水力射流泵在油氣井中的應(yīng)用

葛利俊，韓民強(qiáng)，劉 學(xué)

（渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著鉆采技術(shù)的發(fā)展，油、氣田開發(fā)中的大斜度井、水平井的數(shù)量在逐年的增加，傳統(tǒng)有桿排采技術(shù)的桿柱偏磨問題愈發(fā)突出，造成的修井作業(yè)頻次成倍增加。設(shè)計(jì)人員采取了在抽油桿桿體或桿間增加扶正塊、改變抽油桿材料、桿體表面增加鍍層等措施來降低抽油桿的磨損率，延長抽油桿的使用壽命。雖然取得了一定效果，減少了作業(yè)頻次，但這些措施并未從根本上解決桿柱偏磨的問題。為徹底解決桿柱偏磨問題，無桿排采技術(shù)得到快速發(fā)展，泡排、氣舉、電潛泵、水力泵等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，水力射流泵工藝就是其中的一種。

1 水力射流泵介紹

1.1 工作原理

水力射流泵也稱水力噴射泵，是利用射流原理將注入井內(nèi)的高壓動力液的能量傳遞給井下油、氣層產(chǎn)出液的無桿水力排采設(shè)備。地面注入低速高壓動力液，高壓動力液通過油管進(jìn)入到達(dá)水力射流泵泵體，經(jīng)泵體內(nèi)部流道進(jìn)入泵體的噴嘴，動力液通過噴嘴后由低速高壓液體轉(zhuǎn)換成高速低壓液體，形成了高速低壓區(qū)，從而產(chǎn)生抽吸作用。泵體底部的單流閥受到抽吸作用及地層壓力的影響而打開。地層液在抽吸作用的影響下進(jìn)入高速低壓區(qū)，并與動力液在喉管中充分混合。高速低壓混合液進(jìn)入擴(kuò)散管，流動截面積擴(kuò)大，轉(zhuǎn)為低速高壓流體，通過泵體流道及大小油管環(huán)形空間或者油管和套管的環(huán)形空間舉升至地面，進(jìn)入地面管網(wǎng)過濾、收集。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

（1）適用于大斜度井、水平井?？蓪⑺ι淞鞅孟轮劣汀饩淇锥我韵禄蛩骄瓵 點(diǎn)附近（或水平段最低點(diǎn)）。

（2）可單井生產(chǎn)，也可多井同時生產(chǎn)。適用于叢式井場生產(chǎn)。

（3）井下沒有運(yùn)動部件，依靠水力代替抽油桿提供動力，所以不會發(fā)生砂、煤粉等造成的卡泵故障以及桿管偏磨等問題。

（4）攜砂、煤粉等雜質(zhì)的能力強(qiáng)。可將細(xì)小顆粒舉升至地面，適用于排砂井的生產(chǎn)。

（5）產(chǎn)液量大，產(chǎn)液范圍寬。產(chǎn)液量可達(dá)0～200 m3/d，甚至更高。

（6）維護(hù)方便，作業(yè)檢修周期長。無需動管柱作業(yè)即可實(shí)現(xiàn)泵芯的液力起下與檢泵。

1.3 類型

水力射流泵分為單管水力射流泵和同心雙管水力射流泵。

（1）單管水力射流泵：井下下入單層油管，動力液依靠地面設(shè)備升壓后從油管進(jìn)入，經(jīng)水力射流泵形成混合液，混合液從油管和套管的環(huán)形空間舉升至地面。單管水力射流泵的井下管柱需要下入封隔器，為正常生產(chǎn)時的混合液或反循環(huán)起泵芯時的動力液提供密閉的通道。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是井下管柱簡單，油管和套管的環(huán)形空間面積大，因此產(chǎn)液量大。缺點(diǎn)是環(huán)形空間面積大，攜砂能力相對較弱；沒有單獨(dú)的產(chǎn)氣通道，氣液比對產(chǎn)液量影響較大，不合適排水采氣井的生產(chǎn)，所以其更多應(yīng)用于油井的開采。

