井下螺旋式氣錨的改進和現場應用

張曉明，陳德照，陳磊，麻宇杰，劉智偉，黃蒙，徐占軍，趙軍輝

（長慶油田分公司 第八采油廠，西安 710021）

0 引言

有桿泵采油是油田采油井常用的一種舉井方式。原油從地層流入井筒，在抽油泵活塞的往復運動過程中，原油被吸入泵筒，接著通過油管，被舉升到地面。但對于油氣比較高的采油井，原油在進入泵筒后，隨著壓力降低，其所含的伴生天然氣也會從原油中析出，這使得抽油泵在做功過程中變得更加復雜。由于天然氣具有很強的膨脹性和壓縮性，進入泵筒的天然氣在抽油泵活塞的往復運動中頻繁膨脹、壓縮，導致抽油泵活塞做功效率低下，泵筒充不滿，抽油泵效低，嚴重的會使抽油泵凡爾失效、氣鎖等影響油井出液的故障出現。

為減少氣體對抽油泵的影響，采油現場一般采用排放油管氣、校防沖距、壓井等措施減少氣體對抽油泵的影響，但效果差、有效期短且現場工作量多；或通過檢泵時，增加抽油泵碳化鎢加重球、加深泵掛等技術手段，來改善氣體對泵的影響，但對于對油氣比高的油井適應性較差。

在井下抽油泵的進液口處增加氣錨（井下油氣分離器）提前進行油氣分離是目前減少氣體對抽油泵影響的最有效手段。根據分氣原理不同常用的氣錨有重力型氣錨和離心式氣錨[1-3]，以及由這兩種原理結合的組合型氣錨。重力型氣錨是利用油氣密度的不同，使油氣在氣錨里發生滑脫效應，較輕的天然氣向上運動，經氣錨頂部孔眼排進油套環空，較重原油向下流動，經內管進入抽油泵，實現油氣分離。離心型氣錨是利用油氣混合液在氣錨螺旋葉片流動過程中，油氣由于密度差異產生的離心力不同，天然氣在螺旋葉片內測流動，而原油在螺旋葉片外側流動，最終油氣從不同孔眼中排出，從而實現油氣的分離。

由于滑脫效應分氣效率差[4]，大量氣泡依然可以隨原油進入抽油泵，因此重力式氣錨一般適用于液量不大、氣油比不高的油井；而離心型氣錨由于實現了在氣錨進液口的滑脫效應和在氣錨內部的離心作用，分氣效率進一步提高，因此較適合液量大、氣油比較高的油井。但是隨著油井液量的增加，高油氣比會導致大量天然氣以小氣泡的形式存在于油氣混合液之中，現有螺旋式氣錨也很難將這部分天然氣有效地分離出來，為此有必要對現有的螺旋式氣錨進行升級改進，以提高小氣泡的分離能力，從而提升氣錨的整體分氣效率。

1 螺旋式氣錨

1.1 結構

常用螺旋式氣錨一般由螺旋葉片、中心管、排氣孔、錨殼等主要部件組成（如圖1）。

圖1 螺旋式氣錨結構示意圖

1.2 分氣原理

含氣原油從下部進液口進入氣錨環空，隨著中心管螺旋葉片做螺旋上升運動，由于氣液兩相密度的差異，導致其圍繞中心管螺旋上升時離心力不同，較輕的大氣泡圍繞中心管內側運動，而原油及未被分離的小氣泡則沿外側運動；當上升到螺旋頂部時，大氣泡不斷聚集，形成氣帽，并通過氣錨上部的排氣孔排至油套環空上部，而原油及未被分離的小氣泡則從緊鄰排氣孔下部的泄油窗進入油套環空；由于油套環空空間的增大，含氣原油在流動過程中流速降低，部分直徑較大的小氣泡從原油中分離后繼續上??；而其余直徑較小的氣泡則隨原油進入油套環空下部，在封隔器與氣錨連接處，油液由分離器下端的二次進油小孔再次進入氣錨的抽油中心管，繼續向上運動進入抽油泵中。從原油中分離出的天然氣由油套環空向上運動，最終通過地面定壓放氣閥排出地面。

1.3 分氣的影響因素

螺旋分離系數是表征螺旋氣錨氣體分離效率的重要指標[5]，定義為油氣混合物在氣液分離后到最后一個泄油窗，氣體讓出的體積與進入螺旋流道第一圈所占體積之比，其計算公式為

式中

式中：t為螺旋分離系數；v1為氣體分離后氣體所讓出的體積，m3；v為氣液混合液進入螺旋第一圈時氣體所占的體積，m3；r2為螺旋外半徑，m；r1為螺旋內半徑，m；a為螺旋流道寬度，m；b為螺旋有效工作長度，m；d為氣泡直徑，m；q為氣液混合物在螺旋流道中的流量，m3/s；u為液體流動的黏滯系數，m2/s；f為螺旋流道的螺距，m。

根據螺旋分離系數公式可以看出，螺旋式氣錨的分離效果與其螺旋葉片螺距、螺旋片外半徑有關。通過增加螺旋長度和減小螺距，增加螺旋圈數，氣體分離效果好，而通過減小螺旋片外徑，可增大油套管環形空間截面積，有利于減緩流速,使得氣錨分離效果變好。

同時，螺旋式氣錨的分離效果與油井產液量、氣油比也有很大關系，油井產液量越大，井內流體流速越快,離心力越大，螺旋分氣效果越好。因而螺旋式氣錨較適合于液量較大的高氣油比油井。

