水力潛油泵在海上油田的應(yīng)用分析

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)①

20世紀90年代，英國克萊德泵業(yè)公司針對普通電潛泵采油在高含氣、高井溫、稠油、產(chǎn)液變化大等情況下的不足之處，開始研制水力潛油泵。這種新型泵通過地面動力液增壓泵及注入泵向井下注入動力液，帶動渦輪旋，從而帶動井下離心泵旋轉(zhuǎn)，將井下液體通過油管舉升到井上。

水力潛油泵具有較大的排量范圍，最高可達14 000 m3/d，完全可以滿足海上大排量開采需求；泵的長度較小，約為電潛泵長度的1/3，對于復(fù)雜井況的開采具有較強適應(yīng)性；泵的使用壽命較長，約為電潛泵的3倍，可以大幅減少檢泵作業(yè)成本。

目前該種泵型在我國還沒有使用，國內(nèi)外相關(guān)研究文獻較少[1-10]。但是，隨著水力潛油泵技術(shù)的進一步發(fā)展和國產(chǎn)化進程的加快，該泵在國內(nèi)海上平臺上將具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 水力潛油泵系統(tǒng)及工作原理

水力潛油泵的工作形式有開環(huán)和閉環(huán)2種，如圖1～2所示。

圖1 水力潛油泵開環(huán)工作形式

圖2 水力潛油泵閉環(huán)工作形式

開環(huán)是動力液與油藏流體在油管中混合舉升到井口，混合返液通過井上分離器進行分離；閉環(huán)是動力液和油藏流體各形成一套循環(huán)管路，動力液和油藏流體互不影響。本文以開環(huán)為例進行闡述。

水力潛油泵系統(tǒng)由井上和井下2部分組成，如圖3所示。井上部分包括地面管線、分離器、過濾器、動力液增壓及注入泵等。井下部分包括封隔器、油管、渦輪、離心泵等。

圖3 水力潛油泵系統(tǒng)示意

水力潛油泵運行時是通過井上動力液增壓及注入泵將一定壓力的動力液通過地面管路注入到油套環(huán)空中，動力液可以注入到一口井中，也可以注入到多口井中，實現(xiàn)多口井的同時生產(chǎn)。動力液通過油套環(huán)空進入渦輪中，驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn)，繼而帶動同一根軸上的離心泵高速旋轉(zhuǎn)。離心泵吸入油藏流體，油藏流體從離心泵上端排出，動力液從渦輪下端排出，混合后通過油管舉升到井上，混合液進入到井上的分離罐進行分離，分離出的動力液進入過濾器過濾后，通過井上地面增壓及注入泵注入井下，進行下一個循環(huán)。分離出的產(chǎn)出液經(jīng)地面管路進入處理系統(tǒng)。

水力潛油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，動力液進入平衡室后，一部分動力液用于渦輪的平衡，大部分動力液進入渦輪并帶動渦輪高速旋轉(zhuǎn)，這部分動力液中的大部分會進入集流環(huán)與產(chǎn)出液混合，但有小部分動力液進入到泵軸承和泵平衡鼓中。渦輪平衡鼓受到向上的力，與渦輪產(chǎn)生的向下軸向力平衡，泵平衡鼓受到向上的力與泵產(chǎn)生的向下推力平衡，使泵平衡運轉(zhuǎn)。

圖4 水力潛油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

2 技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點

水力潛油泵長度5.6 m，約為電潛泵的1/3；排量300～14 000 m3/d；揚程小于1 500 m；氣體處理能力GVF(泵吸入端氣體體積百分數(shù))對于連續(xù)氣可以達到75%，對于段塞氣可以達到100%；渦輪動力1 MW；轉(zhuǎn)速4 000～15 000 r/min并可自動調(diào)節(jié)；在固體粒徑100 μm時，最高可以接受50×10-6含量的固體；酸性環(huán)境可以適用到pH=4.5；可用于開采稠油，對流體黏度具有較大的適用范圍；適用于斜井及水平井；平均檢泵周期可達11 a。

