流花4-1油田水下雙電潛泵完井系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張俊斌秦世利李 勇張 寧暢元江

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司; 2.中國石油大學(xué)(華東))

流花4-1油田水下雙電潛泵完井系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張俊斌1秦世利1李 勇1張 寧1暢元江2

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司; 2.中國石油大學(xué)(華東))

流花4-1油田是我國第一個(gè)自營開發(fā)的深水油田。為了減少該油田修井作業(yè)次數(shù),降低油田開發(fā)及維護(hù)費(fèi)用,首次開展了雙電潛泵完井技術(shù)的應(yīng)用研究,設(shè)計(jì)出了雙電潛泵完井系統(tǒng),并根據(jù)油田的油藏特點(diǎn)和配產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了電潛泵相關(guān)的水下設(shè)備選擇和電潛泵機(jī)組設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明,所設(shè)計(jì)的雙電潛泵完井系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間的采油周期,有效減少修井作業(yè)次數(shù),具有良好的開發(fā)效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

流花4-1油田;水下雙電潛泵;完井系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電潛泵是一種重要的機(jī)械采油設(shè)備,具有排量大、揚(yáng)程高的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于深井和定向井中,是油田實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要手段[1]。電潛泵安裝在油井地下幾百米至幾千米處,其安裝費(fèi)用很高,尤其對(duì)于海上深水油田,電潛泵的檢泵費(fèi)用和檢泵帶來的油井產(chǎn)量損失會(huì)嚴(yán)重影響油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。為有效減少海上深水油田修井作業(yè)次數(shù),提高生產(chǎn)井檢泵周期,目前研制出了雙電潛泵系統(tǒng),即在1口井中安裝2套電潛泵,2臺(tái)泵可以共用1條潛油電纜,也可以相互獨(dú)立。實(shí)踐表明雙電潛泵系統(tǒng)可以減少修井作業(yè)次數(shù),從而降低設(shè)備安裝費(fèi)用及油田開發(fā)、維護(hù)費(fèi)用[3-4],并且可以有效解決環(huán)保熱點(diǎn)地區(qū)對(duì)修井作業(yè)的限制問題。

流花4-1油田位于南海珠江口盆地,距香港約215 km,海域水深260～310 m,是我國第1個(gè)自營開發(fā)的深水油田。該油田儲(chǔ)層為礁灰?guī)r,儲(chǔ)層膠結(jié)好,井壁穩(wěn)定,固相產(chǎn)出的可能性不大。為了最大限度地滿足提高油井產(chǎn)能和降低投資的需要,該油田8口油井產(chǎn)層段均采用裸眼完井方式。由于單井產(chǎn)液量大、井底流壓較低、井口回壓高,參考流花11-1油田的機(jī)采方式應(yīng)用情況并通過比選,流花4-1油田決定采用電潛泵機(jī)采方式進(jìn)行開發(fā)。

為有效減少修井作業(yè)次數(shù),提高生產(chǎn)井檢泵周期,首次開展了雙電潛泵完井技術(shù)的應(yīng)用研究,設(shè)計(jì)出了適用于該油田的雙電潛泵完井系統(tǒng),并對(duì)雙電潛泵系統(tǒng)機(jī)組進(jìn)行了設(shè)計(jì),取得了良好的開發(fā)效果。流花4-1油田水下雙電潛泵完井系統(tǒng)設(shè)計(jì)與作業(yè)經(jīng)驗(yàn),可為雙電潛泵技術(shù)在我國海上其他油田的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 電潛泵下深設(shè)計(jì)與參數(shù)監(jiān)測

根據(jù)油藏預(yù)測的井底流壓和沉沒度要求,參考流花11-1油田的生產(chǎn)情況,設(shè)計(jì)了流花4-1油田各井的電潛泵下入垂深(表1),電潛泵下入φ244.5 mm套管內(nèi)。為了保證電潛泵的運(yùn)行壽命,在設(shè)計(jì)的電潛泵下深井段留有長度100 m的穩(wěn)斜段,要求狗腿度小于1°/30 m,電潛泵機(jī)組通過的上部井段狗腿度不大于7°/30 m。因井底流壓高,A1 H、A2 H、A4H和A6H井電泵機(jī)組適當(dāng)增加了沉沒度,以便后期生產(chǎn)提高油井產(chǎn)液量。

