柔性連接水平泵注采一體化工藝研究與應(yīng)用

姜 東

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

目前，對(duì)于稠油、超稠油油藏的開發(fā)，大多采用注蒸汽熱采降黏方式開發(fā)，從舉升方式上形成了抽油機(jī)有桿泵注采一體化工藝[1-2]，實(shí)現(xiàn)了稠油井的注汽-燜井-放噴-轉(zhuǎn)抽生產(chǎn)。但受井筒井斜角、產(chǎn)出液黏度影響，現(xiàn)有常規(guī)注采一體化工藝適用井斜角小于70°[3-4]，存在抽油桿柱緩下或卡泵問題。因限制了抽油泵最大下泵深度，蒸汽吞吐中后期油井沉沒度小、供液能力差，造成注采周期短、注入熱能利用率低的問題。本論文提出了一種柔性連接水平泵注采一體化技術(shù)，通過研究具有雙級(jí)異徑柔性連接結(jié)構(gòu)的注采一體化抽油泵，配套井口懸掛注采一體化轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液力反饋助力下行、密封副遮蔽防垢注汽，將抽油泵下深到水平段循環(huán)注汽、轉(zhuǎn)抽、生產(chǎn)一體化，最大限度增加了注蒸汽吞吐熱采井輪次周期采油量，提高熱采稠油油藏的開發(fā)效益。

一、柔性連接水平抽油泵技術(shù)

現(xiàn)有注采一體化抽油泵有多種結(jié)構(gòu)類型[5-6]，一種是串聯(lián)式抽油泵[7-10]，該抽油泵泵筒上沒有閥體，上提柱塞出泵筒，通過抽油泵泵筒內(nèi)通道注汽，完成注汽后直接下放抽油泵柱塞，提防沖距后生產(chǎn)。采用該原理抽油泵注汽時(shí)，因抽油泵密封副裸露在注入的熱蒸汽中，柱塞、泵筒表面容易結(jié)垢導(dǎo)致轉(zhuǎn)抽時(shí)，柱塞不能進(jìn)泵筒或卡泵；另一種是加裝外筒的長柱塞抽油泵[11]，該泵在注汽時(shí)柱塞與泵筒處于密封狀態(tài)，熱蒸汽經(jīng)抽油泵外筒與泵筒環(huán)空穿過抽油泵注入油層，避免了抽油泵密封面結(jié)垢問題，但用于大斜度井生產(chǎn)時(shí)，因長柱塞長期位于彎曲井段往復(fù)運(yùn)動(dòng)，存在柱塞、泵筒快速磨損或卡泵不能生產(chǎn)問題。

1.結(jié)構(gòu)組成

通過創(chuàng)新串接式雙級(jí)異徑柱塞配合開式懸掛泵筒結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計(jì)了柔性連接注采一體化水平抽油泵技術(shù)，減少了抽油泵柱塞、泵筒磨損，實(shí)現(xiàn)了密封副遮蔽注汽防卡，采用液力反饋原理增大了抽油桿柱下行動(dòng)力，提高了有桿泵舉升在大斜度、水平井段下泵深度及使用壽命。其結(jié)構(gòu)原理見圖1，主要由上接頭、柱塞上接頭、上泵筒、上柱塞、復(fù)位彈簧、上游動(dòng)閥、外筒、柔性連管、下柱塞、下泵筒等組成。

圖1 柔性連接注采一體化水平抽油泵結(jié)構(gòu)示意圖1上接頭 2柱塞上接頭 3上泵筒 4上柱塞 5復(fù)位彈簧 6上游動(dòng)閥 7外筒 8柔性連管 9下柱塞 10下泵筒 11下游動(dòng)閥 12固定閥 13分流接頭

2.關(guān)鍵技術(shù)

2.1 柱塞分級(jí)柔性連接、泵筒開式懸掛串聯(lián)技術(shù)

