潛油電泵設(shè)備的氣體處理技術(shù)研究

李鵬飛，李卓睿，門洪宇

（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280）

0 引言

潛油電泵設(shè)備是以電機(jī)為核心，對(duì)井液施加壓力的一種重要設(shè)備，其運(yùn)行能力與增壓效果有直接關(guān)系。我國油氣資源儲(chǔ)量有限，大部分油田在進(jìn)入開采中后期會(huì)出現(xiàn)游離氣含量增加的問題，如果井液中游離氣含量超過潛油電泵所能承受的最高數(shù)值，將會(huì)對(duì)電泵的工作能力產(chǎn)生影響，甚至?xí)霈F(xiàn)氣鎖問題。因此，在油田開采中需要重點(diǎn)關(guān)注潛油電泵中的氣體處理技術(shù)。

1 常用氣體處理技術(shù)

1.1 氣體分離技術(shù)

在非洲、中東等國家或地區(qū)，油藏資源豐富，地質(zhì)條件卓越，石油開采較為簡單。但是，由于我國地質(zhì)條件復(fù)雜，油藏資源相對(duì)有限，開采時(shí)間較長，很多大型油田已經(jīng)進(jìn)入中后期的開采階段。因此，我國大部分油田通常會(huì)采用人工舉升采油法，常見的螺桿泵、水力泵、潛油電泵等是人工舉升采油法的重要表現(xiàn)形式[1]。電泵的整體成本較低、工作深度較快，應(yīng)用范圍也較為廣泛，這使得潛油電泵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益被人們所關(guān)注。潛油電泵系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、電機(jī)保護(hù)器、氣液分離器、變壓器、卸油閥、單流閥、油管接線盒等結(jié)構(gòu)組成（圖1）。

圖1 潛油電泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于氣體和液體在密度方面有較大差別，在離心力的影響下可以使氣液分離。氣體分離技術(shù)是對(duì)潛油電泵設(shè)備內(nèi)部氣體進(jìn)行分離的一種技術(shù)，它以高速旋轉(zhuǎn)的方式將密度較高的液體甩在外圈、密度較低的氣體就會(huì)留在設(shè)備中，然后通過特定通道將分離出的氣體排出。

1.2 避氣入泵技術(shù)

在油田開采中后期，由于油田內(nèi)氣液比出現(xiàn)變化，氣體含量不斷增加，游離氣體的含量也逐步增加。在實(shí)際運(yùn)行中，潛油電泵系統(tǒng)不同點(diǎn)位對(duì)于游離氣體的處理能力也存在較大差別，通常左側(cè)位置游離氣體處理能力要明顯優(yōu)于右側(cè)。游離氣體含量逐漸增加，會(huì)使?jié)撚碗姳玫霓D(zhuǎn)速逐漸下降。避氣入泵技術(shù)也是一種常用的泵內(nèi)游離氣體處理技術(shù)，主要是通過增加配件或改變潛油電泵位置的方式，對(duì)進(jìn)入潛油電泵設(shè)備內(nèi)的氣體進(jìn)行控制、避免氣體進(jìn)入。通常情況下，采用的措施有增加導(dǎo)流罩或加深潛油泵的安裝位置[2]。

2 新型氣體處理技術(shù)

2.1 塔式潛油電泵的應(yīng)用

與發(fā)達(dá)國家相比，我國的工業(yè)化水平相對(duì)較為落后，石油開采中所涉及的機(jī)械設(shè)備與理論研究也較為傳統(tǒng)，這也導(dǎo)致了我國油田開采的實(shí)踐能力和工作經(jīng)驗(yàn)都與西方國家存在較大差距。但是，隨著我國對(duì)于石油開采工作的重視程度不斷提高，對(duì)于電動(dòng)設(shè)備的重視程度也越來越高，并且在潛油電泵設(shè)備氣體處理技術(shù)研究方面取得一定進(jìn)展，塔式潛油電泵就是在這一過程中取得的最主要成果之一。與傳統(tǒng)的潛油電泵設(shè)備相比，塔式潛油電泵是由多個(gè)大小不一的泵共同組成的塔式結(jié)構(gòu)，運(yùn)行過程中所有油氣會(huì)通過體積不同的泵體，大小不同的泵體由于體積差異，內(nèi)部的壓力也存在較大差距[3]。在石油開采中后期，塔式潛油電泵可以有效適應(yīng)不同情況下的油氣總體積，提高設(shè)備處理氣體的能力，這有利于保證石的油開采效率。

