無修井機投撈式潛油電泵技術研究與應用

于志剛，宋立志，范遠洪，于 東，董家永，周崇科

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057； 2.北京高德維爾科技發展有限公司，北京 100020)

0 引 言

海上邊際油田均采用無修井機井口平臺開發，修井作業只能采用鉆井船，存在修井費用高、資源協調難、復產時效慢、影響產量大等問題，制約了邊際油田開發[1-3]。為此，對常規潛油電泵技術進行了改進，研制了無修井機投撈式潛油電泵技術并進行了現場試驗。該技術在修井作業時無需動用鉆修機，只需利用鋼絲(電纜)進行電泵機組的投撈即可完成換泵修井作業，可大幅降低成本，提高生產時率。投撈式潛油電泵技術與無修井機井口平臺相結合，可解決海上邊際油田換泵修井難題，降低邊際油田開發成本，提高邊際油田開發效益。

1 工藝結構及原理

1.1 工藝管柱

投撈式潛油電泵管柱由永久外管柱和中心電泵管柱組成[4]，電泵機組通過懸掛器系統和濕接頭系統固定在永久外管柱內，如圖1所示。永久外管柱主要由封隔器、液控滑套、深井安全閥、濕接頭外筒、油管、懸掛器外筒、集成電纜和電纜卡等組成。懸掛器外筒上部連接油管及油管掛，下部通過油管連接濕接頭外筒，濕接頭外筒下部連接深井安全閥、液控滑套和封隔器；集成電纜包括動力電纜和液控管線，集成電纜通過電纜卡固定在外管柱上，集成電纜與濕接頭外筒連接，用于電力傳輸，液控管線用于控制深井安全閥和液控滑套。中心電泵管柱主要由濕接頭內筒、伸縮節、電泵機組、懸掛器內筒等組成。懸掛器內筒與外筒通過懸掛機構和鎖止機構將中心電泵管柱懸掛鎖止并密封于永久外管柱內，下部通過油管短節與電泵機組、伸縮節和濕接頭內筒相連。濕接頭內筒通過油管短節與伸縮節的調整與濕接頭外筒精確對接，實現電氣傳輸。

圖1 投撈式潛油電泵管柱結構示意圖

1.2 工藝原理

施工過程中，首先利用鉆修機將永久外管柱下入設計位置，坐封封隔器，封隔油套環空并安裝好井口采油樹，然后通過鋼絲(電纜)作業，利用投放工具串將中心電泵管柱投入到永久外管柱內，到達預定位置后，下部濕接頭內外筒對接，上部懸掛器內外筒對接，實現電泵機組電氣信號的傳輸和中心電泵管柱的懸掛密封，中心電泵管柱的長度通過油管短節和伸縮節實現精確調整。濕接頭和懸掛器均有鎖止機構，濕接頭連接處為偏心導向設計，鎖止機構具有觸發裝置，保證100%插入，防止誤操作。后續檢泵、換泵作業時，不需壓井起外管柱，只需利用鋼絲(電纜)通過打撈工具串投撈中心電泵管柱，更換電泵機組，恢復生產，無需鉆修機。在檢、換泵過程中，中心電泵管柱需經過采油樹提升至地面，因此，采油樹內通徑要與油管尺寸相匹配，滿足中心電泵管柱通過的要求。在正常生產過程中，井下流體進入管柱內，經過液控滑套、深井安全閥、濕接頭內筒等進入泵吸入口，通過電泵機組的高速運轉舉升至地面。

1.3 適用條件

投撈式潛油電泵技術的適用條件如下：①作業平臺必須滿足鋼絲(電纜)等設備擺放要求；②最大井斜為60 °；③井下電潛泵吸入口處流體含氣量不超過60%；④井下流體固相含量不高于0.2%，不存在結垢、結蠟、出砂等情況[5-11]；⑤生產過程中生產層位不變；⑥永久外管柱及其配套工具包括Φ177.8、Φ139.7、Φ114.3 mm 3種規格，適用的排量范圍為50～4 000 m3/d，適用于Φ244.5、Φ177.8 mm套管。

