勝利油田蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井高效舉升配套技術(shù)

張 雷， 杜瑋暄， 肖 萍， 高綜啟， 孫衍東， 周 娜

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng) 257000)

勝利油田稠油資源豐富，部分稠油油藏經(jīng)過多輪次蒸汽吞吐開發(fā)后，采收率提升難度較大，蒸汽驅(qū)作為蒸汽吞吐后提高采收率的主要接替手段之一，勝利油田開展了一系列的蒸氣驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)。勝利油田蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井以有桿泵舉升方式為主，生產(chǎn)過程中主要存在以下問題：注汽溫度高、H2S含量高，導(dǎo)致舉升系統(tǒng)腐蝕加劇；結(jié)垢、出砂嚴(yán)重，卡泵、泵磨損問題突出。國內(nèi)外目前已有高溫電動(dòng)潛油泵、全金屬螺桿泵、耐高溫金屬泵和耐高溫陶瓷泵等抽油泵，可滿足蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井大排量舉升的需求[1-4]，但關(guān)于蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井由于高溫造成的低泵效、結(jié)垢卡泵、含硫井舉升工具防腐問題尚未得到有效解決，相關(guān)研究也較少。因此，有必要開展抽油泵高溫密封、彈性防卡技術(shù)研究，配套耐高溫防腐蝕光桿和光桿密封技術(shù)，形成一套適應(yīng)蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井的高溫防卡長(zhǎng)效人工舉升配套技術(shù)，以達(dá)到蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井防止高溫卡泵、提高泵效和舉升系統(tǒng)的防腐性能、延長(zhǎng)油井檢泵周期的目的。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

實(shí)施蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井高效舉升配套技術(shù)的基礎(chǔ)是有桿泵舉升系統(tǒng)，研究形成的有桿泵舉升系統(tǒng)如圖1所示。下面通過研究高溫防卡柔性柱塞抽油泵(簡(jiǎn)稱為高溫防卡泵)及安裝在井口的耐高溫防腐光桿密封裝置，分析蒸汽驅(qū)井有桿泵舉升配套技術(shù)的關(guān)鍵問題。

圖1 有桿泵舉升系統(tǒng)Fig.1 Sucker rod pump lifting system

1.1 高溫防卡泵

蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井舉升過程中抽油泵存在以下3個(gè)問題：1)結(jié)垢、出砂嚴(yán)重，導(dǎo)致卡泵；2)高溫、高壓生產(chǎn)條件下，對(duì)泵筒和柱塞之間間隙的變化認(rèn)識(shí)不清；3)高溫、H2S腐蝕條件下，閥副腐蝕嚴(yán)重。針對(duì)上述情況，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、耐腐蝕材質(zhì)優(yōu)選等方面進(jìn)行了研究，研制了高溫防卡泵，提高抽油泵對(duì)出砂、高溫、腐蝕的適應(yīng)性，延長(zhǎng)抽油泵的使用壽命。

1.1.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

高溫防卡泵主要由泵筒、三級(jí)柱塞、三級(jí)調(diào)心總成、三級(jí)刮砂環(huán)、三級(jí)游動(dòng)閥和固定閥等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高溫防卡泵的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure configuration for stuck prevention pump under high temperature

該泵的抽汲原理與常規(guī)抽油泵相同，上沖程進(jìn)液，下沖程排液。該泵將三級(jí)可調(diào)心短柱塞串接在一起，自適應(yīng)泵筒微彎曲變形，消除柱塞和泵筒間的彎曲偏磨，保證桿柱順利下行；柱塞上端設(shè)計(jì)為等徑刮砂結(jié)構(gòu)，以防止泵筒變形及間隙進(jìn)砂造成的卡泵。

1.1.2 抽油泵密封間隙模擬優(yōu)化

針對(duì)高溫條件下抽油泵密封間隙的變化規(guī)律認(rèn)識(shí)不清的問題，應(yīng)用ABAQUS軟件對(duì)抽油泵泵筒和柱塞間的密封間隙進(jìn)行了優(yōu)化。

蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井中98%的抽油泵為φ57.2 mm泵，因此對(duì)φ57.2 mm泵進(jìn)行了模擬分析。泵筒內(nèi)徑為57.15 mm，長(zhǎng)度為6 600 mm，柱塞外徑為57.08 mm，長(zhǎng)度為400 mm，材質(zhì)為45#鋼，彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269，熱膨脹系數(shù)為1.371×10-5℃-1。所建模型如圖3所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況選擇2種邊界條件：1)對(duì)泵筒的上下兩個(gè)端面進(jìn)行Y=0約束，使其在軸向不能運(yùn)動(dòng)，對(duì)泵筒及柱塞的X、Z軸(即徑向)不進(jìn)行約束，使其可以自由膨脹；2)對(duì)泵筒及柱塞的頂端面進(jìn)行Y=0的約束，使頂端面在軸向上不能運(yùn)動(dòng)，對(duì)泵筒及柱塞的X、Z軸(即徑向)不進(jìn)行約束，使其可以自由膨脹。