2.2 高級(jí)氣體處理技術(shù)

高級(jí)氣體處理技術(shù)是在對(duì)潛油電泵設(shè)備進(jìn)行深入研究之后，提出的一種新型氣體處理技術(shù)。其是以離心泵為核心設(shè)備，通過改變游離氣體的形態(tài)和大小，對(duì)即將進(jìn)入潛油電泵設(shè)備的游離氣體進(jìn)行預(yù)處理的一種方式。在潛油電泵運(yùn)行中，高級(jí)氣體處理技術(shù)可以使進(jìn)入泵體內(nèi)的氣泡直徑逐漸減小，游離氣體的含量也能大幅度降低。通常情況下，高級(jí)氣體處理技術(shù)需要在潛油電泵的葉輪上進(jìn)行打孔，在離心力的影響之下，離心泵的流道也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。而且在石油開采中，尤其是在舉升過程中，一旦游離氣體進(jìn)入潛油電泵設(shè)備內(nèi)部，就可以通過葉輪上的小孔進(jìn)行分離。游離氣體的形態(tài)和大小會(huì)大幅變化，潛油電泵就可以對(duì)更多的游離氣體進(jìn)行處理。在后期使用中，能有效延長潛油電泵的使用壽命，這對(duì)于提高潛油電泵的耐受性也有著積極作用。所以，在油田開采中后期，如果所涉及的游離氣體含量快速增加，但是整體施工成本有限，就可以采用高級(jí)氣體處理技術(shù)，以在成本可控的條件之下提高電泵的游離氣體處理能力。

2.3 調(diào)整電機(jī)負(fù)載

在我國大型油田開采過程中，由于油氣資源儲(chǔ)量有限，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，潛油電泵設(shè)備的應(yīng)用范圍越來越廣泛。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，潛油電泵井已經(jīng)占機(jī)械采油井總數(shù)的10%左右，產(chǎn)液量占總產(chǎn)量的30%[4]。所以，在油氣資源日趨緊張的背景之下，為了提高油氣資源的開采效率，就要提高對(duì)潛油電泵設(shè)備的重視程度。尤其在油田開采中后期，充分關(guān)注潛油電泵設(shè)備的氣體處理技術(shù)，不斷延長潛油電泵設(shè)備的工作能力和使用壽命。通過對(duì)電機(jī)負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，可以在電機(jī)可承載的前提之下，不斷提高潛油電泵的機(jī)組轉(zhuǎn)速，這樣可以有效控制氣體堵塞問題。這對(duì)于提高潛油電泵的運(yùn)行水平有著積極影響，也是油田開采中后期潛油電泵設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的重要途徑之一。但是，在對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整的過程中，一定要以電機(jī)負(fù)載為前提，確保在電機(jī)可負(fù)載的范圍之內(nèi)，否則將會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行安全和電泵的使用壽命。

2.4 加深泵掛技術(shù)的應(yīng)用

在油井開采的過程中，經(jīng)常會(huì)涉及到一些含氣量相對(duì)較高的油井。針對(duì)這種情況，可以采用加深掛泵技術(shù)，有效提高泵氣入口的壓力，這也是對(duì)潛油泵氣體體積進(jìn)行控制的重要方式之一。此外，應(yīng)用加深掛泵技術(shù)需要以導(dǎo)流罩為基礎(chǔ)裝置。在實(shí)際開采過程中，通過導(dǎo)流罩可以實(shí)現(xiàn)井液和氣體的有效分離，這對(duì)于延長潛油電泵工作能力有著積極影響。因此，在潛油電泵井生產(chǎn)中，加深泵掛深度并安裝導(dǎo)流罩裝置是一種有效方法，可以提高油井的生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性。

在潛油電泵實(shí)際工作過程中，如果電機(jī)表面散熱能力相對(duì)較差，會(huì)嚴(yán)重縮短潛油電泵的使用壽命。針對(duì)這個(gè)問題，在安裝過程中需要嚴(yán)格控制安裝位置，盡量安裝在油井射孔段以上，這樣可以實(shí)現(xiàn)較好的散熱效果，延長電泵的使用壽命。實(shí)際上，為了控制下泵深度，同樣也需要對(duì)潛電泵的安裝位置進(jìn)行控制。如果電泵安裝在油井射孔段以下，下泵深度也會(huì)相應(yīng)加大，因此需要安裝一個(gè)液體導(dǎo)向護(hù)罩，確保井液能夠順利流過電機(jī)表面，從而有效帶走電機(jī)散發(fā)的熱量。在正常生產(chǎn)過程中，為了保護(hù)泵吸入口、保護(hù)器和電機(jī)罩，它們被放置在護(hù)罩內(nèi)。當(dāng)井液從油層流出后，會(huì)順著護(hù)罩的環(huán)形空間向下流動(dòng)、進(jìn)入護(hù)罩內(nèi)部，然后經(jīng)過電機(jī)和保護(hù)器、通過分離器入口進(jìn)入，最終由泵將井液舉升到地面。在這個(gè)過程中，井液會(huì)不斷地與電機(jī)表面進(jìn)行熱交換、及時(shí)帶走熱量，從而達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。

