中原油田螺桿泵采油技術(shù)應(yīng)用研究

王永亮 周嬋娟

（1.勝利油田森諾勝利工程有限公司；2.勝利油田東辛采油廠(chǎng)）

引言

螺桿泵是在20世紀(jì)30年代由法國(guó)人發(fā)明的，初期只應(yīng)用于地面高黏度液體的輸送，到20世紀(jì)70年代后期開(kāi)始應(yīng)用于石油開(kāi)采，20世紀(jì)80年代我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)螺桿泵采油技術(shù)并逐步推廣應(yīng)用。目前，螺桿泵已經(jīng)在常規(guī)油藏、煤層氣藏、稠油、瀝青熱采、出砂油藏、水淹氣藏排液采氣，及高溫、含鹽、硫、CO2油藏中廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)大慶油田、遼河油田、吐哈油田、川渝氣田等多個(gè)油氣田應(yīng)用螺桿泵采油技術(shù)已達(dá)到一定規(guī)模。

螺桿泵與普通抽油機(jī)舉升方式相比，具有地面裝置體積小、占地面積小、工作噪聲低、能耗低、易于管理，及能適用于原油黏度大、含砂量高的油井等特點(diǎn)[1]。隨著合成橡膠和硫化黏結(jié)技術(shù)的發(fā)展，螺桿泵也成為稠油出砂冷采、聚合物驅(qū)油的油田主要的人工舉升方式。

中原油田應(yīng)用螺桿泵采油技術(shù)相對(duì)較晚。對(duì)照中原油田的地質(zhì)情況與螺桿泵采油技術(shù)的特點(diǎn)，并進(jìn)行充分的可行性論證后，于2014年起開(kāi)展螺桿泵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)在試驗(yàn)應(yīng)用過(guò)程中不斷優(yōu)化、改進(jìn)，目前已用于多個(gè)采油廠(chǎng)，并初步完善了一系列配套工藝技術(shù)，取得了較好的使用效果。

1 中原油田地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造

中原油田腹地位于河南省濮陽(yáng)市，濮陽(yáng)市的大地構(gòu)造屬華北地區(qū)，其轄區(qū)位于東濮凹陷之上。東濮凹陷夾在魯西隆起區(qū)、太行山隆起帶、秦嶺隆起帶大構(gòu)造體系之間。東有蘭聊斷裂，南接蘭考凸起，北界馬陵斷層，西連內(nèi)黃隆起。東濮凹陷是中原油田重要的油氣生產(chǎn)基地。

1.2 油藏

東濮凹陷屬于陸相湖盆沉積[2]，主要含油層系是古近系沙河街組，為大型復(fù)式油氣聚集帶。油藏具有構(gòu)造破碎、埋藏深、滲透率低、原油黏度小、氣油比大、地層溫度高、原始地層壓力大及地層水礦化度高等地質(zhì)特點(diǎn)。

1）油藏埋藏深，含油井段長(zhǎng)、小層多。儲(chǔ)層變化大、物性差。埋深2500 m以上的儲(chǔ)量占60%，低滲、特低滲儲(chǔ)量占40%，多為復(fù)雜斷塊油氣藏。

2）地層溫度高、原始?jí)毫ο禂?shù)大。油藏溫度75～140℃，壓力系數(shù)超過(guò)1.2的儲(chǔ)層占35.0%。

1.3 流體性質(zhì)

原油具有密度小、黏度低的特點(diǎn)。地面原油密度一般為0.83 g/cm3左右，地層原油密度0.66～0.76 g/cm3，地層原油黏度0.5～5.0 mPa·s；油田地下水總礦化度為4.32×104～28.42×104mg/L，氯離子質(zhì)量濃度為2.81×104～19.37×104mg/L，屬于CaCl2型。

2 螺桿泵適應(yīng)性分析

2.1 組成及原理

螺桿泵采油系統(tǒng)(PCP)[3]是80年代早期最新的人工舉升方式之一，其屬于一種正向推進(jìn)式容積泵。螺桿泵的動(dòng)力來(lái)源為地面驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，地面部分由變頻器、驅(qū)動(dòng)頭組成；井下部分由定子和轉(zhuǎn)子組成。配套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由液面監(jiān)測(cè)儀、扭壓傳感器、變頻器數(shù)據(jù)采集控制器、GPRS Modem、云平臺(tái)等組成。