2 主要配套工具

2.1 電氣濕接頭系統

電氣濕接頭系統是動力電纜和潛油電機對接傳輸電力的關鍵工具，分為濕接頭外筒和濕接頭內筒2個部分。濕接頭外筒主要由扶正器、偏心公濕接頭、動力電纜接口等組成(圖2)；濕接頭內筒主要由鎖止鍵、導向槽、偏心母濕接頭等組成(圖3)。施工時，濕接頭外筒隨永久外管柱下入井中設計位置，其上端通過扶正器與上部油管相連，下端通過變扣與下部油管相連。濕接頭外筒外部設計有動力電纜接口，與動力電纜連接，在其內壁緊貼動力電纜接口一側設計有偏心公插頭。

圖2 濕接頭外筒結構示意圖

濕接頭內筒安裝在中心電泵管柱底部，隨電泵管柱一起投放入永久外管柱內。濕接頭內筒為偏心設計，有更大過流面積，并可為井下鋼絲作業提供更大通道。濕接頭內筒設計有導向槽和鎖止鍵，濕接頭內外筒通過導向槽對接到位后，觸發并釋放鎖止鍵，鎖止濕接頭內外筒。濕接頭外筒對應設計有偏心公濕接頭，濕接頭內外筒通過導向槽對接到位后，偏心公濕接頭插入偏心母濕接頭內，實現電力傳輸。偏心濕接頭原理類似三相插座(圖3)。井口測量電纜對地電阻值大于300 Ω，電機三相直流電阻平衡，則判斷對接成功，可實現電氣傳輸。

圖3 濕接頭內筒結構示意圖

在濕接頭內筒的偏心母插頭內設計有膠囊和迷宮密封，其內部為電機油和壓力補償裝置，該密封設計可在公母濕接頭連接時有效防止井底流體進入到濕接頭內部影響電氣絕緣。

濕接頭內筒的鎖止鍵可限制濕接頭總成產生軸向和徑向位移，并防止公母濕接頭因松脫而燒毀，如需解鎖只需通過鋼絲(電纜)作業上提剪切鎖止銷釘即可。

濕接頭內筒上端設計有伸縮筒系統，能實現軸向伸縮和周向旋轉。設計目的是補償永久外管柱和中心電泵管柱連接時的長度誤差，吸收電機運轉時的振動，避免對濕接頭總成造成疲勞破壞，同時，在管柱連接過程中可周向旋轉，提高對接一次成功率。伸縮筒的設計補償距為800 mm，最大外徑為114.3 mm，工作壓力為35 MPa，工作溫度為150 ℃，材質為13CRL80。

濕接頭總成有3種型號，分別適用于Φ177.8、Φ139.7、Φ114.3 mm永久外管柱，對應的濕接頭外筒的外徑分別為214.0、165.1、152.4 mm，內徑分別為80.0、50.3、30.5 mm；材質為13CRL80；電氣濕接頭額定電壓為5 000 V，額定電流為125 A，工作溫度為150 ℃，可實現100次的插接動作。

2.2 懸掛系統

懸掛系統的主要作用是懸掛中心電泵管柱，并將中心電泵管柱和永久外管柱的環空密封為上下2個腔室，防止電泵運行時流體在永久外管柱內無效循環而影響電泵舉升效率。懸掛系統由懸掛器外筒總成和懸掛器內筒總成組成。懸掛器外筒總成主要由上坐放短節、隱蔽內齒和下坐放短節組成(圖4)；懸掛器內筒總成主要由打撈頭、控制頭、隱蔽外齒、中心管、密封圈、轉換接頭、泵頭組成(圖5)。

圖4 懸掛器外筒總成結構示意圖

圖5 懸掛器內筒總成結構示意圖

懸掛器外筒隨永久外管柱下入，與油管通過絲扣連接。懸掛器內筒最上端設計有打撈頭，便于整個中心管柱的投放和打撈，下端設計專門的轉換接頭與電泵機組的泵頭對接。懸掛器內筒通過鋼絲(電纜)連接投放工具串進行投放，投放工具串最下端的GR打撈工具與內筒上的打撈頭對接，投放到位后，懸掛器內筒上的控制頭釋放，帶動內筒中心管下移，使內筒隱蔽外齒彈出，與外筒的隱蔽內齒嚙合，實現周向鎖止和軸向向上鎖止，防止電機反扭矩旋轉或油藏壓力大導致的中心電泵管柱上竄，懸掛器坐封完成。坐封完成后，對管柱打壓10 MPa進行懸掛器的密封測試，保證懸掛器密封完好，防止液體內循環。懸掛器內外筒坐封對接后，過提至中心電泵管柱正常懸重的1.5倍，鋼絲震擊，剪斷銷釘，提出投放工具串，打開流體通道，整個投放動作完成，實現了懸掛器內筒和懸掛器外筒的懸掛、密封、周向鎖止和內筒的軸向向上鎖止。

