高含氣油井潛油電泵的研究及渤海油田的應用

紀樹立，李令喜，黃新春，馬緒鵬，李曉亮，杜丹陽（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

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高含氣油井潛油電泵的研究及渤海油田的應用

紀樹立，李令喜，黃新春，馬緒鵬，李曉亮，杜丹陽
（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

摘 要：潛油電泵是海上油田的重要采油設備。對于含氣量很大的油井，氣體的存在使潛油電泵系統的工作變得不穩定，泵容易出現氣鎖，導致泵抽吸不到井液而使電機欠載停機，頻繁地欠載停機會使電機溫升過高，降低電機絕緣，從而燒毀電機。針對渤海油田高含氣井的特點，分析了氣體對潛油電泵的影響，設計開發了適用于高含氣井的潛油電泵產品。該電泵主要包括雙串分離器、組合泵及高效處理器等處理氣體的部件，在渤海油田已經應用多年，有效解決了氣鎖等問題，提高了檢泵周期。結果表明該產品能夠滿足海上油田高含氣井的使用需求。

關鍵詞：高含氣油井；潛油電泵；開發；應用

0　引言

潛油電泵是海上油田的主要采油設備，海上油田電泵井數占到開發井數的90%以上，電泵井在海上油田的中后期開發中發揮了極其重要的作用。但是潛油電泵對氣體的適應能力一般，API推薦標準進泵氣體百分數要小于10%，否則將對泵產生不良影響。例如氣鎖等。

潛油電泵雖然配有旋轉式分離器，但它只適用于泵吸入口壓力下含氣量＜30%的油井，達不到很好的分離效果。因此還要針對油井高含氣狀況進行分析，開發出適合高含氣井開采的潛油電泵。國內外目前都有一些適應高含氣井的潛油電泵，比如帶有葉導輪、導向論、分離輪等分體的離心式分離器、有不同排量不同規格的浮動式的高效處理器，有氣砂錨裝置的潛油電泵等設計但是特點各不相同，側重點也不一樣［1-2］。渤海油田部分油井含氣量比較高，在使用電泵采油時，生產不穩定，電流波動明顯，部分井經常出現欠載停機，反復停機最后導致電機燒。出氣嚴重的井，甚至出現氣鎖，不能正常生產。因此，開發研制適合渤海油田特點的高含氣油井潛油電泵也就具有非常重要的現實意義。為此，對高含氣油井的舉升機理、氣體對電泵的影響機理進行了研究，重新開發出帶有雙串離心式高耐砂高效分離器、全壓縮式高效油氣處理器及組合泵的高含氣井潛油電泵，并針對不同的井況特點配套成不同的高含氣井潛油電泵系統。經過在渤海油田多年的應用，效果比較理想，基本解決了中高含氣油井的電泵采收問題。

1　技術分析

對于高含氣井，油井在從自噴逐步轉抽過程中，井底流壓將大幅度下降，這樣在油井生產過程中，原油在井底甚至在油層內部就開始脫氣，使井液中含有大量游離氣。從實際使用情況和現場試驗來看，當含有大量游離氣體的井液進入潛油電泵機組時，游離氣會對潛油電泵性能產生很大的影響。當井液中游離氣的含量大于離心泵的設計允許值時，可使離心泵的工作性能不穩定，排量、楊程及效率下降，地面所記錄的電流波動較大。隨著游離氣體的增加，使泵送液體出現斷續，這種斷續現象的加快，使電泵出現欠載停機。頻繁地欠載停機會使電機溫升過高，降低電機絕緣，從而導致燒毀電機而停井。另外，游離氣含量高到一定程度，可使離心泵流道的大部分空間被氣體占據而發生氣鎖現象，最終使離心泵停止排液。

通過以上分析，為了消除井液中游離氣對潛油電泵機組性能的影響，提高潛油電泵機組在高含氣油井中的使用性能，可以從三方面入手，一方面可以在泵的入口處安裝油氣分離器，在泵吸入之前先排除游離氣，來降低進入離心泵的含氣量，從而提高潛油電泵機組系統的工作壽命和可靠性。另一方面，可以在氣體進入泵之前，先對氣體進行處理，使氣液充分混合，從而不能行程氣體段塞，防止氣鎖的產生。還可以通過結構設計，提高泵本身具備處理氣體和適應氣體的能力。