導(dǎo)流罩由導(dǎo)流罩殼體、導(dǎo)流罩接頭、導(dǎo)流罩頂部密封部分和電機(jī)扶正器4 個(gè)部分組成，主要作用是引導(dǎo)井液流向泵吸入口，保護(hù)泵吸入口、保護(hù)器和電機(jī)罩不受損壞，同時(shí)還能幫助電機(jī)扶正、確保電機(jī)的穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場使用情況，在垂直井內(nèi)導(dǎo)流罩被安裝在分離器位置。

此外，在實(shí)際運(yùn)行過程中，潛油電泵也可以采用旋轉(zhuǎn)式高效分離器、套管放氣閥以及高效氣體壓縮器等新型硬件設(shè)備，這有利于提高設(shè)備的氣體處理水平。

3 應(yīng)用價(jià)值分析

潛油電泵設(shè)備作為我國大型油田開采中最為主要的一種機(jī)械，運(yùn)行能力與油田的開采水平有著直接關(guān)系。大慶油田、勝利油田、克拉瑪依油田等已進(jìn)入開采的中后期，而在我國對(duì)于油氣資源的需求量卻日益增長。在生態(tài)環(huán)保的理念之下，盡管有越來越多的光伏能源、核能源得以應(yīng)用，但是從能源結(jié)構(gòu)的角度分析，油氣資源是其他新能源無法替代的。所以，為了保證油氣資源的充足供給，就要以開采末期的潛油電泵井為基礎(chǔ)，對(duì)新型的氣體處理技術(shù)進(jìn)行分析，這樣才能對(duì)新型氣體處理技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行充分評(píng)價(jià)。

例如，某潛油電泵油井油藏資源垂直深度為1250 m，地層壓力約12.67 MPa，飽和壓力約12.00 MPa，這是典型的高油氣比油田類型。該油田是在開采初期屬于自噴井，整體產(chǎn)量可以達(dá)到70～120 m3/d。但是，隨著開采工作的逐步開展，地層能量越來越低，初始的自噴型油井也轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇型自噴油井，油量下降至25 m3/d，地層壓力約10.34 MPa，含水率已經(jīng)達(dá)到2.8%。為了提高該油井的產(chǎn)量、使其達(dá)到90 m3/d 以上，需要應(yīng)用新型的塔式潛油電泵和高級(jí)氣體處理技術(shù)。在改造過程中，需要將塔式潛油電泵入口流壓控制為3.5 MPa，流量控制為210 m3/d，游離氣體含量控制為55%。通過計(jì)算可知，第一級(jí)葉輪處流壓為4.1 MPa、流量為180 m3/d，游離氣體含量為45%，這些數(shù)值符合MVP多項(xiàng)流泵操作要求。

通過應(yīng)用塔式潛流電泵和高級(jí)氣體處理技術(shù)，發(fā)現(xiàn)調(diào)整后潛油電泵井的最佳效率點(diǎn)在右側(cè)，整體的電流相對(duì)較為穩(wěn)定，塔式潛油電泵的運(yùn)行平穩(wěn)性得以提高。

4 結(jié)束語

在實(shí)際應(yīng)用中，潛油電泵常用的氣體處理技術(shù)主要有氣體分離技術(shù)和避氣入泵技術(shù)。隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，塔式潛油電泵、高級(jí)氣體處理技術(shù)以及調(diào)整電機(jī)負(fù)載、加深泵掛技術(shù)等新型的氣體處理技術(shù)也已在潛油電泵運(yùn)行中得以應(yīng)用。即使是在油田開采末期，這些新型氣體處理技術(shù)不僅可以提高潛油電泵的運(yùn)行效率，還可以起到一定電流穩(wěn)定的作用。所以，在油田開采中后期，應(yīng)采用這些新型的氣體處理技術(shù)，不斷提高潛油電泵設(shè)備的工作能力。