懸掛器系統有3種型號，分別適用于Φ177.8、Φ139.7、Φ114.3 mm永久外管柱，對應的懸掛器最大外徑為153.8、120.4、98.3 mm，材質為13CRL80，工作壓力為35 MPa，工作溫度為150 ℃。

2.3 投撈工具

2.3.1 投放工具串

投放工具串用于中心電泵管柱的投送，主要由繩帽、加重桿、震擊器、變扣和GR打撈工具組成(圖6)。繩帽上端連接鋼絲(電纜)，下部連接加重桿和震擊器，通過變扣和GR打撈工具連接。投放作業時，GR打撈工具與懸掛器內筒中的送入工具(GR接頭)對接，使中心電泵管柱投放到位，實現濕接頭的對接和懸掛器的坐封。投放作業完成后，向下震擊剪切懸掛器上的銷釘，提出投放工具串。

圖6 投放工具串結構示意圖

2.3.2 打撈工具串

打撈工具串用于中心電泵管柱的打撈，由繩帽、加重桿，震擊器、變扣和GS打撈工具[11]組成(圖7)。繩帽上端連接鋼絲(或電纜)，下部連接加重桿和震擊器，通過變扣和GS打撈工具連接。作業時，下入工具串，下部的GS打撈工具與懸掛器內筒上的打撈頭(GS接口)對接，上提打撈工具串剪切止退銷釘，解鎖懸掛器，將中心電泵管柱起出。

圖7 打撈工具串結構示意圖

3 現場應用

截至目前，該技術在海上油田共應用6井次，平均作業時間由6 d縮短至2 d，單井平均作業費用節約140×104元，總體應用效果良好。

典型井例。ZJ-B3H井為ZJ油組一口主力生產井，原油性質好，為低含硫的輕質原油，密度低、黏度低、瀝青質含量低、含蠟量低、膠質含量低、飽和壓力低、地飽壓差大、地層不出砂。該井生產無需分層，設計泵掛處井斜僅為18.92 °，且無較大的狗腿度，技術套管尺寸為Φ244.5 mm，滿足投撈式潛油電泵技術的各項要求。由于該井的產能較高，地質技術人員要求日產液提高至800 m3/d。按照設計要求，采用Φ177.8 mm的投撈式潛油電泵系統，電泵機組日產液由300 m3/d增大至800 m3/d，泵掛深度為1 100 m，新工藝安全順利實施的同時，實現了提液增油的目的，日增油為200 m3/d。

ZJ-B3H井投撈式潛油電泵技術的成功實施，使得該井后續檢換泵作業只需進行鋼絲(電纜)投撈作業，單次作業費用僅是利用修井機修井的28%，是利用鉆井船修井的6%。傳統的修井模式需按作業資源和材料準備編排作業計劃，平均停產時間較長，按NH油田近3 a的統計數據，有修井機平臺的油井平均停產時間約為50 d，無修井機平臺油井平均停產時間約為200 d，按單井日產油量為50 m3/d計算，影響產量分別為2 500 m3和10 000 m3，而投撈式潛油電泵技術可以做到及時復產，且作業工期僅需2 d，產量損失小，極大提高了油井的生產時率，經濟效益巨大。

4 結論和建議

(1) 投撈式潛油電泵技術可做到即時換泵修井，節約作業成本，減少電泵井停產時間，提高電泵井生產時率，經濟效益較高。

(2) 該技術為海上油田無修井機井口平臺潛油電泵采油提供了新方向，將極大地推動海上邊際油田的開發。

(3) 下步研究方向：進一步提高系統的穩定性，包括濕接頭的對接和懸掛器的密封等；研發無修井平臺投撈電泵專用的液壓支架等配套設備。