2　結構設計與技術創新

2.1雙串油氣分離器結構設計

常規的分離器只能適應于氣液比25 %以下的油井。為提高潛油電泵系統對高含氣井的適應性，擴大潛油電泵的適用范圍，設計了雙串接分離器。雙串接分離器設計了兩級誘導分離輪結構，在油氣水混合液進入潛油離心泵之前，可通過雙串接分離器的兩級誘導分離輪進行分離，提高分離效率。與目前國內外一些分離器結構不同，我們設計的分離器誘導分離輪設計成一個整體，見圖1。誘導分離輪與殼體之間設計有襯筒，襯筒為高鉻鑄鐵，襯筒采用整體鑄造結構，上下與接頭采用密封件密封，這種結構分離效率高，并且耐砂能力強，在含砂油井，不會因為砂粒沖蝕導致分離器殼體斷裂掉井。

首先誘導分離輪將油氣引入低壓吸入區誘導段，然后，低壓吸入誘導段使油氣混合液獲得穩定的壓頭。誘導段的高速旋轉使混合液由徑向流變為軸向流進入分離腔。混合液在高速旋轉分離腔內做勻速圓周運動。由于離心力原理，比重大的液體甩向外圍，比重輕的氣體則聚集于軸心附近。被甩向外圍的液體，經下節的交叉流道進入上節分離器的低壓吸入區。重復下節的分離過程，最后液體進入到泵的第一級；氣體則經過分流殼的分叉流道、再經過兩級分離器上接頭放氣孔進入油套環空。這種分離器對井下氣液比10 % ～30 %的井有良好的分離效果。

圖1 雙串分離器示意圖

2.2高效油氣處理器的結構設計

對于泵吸入口氣液比大于30%的油井，使用分離器也不能保證潛油電泵正常工作。另外對于不同的油田，對氣體的分離有不同的要求，比如海上的采油平臺，為避免腐蝕性氣體對套管和井下工具的傷害，有時要求氣體不要在井下分離，需要通過井液帶到地面。因此，設計了高效氣體處理器，即可以不分離器游離氣體，又可以適應高含氣井的生產。所設計的高效氣體處理器主體采用軸流式結構，并設有壓縮腔，見圖2。井液在進入潛油泵前經過氣體處理器的分離和壓縮，可增加井液在泵入口處的壓力，減少游離氣體。可單獨使用，也可與油氣分離器串聯使用。處理器設計有特殊設計的葉輪導殼，利用葉輪的高速旋轉所產生的推力推動井液，葉片對水產生向上的升力，可把井液從葉輪的入口推到出口，葉輪具有攜氣能力。含有游離氣的井液通過處理器的葉輪導殼，通過葉輪導殼的作用減小氣泡的尺寸和改變氣泡的分布來使井液形成均勻的氣-液混合物，使之在進泵之前的狀態像單相的液體一樣，這樣就可大大改善離心泵的吸入條件［3-4］。氣體處理器不僅對井下氣體具有壓縮作用，有效防止氣體在井下從井液中游離出來，使用范圍大，而且減少了油氣對泵的汽蝕，降低泵氣鎖次數，減少了揚程和壓力的損失。與油氣分離器配合使用可有效處理含氣量為70%的井液，是高含氣井的有效處理設備。

圖2 高效處理器結構示意圖

2.3組合泵結構設計

為了加強泵對游離氣體的處理能力，減少游離氣的產生，利用葉導輪階梯逐漸加壓設計了組合泵。組合泵主要在一臺泵里設計有兩種以上型號葉輪。一般從下往上逐漸降低，下面的排量要高于上面的排量。當井液進入下面的較大的葉輪的時候，葉輪進行一次壓縮和舉升，進入下一級葉輪，再進行一次壓縮和舉升，從而實現階梯加壓和壓縮，如圖3所示的組合泵，其內部含有三種型號的葉輪，分別為葉輪1、葉輪2、葉輪3，三種型號葉輪的排量依次降低，即葉輪1＞葉輪2＞葉輪3。當井液進入額定排量葉導輪時，壓力已高出飽和壓力，這時游離氣已全部重新融入井液中，進入額定排量葉導輪時，已經沒有游離氣，因此沒有氣體影響泵運轉問題。