螺桿泵轉(zhuǎn)子為單螺旋形狀，定子為一個(gè)雙螺旋形狀的橡膠內(nèi)襯，二者形成封閉腔。當(dāng)其相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，封閉腔室做軸向移動(dòng)，迫使液體從下室移入上室并舉升至地面。流體在彈性密封推進(jìn)腔(定子)內(nèi)流動(dòng)時(shí)，容積不發(fā)生變化，因而沒(méi)有湍流攪動(dòng)和脈動(dòng)，有效降低井液乳化，避免氣堵現(xiàn)象發(fā)生。推進(jìn)腔的設(shè)計(jì)與其應(yīng)用的材料使螺桿泵能在抽取黏稠、研磨性液體時(shí)發(fā)揮理想的效果。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前，在油田開(kāi)發(fā)中常用的采油方式主要為抽油機(jī)、螺桿泵、電泵等。針對(duì)中原油田地質(zhì)特征，在優(yōu)選采油方式上主要從螺桿泵的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[4]、管理及經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行了分析及對(duì)比。

三種采油方式的特點(diǎn)、適用條件等技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

由表1可知，三種采油方式各有特點(diǎn)，適用不同工況的油井；但考慮到提液增效、節(jié)能降耗、日常維護(hù)、管理、安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益等方面，在中原油田應(yīng)用螺桿泵較前兩者更具優(yōu)勢(shì)，更適合目前油田開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。

表1 三種采油方式技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

表2 21口螺桿泵井應(yīng)用情況

表3 系統(tǒng)效率測(cè)試指標(biāo)對(duì)比

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

3.1 采油二廠(chǎng)應(yīng)用情況

采油二廠(chǎng)自2014年至2016年，共實(shí)施轉(zhuǎn)改螺桿泵井21口。其中，電泵轉(zhuǎn)螺桿泵9口井，抽油機(jī)轉(zhuǎn)螺桿泵12口井。轉(zhuǎn)改情況如表2所示。

由表2可知，與電泵井生產(chǎn)相比，螺桿泵井雖然存在一定的降液情況，但日產(chǎn)油增加0.2 t，且節(jié)電效果明顯，平均單井日節(jié)電1355 kWh。相比抽油機(jī)井，尤其針對(duì)大泵徑抽油機(jī)井（?56泵及以上）泵掛淺、提液能力不佳的問(wèn)題，螺桿泵的下泵深度更大，平均泵掛1521 m，較大泵徑抽油機(jī)井增加236 m，平均單井增液10.6 t；對(duì)于小泵徑抽油機(jī)井（?44泵及以下）排量小、提液能力有限的情況，螺桿泵提液效果更為明顯，平均單井增液17.7t。螺桿泵在有效提液的同時(shí)，能夠降低能耗[5]。21口井平均單井噸液?jiǎn)魏?.6 kWh/t，較實(shí)施前的11.4 kWh/t降低6.8 kWh/t，節(jié)電率為59.6%，整體應(yīng)用效果較好。

實(shí)施螺桿泵的21口油井產(chǎn)量保持穩(wěn)中有升的同時(shí)，能耗降低明顯；但螺桿泵在中原油田應(yīng)用時(shí)間還較短，應(yīng)用過(guò)程中也出現(xiàn)了各種問(wèn)題，比如定子破膠、偏磨等。具體問(wèn)題如下所述：

1）定子橡膠破碎。定子與轉(zhuǎn)子的過(guò)盈率過(guò)大。定子橡膠浸泡在井液中會(huì)逐漸溶脹直到完全溶脹，溶脹過(guò)度會(huì)增加摩擦扭矩，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致定子與轉(zhuǎn)子抱死或者出現(xiàn)定子脫膠現(xiàn)象[6]。受中原油田油藏埋藏深、井深、高溫、高壓、高礦化度等特點(diǎn)影響，定子橡膠地層實(shí)驗(yàn)配伍數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)有差距，造成橡膠等級(jí)不夠。

解決方法：通過(guò)多口井實(shí)際數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，下調(diào)定子與轉(zhuǎn)子的過(guò)盈配置級(jí)別，提高橡膠等級(jí)，采用氫化高飽和丁腈橡膠。該型橡膠具有更強(qiáng)的耐高溫、耐老化、耐腐蝕性能，在高溫高壓下仍保持與常溫相當(dāng)?shù)奈锢頇C(jī)械性能，經(jīng)過(guò)多次室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，效果非常理想，基本解決了定子短時(shí)間破碎的問(wèn)題。

2）管桿偏磨。在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，扭力桿尤其是接箍部分與油管產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)摩擦[7]。螺桿泵在中原油田的下泵深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)外其他油田（1500 m以上），無(wú)法借鑒鄰近或同類(lèi)油田的防偏磨治理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)偏磨造成的影響估計(jì)不足、準(zhǔn)備不足等。目前防偏磨主要根據(jù)井筒軌跡和拐點(diǎn)位置進(jìn)行配套，防偏工藝主要采用尼龍材料熱加固技術(shù)。

