提高螺桿泵井洗井效果的措施分析

王 蕭

中國石油大慶油田有限責任公司第五采油廠 （黑龍江 大慶 163513）

螺桿泵井是一種高泵效、低能耗、投資低的油井舉升工藝，主要由地面驅動和井下工藝管柱兩部分組成。其中地面驅動工藝常采用電機直接驅動或電機經皮帶減速后驅動的方式；井下工藝管柱一般由泵體、管錨、防砂篩管和絲堵等部分組成（圖1）。目前應用的螺桿泵排量范圍在40～1200 mL/r。

圖1 螺桿泵采油舉升工藝系統圖

在生產過程中，管柱結蠟導致舉升負荷升高，嚴重時蠟卡卡泵，油井電流升高，產量降低，此時需要熱洗[1-3]。熱洗洗井時，泵車將熱水從油套環形空間泵入，水與采出液混合后，經由篩管—螺桿泵—油管內，循環返回地面回收。在這個過程中，結在油管壁、抽油桿柱和泵內壁上的蠟被溶解，隨液流帶出地面，完成熱洗作業。目前螺桿泵井熱洗存在以下問題。

1）螺桿泵排量小，受螺桿泵排量限制，單位時間進泵液量無法滿足大排量洗井需要，洗井液排量有待提高。

2）桿管配合中主要有兩種形式，Φ62 mm油管配合Φ22 mm抽油桿（以下簡稱Φ62（22）配合）和Φ 76 mm油管配合Φ25 mm抽油桿（以下簡稱Φ76（25）配合）。在抽油桿接箍處，桿與油管內壁間隙小，過流面積較小，需要調整桿管配合，擴大過流面積。

3）普驅螺桿泵井驅動電機采用工頻50 Hz工作，無法在洗井和洗井后排液時增大排液量，減少洗井時間和縮短含水恢復期。

針對上述問題，采取措施分類詳見表1。

1 優化洗井單流閥結構，增大熱洗排量

目前常用螺桿泵排量為40～1 200 mL/r螺桿泵，以某油田為例，550口螺桿泵井中，主要為200、300和500 mL/r螺桿泵，占72.4%，如圖2所示。按照洗井要求，洗井時需要泵入24 m3洗井液，對于500 mL/r螺桿泵，轉速150 r/min情況下，泵理論排量為108 L/d，將24 m3（約24 L）洗井液完全泵入所需時間為5.3 h，耗時太長，無法實現理想洗井效果。

表1 措施分類表

圖2 螺桿泵分排量分布圖

引入一種洗井單流閥，閥體結構如圖3所示，主要由上接頭、彈簧、外套、活塞、進水孔、下接頭構成[3-4]。下管柱時，將該閥置于螺桿泵以上即可。工作時，洗井活塞在水壓作用下上行壓縮彈簧，洗井液由進水孔進入油管，實現大排量洗井；洗井結束后，在彈簧彈力作用下，活塞下行歸位，進水孔關閉。核心部件洗井活塞結構如圖4（a）所示。據統計（調研A油田），該洗井閥在A油田應用數量為402套，近3年共發現洗井閥失效26井次。失效原因:洗井活塞上的密封圈采用雙排通孔注膠加工而成，在高壓水通過時，密封膠體移位，密封失效，導致洗井閥漏。為解決密封問題，對螺桿泵洗井單流閥洗井活塞結構進行改進。如圖4（b）所示，將洗井活塞原密封膠體密封改為鋼骨架支撐密封+支撐槽結構，鋼骨架有較高韌性，在高水壓下，亦不會脫出支撐槽，從而避免洗井活塞漏失。在設計上，考慮到井液中攜砂容易造成活塞磨損，導致活塞壽命降低，在設計時，增加了沉砂槽，該砂槽能夠同時起到活塞的沉砂和密封作用，延長活塞使用壽命。改進后，洗井閥工作正常，密封可靠，24 m3洗井液泵入時間縮短至1 h以內，未發現失效情況。

