一種采油井井下旋流氣砂分離錨的研究與應(yīng)用

吳正銀 李婧 張韜 張玉良

摘要：地層流體中所含的地層微粒、溶解氣對采油設(shè)備的危害很大，直接影響著油井的正常生產(chǎn)。為減少地層微粒的運(yùn)移而造成的損失，本文介紹一種新型除砂、脫氣工具——一種采油井井下旋流氣砂分離錨，依據(jù)螺旋離心運(yùn)動的工作原理來分離不同密度的物質(zhì)，工具在井下將對進(jìn)入抽油泵的地層流體中的微粒、溶解氣進(jìn)行分離，從而提高抽油泵的工作效率。

關(guān)鍵詞：離心力;地層微粒;溶解氣;泵效。

背景：地層流體中含有地層砂，而地層砂的主要成份是二氧化硅，其硬度很高，是一種破壞性很強(qiáng)的的磨蝕劑，能使抽油泵閥座磨損而不密封，閥球點(diǎn)蝕，柱塞和泵筒拉傷或卡死。

當(dāng)油井產(chǎn)液含砂量達(dá)到0.1%時(shí)，定為油井出砂，要保證油井的正常生產(chǎn)，需對油井采取防砂措施。而含砂量低于0.1%的油井同樣在出砂，只是砂粒粒徑小，多為地層中的充填砂，對于砂巖油藏，絕對不出砂的油井是不存在的。為減少地層微粒的運(yùn)移而造成的損失，國內(nèi)外都采用微粒穩(wěn)定劑抑制地層微粒的運(yùn)移，在正常開采中降低地層微粒運(yùn)移的程度，從而減輕微粒運(yùn)移造成的損失。雖然采用微粒穩(wěn)定劑可以抑制地層微粒的運(yùn)移，但是，還有少部分地層微粒隨地層流體運(yùn)移進(jìn)入井筒內(nèi)，對采油機(jī)械的運(yùn)動部件造成損壞，同時(shí)，造成油井采油泵造成砂卡和油水井預(yù)留口袋砂埋等問題，使油水井不能正常進(jìn)行工作，增加了油井維護(hù)費(fèi)用的投入，另外影響單井產(chǎn)量。另外，在油田建設(shè)進(jìn)入中后期，由于地層能量的減弱，注水驅(qū)油的措施加大等因素，油水井地層出砂較為嚴(yán)重。

影響抽油泵工作的溶解氣，可能是同地層流體一起進(jìn)入泵內(nèi)的自由氣，也可能是在抽油過程中由于泵入口壓力下降從油中逸出的溶解氣。溶解氣的主要成分天然氣（natural gas）。溶解氣對抽油泵的泵效有雙重影響，第一、氣體占去泵內(nèi)的部分空間，減少了油可以利用的空間;第二、氣體干擾抽油泵凡爾的工作;抽油井生產(chǎn)時(shí)的泵效低多數(shù)都是由于溶解氣的影響，就氣體的體積和抽油泵的相互關(guān)系和影響來分析，油井內(nèi)的溶解氣在井內(nèi)液體中比例較大時(shí)，將會對抽油泵的泵效影響造成很大的影響，造成氣侵或氣體碰撞活塞的問題，使采油泵處于干抽的狀態(tài)。

對以上問題只要我們選擇了合適的工具都可以得到改善，減少不必要的損失。我們研究的工具依據(jù)螺旋離心運(yùn)動的工作原理來分離不同密度的物質(zhì)，對進(jìn)入抽油泵的地層流體進(jìn)行高效分離，提高抽油泵的工作效率。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：該工具由上接頭、放氣閥、外管、中心管、分離傘、螺旋軌道、錐形管、特殊單向閥、導(dǎo)向管、短節(jié)等組成。

從結(jié)構(gòu)簡圖中我們可以看到它具有以下特點(diǎn)：1.我們在工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用氣體和固體的物理性質(zhì)，來實(shí)現(xiàn)氣體和固體微粒的慣性分離;2.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，取消了以往多進(jìn)液孔結(jié)構(gòu)，而是利用流體的運(yùn)動力學(xué)來考慮，設(shè)計(jì)的進(jìn)液口較大，能夠保證泵效的最大化，從而進(jìn)液口不會發(fā)生堵塞而影響油井的正常洗井作業(yè);3.在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的中心螺旋氣砂分離軌道傘，很好地利用了流體的慣性和和抽吸動力，加大了流體在裝置內(nèi)的運(yùn)動速度。