由上柱塞、上游動(dòng)閥、上泵筒、下柱塞、下游動(dòng)閥、固定閥、外管、管式連接球頭、柱塞連管、下泵筒等組成，結(jié)構(gòu)原理見圖2。其功能特點(diǎn)：①泵筒分上下兩部分分段懸掛于外管內(nèi)，一端固定，另一端為自由狀態(tài)，通過彎曲井段時(shí)由外管承受力的作用，上、下泵筒可隨井筒彎曲自由伸展處于平直狀態(tài)，避免彎曲變形；②上、下柱塞通過管式連接球頭實(shí)現(xiàn)柔性密封聯(lián)結(jié)，與上、下泵筒配合形成密封副，不僅實(shí)現(xiàn)了密封而且可在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；③采用分級(jí)柔性柱塞與開式懸掛串聯(lián)泵筒配合結(jié)構(gòu)，整體提升了抽油泵適應(yīng)彎曲變形能力，滿足了井筒曲率小于30°/100 m大斜度井段自適應(yīng)彎曲井筒柔性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減輕了抽油泵磨損，避免了在斜井段工作柱塞、泵筒卡死不能正常生產(chǎn)問題。

圖2 分級(jí)柔性連接柱塞及開式懸掛串聯(lián)泵筒結(jié)構(gòu)示意圖

1上柱塞 2上游動(dòng)閥 3上泵筒 4下柱塞 5下游動(dòng)閥 6固定閥 7外管 8管式連接球頭 9柱塞連管 10下泵筒

2.2 閉式串聯(lián)液力反饋技術(shù)

通過上大、下小柱塞閉式串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了油管內(nèi)液壓力作用在柱塞截面上產(chǎn)生液壓反饋力，下行過程增大抽油桿下行動(dòng)力，解決常規(guī)抽油泵應(yīng)用于大斜度井段因抽油桿重力分解造成抽油柱緩下甚至不能正常往復(fù)運(yùn)動(dòng)舉升問題。

該抽油泵工作時(shí)，液壓反饋力一般發(fā)生在抽油桿下行過程。如圖2所示，抽油泵柱塞下行時(shí)，大、小柱塞游動(dòng)閥均處于開啟狀態(tài)，固定閥處于關(guān)閉狀態(tài)，抽油泵大小柱塞內(nèi)壓力均為油管液柱產(chǎn)生的液壓力。假設(shè)上部大柱塞外徑截面積為S1，下部小柱塞外徑截面積為S2，大小柱塞連管外徑截面積為S，油管內(nèi)液柱產(chǎn)生的壓力為p1，動(dòng)液面沉沒度產(chǎn)生的壓力為p2，則有：

大柱塞受力F1=(p1-p2)·(S1-S)，方向向下；

小柱塞受力F2=(p1-p2)·(S2-S)，方向向上；

則，因大小柱塞串聯(lián)產(chǎn)生的下行反饋力F：

F=F1-F2=(p1-p2)·(S1-S)-(p1-p2)·(S2-S)= (p1-p2)·(S1-S2)

(1)

式中：F—下行反饋力，kN；

p1、p2—油管液柱、動(dòng)液面液柱壓力，MPa；

S1、S2—大、小柱塞外徑截面積，m2；

式(1)表明，抽油泵下行過程產(chǎn)生的液壓反饋力F與油井的油套壓差和大、小柱塞的面積差成正比。根據(jù)式(1)，通過大小柱塞不同尺寸組合設(shè)計(jì)，可優(yōu)化得到柔性連接注采一體化水平泵不同排量和下行反饋力。通過綜合考慮抽油泵排量及下行反饋動(dòng)力，設(shè)計(jì)了?70 mm/63.5-6 m柔性連接注采一體化水平泵，其基本參數(shù)見表1。該泵型最大行程6 m、排量系數(shù)為4.56，當(dāng)油管內(nèi)與油套環(huán)空液柱差為1 000 m時(shí)，由式(1)計(jì)算能增加下行反饋力0.7 t，滿足了大多數(shù)油井舉升排液需求。

