春光油田稀油防砂舉升工藝技術研究與應用

吳庭文

（中國石化河南油田分公司新疆采油廠，新疆巴州 841400）

春光油田稀油區塊稀油井的開采具有兩大難點：一是舉升工藝管柱目前主要采用普通管式抽油泵進行舉升，對稀油本身具有很好的適應性，但在出砂井舉升過程中易造成砂粒卡泵及凡爾漏失等問題的發生，最終導致檢泵作業；2013 年因出砂造成的泵閥漏失、管桿柱卡等檢泵作業11 口井，嚴重降低了油井的開采效率；二是舉升工藝參數目前仍采用籠統的抽油泵工作制度進行舉升，具有一定的盲目性，排砂效果差，容易造成砂粒無法有效排出井筒而在生產管柱中堆積，最終導致管柱及配套工具失效而檢泵。因此，常規的舉升工藝管柱及舉升工藝參數不能滿足稀油區塊舉升需要。為了解決這一問題，本文研究應用了一種能夠在易出砂稀油井中實現高效采油的舉升工藝技術。

1 關鍵技術

目前采用的抽油泵沒有防砂功能，砂粒易沉積于泵間隙、泵閥及泵上油管，引起泵漏失及管桿柱卡滯，造成檢泵。防砂舉升參數籠統，沒有科學的排砂工作制度，排砂效果亟待提高。

針對這些問題的解決方案主要有：①長柱塞與短泵筒密封擋砂，泵筒上、下部設計刮砂角實現刮砂，雙通芯橋式機構建立進液通道及沉砂通道，確保二者有效分離而互不干擾，實現泵下接尾管沉砂；②采取一井一策，利用數學模型，結合油井產液能力，準確計算出攜砂舉升臨界沖次，調整工作制度，實現有效攜砂。

2 稀油防砂舉升工藝技術

2.1 稀油防砂舉升工藝管柱

2.1.1 管柱組成及結構

如圖1 所示，稀油防砂單開工藝管柱主要由油管、防砂抽油泵、沉砂尾管、絲堵等組成[1]。該舉升工藝管柱的技術核心為長柱塞防砂抽油泵[2–6]，如圖2 所示，其結構主要由游動閥球、導向扶正環、短泵筒、長柱塞、固定閥球、雙通芯及絲堵等組成。

圖1 稀油防砂舉升工藝管柱

圖2 長柱塞防砂抽油泵結構

2.1.2 工藝原理

防砂舉升工藝原理包括：①采油原理：長柱塞防砂抽油泵上沖程時，柱塞上行，泵腔體積增大，壓力降低，此時游動閥球關閉，固定閥球開啟，泵腔進液，井口排液；長柱塞防砂抽油泵下沖程時，柱塞下行，泵腔體積減小，壓力增大，此時游動閥球開啟，固定閥球關閉，泵腔排液。②防砂原理：長柱塞防砂抽油泵的長柱塞始終外露于短泵筒，沉降的砂粒無法進入抽油泵的間隙及泵腔，只能由長柱塞防砂抽油泵的雙通芯沉入泵下尾管。當外露于短泵筒的長柱塞表面附著砂粒等雜質時，抽油泵柱塞在抽汲過程中的往復運動及短泵筒上設計的刮砂角可自動刮削清理。依據油井產狀，可確定攜砂舉升臨界沖次，在達到臨界沖次的條件下進行舉升，從而確保舉升過程中有效攜砂。

2.1.3 技術指標

根據現場生產需求，長柱塞防砂抽油泵主要規格及參數見表1。

表1 長柱塞防砂抽油泵主要規格及參數

2.2 稀油防砂舉升工藝參數

為獲得最大經濟效益，采用防砂與攜砂相結合的生產工藝，可降低成本但也存在一定的風險。評價產出砂粒能否被攜帶出井筒是此種工藝風險性研究的重要內容，產出的砂粒應被攜帶到地面而非沉積到井底。油井必須保持一定的產液速度，才能使砂粒搬運能量克服其沉積能量而被攜帶出來。因此，砂粒的最小攜砂速度是重要的設計參數[7–9]。

2.2.1 砂粒沉降速度

單分散球形顆粒在牛頓流體均勻介質中的沉降規律基本符合斯托克斯方程，其公式為：

式中：sV 為顆粒沉降速度，m/s；d 為顆粒直徑，mm；Sρ 、Lρ 分別為顆粒、流體的密度，kg/m3；μ為流體黏度，mPa·s；g 為重力加速度，m/s2。

2.2.2 最小攜砂速度

首先計算固體雷諾數大小，按照雷諾數的范圍將顆粒沉降劃分為層流、過渡流、紊流三個階段，再依據不同沉降區理論公式，計算得到最小攜砂速度。固體雷諾數的計算式為：

當 tRe ＜2 時，為層流沉降區，顆粒的最小攜砂速度為：

當2≤tRe ＜500 時，為過渡流沉降區，顆粒的最小攜砂速度為：

當500≤tRe ＜200 000 時，為紊流沉降區，顆粒的最小攜砂速度為：

式中：tRe 為固體雷諾數，無量綱；cV 為最小攜砂速度，m/s。

根據春光油田生產參數，計算出固體雷諾數為0.25，顆粒沉降屬于層流階段，再將計算結果代入式（3），計算出球形顆粒最小攜砂速度為6.68×10–3m/s。

井筒最小攜砂速度的一般計算方法，需對顆粒自由沉降末速附加一個固定的修正系數。

固定修正系數計算式為：

式中：a 為固定修正系數，無量綱。

實際最小攜砂速度為：

根據式（7），計算出春光油田實際最小攜砂速度為38.12×10–3m/s。

2.2.3 攜砂舉升臨界產液量

根據附加修正系數法所計算的實際最小攜砂速度，計算機抽井臨界攜砂產液量如下：

式中：Q 為日均產液量，m3；t 為日均實際生產時間，s。

根據式（8），計算得到春光油田稀油井機抽單井日均產液量為6.89 m3，而稀油井機抽單井實際日均產液量為20.00 m3，其產液量符合攜砂舉升要求。

2.2.4 攜砂舉升臨界沖次

攜砂舉升臨界沖次值計算式為：

式中：LJN 為抽油泵舉升的臨界沖次，min-1；S 為泵沖程，m；K 為泵常數，無因次；η 為平均泵效，%。

通過對2014 年機抽井生產情況的統計，計算出兩種不同泵徑下的攜砂舉升臨界沖次值，如表2 所示，可以看出，采用φ44 mm 抽油泵舉升時，攜砂舉升沖次應不低于2.09 min-1；采用φ56 mm 抽油泵舉升時，攜砂舉升沖次應不低于0.97 min-1。

表2 采用兩種抽油泵泵徑機抽井總體生產情況

3 現場效果

2016 年，長柱塞防砂抽油泵先后在春63 井、春72 井及排19–2 井進行了現場應用，有效率達100%。實施后平均檢泵周期為210 d，實施前為165 d，平均檢泵周期延長了45 d，實現了稀油出砂井檢泵周期延長的目的（表3）。

表3 長柱塞防砂抽油泵應用井生產效果對比

4 結論

（1）研制的稀油防砂舉升工藝管柱及配套工具，集擋砂、刮砂、沉砂功能于一體，具有良好的防砂效果，能夠實現稀油出砂井高效舉升。

（2）優化設計舉升工藝參數，確定合理的舉升工作制度，能提高舉升工藝管柱的攜砂能力。