表1 流花4-1油田電潛泵設(shè)計(jì)下深

為了監(jiān)測電潛泵的工況,需要在井中下入電潛泵工況監(jiān)測儀器,監(jiān)測參數(shù)有:電潛泵吸入口的溫度、電機(jī)的工作溫度和振動(dòng)、電潛泵吸入口和排出口的壓力、電機(jī)漏電流。為了減少油管掛的電纜穿越數(shù)量,要求井下監(jiān)測參數(shù)通過電潛泵動(dòng)力電纜載波傳送,然后在變頻器控制柜端檢波得到上述監(jiān)測參數(shù)。

2 雙電潛泵密封罐裝完井系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了延長檢泵/換泵作業(yè)周期,流花4-1油田采用雙電潛泵的完井管柱,1臺(tái)電潛泵工作時(shí),另1臺(tái)作為備份隨時(shí)接替工作。根據(jù)海上油氣田的安全生產(chǎn)要求,完井管柱上需要安裝1個(gè)井下安全閥和1個(gè)生產(chǎn)封隔器。對(duì)于常規(guī)“Y”型電潛泵生產(chǎn)管柱,其生產(chǎn)封隔器安裝在電潛泵之上,電潛泵的動(dòng)力電纜要穿過封隔器,對(duì)于φ114.3 mm油管和φ244.5 mm套管來說,可以滿足穿過1條動(dòng)力電纜;如果要穿過2條動(dòng)力電纜,則要選擇內(nèi)徑更大的φ273.1 mm套管,但隨之帶來的是鉆井需要選擇非常規(guī)的鉆頭、套管、套管掛、尾管掛、斜向器,并可能帶來高費(fèi)用及通用性差等問題。雙電潛泵密封罐裝完井系統(tǒng)的封隔器安裝在電潛泵以下,不需要留電纜穿越孔道,可以很好地解決這些問題,滿足流花4-1油田的完井要求。

由于雙電潛泵密封罐裝系統(tǒng)完井方式具有在較小套管內(nèi)徑尺寸內(nèi)可以達(dá)到較大的排量、對(duì)電潛泵系統(tǒng)有較好的保護(hù)作用等優(yōu)點(diǎn),在不需要進(jìn)行鋼絲作業(yè)和增產(chǎn)措施的情況下,水平井采用該完井方式要比采用常規(guī)“Y”型管柱方式好。由于流花4-1油田所有井均不進(jìn)行鋼絲作業(yè)和增產(chǎn)措施,于是該油田均采用雙電潛泵密封罐裝系統(tǒng)的完井方式[5]。流花4-1油田采用的完井管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示,雙電潛泵密封罐裝系統(tǒng)如圖2所示。

流花4-1油田采用的雙電潛泵密封罐裝系統(tǒng)是由2個(gè)電潛泵和2個(gè)自動(dòng)換向閥組成。自動(dòng)換向閥有閥瓣式和滑套式2種。對(duì)于閥瓣式自動(dòng)換向閥,應(yīng)用表明當(dāng)排量大于1 590 m3/d時(shí),備用泵閥門曾經(jīng)發(fā)生半開半閉且振動(dòng)的問題。于是,流花4-1油田前2口井使用閥瓣式自動(dòng)換向閥,產(chǎn)液量控制在1 590 m3/d以下,以避免備用泵閥門失效;而剩余6口井的自動(dòng)換向閥全部更換為滑套式,即使產(chǎn)液量大幅度增加也不會(huì)發(fā)生控制不靈活或者振動(dòng)的問題,應(yīng)用效果良好。

圖1 流花4-1油田智能完井管柱結(jié)構(gòu)

圖2 流花4-1油田雙電潛泵密封罐裝系統(tǒng)

3 電潛泵水下設(shè)備選擇

3.1 水下切換開關(guān)