表1 柔性連接注采一體化水平泵技術(shù)參數(shù)表

2.3 抽油泵密封副遮蔽防垢注采轉(zhuǎn)抽技術(shù)

該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了下放抽油桿柱碰泵注汽，解決了柱塞、泵筒表面結(jié)垢問題，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

注汽過程：下放抽油桿柱確保水平泵柱塞位于泵筒下死點(diǎn)，該狀態(tài)下抽油泵游動(dòng)閥、固定閥均為關(guān)閉狀態(tài)，抽油泵柱塞與泵筒上的注汽孔聯(lián)通。注入蒸汽由泵上A腔通過上柱塞排液口進(jìn)入上柱塞腔室B，再通過上柱塞、上泵筒聯(lián)通注汽孔進(jìn)入大小柱塞與外管形成的環(huán)空腔室C，注入蒸汽繼續(xù)下行通過下泵筒下部聯(lián)通孔到達(dá)柔性柱塞水平抽油泵下部腔室D，最終通過生產(chǎn)管柱底部篩管注入到油層，實(shí)現(xiàn)對(duì)油層稠油的加熱降黏。整個(gè)注汽過程，抽油泵柱塞、泵筒密封副與注入蒸汽隔離，避免了抽油泵柱塞、泵筒裸露在蒸汽中表面結(jié)垢，解決了注汽后轉(zhuǎn)抽抽油泵柱塞不能進(jìn)泵筒問題。

圖3 防垢注汽通道示意圖1上柱塞 2注汽孔 3上泵筒 4下柱塞 5下泵筒

轉(zhuǎn)抽過程：注汽燜井后需要轉(zhuǎn)抽時(shí)，上提防沖距，抽油泵柱塞上的注汽孔由泵筒封閉，如圖3所示。該狀態(tài)為抽油泵運(yùn)行下死點(diǎn)，正常生產(chǎn)時(shí)抽油泵柱塞在該位置上部往復(fù)運(yùn)動(dòng)舉升，確保抽油泵始終保持密封狀態(tài)運(yùn)行。

二、柔性連接水平泵注采一體化工藝管柱

以柔性連接水平抽油泵為核心，配套形成了柔性連接水平泵注蒸汽吞吐熱采一體化工藝，主要由注汽井口、懸掛注汽裝置、柔性連接水平泵、注汽封隔器以及油管、抽油桿、篩管等組成，其工藝管柱如圖4所示。

圖4 柔性連接水平泵注采一體化工藝示意圖

1注汽井口 2懸掛注汽裝置 3套管 4油管 5抽油桿 6柔性連接水平泵 7注汽封隔器 8篩管

注汽時(shí)，將注采一體水平泵泵筒、注汽封隔器與油管柱聯(lián)結(jié)下入井內(nèi)預(yù)定位置座封封隔器；抽油桿柱聯(lián)結(jié)水平泵串聯(lián)柱塞下入井內(nèi)，碰泵后上提抽油桿柱至自由懸重并由懸掛裝置掛于注汽井口，此時(shí)柔性連接水平泵柱塞與泵筒上的注汽通道聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)抽油泵泵筒、柱塞與注入蒸汽隔離注汽；完成注蒸汽后，起出懸掛裝置，聯(lián)結(jié)光桿上提防沖距完井，正常抽汲生產(chǎn)排液。

三、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

柔性連接水平泵注采一體化技術(shù)在勝利油田P20-90井上開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。該井采用?177.8 mm套管水平井開發(fā)，井筒造斜點(diǎn)576 m，最大井斜角84.4°位于斜深1 100 m，P20-90井井斜數(shù)據(jù)見表2。

表2 P20-90井斜數(shù)據(jù)表

1.問題分析

該井前期已開展了8輪次注蒸汽吞吐開發(fā)生產(chǎn)，上一輪次(第8輪次)采用常規(guī)?70 mm泵下到819 m(井斜角45°)生產(chǎn)，因受井斜限制常規(guī)?70 mm泵不能有效下深，減小了抽油泵沉沒度，經(jīng)測(cè)試抽油泵沉沒度只有16 m，嚴(yán)重影響了泵效及周期采液量，生產(chǎn)134 d后因不出液重新作業(yè)。