解決方法：在防偏磨配套上，利用專(zhuān)業(yè)化軟件優(yōu)化螺桿泵扶正器安裝位置及數(shù)量，優(yōu)化熱注塑扶正器配方，增加扶正體韌性，減小摩擦系數(shù)；同時(shí)設(shè)計(jì)研制軸套式扶正器，扶正套不隨桿轉(zhuǎn)動(dòng)，延長(zhǎng)扶正器使用壽命，延長(zhǎng)檢泵周期。如典型井XP1井，未應(yīng)用防偏磨配套時(shí)，檢泵周期僅為50天左右，后來(lái)應(yīng)用防偏配套后，檢泵周期超過(guò)500天。

為準(zhǔn)確分析螺桿泵節(jié)能降耗應(yīng)用情況，選取8口螺桿泵井、210口抽油機(jī)井和22口電泵井進(jìn)行系統(tǒng)效率測(cè)試和節(jié)能監(jiān)測(cè)（表3）。通過(guò)與抽油機(jī)、電潛泵的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，螺桿泵的平均系統(tǒng)效率、噸液?jiǎn)魏摹嵱蛦魏暮桶倜讎嵰簡(jiǎn)魏牡戎笜?biāo)均優(yōu)于其他兩種采油方式，說(shuō)明螺桿泵效率最優(yōu)，在節(jié)能降耗方面優(yōu)勢(shì)明顯，適合推廣應(yīng)用。

自2014年以來(lái)，中原油田采油二廠(chǎng)借鑒國(guó)內(nèi)外成熟的螺桿泵采油技術(shù)，先后在21口井實(shí)施螺桿泵采油應(yīng)用試驗(yàn)。通過(guò)多方合作、研究，技術(shù)不斷優(yōu)化改進(jìn)，試驗(yàn)指標(biāo)已高出國(guó)內(nèi)同行水平，如平均泵深超過(guò)1500 m，最深達(dá)到1802 m，平均排量83 m3/d，最大到123 m3/d，檢泵周期也大幅提高，超過(guò)365天。

3.2 采油一廠(chǎng)應(yīng)用情況

采油一廠(chǎng)在借鑒采油二廠(chǎng)應(yīng)用螺桿泵經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2016年底首先選取5口井（3口抽油機(jī)井、2口電泵井）開(kāi)展螺桿泵應(yīng)用試驗(yàn)，應(yīng)用效果較好。

5口井轉(zhuǎn)改螺桿泵后，平均單井日降液量3.8 t、日增油量0.3 t，平均單井噸液?jiǎn)魏臑?.7 kWh/t，較轉(zhuǎn)改前的7.6 kWh/t降低2.9 kWh/t，節(jié)電增油效果顯著。其中，抽油機(jī)轉(zhuǎn)螺桿泵3口井，轉(zhuǎn)改后平均單井日產(chǎn)液98.1 t，日產(chǎn)油2.3 t，與轉(zhuǎn)改前相比平均單井日增液26.4 t、日增油0.3 t,泵掛深度增加204 m，噸液?jiǎn)魏慕档?.2 kWh/t;電泵轉(zhuǎn)螺桿泵2口井，轉(zhuǎn)改后平均單井日產(chǎn)液76.7 t,日產(chǎn)油3.5 t，與轉(zhuǎn)改前相比日降液49.1 t，日增油0.3 t，日節(jié)電1055 kWh，噸液?jiǎn)魏慕档?.8 kWh/t（表4）。

表4 螺桿泵轉(zhuǎn)改前后生產(chǎn)情況對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析表明，螺桿泵較抽油機(jī)下泵深度更大，提液效果更好，節(jié)能降耗更優(yōu)；較電泵而言，在基本達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)，能夠有效降低能耗，節(jié)電率達(dá)52.3%。

隨著螺桿泵在中原油田各廠(chǎng)推廣應(yīng)用過(guò)程中的不斷改進(jìn)和提高，定子破膠和偏磨等問(wèn)題得到很大改善，檢泵周期明顯延長(zhǎng)。在高效開(kāi)發(fā)、效益為上的形勢(shì)下，螺桿泵采油技術(shù)在中原油田開(kāi)發(fā)中將發(fā)揮重要的作用。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)比螺桿泵應(yīng)用后生產(chǎn)情況，分析認(rèn)為螺桿泵較潛油電泵在穩(wěn)產(chǎn)的情況下能夠有效降低能耗，較抽油機(jī)在提液、降耗等方面的優(yōu)勢(shì)也較為明顯，具有較好的推廣價(jià)值。

2）中原油田通過(guò)對(duì)螺桿泵采油技術(shù)的不斷探索、優(yōu)化、改進(jìn)，已基本形成規(guī)模化，大排量、高揚(yáng)程螺桿泵采油技術(shù)具備國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

沙漠綠島石西油田

3）螺桿泵采油作為一項(xiàng)成熟技術(shù)，盡管目前在中原油田的推廣應(yīng)用效果較好，但實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中仍存在不少問(wèn)題，受客觀因素制約較多，未來(lái)仍需要在防偏磨、定子壽命等方面開(kāi)展螺桿泵配套工藝攻關(guān)研究。