塔里木油田長柱塞防砂泵采油新工藝的研究及應(yīng)用

雷騰蛟，蘇 洲，崔小虎，王法鑫，馮治鋒, 周碧輝，劉毅石

(1中石油塔里木油田分公司輪南油氣開發(fā)部 2中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 3中國石油集團渤海鉆探工程公司國際鉆采物資供應(yīng)分公司 4 中石油塔里木油田分公司哈得油氣開發(fā)部)

塔里木油田碳酸鹽巖儲層地質(zhì)情況復(fù)雜，油井多為裸眼完井，存在產(chǎn)層深、溫度高、裸眼段易垮塌出砂、原油黏度高等特點[1-2]。經(jīng)過前期研究，形成一套深井、超深井長沖程慢沖次有桿泵采油工藝[3-4]。然而，隨著油井泵掛增加、地層出砂嚴重、原油黏度增大，該工藝存在泵效低、易發(fā)生砂卡泵、上游動閥罩斷脫等問題。因此，在前期深井有桿泵采油工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一套適用于塔里木油田碳酸鹽巖儲層易出砂的長柱塞防砂泵采油新工藝。該工藝具有高泵效、防砂卡泵的特點，可確保油井高效生產(chǎn)。

一、現(xiàn)有抽油泵采油工藝的局限性

塔里木油田碳酸鹽巖油井產(chǎn)層深達6 000 m，有桿泵采油井合理泵掛深度為2 500～3 500 m，且隨著地層供液能力的降低，油井動液面將再次下降，油井泵掛深度將進一步加深。而目前常規(guī)抽油泵為單泵筒結(jié)構(gòu)(圖1)，柱塞上沖程運行時游動閥關(guān)閉，在深井高液柱壓力、高溫作用下，柱塞上部泵腔內(nèi)脹變形，加大柱塞與泵筒之間間隙；由于柱塞下部泵腔沉沒壓力小，而變形較小。柱塞下沖程運行時，柱塞上下部壓力相同，高溫、高液柱壓力將造成柱塞上下泵腔都將發(fā)生內(nèi)脹變形。一方面，其將增大柱塞上部液體漏失量，降低泵效；另一方面，停泵后井液中泥砂進入間隙造成卡泵，降低油井生產(chǎn)時率[5]。

圖1 單泵筒上下沖程運行示意圖

常規(guī)有桿泵為短柱塞長泵筒結(jié)構(gòu)(圖2)，柱塞始終在泵筒內(nèi)往復(fù)運動，一方面，抽油機保養(yǎng)或故障停抽后泵筒內(nèi)易沉積泥砂，再次啟抽容易發(fā)生卡泵現(xiàn)象，而卡泵后解卡成功率低，少部分解卡成功井再次運行也將嚴重影響泵效[6]；另一方面，柱塞上游動閥罩在泵筒內(nèi)，閥罩直徑受限，加之該處應(yīng)力集中為疲勞薄弱點，且上游動閥罩出油過流斷面受到泵筒內(nèi)徑的限制，出油阻力大，特別是抽吸稠油，易造成柱塞上游動閥罩疲勞斷脫[7]。

圖2 常規(guī)有桿泵示意圖

二、長柱塞防砂泵采油工藝原理及設(shè)計

1.長柱塞防砂泵采油工藝原理

長柱塞防砂泵在現(xiàn)有的常規(guī)懸掛式有桿泵基礎(chǔ)上進行改良，設(shè)計為長柱塞、短泵筒結(jié)構(gòu)[8](圖3)，柱塞上下往復(fù)運動過程中，柱塞閥罩始終處于泵筒外部，防止泥砂進入泵筒造成卡泵，且進一步增大了柱塞上游動閥罩直徑和抗拉強度，避免閥罩斷脫；另一方面，將單泵筒結(jié)構(gòu)改造為雙泵筒結(jié)構(gòu)，增強泵筒抗擠強度的同時，也利于下沉泥砂排入外管；再者，內(nèi)筒倒置結(jié)構(gòu)使管柱液柱重量作用于外管，改善泵筒受力狀況，降低疲勞傷害。

圖3 長柱塞防砂泵示意圖

2.長柱塞防砂泵采油工藝設(shè)計

為提高長柱塞防砂泵抽油桿柱井下工作可靠性，采用了美國石油學會推薦的修正古德曼應(yīng)力圖設(shè)計方法進行桿柱組合設(shè)計[9]。修正的古德曼應(yīng)力圖給出了抽油桿許用應(yīng)力范圍，運用應(yīng)力范圍比可有效評估桿柱組合使用情況。

(1)

其中抽油桿許用應(yīng)力可用式(2)計算：

σall=(σb/4+0.5625×σmin)×Sf

(2)

式中：σb—桿柱抗張強度，MPa；Sf—考慮井液腐蝕等因素使用的系數(shù)，無量綱。

根據(jù)塔里木油田碳酸鹽巖油藏含硫特性，選取安全使用系數(shù)0.85對?44 mm和?57 mm長柱塞防砂泵進行了抽油桿柱組合優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計結(jié)果見表1。從表中可以看出，除加重桿外，各級桿柱的應(yīng)力范圍比均達到了87%，保持了較高的水平，確保了充分有效利用各級抽油桿。

