油井舉升方式適應性評價與優化應用探究

蒲立新+劉文勇

摘 要：相較于自噴采油，人工舉升采油的成本要高一些。但油藏本身的能量，即地層壓力，會隨著采出原油的增多而逐漸下降，油井就會出現停噴現象，這時就要利用人工舉升辦法采油。高效開采是石油開采的核心技術。常規通過增壓、二次和三次采油等方法延長整個油田的開采壽命，因此注水開采的油田往往排出大量的水，需要采用人工舉升手段以維持油井生產的經濟性。

關鍵詞：人工舉升方式；電潛泵技術；結構特點；故障診斷；對策

如果地層壓力不能將原油舉升到井口，那么就需要借助某些人工舉升的辦法采油，或者向油層中注入某種流體提高地層壓力，將原油舉升出井口、采到地面。這種方法就是人工舉升采油。相較于自噴采油，人工舉升采油的成本要高一些。但油藏本身的能量，即地層壓力，會隨著采出原油的增多而逐漸下降，油井就會出現停噴現象，這時就要利用人工舉升辦法采油。一般情況下，油田的自噴期限只有1～5年，而油田的生產年限要延續20～30年以上，因此，油層中的原油大部分是靠人工舉升方式采出來的。人工舉升采油包括氣舉采油、抽油機有桿泵采油、潛油電動離心泵采油、水力活塞泵采油和射流泵采油等。

目前電潛泵技術廣泛應用于油田開發中，隨著應用技術的不斷成熟，電潛泵技術也在不斷改進。電潛泵采油工藝具有排量大、功率高、生產壓差大、適應性強、地面工藝流程簡單、自動化程度高、經濟效益顯著等特點，廣泛應用于石油開采中。本文重點介紹了電潛泵的結構原理、監測系統及其故障的解決。

1 人工舉升方法

當地層能量足夠維持將井液舉升到地面時，產量可通過向井流動動態曲線（IPR）和油管入口曲線進行估算，其中必須考慮油管尺寸、井液特性以及溫度的影響。這兩條關系曲線的交點決定了預計的產量。當油管入口曲線位于IPR之上時，地層沒有足夠的能量，需要使用人工舉升方法。五種常用的人工舉升方式為：有桿泵、螺桿泵、氣舉、水力泵和電潛泵。最常用的是使用有桿泵。有桿泵操作簡單，比其他人工舉升方式成本低，但效率和排量都較低，特別是在高氣液比通過小直徑油管生產的深井中尤其如此。另一種舉升方式為使用螺桿泵，螺桿泵成本較低，可靠性高，受地層出砂和結垢的影響較小，且容積效率高于有桿泵。在有氣源和壓縮機系統的情況下，通常采用氣舉方法，因為該方法靈活性強，易于調節，并且可以方便地通過鋼絲作業更換井下設備。氣舉系統不受出砂的影響，在高氣/油比和大斜度井中使用較為理想。但隨著地層壓力逐漸降低至棄井時的壓力，這些優點不再顯現，在油田生產末期就需要使用其他人工舉升方法。目前應用廣泛的人工舉升方式為使用電潛泵。本文將介紹電潛泵的工作原理、結構、監測系統及電潛泵故障原因分析。

2 電潛泵采油工藝

2.1 工作原理。電潛泵全稱電動潛油離心泵，簡稱電潛泵，是將電動機和多級離心泵一起下入油井液面以下進行抽油的舉升設備。其工作原理是地面通過變壓器、控制屏和電纜將電能輸送給井下電機，電機帶動多級離心泵葉輪旋轉，將電能轉換為機械能，將井液舉升到地面。電潛泵廣泛應用于非自噴高產井、高含水井。

2.2 電潛泵結構特點。電潛泵系統包括電機、保護器、泵、吸入口、動力電纜、氣體處理裝置和井下傳感器。地面設備包括泵控制設備（變頻器等）、數據傳輸箱和電源等。潛泵由三相感應電機驅動，由地面電源供電。電源可以調整，從而根據油藏條件的變化對泵的性能進行微調。泵內每級離心泵由旋轉葉輪和固定的導殼組成，旋轉葉輪周圍的流體通過軸向和徑向流動，形成一個螺旋形的上升運動進入高一級的泵級中，最后進入油管。固定的導殼結構將井下的流體動能轉化為勢能—壓力。動力電纜將地面上的電能通過由鎧裝保護且外層絕緣的電纜傳到井下。電纜一般為圓形，但在泵和保護器的位置處，可將電纜設計為扁平形。井下監測設備包括漏電傳感器、壓力傳感器、溫度和壓力感器以及電機和泵振動傳感器，

