采下注上注水工藝潛油電泵機組研究與應用

胡相嵩，鄒俊松，紀艷娟，董 燕

（1.江蘇石油勘探局礦業開發總公司，江蘇揚州 225009；2.湖北長江大學，湖北武漢 430100；3.江蘇油田工程院，江蘇揚州 225009；4.江蘇新源礦業有限責任公司，江蘇淮安 223001）

JS油田存在部分地勢低洼、儲量規模小、區塊零散的油區，注采井網不完善或有采無注，長期降壓開采使地層能量得不到有效補充，采用常規注水工藝地面流程鋪設不便，投資巨大，給油田開發帶來了較大難度。劉衛紅、李鷹峰等人曾提出用電泵機組作為注水設備實現區塊注水的方案。根據注、采水層的上下對應關系，現有的同井采水注水工藝分為“采下注上”和“采上注下”兩種。采水層位于注水層上部情況時使用“采上注下”工藝，采水層位于注水層下部時采用“采下注上”工藝。根據JS油田目標注水層位置，開展了采下注上工藝研究與試驗，實現零散區塊同井采水注水功能。

1 采下注上注水工藝原理

圖1 潛油電泵采下注上工藝原理

采下注上工藝在采出層位于注水層下部情況下使用。其原理是將采出層的水經井下電泵增壓后注入到位于采出層的上部注水層中，其管柱結構特點有：（1）電機為下端輸出扭矩；（2）電機上端為正常保護器，下端為倒置式保護器；（3）泵為浮動泵，由下端的小直徑保護器承擔軸向力；（4）井液通過導流罩繞過小直徑保護器進入泵中；（5）使用封隔器對采水層與注水層進行隔離。

2 倒置電泵機組設計

采下注上注水工藝用潛油電泵機組與常規采油用潛油電泵機組不一樣，電泵機組部分部件需要倒置使用，且有不同程度的改變，有的甚至需要重新設計。

2.1 倒置潛油電機的設計

倒置潛油電機是以正常采油電潛泵上下電機中的上節電機為設計原型，對電機下端進行局部修改和設計：（1）下端采用簡易花鍵連接，使電機可以滿足運轉要求，取消下接頭；（2）修改中間接頭設計，使接頭既能起到扶正作用又能夠與下端的保護器連接，在接頭上有注油閥；（3）與常規潛油電泵電機上端輸出扭矩不同，倒置電機下端輸出扭矩帶動泵軸轉動。

2.2 倒置保護器的設計

為了保證井下電泵啟動后的出口壓力在上保護器的平衡作用尚未起作用時不壓開倒置沉淀式保護器的機械密封，從而保證井液不進入保護器；重新設計了倒置保護器結構，其結構特點如下：（1）保護器有四個腔：兩個膠囊腔、一個沉淀腔、一個止推軸承腔，實現內裝式三級機械密封；（2）將倒置保護器的下兩腔設計為膠囊式結構，即為機械密封、膠囊等形成兩個隔斷的密封腔體，下膠囊內腔與上膠囊外腔連通，將井液與電機油完全隔絕，同時在上膠囊腔下端接頭上安裝膠囊內腔與外腔的單流閥，以保證上膠囊內腔壓力的釋放；在下接頭上增加單流閥連接下級膠囊外腔與井液，當高壓井液作用于倒置保護器下端時，由于單流閥的開啟壓力小于機械密封，單流閥開啟，井液進入下膠囊外腔，擠壓膠囊，增加膠囊內腔壓力，減小最下級機械密封兩端的壓力差，起到緩沖高壓的作用；（3）為了增加倒置保護器的儲油量，確保倒置保護器功能的實現，在兩級膠囊腔上再加一級沉淀腔，使倒置保護器自身擁有對高壓井液的緩沖作用；并且井液即使進入倒置保護器，因為兩級膠囊的隔斷作用，井液也無法與電機內的電機油接觸，保護了電機內電機油的清潔。

2.3 倒置潛油泵的設計

針對水井注入時含有一定機雜的注入條件,設計了浮動式倒置電泵。這種電泵采用完全浮動式葉輪，即葉輪與導殼之間及葉輪與葉輪之間均有一定的竄動間隙，葉輪在工作中處于浮動狀態，在含有一定機雜環境中工作時不易磨損，延長泵的使用壽命。

2.4 機組小直徑保護器的設計

為了平衡注水時泵所產生的向下軸向力，并且要滿足采下注上加導流罩工藝要求，機組小直徑保護器外徑設計為φ86，采用電泵用的平面軸承承受軸向力，承受壓力19 MPa。

2.5 高壓電纜密封井口的研制

在井口懸掛器設計電纜密封機構，將懸掛器分為兩部分，設計凹型多重鉛芯電纜密封組及三芯分壓密封方式，解決了注水壓力在25 MPa 時多次壓力波動下的過電纜井口密封問題。

3 排量控制

為了更好的控制潛油電泵的揚程和排量，地面控制系統采用中壓智能軟啟動控制，實現數字化智能控制，操作簡單的特點，具有軟啟及各項保護功能。根據離心泵特性曲線反映的離心泵排量與揚程、泵效和軸功率之間的關系，在變頻情況下，離心泵表現如下特性。

圖2 離心泵特性曲線

利用離心泵的固有特性可靈活控制采注過程。在采注初期，采注層壓力差別不大，需要從采液層向注液層注液，利用離心泵排量大的特點進行快速注水，并可以通過變頻器變頻調整注液量，此時離心泵主要工作在B區。當注液壓力達到一定值時，注液層形成一定套壓并達到注液要求，此時需維持穩定的動態平衡，泵注液量大幅度下降，該階段屬于正常采注期。由于正常采注期的排液量很小，離心泵實際工作在特性曲線的A區，并可通過變頻可提高揚程，增壓效果明顯。

4 現場應用

由防垢裝置+單流閥+橋塞+倒置電泵機組組成的采下注上的同井采注工藝管柱于2010年5月14日在S42-4 井使用，潛油電泵機組采用中壓大功率變頻器控制，實際泵深1770 m，電機運行頻率42 Hz，電壓1050 V，電流21 A，初期注水壓力5.5 MPa，日注水量30 m3。運行321天，井口懸掛器密封無滲漏，機組及井口設備運行良好，各項參數基本穩定，達到了設計要求。

5 結論與認識

潛油電泵采下注上注水工藝相比常規注水工藝技術投資少，基建和運行費用降低，地面流程簡單，管理方便。

采出液直接注入地層中，減少地面水處理設備的擴建、運行費用（地面增壓、化學處理），降低采出液對環境的污染。相對常規注水井，潛油電泵機組設備費用較高，井下設備可靠性和使用壽命直接決定投資費用和投資效果。

［1］劉衛紅，李鷹鋒，等.同井采注電泵機組倒置泵的研究［J］.石油機械，2010，38（6）：76-77.

［2］李貴川，楊進，等.海上油田同井采注一體化技術研究與應用［J］.斷塊油氣田,2012，5（3）：386-388.