表1 ?44 mm和?57 mm長柱塞防砂泵桿柱設(shè)計表

將各級桿柱頂端最大應(yīng)力、最小應(yīng)力坐標繪制在H級鋼桿修正的古德曼應(yīng)力圖中,見圖4。從圖4中可以看出，各級抽油桿工作所受應(yīng)力均落在疲勞安全三角區(qū)內(nèi)，且各級桿柱頂端最大應(yīng)力、最小應(yīng)力坐標連線平行于最大許用應(yīng)力線，確保了抽油桿柱不會發(fā)生疲勞破壞且實現(xiàn)了利用率最大化[10]。

圖4 ?44 mm和?57 mm長柱塞防砂泵桿柱受力分析

三、長柱塞防砂泵采油工藝優(yōu)勢

1.雙泵筒結(jié)構(gòu)

長柱塞防砂泵采用內(nèi)泵筒和外管相結(jié)合的雙泵筒結(jié)構(gòu)，增大了泵筒徑向抗擠強度，降低了由于泵腔內(nèi)液柱擠壓造成的泵體變形程度，一方面有效降低了微小泥砂進入泵筒膨脹縫隙而造成的卡泵概率，另一方面降低了柱塞上部液體漏失量，增大了泵效。再者，內(nèi)泵筒采用倒置結(jié)構(gòu)，抽油泵上部處于自由狀態(tài)，外管可承受尾管液柱重量產(chǎn)生的拉力，改善泵筒軸向受力狀況，提高泵筒工作年限及工作效率[11](圖5)。該設(shè)計滿足了深井、出砂井的工藝需求。

圖5 單泵筒雙泵筒結(jié)構(gòu)受力情況

2.長柱塞、短泵筒結(jié)構(gòu)

考慮到常規(guī)有桿泵停泵易沉砂卡泵的不足，長柱塞防砂泵采取長柱塞、短泵筒的工藝設(shè)計，柱塞始終處于泵筒外面，井液在長柱塞擾動下，砂垢不易在泵筒內(nèi)沉積(圖6)；另外，將長柱塞防砂泵閥罩直徑增大(圖7)，生產(chǎn)及停抽過程中，可有效防止砂、垢沿柱塞進入泵筒間隙造成卡泵；再者，將長柱塞防砂泵內(nèi)泵筒的扶正壓帽設(shè)計為帶有較大導(dǎo)角的結(jié)構(gòu)(圖7)，使砂、垢順利進入泵筒與外管的間隙，實現(xiàn)長時間連續(xù)生產(chǎn)[12]。該設(shè)計解決了出砂井卡泵問題。

圖7 柱塞閥罩、扶正壓帽外導(dǎo)角示意圖

認識到常規(guī)有桿泵在深井、稠油井運行中柱塞上游動閥罩易斷脫的問題，長柱塞防砂泵進行了該部位的改良，將柱塞上游動閥罩始終保持在泵筒之外，進一步加強閥罩直徑和過流斷面，一方面，增大了閥罩抗拉強度，提高閥罩上沖程承載能力；另一方面，加大了上游動閥罩出液流道，增大過流斷面，降低閥罩下沖程出液阻力。從而該設(shè)計滿足了深井、稠油井的工藝需求。

四、長柱塞防砂泵采油工藝現(xiàn)場應(yīng)用

HAA井于2016年4月轉(zhuǎn)抽油機生產(chǎn)，下入常規(guī)抽油泵運行32 d，停機保養(yǎng)抽油機下行遇阻。該井于2016年7月檢抽作業(yè)，下入常規(guī)抽油泵運行39 d，停機放套壓抽油機下行遇阻。該井于2016年12月檢抽作業(yè)，下入常規(guī)抽油泵運行96 d，停機進行地面集輸管線泄壓，啟抽后卡泵。三次作業(yè)均發(fā)現(xiàn)泵筒與注水間隙填滿泥砂，柱塞卡死在泵筒內(nèi)(圖8)。2017年11月進行檢抽作業(yè)，下入長柱塞防砂泵，截止2019年12月，該井已連續(xù)生產(chǎn)767 d，工況良好，大大降低作業(yè)頻次，節(jié)省作業(yè)成本，提高生產(chǎn)時率，累計增油1 956 t(圖9)。

圖8 2016年7月HAA井檢抽抽油泵切面實物圖

圖9 HAA井生產(chǎn)曲線

截止2019年12月長柱塞防砂泵采油工藝在塔里木油田碳酸鹽巖儲層現(xiàn)場應(yīng)用14井次，減少砂卡泵作業(yè)13井次，減少閥罩斷脫作業(yè)2井次，提高了油井生產(chǎn)時率，實現(xiàn)累增油量23 434 t，長柱塞防砂泵采油新工藝現(xiàn)場應(yīng)用效果明顯(表2)。新工藝不僅大大降低了油井卡泵次數(shù)，降低了檢抽作業(yè)頻次，降低了生產(chǎn)成本，還實現(xiàn)了油井高時率生產(chǎn)，極大地提高了經(jīng)濟效益。

表2 長柱塞防砂泵應(yīng)用井數(shù)統(tǒng)計

五、結(jié)論

(1)通過雙泵筒結(jié)構(gòu)、長柱塞短泵筒結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計，長柱塞防砂泵新工藝實現(xiàn)了抽油泵泵筒低漏失、柱塞低砂卡、閥罩高強度的目標。

(2)長柱塞防砂泵新工藝大大降低了塔里木油田碳酸鹽巖儲層出砂超深稠油井砂卡泵、柱塞閥罩斷脫的故障情況，提高了抽油泵泵效，減少了檢抽作業(yè)頻次，降低了作業(yè)費用，實現(xiàn)了油井高效生產(chǎn)。