高溫采油泵舉升技術(shù)試驗研究

郝忠獻(xiàn)，耿 莉，呂增烈，張立新，雷德榮

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京100022；3.大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163000；4.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

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高溫采油泵舉升技術(shù)試驗研究

郝忠獻(xiàn)1，耿 莉2，呂增烈3，張立新1，雷德榮4

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京100022；3.大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163000；4.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

摘要：高溫采油泵舉升工藝是針對目前熱采井舉升中存在的井溫高、泵效低等難題研發(fā)的新技術(shù)。研制了高溫采油泵并進(jìn)行了室內(nèi)試驗，其額定泵效在75%以上，且對于黏性流體有較好的適應(yīng)性，耐溫性240℃以上。研究了注采一體化配套工藝，形成了完整的吞吐井舉升技術(shù)。在新疆油田進(jìn)行了15口井的現(xiàn)場試驗，取得了較好的效果。試驗結(jié)果表明：高溫采油泵舉升工藝能夠滿足吞吐井生產(chǎn)需求，平均泵效達(dá)到了49.32%，提高了舉升效率，有著良好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：高溫采油泵；舉升；室內(nèi)試驗；現(xiàn)場試驗

稠油儲量占石油總儲量的20%，具有黏度高、流動性差的特性。由于對溫度有極強(qiáng)的敏感性，熱采是目前應(yīng)用規(guī)模最大，也是最為成熟的E O R技術(shù)［1］。注蒸汽降黏后，井筒溫度在200℃以上，目前主要采用傳統(tǒng)的抽油機(jī)舉升，存在效率低、耗能大的缺點(diǎn)，而常規(guī)螺桿泵定子橡膠耐溫性能限制了其應(yīng)用。國內(nèi)外對高溫?zé)岵杉夹g(shù)進(jìn)行了大量研究：斯倫貝謝高溫電潛泵耐溫達(dá)到250℃［2-3］，產(chǎn)量高，已經(jīng)在S A G D開展應(yīng)用［4］；金屬螺桿泵是另一項耐高溫舉升技術(shù)［5-9］，國內(nèi)也進(jìn)行了大量研究［10］，但未開展規(guī)模應(yīng)用。目前，人工舉升仍然是制約高溫井采油技術(shù)的瓶頸［11］。

筆者通過多年的研究，研制了全金屬的高溫采油泵［12］，耐溫達(dá)到240℃以上，還具有注采一體化、排量調(diào)整范圍寬、連續(xù)抽吸等優(yōu)勢，為高溫井人工舉升提供了新技術(shù)。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

全金屬高溫采油泵為容積式泵，主要由定子、轉(zhuǎn)子、滑片、主軸組成，如圖1所示，各個部件均為金屬件。轉(zhuǎn)子與泵軸通過鍵固定，運(yùn)行時通過外力驅(qū)動泵軸轉(zhuǎn)動，泵軸帶動轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子帶動滑片同速旋轉(zhuǎn)。滑片可以在轉(zhuǎn)子槽中自由伸縮滑動。

1—定子；2—轉(zhuǎn)子；3—滑片；4—主軸。圖1 高溫采油泵結(jié)構(gòu)

1.2 吸排機(jī)理

運(yùn)轉(zhuǎn)方向如圖1中箭頭所示。滑片在離心力作用下被甩出，并與定子內(nèi)表面緊密接觸，形成動密封。泵體下端有2個低壓口（吸入口）。圖中a區(qū)陰影部分面積是由定子、轉(zhuǎn)子和H G（或D C）葉片圍成的封閉腔室，隨著轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，腔室容積不斷增加，將流體通過低壓口吸入。繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時，到了b區(qū)陰影部分所示區(qū)域，腔室面積又不斷減小，通過高壓口將流體排出。

1.3 接力增壓機(jī)理

該高溫泵通過不同的級數(shù)來實現(xiàn)不同的舉升壓頭。如圖1所示，高壓口、低壓口分別位于每級泵的上下位置，當(dāng)需要增壓時，在該級上部串聯(lián)1級，使第2級的下部低壓口對準(zhǔn)第1級上部的高壓口，依次類推，通過不斷增加級數(shù)提高舉升壓頭。

