頻率為44 Hz，油嘴口徑為12 mm的井口油嘴生產(chǎn)，日產(chǎn)液32 t，摻稀比1.6，生產(chǎn)過程中傳感器參數(shù)顯示泵吸入口壓力由17 MPa降至7.2 MPa，折算液面L由0.736 km下降至2.023 km，加裝10 mm油嘴后壓力降至6.5 MPa，油嘴口徑縮至8 mm后無改觀，降頻至42 Hz后穩(wěn)定生產(chǎn)至3月底，后吸入口壓力再次降至5.8 MPa；折算液面2.182 km，繼續(xù)降頻至40 Hz，吸入口壓力保持長期穩(wěn)定。通過壓力監(jiān)測目前減少異常停機8井次。某油井電泵傳感器壓力監(jiān)測示意如圖2所示。

圖2 某油井電泵傳感器壓力監(jiān)測示意

2.2 機組振動指導生產(chǎn)優(yōu)化

振動加速度傳感器測量軸向振動，利用晶體的壓電效應來完成振動測量，當潛油電泵的振動對振動傳感器形成壓力沖擊后，晶體元件會產(chǎn)生相應的電荷，電荷數(shù)通過傳感器內(nèi)部電路板固件程序即可換算為振動數(shù)值。

電機振動監(jiān)測在投產(chǎn)初期可直觀反映機組裝配質(zhì)量，運行平穩(wěn)后可反映機組磨損及井下動態(tài)變化。某井在2019年1月19日的生產(chǎn)過程中，某組排量為120 m3/d、揚程為3.5 km的電泵，生產(chǎn)頻率在43 Hz時水平振動加速度高達0.7g，高于電泵機械振動烈度的正常值，經(jīng)分析認為離心泵與機組共振導致水平振動大，降頻至41 Hz后水平振動加速度恢復到0.3g的正常值。某油井2019年4月13日配套井下傳感器，生產(chǎn)初期套管壓力9.3 MPa，電機在x軸以0～0.2g的交變振動，套管壓力下降至1.3 MPa后機組振動加速度恢復到0.2g。投用以來已對3口井進行了監(jiān)測調(diào)整，提升了機組穩(wěn)定性。某油井井下傳感器運行曲線如圖3所示。

圖3 某油井井下傳感器運行曲線示意

2.3 機組溫升評價工況環(huán)境

溫度傳感器可持續(xù)監(jiān)測電機繞組溫度與泵吸入口溫度，電機繞組溫度反映井下電機散熱狀況；泵吸入口溫度對照黏溫曲線折算黏度可指導泵合理的下深。某油井在2018年12月檢泵組下排量為120 m3/d，揚程為3.5 km的電泵，機組最大外徑143 mm，配合井下傳感器，未配套電泵尾管，生產(chǎn)期間油井供液穩(wěn)定、生產(chǎn)正常，電機溫度平均上升了40 ℃，較安裝尾管懸掛裝置井的溫度高19.4 ℃。尾管裝置對電機散熱效果明顯，加裝尾管井的電機繞組溫度為100～133.6 ℃，距機組額定溫度180 ℃有46～80 ℃的余量。配套尾管與無尾管井電機繞組溫升、對比曲線如圖4所示。

圖4 配套尾管與無尾管井電機繞組溫升對比曲線

2.4 泄漏電流判斷機組絕緣

泄漏電流可持續(xù)監(jiān)測整個電泵電路系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)，入井完好時泄漏電流數(shù)值為0，但隨著電泵系統(tǒng)長時間在井下工作，井下液體對電纜和電泵的腐蝕作用造成電纜或機組絕緣性變差，傳感器泄漏電流會增加，最高值可達25 mA。

泄漏電流的變化在某種程度上反映電泵機組絕緣電阻值的變化，主要受電機溫度、絕緣老化的影響，可依據(jù)泄漏電流推算機組絕緣性能并預測機組運行壽命。系統(tǒng)絕緣值由當前頻率下的電壓與泄漏電流的比值來預測，機組壽命可通過泄漏電流的變化率來預測。通過對泄漏電流的診斷來提前安排電泵的檢維修，減少了修井時間，提高了油井生產(chǎn)效率。

2.5 吸入口壓力評價油藏能量

原理同2.1節(jié)中所述采用吸入口壓力折算液面的方法。部分電泵井液面下降快，為精準判斷地層供液能力，指導間開周期，通常在電泵停井后持續(xù)測試液面，監(jiān)測離心泵吸入口壓力，通過折算間接取得液面數(shù)據(jù)，結(jié)合液面恢復時間確定采液指數(shù)。例如： 某油井因井下傳感器顯示沉沒度不足而主動關(guān)井，關(guān)井期間多次對比實測液面與傳感器壓力折算液面，誤差范圍在100 m以內(nèi)，平均誤差為50 m，吸入口壓力折算液面L0同樣可用于分析油藏能量。目前該技術(shù)分別指導了1口井注水，2口井更換管柱注氣。L0與實測液面對比曲線如圖5所示。

圖5 L0與實測液面對比示意

3 結(jié)束語

稠油電泵井下監(jiān)測技術(shù)提供了電泵系統(tǒng)的監(jiān)測和保護，可實現(xiàn)井下參數(shù)的實時監(jiān)測，為電泵機組的工況診斷提供數(shù)據(jù)支撐，對電泵井的優(yōu)化調(diào)整、平穩(wěn)運行至關(guān)重要。通過1年的現(xiàn)場試驗，技術(shù)經(jīng)驗主要有以下幾個方面：

1)采用該傳感器可以降低油井異常處理時間，減少產(chǎn)量損失，提高生產(chǎn)時效。

2)該傳感器可以實時間接監(jiān)測液面，解決了電泵井無法測液面與關(guān)井后連續(xù)測量費用高的問題，規(guī)?；瘧每梢詾橛筒匮芯刻峁┚珳实膮^(qū)域能量數(shù)據(jù)。

3)電機振動監(jiān)測在投產(chǎn)初期可直觀反映機組裝配質(zhì)量，運行平穩(wěn)后可反映機組磨損及井下動態(tài)變化。

4)繞組溫度與吸入口溫度可反映電機散熱狀況，指導電泵系統(tǒng)選型設計。

5)泄漏電流不僅能推算機組絕緣性能，協(xié)助絕緣低、高危井的重點治理；同時能預測機組運行壽命，主動提前安排修檢泵可降低異常占產(chǎn)。