為了確保系統(tǒng)可靠性,每臺(tái)電潛泵均配置一條井下電纜,“南海挑戰(zhàn)號(hào)”FPS到水下井口采用3根三合一電纜,即每根電纜內(nèi)有3組導(dǎo)線,為電潛泵提供三相電,其中一組備用。于是在水下井口附近須安裝1個(gè)開關(guān),目的在于當(dāng)井中正在工作的電潛泵發(fā)生故障后,能夠在“南海挑戰(zhàn)號(hào)”上遠(yuǎn)程將電源切換到同一井中的另1臺(tái)備用電潛泵。另外,該水下切換開關(guān)必須具有被旁通的功能,當(dāng)控制該開關(guān)的液壓系統(tǒng)失效時(shí),連接臍帶纜終端到該切換開關(guān)的跨接線纜可以旁通該開關(guān)確保正常生產(chǎn),或當(dāng)液壓系統(tǒng)正常后重新接回該開關(guān)。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果,流花4-1油田水下切換開關(guān)可在斷電狀態(tài)下完成切換,可在33 MPa壓力下完成1 000次切換測試,設(shè)計(jì)壽命為20年,超過油田設(shè)計(jì)壽命,且工作水深可達(dá)到1 000 m。

3.2 濕式電接頭

濕式電接頭主要作用是實(shí)現(xiàn)電纜在水下的插拔,并滿足導(dǎo)電、絕緣和密封要求。它是由公頭和母頭2個(gè)部分組成,其另外一端分別與井下電纜和水下電纜相連接,如圖3所示。在流花4-1油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)中,油管掛與采油樹帽、采油樹帽與跨接電纜、跨接電纜與動(dòng)力電纜分配單元之間的連接均使用了濕式電接頭。

圖3 流花4-1油田濕式電接頭

濕式電接頭的主要技術(shù)要求包括:①電氣性能方面,如額定工作電流、最大載流量、最高工作電壓和短路水平等,應(yīng)根據(jù)電潛泵所需的水下井口處的最高電壓、諧波電壓、電潛泵機(jī)組的最大電流和井下短路電流來確定這些參數(shù);②壓力方面,要求提供對(duì)采油樹帽和油管掛的雙重屏障,壓力測試至少能承受采油樹的壓力等級(jí),且要求靜水壓和氣密性測試遵循API 6A標(biāo)準(zhǔn);③工作環(huán)境方面,要求油管掛的濕接頭符合水下下入油管柱方位定位習(xí)慣,水下濕接頭能采用常規(guī)的水下機(jī)器人進(jìn)行操作。流花4-1油田濕式電接頭設(shè)計(jì)水深可達(dá)到1 000 m,在20年的油田設(shè)計(jì)壽命內(nèi)能滿足電潛泵修井作業(yè)的需要,連接/斷開操作最少100次。

3.3 變頻器

變頻器設(shè)計(jì)和選擇主要標(biāo)準(zhǔn)包括:電氣性能滿足電潛泵正常工作需要,能抑制共模電壓產(chǎn)生,輸出端不能有升壓變壓器,適合海洋環(huán)境及與平臺(tái)關(guān)斷系統(tǒng)硬連接等。根據(jù)流花4-1油田每口井需要的電功率、電機(jī)參數(shù)和電纜壓降(從“南海挑戰(zhàn)號(hào)”到井口約有14 km)來選擇合適的變頻器型號(hào)。

根據(jù)工程方案,“南海挑戰(zhàn)號(hào)”上的發(fā)電機(jī)輸出電壓為4.16 k V,故采用中壓變頻器為首選方案。該方案不需要升壓變壓器就可以提供較高的海纜輸入電壓,從而減少電纜沿程的電壓降,并避免升壓變壓器對(duì)輸出諧波的放大作用。通過適應(yīng)性分析,最終選用PF7000中頻變壓器,采用MATLAB/SIMULINK系統(tǒng)仿真技術(shù)進(jìn)行可行性驗(yàn)證,根據(jù)電潛泵的最大額定電流,采用橫截面積為70 mm2的電纜即可滿足所有8口井的電壓降要求,且所有井都采用相同尺寸的電纜線徑而便于互為備用,最終實(shí)現(xiàn)了8口井水下雙電潛泵一次性投運(yùn)成功。

4 電潛泵機(jī)組設(shè)計(jì)

為了合理選擇電潛泵,使電潛泵的運(yùn)行安全高效,在電潛泵機(jī)組選型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循一定的原則,即保證泵在最高效率點(diǎn)附近工作,保證泵的額定排量與油井產(chǎn)能匹配,保證電機(jī)的輸出功率能滿足舉升液體所需功率要求等。