圖3 洗井單流閥閥體結構圖

圖4 洗井活塞改進前后結構圖

2 優化桿柱配合，增大過流面積

目前機采井管柱設計中常用Φ62（22）和Φ76（25）兩種配合。而其他配合：如Φ62（25）配合由于抽油桿接箍與油管內壁間隙過小（3.5 mm），容易發生桿管偏磨，一般不被采用。Φ76（22）配合由于相比Φ62（22）配合投資較高，螺桿泵井管柱設計中也相對較少采用。但通過對桿管接箍外環空面積計算（表 2）可以看出，Φ76（22）桿管配合相較Φ62（22）和Φ76（25）配合，接箍外環空面積分別增大111%和33%，調研20口井熱洗壓力（每種桿管配合選取5口井，4種配合共計20口井），環控面積越小，熱洗壓力越高，即存在憋壓現象。采用Φ76（22）桿管配合螺桿泵井由于擴大了接箍外環空面積（熱洗液過流面積），獲得了較低的洗井壓力，熱洗液流動性更好。因此，在新管柱設計時，考慮采用Φ76（22）配合。2016—2017年共設計126口井，平均熱洗壓力3.66 MPa，平均洗井時間52 min，取得較好的效果。

表2 桿管配合表

3 應用變頻調速技術，實現大參數抽洗及洗后排液

油井不停機洗井措施，有助于提高洗井排量和降低水泥泵車壓力[5]。現場常用措施為，洗井時調大參數，從而增大排液量，強化清蠟效果；洗井后，需要對灌入地層中的洗井液反排，此時也需要調大參數，在短時間內排凈灌入地層中的水，使油井采出液含水變為正常值，較少影響產油量。因此，洗井前后對油井參數調大是有益的。目前在用普驅螺桿泵井地面驅動一般采用工頻下電機經由主從皮帶輪帶動減速箱中錐齒傳動減速，錐齒減速比預設不變，現場主要通過調換皮帶輪實現調大或調小參數。以某廠生產的Ⅲ型功率11 kW驅動為例，錐齒減速比5.83，驅動設備共配有4個皮帶輪型號,分別為150、180、280、410 mm，通過不同的皮帶輪組合獲得相應的光桿轉速，見表3。

由此可知，普通驅動螺桿泵井調大轉速只能通過更換皮帶輪方式實現，在洗井前后，調整參數非常不便，無法實現方便調參。因此，應用了一種普驅螺桿泵井異步伺服變頻調速技術，該技術通過改變電機工作頻率實現電機端的轉速，而不需頻繁更換皮帶輪調速，頻率分辯率0.01 Hz，實現螺桿泵井無級調速。設計有過載、欠載、過壓、漏電、缺相等保護功能，在裝置控制面板上，設置了手動調速旋鈕，在控制器顯示屏中可直接讀取工作轉速和電機功率。目前累計應用變頻調速技術55井次，洗井過程中轉速提高了35 r/min，洗后含水恢復期縮短了1.5 d，取得了良好效果。常規工頻控制柜和異步伺服變頻調速控制柜如圖5、圖6所示。

表3 采研QDTL3普通驅動裝置傳動情況表

圖5 工頻控制柜

圖6 異步伺服變頻調速控制柜

異步伺服變頻調速控制柜主要技術參數見表4。

表4 變頻調速控制柜參數表

措施前后（2015—2017年），螺桿泵井洗井過流面積增大741.8 mm2、洗井排量增加5.9 m3/h、洗井時間減少0.6 h、含水恢復期縮短1.1 d，累計影響產油減少1586t。洗井質量明顯提升，措施效果顯著（表5）。

表5 措施效果對比表

4 結論

1）螺桿泵洗井單流閥可實現大排量洗井的目的，活塞優化設計中采用鋼骨架密封及骨架槽、沉沙槽設計可以解決單流閥密封失效問題。

2）采用Φ76（22）桿管配合螺桿泵井擴大了熱洗液過流面積，能獲得較低的洗井壓力，熱洗液流動性更好，試驗126口井，平均熱洗壓力3.66 MPa，洗井時間52 min，效果較好。

3）普驅螺桿泵井異步伺服變頻調速技術的應用，實現了油井大參數洗井和洗后排液，減少了洗井時間，油井含水恢復期縮短，影響油量降低，效益顯著。