（2）同心雙管水力射流泵：井下下入兩套油管，沒有封隔器。動力液經(jīng)地面設(shè)備增壓后從內(nèi)層油管進(jìn)入，經(jīng)水力射流泵形成混合液，混合液從內(nèi)層與外層油管的環(huán)形空間舉升至地面。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：內(nèi)層與外層油管的環(huán)形空間面積小，攜砂能力強(qiáng)；外層油管和套管之間的環(huán)形空間可形成單獨(dú)的產(chǎn)氣通道，特別適合于排水采氣井的開采；可通過內(nèi)層油管自噴生產(chǎn)，當(dāng)氣井具備自噴生產(chǎn)能力時，單流閥的打開壓力小于0.01 MPa，依靠壓力可使其打開或者利用專用井下工具，將單流閥打撈出來從而使內(nèi)層油管通道完全打開；可攜帶溫壓計(jì)入井，準(zhǔn)確測量泵掛處的溫度和壓力，從而指導(dǎo)油、氣的生產(chǎn)。

由于單管水力射流泵與同心雙管水力射流泵在運(yùn)行原理及系統(tǒng)配套方面相似，并且目前市場應(yīng)用主要以同心雙管水力射流泵為主，所以本文以同心雙管水力射流泵為例進(jìn)行分析、討論。

1.4 地面系統(tǒng)配套

水力射流泵不僅需要對井下管柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時還需要地面系統(tǒng)的配套。地面系統(tǒng)包括特制井口（或者在原井口上進(jìn)行改造）、地面增壓泵、變頻柜、沉降罐、分離器、過濾器、計(jì)量儀表等。排水采氣井的地面流程如圖1 所示?；旌弦罕慌e升至地面，經(jīng)地面管線流入沉降罐，在罐內(nèi)進(jìn)行沉降、過濾，處理后的液體作為動力液，經(jīng)低壓管線進(jìn)入地面柱塞泵，地面柱塞泵在變頻控制柜的控制下，將低壓動力液轉(zhuǎn)換成高壓動力液，經(jīng)高壓管線到達(dá)采油樹或者采氣樹，經(jīng)特制井口進(jìn)入內(nèi)層油管?；旌弦簭挠凸墉h(huán)形空間舉升至地面，經(jīng)采油樹或采氣樹、低壓管線進(jìn)入沉降罐沉降、過濾，再作為動力液進(jìn)入柱塞泵升壓，如此循環(huán)。水罐內(nèi)多余的液體經(jīng)溢流口排入廢水池或者排污管網(wǎng)。井下產(chǎn)出氣通過油管和套管的環(huán)形空間，經(jīng)采氣樹產(chǎn)氣通道進(jìn)入地面集氣管網(wǎng)，如在油井中應(yīng)用，需增加油、水兩相分離器或者油、水、氣三相分離器。

圖1 排水采氣井的地面流程

1.5 起下泵芯操作

相比于其他排采工藝水力射流泵的最大優(yōu)勢就是，泵芯可以在不作業(yè)的情況下起下，大大降低作業(yè)成本，使檢泵更加容易。同時可以根據(jù)生產(chǎn)需求更換泵芯內(nèi)的噴嘴和喉管的尺寸來改變產(chǎn)液量。因此，水力射流泵排采工藝的產(chǎn)液范圍非常廣泛，理論上可以達(dá)到0～200 m3/d 以上。

水力射流泵分正循環(huán)流程（下泵芯流程以及正常生產(chǎn)流程）和反循環(huán)流程（起泵芯流程）兩種。同心雙管水力射流泵采氣樹流程如圖2 所示。