1.4 理論排量計算

可根據(jù)油井排量對泵的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。該泵理論排量為

V＝2πb（R2－r2）－2ZbS（R－r）/cosθ

式中：θ為葉片傾角；Z為葉片數(shù)；S為滑片厚度；b為葉片寬度；R為定子長軸半徑；r為定子短軸半徑。

2 高溫采油泵室內(nèi)試驗

2.1 泵級數(shù)與舉升壓力和容積效率呈線性關(guān)系

舉升壓力與容積效率關(guān)系曲線如圖2所示，可以看出：在試驗條件下，在同一舉升壓力下，高溫采油泵容積效率呈級數(shù)越多容積效率越高的趨勢；在轉(zhuǎn)速為160 r/min、舉升壓力為4MPa時，三級泵容積效率為90.82%，雙級泵容積效率為85.78%，單級泵容積效率為75.4%。泵級數(shù)越多，舉升壓頭越高，現(xiàn)場可以根據(jù)不同的油井深度采用不同級數(shù)的滑片泵，提高效率。

圖2　舉升壓力與容積效率關(guān)系曲線

2.2 對黏性流體的適應(yīng)性

熱采井生產(chǎn)過程中，油井轉(zhuǎn)抽前期井溫高、黏度低、產(chǎn)量高；后期黏度升高、產(chǎn)量降低［13］。要求采油泵對黏性流體有較好的適用性。

壓力排量與流體黏度關(guān)系曲線如圖3所示，可以看出：在試驗條件下，當(dāng)舉升壓力和轉(zhuǎn)速一定時，滑片采油泵對黏度適應(yīng)性好。參考壓力為3MPa，轉(zhuǎn)速為160 r/min下的數(shù)據(jù)為：當(dāng)介質(zhì)黏度為690、1 800、2 800、3 800、4 800MPa·s時，對應(yīng)排量為22.98、23.80、23.16、22.86、24.60 m3/d。所以，在1 800～4 800MPa·s，該泵的流量基本穩(wěn)定。黏度低于1800MPa·s時，由于泵體漏失增加，所以流量下降；當(dāng)流體黏度大于3 800MPa·s時，黏度增加泵體漏失量減小，排量增加。根據(jù)試驗結(jié)果得知，滑片采油泵具有良好自吸性能，對黏性介質(zhì)有良好的適用性。

圖3　壓力排量與流體黏度關(guān)系曲線

2.3 泵體耐溫試驗

為了避免泵體金屬件在高溫下會由于膨脹系數(shù)不均發(fā)生卡泵現(xiàn)象，進(jìn)入現(xiàn)場前模擬現(xiàn)場注汽的溫度，對泵體進(jìn)行了耐溫試驗。將柴油加熱到240℃后，用轉(zhuǎn)矩扳手旋轉(zhuǎn)泵軸，啟動轉(zhuǎn)矩在10 N·m左右，與常溫下旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩一致。耐溫試驗完成后又進(jìn)行了水力性能試驗，基本無變化。

3 注采一體技術(shù)

吞吐井生產(chǎn)過程中，需要定期或不定期地進(jìn)行蒸汽注入，提高井底溫度和地層原油流動性，實現(xiàn)注采一體化，提高作業(yè)效率，降低能量損失。

高溫泵與螺桿泵、柱塞泵結(jié)構(gòu)均不相同，泵體整體下入，為了實現(xiàn)注采工藝，特別研制了專用注汽技術(shù)管柱，如圖4所示。需要注汽時，上提抽油桿，注汽活塞上移，注汽口打開，從油管開始注汽；注汽結(jié)束后下放抽油桿，注汽活塞下移，注汽口關(guān)閉，完成轉(zhuǎn)抽。整個過程中，無需動油管柱。

1—油管短節(jié)；2—抽油桿；3—注汽外筒；4—注汽活塞。圖4 專用注汽技術(shù)管柱結(jié)構(gòu)

4 現(xiàn)場試驗及效果分析

新疆油田稠油埋藏淺，主要工藝為蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)，為高溫滑片泵先期現(xiàn)場試驗提供了條件。2010—2013年，在98區(qū)和風(fēng)城2個區(qū)塊進(jìn)行了15口井的現(xiàn)場試驗，泵掛井深150～500 m，產(chǎn)量5～25 m3/d，取得了初步的效果。

3.1 施工工藝

將可伸縮錨定器、高溫采油泵系統(tǒng)、油管下入到預(yù)定深度。下入驅(qū)動桿和抽油桿至泵深，安裝驅(qū)動頭等井口設(shè)備，開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。高溫采油泵舉升工藝管柱結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　高溫采油泵舉升工藝管柱結(jié)構(gòu)

3.2 試驗效果

根據(jù)現(xiàn)場需要，采用額定排量118 m L/r的高溫采油泵，外徑114mm，泵長1.3 m，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速滿足油井產(chǎn)量要求。

15口井中最長檢泵周期13個月，最短7 d（軸承壞），平均泵效49.32%，比原抽油機(jī)舉升系統(tǒng)泵效提高29.12%，裝機(jī)功率下降50%，節(jié)能提效明顯。