1.4 優缺點

螺旋式氣錨結合了油氣分離滑脫效應和離心作用，和重力式氣錨相比，氣錨的分氣效率進一步增加，大氣泡及較大氣泡通過兩次不同原理的分氣，較好地實現了原油的脫氣。然而對于較小的氣泡螺旋式氣錨依然難以分離，尤其當油井液量過大，大量氣體會以小氣泡形式存在于油氣混合液當中，螺旋式氣錨分氣效率會進一步變差。為了提高螺旋式氣錨的分氣效率，有必要對螺旋式氣錨進行改進。

2 螺旋式氣錨的改進

2.1 改進思路

螺旋式氣錨分氣受到其自身結構的限制，要增加分氣效率，根據分氣影響因素，螺旋圈數增加有利于提高氣體的分離效果，但螺旋太長，會受到氣錨本體結構和抽油泵自身吸力的限制；減小螺旋片外徑，油套管環形空間增大，流速減緩,有利于氣錨提高分離效果，而螺旋片外徑減少太多，液量大的油井無法有效分離大氣泡。因此要進一步提高螺旋式氣錨的分氣效率，本質上要求提高較小氣泡的分離效果，這就需要設計一款專門的設備。

為此，在含氣原油進入螺旋氣錨前，專門設計了一個破泡短接（如圖2），在該短接中安裝分氣破泡網。其分氣原理主要為氣液分離的折流原理和絲網原理[6-10]。折流原理認為由于氣體與液體的密度不同，液體與氣體混合在一起流動時，如果遇到阻擋，氣體會折流而走，而液體會，有一個向前的慣性速度，向前的液體因阻擋物吸附力而減緩速度。絲網分離原理認為由于氣體與液體的微粒大小不同，液體與氣體混合一起流動時，如果必須通過絲網，就象過篩一樣，氣體通過了，而液體被絲網攔截而減緩速度。

圖2 破泡短接實物與剖面對照圖

在破泡短接破泡網片的作用下氣液混合流中的氣泡被分散成直徑較小的氣泡，受到折流分離和絲網分離的作用，一部分小氣泡在進入螺旋葉片前被分離，從而達到提升螺旋氣錨的整體分氣效果。

2.2 結構

破泡短接由破泡網、扶正器、封隔器及二次進液口等主要部件組成（如圖2）。為提升破泡效果，根據M區塊現場實踐，一般設計3個破泡網片。

2.3 安裝步驟

井筒通洗干凈后，依次下入尾管、破泡短節、皮碗式封隔器、螺旋式氣錨管柱，不可錯裝、倒裝。改進型螺旋式氣錨連接由上而下依次為抽油泵泵筒、螺旋式氣錨分離器、皮碗式封隔器、破泡短節、尾管，各部件下到指定位置后需進行驗封作業。各項流程完成后，下抽油桿裝井口轉入抽油作業。

3 現場應用

長慶油田M區塊位于陜西省延安市境內，開發層位為三疊系延長組長6油層，平均油層中深1997 m，平均泵掛1531 m，井均日產液5.50 m3，原始油氣比為106.8 m3/t。氣體嚴重影響泵效的井占該區塊開井數的26.7%，抽油泵頻繁氣鎖現象嚴重，常規的排放油管氣、校防沖距，下螺旋式氣錨等措施效果差。

為了減少氣體的影響，提高氣錨分氣效率，改善抽油泵效，2021年以來該區塊實驗應用改進型螺旋式氣錨8個，解決氣鎖井2口，氣體嚴重影響泵效井6口，井均提高泵效9.3%，取得了較好的現場實施效果（如表1）。

表1 長慶油田M區塊改進型螺旋氣錨應用效果表

典型井：Y191-50-51井，抽汲參數[（沖程（m）×沖次（次/min）×泵徑（mm）×泵掛（m）]為2.57×4.76×38×1293。2021年7月23日，功圖顯示抽油泵受氣體影響嚴重，油管放空不出液，油套環空液面上升，現場采取碰泵、壓井措施后，問題未獲解決。2021年7月25日檢泵，下入改進型螺旋式氣錨，完井后油井出液正常（如圖3）。

圖3 長慶油田M 區塊Y191-50-51 井檢泵前后功圖對比圖

改進型螺旋式氣錨在長慶油田M區塊應用取得了初步成效，但應用過程中，也反映了一些不足。主要為：1）和常規螺旋式氣錨一樣，改進型氣錨不適用于不能下封隔器的油井。2）實驗應用皮碗式封隔器，由于皮碗式封隔器特殊的形狀，當封隔器下井時，井筒內液柱對其有個向上的阻力，如果液面高，皮碗式封隔器接觸液面的時候阻力較大，封隔器不容易下到設計位置，因此對于套返井或高液面井適應性較差。3）再次檢泵起出氣錨時，皮碗式封隔器容易損壞，需要更換封隔器。4）使用前需先通洗井，會增加通洗井費用。

4 結論

1）常規螺旋式氣錨對油氣混合液中小氣泡分離效果較差，要提升分氣效率，需對其進行改進。

2）改進型螺旋式氣錨是在常規螺旋式氣錨下部組裝破泡短接，采用氣液混合液分離的折流分離原理和絲網分離原理，有效提升了常規螺旋式氣錨的分氣效率。

3）改進型螺旋式氣錨由于采用了皮碗式封隔器，對套返井和高液面井適應性不強，下一步需試驗新型封隔器。