信號通過動力電纜傳遞到地面的遠程控制單元，對井下壓力、溫度、振動、電流和電壓進行連續采樣。傳感器的測量參數可設置為在給定的閾值打開開關，當測量值發生變動時，關閉電機，以保護電機，免遭破壞。電機保護器把電機和泵連接在一起，支撐電潛泵產生的上沖力或下沖力，避免井液進入電機并儲備足夠的電機油，平衡電機和油井的內外壓力，提供流體來調節機油的熱膨脹或收縮。井液自泵的吸入口流入泵中且作為井下液體吸入的一部分。氣體處理裝置為一種多相、軸向的儀器，可將井液倒流或產生離心運動把部分自由氣體從泵

吸入口前分離到環空中，用來處理泵中達75%的自由氣。當氣體可排放到套管時，該裝置應安裝在氣體分離器的上方；如果產出氣必須流經泵，此裝置應安裝在標準入口的上面。

3 井下監測系統

在油井采油時，要對電潛泵的設定值進行監測和調整，確保舉升系統的效率達到最高。電潛泵的監控系統提供有價值的信息，監控系統可每隔一分鐘監測一次泵和井的動態，一天24小時連續工作，根據監測到的信息提供油藏的動態，確定提高油藏生產率的方法。人工智能舉升監測系統可輔助電潛泵作業，連續獲取泵的吸入口壓力和排出口壓力，吸入口、電機和排出口溫度，振動和泄漏電流等一系列數據，通過保護電氣系統不受超高泵溫的影響，保護泵不受閉合閥關閉的影響，保護泵不受高溫入口再循環和高產出液溫度造成過熱的影響，保護電機不受低流量條件、高電機負載和冷卻不良引起高溫的影響等監控電潛泵的性能，通過監測系統及時發現電潛泵運行中的一系列問題并及時調整生產措施，對生產井進行主動干預。

4 電潛泵的故障及解決方法

（1）地層的高溫環境。電潛泵依靠產出液的運動給電機散熱，這一要求將電潛泵的內部工作溫度限制在200℃左右。隨著天然氣處理內部組件材料的發展，利用陶瓷、冶金和合成橡膠等材質可以拓寬電潛泵的工作溫度范圍。另一方面，深井中井下溫度高，嚴重影響潛油電機的絕緣和密封特性，最終可導致電機失效。高溫絕緣系統和密封技術已使電潛泵的耐溫能力提高到450℉以上。（2）運動中的磨損程度。電潛泵在井下作業時，徑向軸承的磨損將縮短電潛泵電機和保護器的壽命，現有系統中徑向軸承增加了在自動潤滑襯套中運行的軸套。（3）振動對泵使用壽命的影響。當電機軸振動時，加大了對軸周圍密封墊的磨損，最終造成油井中的產出液泄漏到保護器中。井筒中的流體從保護器滲透過軸封，并滲透到電機，污染電機油，改變電機介電、水力和潤滑性質，導致電機失效。由于保護器頂部軸承受泵吸入口振動及產出液磨蝕的影響，在改進中使用了氧化鋯軸承，以加大抗磨性。（4）井下泥漿的影響。電潛泵運行過程中，經常遭遇泥漿的阻擋而停止工作。井下泥漿除砂器可清除砂巖井中地層流體中的砂巖，將砂巖留在井下，防止其進入電潛泵，以減少損害。（5）系統設計和操作失誤導致的故障。變速驅動裝置通過調節電機轉速，提供不同泵的優化流量，靈活地適應電潛泵的耗電及發熱，解決了這一問題。與固定速度的電機相比，配備變速驅動裝置的電潛泵可提供寬范圍的泵量，對電機速度和轉矩進行微調，當井況發生變化時，無需更換泵，進而縮短了停機時間降低生產成本。

參考文獻：

[1]溫靜. 普通稠油油藏轉換開發方式研究與實踐[J]. 斷塊油氣田. 2012（S1）