圖3 泵筒及柱塞模型Fig.3 Pump cylinder and plunger model diagram

初始溫度為25 ℃，模型升溫范圍為50～200 ℃，每隔50 ℃對(duì)整個(gè)模型的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行一次計(jì)算，同時(shí)計(jì)算出兩端約束、一端約束時(shí)密封間隙隨溫度的變化情況，結(jié)果如圖4所示。按照在100，150和200 ℃溫度下工作時(shí)能夠達(dá)到抽油泵密封間隙標(biāo)準(zhǔn)0.075～0.138 mm[5]，反推計(jì)算室溫條件下的密封間隙，室溫、泵筒兩端約束條件下的密封間隙分別為0.063～0.126，0.052～0.115和0.042～0.105 mm，室溫、泵筒一端約束條件下的密封間隙均為0.076～0.139 mm。

圖4 兩端約束和一端約束時(shí)密封間隙隨溫度的變化Fig.4 Seal gap changes with temperature variation at constraints on both ends and one end

1.1.3 抽油泵閥副材質(zhì)優(yōu)選

針對(duì)蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井高溫、高壓、高含H2S導(dǎo)致抽油泵閥副腐蝕嚴(yán)重的問題，模擬現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)和閥副材質(zhì)優(yōu)選。

試件放在哈氏合金高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)井液組分配備試驗(yàn)介質(zhì)以模擬實(shí)際腐蝕工況環(huán)境，通過調(diào)節(jié)高溫高壓反應(yīng)釜的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)試件模擬流速。

圖5所示為閥副腐蝕后試樣的形貌。從圖5可以看出，硬質(zhì)合金閥副表面均覆蓋了一層薄薄的腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)清洗后，試樣表面仍具有明顯的金屬光澤，而常規(guī)閥副表面發(fā)黑。

圖5 腐蝕試驗(yàn)后閥球、閥座形貌Fig.5 Morphology of valve ball and seat

圖6為閥副腐蝕試驗(yàn)后試樣的微觀形貌。從圖6可以看出，常規(guī)閥副試樣表面有一層腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋，但腐蝕產(chǎn)物膜已出現(xiàn)龜裂，而硬質(zhì)合金閥副試樣表面腐蝕產(chǎn)物較薄，腐蝕很輕。

圖6 腐蝕試驗(yàn)后閥球、閥座微觀形貌Fig.6 Microscopic morphology of valve ball and seat

處理腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，常規(guī)閥副腐蝕速率為0.128 mm/a，硬質(zhì)合金閥副腐蝕速率僅為0.011 mm/a。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，選用硬質(zhì)合金閥副，以延長(zhǎng)抽油泵的使用壽命。

1.1.4 高溫防卡泵技術(shù)特點(diǎn)

與常規(guī)泵相比，高溫防卡泵具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1) 防卡抗磨能力強(qiáng)。柱塞采用三級(jí)密封結(jié)構(gòu)，密封單元結(jié)構(gòu)短，短柱塞本身具有不易砂卡的特點(diǎn)；短柱塞之間連接調(diào)心裝置、等徑刮砂結(jié)構(gòu)，對(duì)井斜適應(yīng)性強(qiáng)，不易沉砂。

2) 壽命長(zhǎng)。固定閥、游動(dòng)閥均設(shè)計(jì)為球閥，球閥采用彈簧自動(dòng)復(fù)位結(jié)構(gòu)，依靠彈簧力的作用迫使球閥關(guān)閉，解決了稠油井抽油時(shí)閥球關(guān)閉滯后的問題，球閥與滑套式錐閥相比，可以明顯延長(zhǎng)閥球壽命，提高抽油泵的可靠性。

3) 適應(yīng)范圍廣。該泵最高可適應(yīng)200 ℃井底溫度，泵筒、柱塞間隙適應(yīng)高溫變化，避免了高溫導(dǎo)致泵效降低或者卡泵的問題。

1.2 耐高溫防腐光桿密封裝置

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

耐高溫防腐光桿密封裝置主要由壓帽、密封筒、盤根、補(bǔ)償彈簧、封井閥和下接頭等6部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

正常生產(chǎn)時(shí)，打開封井閥，頂緊盤根，上部盤根起動(dòng)密封作用，同時(shí)采用彈簧頂緊結(jié)構(gòu)，在盤根磨損后具有受壓密封自補(bǔ)償功能，可以延長(zhǎng)盤根更換周期；更換盤根時(shí)，停井、關(guān)閉封井閥起靜密封作用，避免井內(nèi)氣體和液體溢出，更換盤根；更換完盤根后，開啟正常生產(chǎn)模式。該設(shè)計(jì)為動(dòng)靜組合式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，既實(shí)現(xiàn)了有效密封又能夠安全更換盤根。

圖7 高溫防腐蝕光桿密封裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic diagram of high-temperature and anti-corrosion polished rod sealing device