現(xiàn)場試驗吞吐井注汽壓力6～12MPa，計算井底溫度在260℃以上［14］，注汽后順利完成轉(zhuǎn)軸。其中：F340098井完成了3輪次注汽轉(zhuǎn)軸作業(yè)，每次注汽壓力8MPa，平均注汽10 d左右，驗證了高溫采油泵的耐溫和注汽工藝的可靠性。

3.3 出現(xiàn)的主要問題及改進(jìn)

該泵靠金屬配合面進(jìn)行滑動密封，磨損是現(xiàn)場試驗前筆者最擔(dān)心的問題。第1口試驗井65018 A井泵掛325 m，運(yùn)行時間11個月，最后由于不產(chǎn)液將泵提出?；氐綄嶒炇易隽藢Ρ仍囼?，試驗前后對比數(shù)據(jù)如圖6所示（140 r/min）。

由圖6可以看出：滑片泵經(jīng)過長時間運(yùn)行，流量下降明顯，尤其是在高壓區(qū)，最多降低了80%，泵體內(nèi)部泄漏嚴(yán)重［15］。拆開后發(fā)現(xiàn)定子內(nèi)表面與葉片磨損嚴(yán)重（如圖7所示），最大磨損量超過了1mm。

圖6　試驗前后水力性能對比

圖7　磨損的定子和葉片

為了提高耐磨性，重新優(yōu)選了定子和葉片的材料［16］，定子材料由38CrMoAlA換成了高耐磨材料，葉片材料換為合金材料，并對葉片倒角結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。在J561井進(jìn)行了試驗，泵掛435 m，運(yùn)轉(zhuǎn)11個月后由于油井作業(yè)而起泵。試驗前后對比數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8　新材料試驗前后水力性能對比

由圖8可以看出：經(jīng)過11個月的現(xiàn)場應(yīng)用，相同壓力下，泵的排量不但沒有下降還呈增加的趨勢，尤其是在高壓區(qū)，最多提高了242.9%。

5 結(jié)論

1） 高溫采油泵是針對高溫井舉升難題研發(fā)的新技術(shù)，可以滿足不同舉升壓力和黏度的流體舉升要求，并配套研究了注采一體化工藝，滿足了吞吐井的舉升需要。

2） 現(xiàn)場試驗取得了初步的效果，泵效高，注轉(zhuǎn)抽工藝方便可靠，解決了磨損泄漏等關(guān)鍵問題。

3） 需要繼續(xù)擴(kuò)大現(xiàn)場試驗規(guī)模，提高泵體壽命及可靠性，延長檢泵周期。

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High Temperature Vane Pump In-house and Field Experiment

HAO Zhongxian1，GENG Li2，L YU Zenglie3，ZHANG Lixin1，L EI Derong4
（1. Reseɑrch Institute of Petroleum Explorɑtion＆Deυelopment，Beijing，100083，Chinɑ；2. Drilling Reseɑrch Institute，C N PC，Beijing 100022，Chinɑ；3. No.1 Drilling Compɑny，Dɑqing Drilling Engineering Compɑny，Dɑqing 163000，Chinɑ；4. Engineering Technology Reseɑrch Institute，Xinjiɑng Oilfield Compɑny，Kɑrɑmɑy 834000，Chinɑ）

Abstract：High Temperature Pump（HTP）technology is a new artificial lift technology which aims at the high Temperature and loWefficiency in thermalrecovery well oil production. The HTP was designed and its characteristics were tested via laboratory experiment. The results showed that the flow of the Pump was affected by lifting pressure，rotation speed and the fluid character. The Pump efficiency was more than 75%.It waSGood at lifting viscous fluid and can resist more than 240 centigrade Temperatures. The injection converting to the production matching technology was also designed. Fifteen apparatuses were deployed in Xinjiang oil field and obtained better results. The field test shows that the vane Pump could satisfy the need for thermal recovery wells lifting. A verage Pump efficiency was 49.32%. The system could enhance the work over efficiency and will have good develop ment prospects.

Key Words：vane Pump；artificial lift；in-house experiment；field test

作者簡介：郝忠獻(xiàn)（1981-），男，河北衡水人，工程師，博士研究生，主要從事采油技術(shù)研究，E-mail：haozx @ petrochina.com. cn。

基金項目：中國石油天然氣集團(tuán)公司重大科技攻關(guān)項目“采油及井下作業(yè)新技術(shù)新裝備研究與現(xiàn)場試驗”（2011B-1705）

收稿日期：2015-07-16

文章編號：1001-3482（2016）01-0060-04

中圖分類號：T E952

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.014