圖2 同心雙管水力射流泵采氣樹流程

（1）正循環(huán)流程：打開混合液出口下閥門和動力液進(jìn)口上閥門，關(guān)閉動力液進(jìn)口下閥門和混合液出口上閥門，關(guān)閉清蠟閥門。動力液經(jīng)地面柱塞泵升壓，由動力液進(jìn)口上閥門進(jìn)入動力液管柱（內(nèi)層油管），經(jīng)水力射流泵與地層產(chǎn)液形成混合液，混合液由動力液管柱（內(nèi)層油管）與混合液管柱（外層油管）的環(huán)形空間舉升至地面，再經(jīng)混合液出口下閥門進(jìn)入地面管線，最終進(jìn)入水罐過濾后再循環(huán)。此過程為正常生產(chǎn)過程。投入泵芯過程是將清蠟閥門打開，泵芯由清蠟閥門上部投入，然后關(guān)閉清蠟閥門，開始正循環(huán)流程，直到泵芯進(jìn)入泵筒后，開始正常生產(chǎn)。

（2）反循環(huán)流程：打開混合液出口上閥門和動力液進(jìn)口下閥門，關(guān)閉動力液進(jìn)口上閥門和混合液出口下閥門，清蠟閥門上部安裝帶絲堵的短節(jié)，然后打開清蠟閥門。動力液經(jīng)地面柱塞泵升壓，由動力液進(jìn)口下閥門進(jìn)入動力液管柱（內(nèi)層油管）與混合液管柱（外層油管）的環(huán)形空間，到達(dá)射流泵后，推動泵芯離開泵筒，由動力液管柱（內(nèi)層油管）舉升至地面，液體經(jīng)混合液出口上閥門流出進(jìn)入水罐，泵芯到達(dá)清蠟閥門處，利用清蠟閥門開關(guān)卡住泵芯后，打開上部短節(jié)，取出泵芯。

近幾年還出現(xiàn)了反循環(huán)生產(chǎn)技術(shù)，流程與上述流程相反。正常生產(chǎn)流程為動力液從內(nèi)層油管和外層油管的環(huán)形空間注入，混合液從內(nèi)層油管舉升至地面。這種流程需要泵芯與泵筒有特殊的防脫設(shè)計(jì)，防止正常生產(chǎn)時誤使泵芯脫離泵筒。該技術(shù)僅在一些文獻(xiàn)、專利中出現(xiàn)過，并未發(fā)現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用，效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 應(yīng)用實(shí)例

目前，水力射流泵在油、氣井的應(yīng)用越來越多，適用領(lǐng)域也在逐漸擴(kuò)大。例如在排水采氣領(lǐng)域，其在煤層氣、頁巖氣、砂巖氣等氣田，因其攜砂能力強(qiáng)、可下到射孔段以下等優(yōu)點(diǎn)，使其更具競爭力。在稠油開采中，此工藝可實(shí)現(xiàn)注稀油采稠油，從而解決稠油開采難題。在排砂解堵中，因其攜砂能力強(qiáng)，井下無運(yùn)動部件，不會發(fā)生卡阻的優(yōu)點(diǎn)，可將細(xì)小砂粒舉升至地面，成為此類問題解決的一種優(yōu)選方案。同時，同心管水力射流泵還可以在排水結(jié)束、實(shí)現(xiàn)自噴的井中，打開內(nèi)層油管通道，使其具備速度油管的功能，讓自噴效果持續(xù)更長時間。

2.1 應(yīng)用實(shí)例1

某頁巖氣田A 井為水平井，2017 年開井自噴排液，開井時套壓為16.5 MPa，但是在生產(chǎn)過程中壓降較快，證明地層能量不足、導(dǎo)致該井失去自噴能力，必須采取人工舉升的方式將地層液舉升至地面。先后采取了速度管柱、液氮?dú)馀e、泡排等工藝，但效果都不理想。2019 年5—9 月，采用電潛泵工藝進(jìn)行排采，井口套壓3～5.5 MPa，初期排液量160 m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)氣量1.1～2.1×104m3/d。但隨著動液面的下降，開始出現(xiàn)排液不連續(xù)、卡泵、氣鎖、泵溫過熱等問題，故障頻發(fā)，導(dǎo)致最后無法正常生產(chǎn)。采用上述工藝?yán)塾?jì)排液約13 840 m3、產(chǎn)氣約72.25×104m3，返排率26.11%。