1.2.2 密封盤根材質(zhì)優(yōu)選

為滿足現(xiàn)場(chǎng)密封需求，對(duì)光桿密封盤根材質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)選。首先考慮現(xiàn)場(chǎng)光桿密封條件及成本因素初步篩選了丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠和氟橡膠3種橡膠盤根，然后進(jìn)行耐溫承壓耐腐蝕性能試驗(yàn)，H2S分壓為1 MPa,密封壓差為21 MPa,試驗(yàn)時(shí)間為10 d,結(jié)果見表1。氟橡膠在120，150和170 ℃條件下均能保持耐腐蝕性，最終優(yōu)選氟橡膠作為密封盤根材質(zhì)。

表1光桿密封器盤根材質(zhì)優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果

Table1Testresultsforpackingmaterialofpolishedrodsealingdevice

溫度/℃丁腈橡膠氫化丁腈橡膠氟橡膠120正常正常正常150失效正常正常170失效正常

1.2.3 耐高溫防腐光桿優(yōu)選

為保證光桿密封器的密封效果，需提高光桿的防腐蝕性能，因此參照抽油泵閥副耐腐蝕性能試驗(yàn)進(jìn)行了光桿材質(zhì)的優(yōu)選。耐高溫防腐光桿優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果顯示，常規(guī)光桿的腐蝕速率為0.865 mm/a、常規(guī)耐高溫防腐光桿的腐蝕速率為0.167 mm/a、高鉻合金光桿的腐蝕速率為0.006 mm/a，因此選擇高鉻合金光桿作為耐高溫防腐光桿材質(zhì)。

1.2.4 技術(shù)特點(diǎn)

與常規(guī)光桿密封裝置相比，耐高溫防腐光桿密封裝置具有以下特點(diǎn)：采用彈簧頂緊盤根結(jié)構(gòu)，具有密封自補(bǔ)償功能，延長(zhǎng)盤根更換周期；利用封井閥控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)盤根的安全更換；通過優(yōu)選材質(zhì)實(shí)現(xiàn)耐高溫、耐高壓、耐H2S腐蝕。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至目前，蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井高效舉升配套技術(shù)在孤島等油田應(yīng)用58井次，井口溫度超過100 ℃的微氣竄井有9口，泵掛處最高溫度195 ℃、H2S最高體積分?jǐn)?shù)1.859×10-3。應(yīng)用效果為：平均泵效74%，相較于措施前提高9.2%，平均日增油0.7 t；單井最長(zhǎng)生產(chǎn)896 d且持續(xù)有效，檢泵周期平均延長(zhǎng)207 d，減少躺井18井次；盤根更換減少82次，光桿更換減少6次；適應(yīng)最大井斜角84.4°。下面以GD1井為例，介紹蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井高效舉升配套技術(shù)的應(yīng)用情況。

GD1井井口溫度為110 ℃，泵掛溫度為170 ℃，H2S體積分?jǐn)?shù)為5.90×10-4。該井采用φ57.2 mm泵，沖程為4.2 m，沖次為5.0 min-1，泵深1 050 m，該井結(jié)垢、出砂、腐蝕、井口漏油嚴(yán)重，1個(gè)月更換盤根2次以上，前3次躺井均由卡泵導(dǎo)致，平均生產(chǎn)周期僅有99 d，解剖發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)有垢砂。

針對(duì)該井存在的問題，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化。設(shè)計(jì)方案為應(yīng)用高溫防卡柔性柱塞抽油泵解決卡泵問題，采用耐高溫防腐密封裝置實(shí)現(xiàn)井口有效密封，桿柱結(jié)構(gòu)為多鉻光桿+φ25.4 mm抽油桿×500 m+φ22.2 mm抽油桿×550 m+柱塞，管柱結(jié)構(gòu)為φ88.9 mm油管×520 m+φ73.0 mm油管×530 m+泵筒+φ73.0 mm油管×50 m+篩管+絲堵，采用φ57.2 mm泵,沖程為3.6 m,沖次為5.5 min-1。

截至目前，GD1井已正常生產(chǎn)896 d，高效舉升配套技術(shù)仍有效，生產(chǎn)周期延長(zhǎng)797 d，減少躺井8井次，盤根更換減少39次，泵效提高23%，井口密封裝置效果良好，實(shí)施措施前后GD1井的情況見表2。

表2 GD1井實(shí)施措施前后情況對(duì)比Table 2 Comparison of Well GD1 before and after treatment

3 結(jié) 論

1) 通過高溫防卡抽油泵、動(dòng)靜組合耐高溫防腐光桿密封技術(shù)的攻關(guān)研究，形成了一套成熟的蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井高效舉升配套技術(shù)。

2) 該技術(shù)在勝利油田成功應(yīng)用58井次，可以滿足泵掛處溫度195 ℃、H2S體積分?jǐn)?shù)1.859×10-3井的生產(chǎn)需求，最長(zhǎng)生產(chǎn)896 d且持續(xù)有效，檢泵周期平均延長(zhǎng)207 d，減少換盤根82次；泵效平均提高9.2%，平均單井日增油0.7 t。

3) 該技術(shù)可在稠油熱采井、大斜度井中推廣，應(yīng)用前景廣闊。