流花4-1油田電潛泵機(jī)組選型設(shè)計(jì)所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)和不同泵型的電潛泵特性曲線。一方面,根據(jù)油藏部門提供的各井生產(chǎn)預(yù)測數(shù)據(jù),分別用每一口井每一年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行泵機(jī)組設(shè)計(jì)(以A4 H井為例,電潛泵特性曲線如圖4所示),最后優(yōu)選出每一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)都落在泵機(jī)組所推薦的運(yùn)行范圍之內(nèi),保障機(jī)組的運(yùn)行壽命。另一方面,針對(duì)油藏方案可能有變化的井(主要是產(chǎn)液量可能增加的井),選擇級(jí)數(shù)更高的泵和功率更大的電機(jī)作為備用,以保證油井后期可以達(dá)到更高的產(chǎn)液要求。

圖4 流花4-1油田A4H井電潛泵特性曲線

流花4-1油田各井雙電潛泵機(jī)組設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。應(yīng)用效果表明,流花4-1油田所選用的電潛泵具有排量大、揚(yáng)程范圍大、功率大、生產(chǎn)壓差大、適應(yīng)性強(qiáng)、地面工藝流程簡單、機(jī)組工作壽命長、管理方便、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)。該油田自2012年7月投產(chǎn)后各井雙泵都啟動(dòng)正常,單井日產(chǎn)液量分別達(dá)到了1 500 m3和3 000 m3,取得了良好的開發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益。

表2 流花4-1油田雙電潛泵機(jī)組設(shè)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)束語

為有效減少修井作業(yè)次數(shù),提高生產(chǎn)井檢泵周期,在流花4-1油田首次開展了雙電潛泵完井技術(shù)的應(yīng)用研究,設(shè)計(jì)出了適用于該油田的雙電潛泵密封罐裝系統(tǒng),并針對(duì)油田的油藏特點(diǎn)和配產(chǎn)數(shù)據(jù),進(jìn)行了電潛泵水下設(shè)備如水下切換開關(guān)、濕式電接頭和變頻器的選擇和電潛泵機(jī)組的設(shè)計(jì)。

流花4-1油田雙電潛泵采用一用一備的管理方案,開發(fā)前期用上泵適當(dāng)控制產(chǎn)量,開發(fā)后期含水率高時(shí)啟動(dòng)備用泵生產(chǎn),以獲得較長的油井壽命,且后期6口井均采用了滑套式自動(dòng)換向閥,很好地避免了閥門控制可靠性等問題。應(yīng)用效果表明,流花4-1油田采用雙電潛泵完井可使單井產(chǎn)液量達(dá)到3 000 m3/d,取得了良好的開發(fā)效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益,其水下雙電潛泵完井系統(tǒng)設(shè)計(jì)和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)可以為我國海上其他類似油田提供參考。

[1] 梅思杰,邵永實(shí),劉軍.潛油電泵技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2004:11-35.

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[3] 索美娟,龔萬興.電潛泵舉升工藝新進(jìn)展[J].國外石油工程, 2007,23(6):29-30.

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The design of subsea dual ESP completion system for LH4-1 oilfield

Zhang Junbin1Qin Shili1Li Yong1Zhang Ning1Chang Yuanjiang2
(1.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067; 2.China University of Petroleum,Shandong,266580)

LH4-1 oilfield is the first self-developed deep water oilfield in China.In order to optimize workover frequency and minimize development and maintenance cost of the oilfield,the research on application of subsea dual ESP completion technology was carried out for the first time and the dual ESP completion system was designed. According to the reservoir characteristics and production proration data of LH4-1 oilfield,the subsea equipment related with the ESP strings were selected and designed.The field practice demonstrated the technical success and significant economic benefit of the dual ESP completion system which has achieved longer run life and lower workover frequency.

LH4-1 oilfield;subsea dual ESP;completion system design

2013-11-21改回日期:2014-03-07

(編輯:孫豐成)

張俊斌,1995年畢業(yè)于原石油大學(xué)(北京)石油工程專業(yè),主要從事深水油氣田開發(fā)技術(shù)方面的研究。E-mail:zhangjb@ cnooc.com.cn。