2.柔性連接水平泵注采一體化工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)因井斜大、液面低造成的常規(guī)抽油泵不能有效下深、注采生產(chǎn)周期短的問題，本次方案采用?70 mm/63.5-6 m柔性連接注采一體化水平泵下深到水平井A靶點(diǎn)位置，最大限度加深泵掛增大沉沒度，實(shí)現(xiàn)抽油泵在水平井段注采一體化生產(chǎn)舉升。

(1)生產(chǎn)管柱：采用熱敏封隔器密封套管環(huán)空，封隔器上部采用?114 mm隔熱管，封隔器下部采用常規(guī)?73 mm普通油管。

(2)抽油桿柱：采用?25 mm抽油桿+?38 mm加重桿組合，地面配套井口懸掛裝置。

(3)抽油泵：采用?70 mm/63.5-6 m柔性連接注采一體化水平泵，下深到接近水平段A靶點(diǎn)1 100 m(垂深880 m、井斜角84.4°)。

3.應(yīng)用效果分析

與上一輪次對(duì)比[12]，采用柔性連接水平泵注采一體化技術(shù)最大限度增大抽油泵沉沒度，實(shí)現(xiàn)抽油泵在水平段舉升生產(chǎn)，延長了注蒸汽生產(chǎn)周期，有效增加了注采周期采油量。

(1)增產(chǎn)效果明顯。在注汽量減少358 m3條件下，輪次生產(chǎn)周期延長128 d，周期液量增加447 t，實(shí)現(xiàn)了加深泵掛、延長吞吐周期，有效提高油井產(chǎn)量效果，近兩次生產(chǎn)情況對(duì)比見表3。

表3 P20-90井近兩次生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

(2)大幅縮短了轉(zhuǎn)周作業(yè)周期，綜合對(duì)比作業(yè)、注汽、燜井、放噴、排水整個(gè)作業(yè)過程，與上一輪次相比轉(zhuǎn)抽周期由74 d縮短為27 d，縮短了47 d，避免作業(yè)占產(chǎn)，節(jié)約了作業(yè)費(fèi)用。

(3)加深泵掛深抽舉升效果明顯，該井前9個(gè)輪次生產(chǎn)情況見圖5。由圖5看出，本輪次生產(chǎn)周期延長128 d，輪次產(chǎn)液量增加447 t，輪次生產(chǎn)周期及產(chǎn)液量均達(dá)到歷史最高水平。

圖5 P20-90井各輪次生產(chǎn)效果對(duì)比圖

四、結(jié)論

(1)研究了柔性連接注采一體化水平泵技術(shù)，采用柱塞分級(jí)柔性連接、泵筒開式懸掛串聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了抽油泵液力反饋增力下行、密封副遮蔽防垢注汽，形成了適用于稠油熱采水平井注采一體化舉升技術(shù)，最大限度加大了下泵深度，實(shí)現(xiàn)了抽油泵在水平井段的多輪次注采循環(huán)生產(chǎn)，適用井斜角90°。

(2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1口井，柔性連接水平抽油泵下深到水平井A靶點(diǎn)，最大限度增大了抽油泵沉沒度，在減少358 m3蒸汽注入量條件下，延長輪次生產(chǎn)周期128 d，增加輪次產(chǎn)液量447 t，達(dá)到歷史最高水平。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明：柔性連接水平泵注采一體化技術(shù)具有有效延長輪次吞吐生產(chǎn)周期、增加輪次周期產(chǎn)量、節(jié)約轉(zhuǎn)抽作業(yè)費(fèi)用的效果，在注采周期較短的中淺層稠油區(qū)塊的大斜度、水平井應(yīng)用具有良好的增效潛力。