罐裝電潛泵系統在渤海某稠油油田的研究與應用

（中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459）

渤海某油田部分油井產出液含H2S等腐蝕氣體，對油套管和電潛泵容易產生腐蝕，造成油井出現復雜情況進行大修[1]；同時部分定向井井斜較大，常規動管柱作業起下電泵時，電潛泵機組容易和套管發生接觸受損，影響電潛泵壽命[2]。

例如J區塊J16井為一口生產井，該井井況較為復雜，電泵運轉壽命短。從2017年初開始每套故障電泵的故障原因分析中都存在著一個共同的現象就是電泵外殼有電纜印痕，分析為井筒異常造成電纜容易燒毀以及電潛泵本體損壞的情況，嚴重制約著該井的穩產和高產。由于普通電潛泵舉升工藝設計很難解決以上問題，因此需要設計一套對異常井況有較強適應能力的罐裝電泵管柱來滿足J16井正常生產。

1.整體管柱設計方案

J16井生產管柱總設計為5-1/2"罐裝系統總成、2-7/8"EU油管及短節+2.313"X型座落接頭、2-7/8"EU油管2根及短節+7"過電纜封隔器、2-7/8"EU油管2根及短節+2.313"井下安全閥、2-7/8"EU油管及短節+雙公短節+油管掛。同時電潛泵機組部分包括泵工況、電機、保護器、分離器、潛油泵、泵頭、傳壓短節、懸掛器下部油管、懸掛器[3]，具體情況見圖1。前期經過陀螺儀測試原井眼井斜，決定泵掛深度上提至1530m。

圖1 J16井整體管柱示意圖

2.罐裝系統設計方案

罐裝底部為轉接頭，直接與尾管相連。根據電潛泵外徑及井筒套管尺寸以及機械性能選定5-1/2"罐裝系統總成套管后，從套管接箍開始組裝。罐裝系統套管頂部還有一個襯套，配備一個密封孔。電潛泵安裝在套管內，懸掛器連接到機組頂部，插入襯套的密封孔內形成密封，并且過“承重環”鎖定。懸掛器還配備了連接上部油管絲扣以及電潛泵電纜孔，可讓電纜進入密封的套管內。罐裝系統的組成見圖2。

圖2 罐裝系統組成示意圖

（1）懸掛器的設計。懸掛器是罐裝套管、油管和電潛泵機組的連接橋梁。懸掛器上配備了與油管連接的貫穿接口，泵頭在安裝之前就已經連接到懸掛器之下的油管接口上。電潛泵機組在罐裝套管內安裝完成后，提起懸掛器，將泵頭連接到泵的頂部。在懸掛器上安裝電纜穿越，然后再將懸掛器坐到罐裝套管頂部的外套管上，并用支撐環固定。懸掛器之上的油管接口部分連接到上部油管。配備了電纜穿越安裝孔，可以讓電纜穿過懸掛器，標配了兩個控制管線接口。懸掛器上部還配備了堵頭槽面，上部懸掛器上的堵頭安裝槽可以通過鋼絲安裝臨時堵頭，用于懸掛器以上油管的試壓。

（2）襯套的設計。罐裝系統外套管短節安裝在罐裝套管的頂部，外套管上部有密封孔用于安裝懸掛器。當懸掛器坐到外套管上時，要在外套管外部螺紋上安裝支撐環，并將懸掛器包含在內。這一設計的優點是在安裝懸掛器時無需旋轉任何部件。支撐環安裝好后，懸掛器即被固定，不會有任何上下活動。支撐環是與外套管一起提供的。外套管是以短節形式提供的，這個短節可以起到防護作用，防止在連接到套管接箍時損壞外套管。

（3）罐裝套管接箍的設計。多個套管通過接箍連接組成罐裝主體，接箍主要根據電潛泵外徑尺寸、預期流量、機械性能以及套管偏移內徑進行選擇。

套管接箍連接方式的選擇還要能夠承受預期的拉力載荷，并且突破和破壞壓力等級必須足夠在預期的運行環境和壓力條件下運行。比如試壓、封隔器座封、使用壓力驅動的完井工具等。

（4）底部變扣的設計。罐裝系統底部的變扣在下部油管與罐裝套管之間起到連接作用。變扣包括一個套管短節，用于連接到罐裝套管底部的接箍上，還有一個短節用于連接到下部油管接箍。轉接頭為圓形截面，可以確保電潛泵、扁平套件和罐裝套管外部的化學管線不會被鋒利的棱角或者外徑的變化損壞。

（5）電潛泵的設計。潛油電泵設計包含離心泵、氣體處理裝置、保護器、電機和電纜的設計[4]。通過中成機械ESP Smart潛油電泵選型設計軟件對J16油井數據進行模擬分析，計算得到泵吸入口處壓力為5.62MPa，預計產量293m3/d，井液含氣29.5%。該井所使用5-1/2"灌裝系統內徑為4.892in，通徑尺寸121mm。故配套450系列潛油電機系統和400系列離心泵[5]。

①離心泵設計。考慮到該井泵掛位置可能存在套管突變，在滿足設計排量的前提下，整機的長度越短越好。通過軟件擬合計算，選用400系列ZC300寬幅泵，211級。較普通系列整機縮短長度1.9m，該系列泵可滿足200m3/d至400m3/d需求，離心泵效率大于50%。泵軸強度校核，60Hz下運行時負載率小于80%。

②氣體處理裝置設計。泵吸入口處氣體含量為29.5%，設計選用單級旋轉式防砂分離器，氣體處理效率大于95%。分離出的氣體進入機組與罐裝系統環空，再通過罐裝排氣孔進入油套環空。避免游離氣體進入離心泵，影響整機的運行效率。

③保護器設計。根據保護器選型原則配套為102型雙節雙膠囊高承載保護器。該系列保護器具有較高的承載能力，通過止推軸承承受泵及液柱傳遞下來的軸推力，起到保護電機的作用。

④電機設計。通過ESP Smart軟件計算，最終選擇電機為450系列，外徑φ114mm，額定功率81kW，額定電壓1620V，額定電流45A，50Hz，耐高溫150℃。并配套Zenith泵工況檢測裝置，可實時反饋整機的運轉及井況數據的變化情況。

⑤電纜設計。電纜包括兩個部分，動力電纜和小扁電纜。井底溫度其中動力電纜選用4#圓電纜，絕緣等級F級；小扁電纜為6#扁電纜，絕緣等級H級，采用F46復合膜加乙丙橡皮絕緣鉛護套鍍鋅鋼帶連鎖鎧裝結構。

通過潛油電泵選型軟件設計結合人工校核，整套機組在揚程排量以及各部件負載強度方面均滿足J16井的設計井況要求。

3.現場應用

J16井于2019年5月10日作業結束，截止目前各項生產參數穩定，電潛泵機組工作頻率50Hz，產液量272m3/d，產油量68m3/d，含水75%，井底流壓4.3MPa，機組運行電壓、電流穩定，生產平穩。

4.結論

罐裝泵系統對于重質稠油油田大斜度井具有良好的適用性，能夠保護電潛泵機組在動管柱作業中不會在井筒中發生磕碰損壞。罐裝泵系統電機與罐裝系統套管間的環空空間合適，保證流經電機表面井液的流速，有效加快散熱速度，進而提升電潛泵的壽命。