工作原理：利用油井環(huán)空液柱壓力作為地層流體進(jìn)入旋流氣砂分離錨的入口動力，抽油泵在上沖程抽汲過程中，井內(nèi)流體進(jìn)入采油井井下旋流氣砂分離錨入口并沿采油井井下旋流氣砂分離錨內(nèi)壁的切線方向流入螺旋軌道。地層流體在中心螺旋氣砂分離軌道傘內(nèi)加速，以較高的流速旋轉(zhuǎn)流動而產(chǎn)生的紊流及離心分離作用將油液、微粒、溶解氣分開。

微粒、油液、溶解氣之間存在著密度差，質(zhì)量大的微粒和油液被聚積在螺旋軌道外側(cè)向下作回旋運(yùn)動，而質(zhì)量小的溶解氣則聚積在螺旋軌道內(nèi)側(cè)中心管處作回旋運(yùn)動。因重力作用，溶解氣回旋上升，經(jīng)螺旋片上的排氣孔向上運(yùn)動至采油井井下旋流氣砂分離錨頂部環(huán)形空間內(nèi)形成“氣帽”，當(dāng)“氣帽”內(nèi)的壓力達(dá)到一定值時(shí)頂開放氣閥，溶解氣進(jìn)入油套環(huán)空。

微粒、油液沿螺旋軌道向下旋轉(zhuǎn)進(jìn)入錐形分砂室，在離心力及重力作用下，微粒被甩向錐形室內(nèi)壁向下作回旋運(yùn)動，沉入沉砂管內(nèi)，而油液則集中在錐形室中心作回旋上升運(yùn)動，進(jìn)入中心管內(nèi)再進(jìn)入抽油泵泵筒內(nèi)，對抽油泵的充滿起到了補(bǔ)償作用。在下沖程時(shí)，抽油泵停止抽汲，油套環(huán)形空間和采油井井下旋流氣砂分離錨內(nèi)的液流以重力分離的方式進(jìn)行沉砂、脫氣。

用途：該工具與常規(guī)管式泵、桿式泵配套使用可將進(jìn)入抽油泵的地層流體進(jìn)行高效脫氣、脫砂，減少溶解氣對抽油泵的影響，減少地層流體中的微粒對抽油泵的磨蝕，減少砂卡抽油泵的事故，延長抽油泵在井下的工作時(shí)間，提高抽油泵的充滿程度。依據(jù)螺旋離心運(yùn)動的工作原理來分離不同密度的物質(zhì)，對進(jìn)入抽油泵的地層流體進(jìn)行高效分離，提高抽油泵的工作效率。如果流體中的溶解氣進(jìn)入抽油泵，溶解氣在泵腔內(nèi)占據(jù)一定的體積降低抽油泵泵效。該工具與常規(guī)管式泵、桿式泵配套使用可將進(jìn)入抽油泵的地層流體進(jìn)行高效脫氣、脫砂，減少溶解氣對抽油泵的影響，減少地層流體中的微粒對抽油泵的磨蝕，減少砂卡抽油泵的事故，延長抽油泵在井下的工作時(shí)間，提高抽油泵的充滿程度。

技術(shù)參數(shù)：工具型號：JX—112，最大外徑：∮112mm，最小內(nèi)徑：∮30mm，工具總長：2155mm，分砂粒徑：≥20um，連接扣型：∮73mmUPTBG。

參考文獻(xiàn)：

[1]《抽油泵》 · 沈迪成等著 · 石油工業(yè)出版社;

[2]《采油技術(shù)手冊》·（第四分冊 機(jī)械采油技術(shù)）·萬仁溥 羅英俊等著 · 石油工業(yè)出版社;

[3]《石油與天然氣工程技術(shù)手冊》（下冊? 采油工程）.【美】William C.Lyons編. 李曉明? 趙洪才等譯? 中國石化出版社。

作者簡介：

吳正銀，男， 1976年10月出生，石油井下作業(yè)高級技師，青海省技能專家，畢業(yè)于中國石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)。