2020 年5 月開始使用同心雙管水力射流泵工藝進(jìn)行排水采氣作業(yè)。設(shè)計(jì)泵掛深度2650 m，接近射孔段底界。采用Φ88.9 mm的油管作為混合液管，Φ88.9 mm 油管內(nèi)下入Φ48.26 mm 油管作為動力液管。該井實(shí)施效果：初期產(chǎn)液量均值在100～130 m3/d波動，3 個月后產(chǎn)液量穩(wěn)定在5～20 m3/d。正常排水3 d 后開始見套壓，15 d 開始產(chǎn)氣。截止2021 年5 月20 日，累計(jì)排液約8240 m3，產(chǎn)氣量最高可達(dá)2.78×104m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)氣量1.5～2.5×104m3/d，返排率41.66%。雖然同心雙管水力射流泵工藝在排液前期的排液能力上略低于電潛泵工藝，但在低液位的情況下同心雙管水力射流泵的適應(yīng)能力明顯高于電潛泵，即便泵掛位置沒有液面，也不會導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生損壞。

2.2 應(yīng)用實(shí)例2

某砂巖氣田B 井為水平井，2019 年8 月4 日開井，開井壓力17.21 MPa；6 日出口見氣，點(diǎn)火焰高0.3～0.5 m。截止到11 月8 日，井口壓力0.19 MPa，日均產(chǎn)液59 m3，累計(jì)排液5421 m3，返排率16.9%，之后產(chǎn)液量逐漸降低至不能穩(wěn)定產(chǎn)氣。

2020 年6 月開始采用同心雙管水力射流泵工藝進(jìn)行排水采氣作業(yè)。設(shè)計(jì)泵掛深度3015 m，接近A 點(diǎn)附近，油管錨下深2450 m，采用Φ88.9 mm 油管作為混合液管，Φ88.9 mm 油管內(nèi)下入Φ48.26 mm 油管作為動力液管。該井實(shí)施效果：初期產(chǎn)液量均值在120～150 m3/d，2 個月后產(chǎn)液量穩(wěn)定在10～20 m3/d。正常排水2 d 后開始見套壓，10 d 開始產(chǎn)氣。截止到2020 年12 月28 日，累計(jì)排液約7200 m3，產(chǎn)氣量最高達(dá)1.34×104m3/d，返排率39.3%。后因Φ48.26 mm 油管發(fā)生漏失，造成產(chǎn)液量降低，漏失逐漸加劇導(dǎo)致不能正常生產(chǎn)。同心雙管水力射流泵可以解決超深井排采難題，但其對管柱密封性要求也比較高，這對管柱的質(zhì)量及下井作業(yè)的質(zhì)量提出了更高的要求。

3 結(jié)束語

水力射流泵雖然優(yōu)點(diǎn)突出，但和其他的排采工藝一樣，也存在著不足。例如，地面系統(tǒng)相對復(fù)雜，投入大；地面管線運(yùn)行壓力高，增加了現(xiàn)場的管理難度；井下管柱復(fù)雜、作業(yè)量增加等。在今后的設(shè)計(jì)研究中，降低投入成本、系統(tǒng)能耗、提高整體效率、加大泵掛深度等方面是未來的發(fā)展方向。

在大平臺化鉆井的時代，大斜度井、水平將是未來的主流，無桿排采技術(shù)將受到越來越多的關(guān)注，其種類、技術(shù)水平也將得到快速發(fā)展。得益于此，水力射流泵技術(shù)在幾十年前就已經(jīng)開始應(yīng)用，但直到近幾年才得到快速發(fā)展。因其工藝本身的突出優(yōu)勢，將在未來的油氣田開采中占據(jù)一席之地，尤其是在煤層氣、頁巖氣、砂巖氣以及稠油井、排砂井的排采工作中。