圖3　組合泵結構示意圖

3　應用

分離器+高效處理器方案設計及應用。QK18-2 油田E-2D井產氣量4萬方，額度排量：75m3/d，揚程2000米，泵掛：2200m（斜深）。

氣體計算：（1）根據計算泵吸人口壓力下的溶解氣油比的公式得：

根據校正系數計算方法算出：

所以：

（2）根據天然氣體積系數計算公式得出：

（3）根據油層原油體積系數計算公式可以得

（4）根據泵吸入口氣液比計算公式得：

由于泵吸人口壓力遠遠低于飽和壓力，所以計算出的溶解氣油比應進行校正。計算出泵吸人口壓力與飽和壓力的比值為：

由油藏參數計算泵掛處的氣體百分數詳見表1。

從表1可以看出泵掛處的汽液比為90%（氣體體積/（氣體體積+油的體積+水的體積））。因此，該井選用高效處理器+雙串分離器組合方案。E2D井2013年6月15日投入使用，運行時間362天，故障原因為大小扁連接處擊穿。

QK18-2 油田P3，P5，P7三口井也采用了高效氣體處理器+分離器，其中P3井1.97萬方，p5井產氣3.16萬方，p7產氣2.3萬方。各井參數及計算結果詳見表2。這三口井吸入口處氣液比都大于30%，為了確保電泵能夠在這四口高含氣井中平穩運行，都選用高效處理器+雙串分離器組合方案。2011年，我們在QK18-2油田P3，P5，P7下井，運行非常平穩，使用取得明顯效果，運行電流卡片見圖4。LD4-2油田A2井2008年8月28日投產。下75m3/d、揚程1200米機組。由于產量預測不準確，投產初期日產液量達到553方左右，產氣3萬方。

2008年9月4日改為自噴生產。日產液525方左右，日產油2.8萬立方左右。2008年9月27日試啟泵，機組過載，電機燒壞。以后一直自噴生產。2009年9月開始，產液量嚴重下降，9月24日日產液量降到138方左右。為了提高產量決定檢泵。該井產氣量較高，為防止氣體對泵影響，決定采用組合泵。投產后，日產液330方左右，產氣1.2萬立方左右，機組運轉正常。

機組配套：1） 550方葉導輪54級，揚程240米；2） 300方葉導輪120級，揚程530米，3） 200方葉導輪79級揚程450米。該井飽和壓力13兆帕左右，吸入口壓力10.89兆帕，井液通過前兩段泵提高7.7兆帕壓力，在井液進入額定排量葉導輪時壓力已高出飽和壓力4兆帕左右，這時游離氣已全部重新溶入井液中，進入額定排量葉導輪時，已經沒有游離氣，因此沒有氣體影響泵運轉問題。使用組合泵后，該井運行平穩，取得了預期效果。

4　結論和應用前景

通過現場應用表明，所開發的高含氣井潛油電泵基本滿足了海上高油氣比油井生產的需要，在海上得到了推廣和使用，效果較為理想。截止到目前已經使用了30多套，取得了比較好的效果，檢泵周期由原先的幾十天提高到了300天以上。通過設計和應用情況的總結分析得出如下結論：（1）所開發的高含氣井潛油電泵有效提高了高含氣井的適應性，解決了氣鎖等問題，提高了檢泵周期，能夠滿足海上油田高含氣井的使用需求。（2）由于高效處理器是在原有電泵機組的基礎上增設的一級氣體處理裝置，該裝置不僅具有解決油氣問題的能力，而且自身具有一定的舉升揚程，能夠進一步提高電泵機組對井液的舉升能力。（3）目前配套的組合泵基本滿足了海上高油氣比油井生產的需要，在海上得到了推廣和使用，效果較為理想。

表1　泵掛處的氣體百分數計算值

表2　QK18-2 P3，P5，P7三口井參數及計算值

圖4　電流運行卡片 3.2 LD4-2油田A2井組合泵方案設計及應用

參考文獻：

［1］汪衛軍，劉金同，曲文穎.高含氣井潛油電泵機組［J］.石油科技論壇，2013（05）.

［2］曹文江，金顯軍，王愛君.高效氣液離心泵在埕島油田電泵井中的應用［J］.中小企業管理與科技（上旬刊），2011（11）. ［3］劉恒.高含氣井用潛油電泵氣體處理器研制［J］.石油礦場機械，2013（10）.

［4］胡永強.氣體處理器在含氣井生產應用研究［J］.化工管理，2014（05）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.070

作者簡介：紀樹立（1981-），男，工程師，主要從事潛油電泵技術與開發工作。