1) 可靠性高。

水力潛油泵無井下電機，電纜等電器組件，無摩擦軸承，無機械密封，結(jié)構(gòu)簡單，只有渦輪、葉輪、軸等機械部件，不會因電器組件損壞導(dǎo)致檢泵，可靠性高，檢泵周期可達11 a，約為電潛泵的3倍，在海上使用水力潛油泵可以減少檢泵次數(shù)，大幅度降低作業(yè)成本。

2) 適應(yīng)多種井型。

水力潛油泵長度為5.6 m，減少狗腿度對泵下深的影響。渦輪、軸、導(dǎo)輪固定在機組中間位置，具有自我調(diào)節(jié)的渦輪及泵的推力平衡，不會因井型變化導(dǎo)致部件發(fā)生接觸磨損，在井下不僅可以下入到穩(wěn)斜段，還可以下入到水平段，適用于斜井、定向井、高狗腿度井和水平井。海上油田大多數(shù)是定向井及水平井，水力潛油泵可以具有較強的適用性。

3) 產(chǎn)液量調(diào)節(jié)范圍大。

泵的產(chǎn)液量可以通過調(diào)整動力液的注入壓力和注入量進行改變，隨著動力液注入壓力和注入量的增加，油井產(chǎn)液量增加，泵的轉(zhuǎn)速在4 000～15 000 r/min，產(chǎn)量可達300～14 000 m3/d，適用海上油田油井大排量的需求。

4) 氣體處理能力強。

水力潛油泵具有特殊的葉輪推進器，抑制氣體在輪鼓處聚集，并且恒定功率渦輪會根據(jù)泵送流體組分變化自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，顯著增加泵輪的壓力和離心力，有效防止氣鎖產(chǎn)生。水力潛油泵氣體處理能力GVF，對于連續(xù)氣可以達到75%，對于段塞氣可以達到100%。

5) 安裝簡單，減少作業(yè)時間。

水力潛油泵出廠時為組裝集成單元，安裝時不用聯(lián)軸器和法蘭對接，不用螺紋連接，安裝時間短，減少作業(yè)時間。海上油田作業(yè)成本高，作業(yè)時間的減少可大幅降低作業(yè)費用。

3 海上油田的應(yīng)用分析

水力潛油泵作為新型采油方式，可以應(yīng)用在海上油田開采如下領(lǐng)域。

1) 邊際油田，特別是無人平臺。

無人平臺修井困難，需要額外借助鉆井船進行修井作業(yè)，作業(yè)成本高。水力潛油泵使用壽命可達11 a，可以大幅減少修井頻率，降低70%的修井費用，降本增效顯著。

2) 深水大排量油田。

深水油田產(chǎn)液量大，作業(yè)費用高，水力潛油泵具有排量范圍大、檢泵周期長、安裝簡單的特點，可降低作業(yè)成本，同時可簡化水下采油樹設(shè)計，無需使用水下濕式電接頭及水下配電系統(tǒng)。

3) 稠油冷采油田。

稠油冷采井具有地下原油黏度高，不易開采，產(chǎn)量較小的特點。可以用稀油或者熱水作為高壓動力液注入井下，與稠油混合進行降黏開采，提高原油產(chǎn)量。

4) 稠油熱采油田。

目前，稠油熱采井多采用電潛泵開采，由于電纜耐溫等級的限制，開采過程中需注采兩趟管柱。水力潛油泵無電氣元件，熱采井開采只需下一趟管柱，可以節(jié)約￥100多萬元的作業(yè)費用。同時，在注熱的關(guān)鍵時期減少2 d起下管柱的時間，減少注熱的損失，保證了熱采的效果，大幅提升產(chǎn)量。

水力潛油泵目前在英國北海油田成功應(yīng)用了40余口井，有的水力潛油泵已經(jīng)正常運轉(zhuǎn)13 a，取得了可觀的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

1) 水力潛油泵具有可靠性高、適應(yīng)多種井型、產(chǎn)液量調(diào)節(jié)范圍大、氣體處理能力強及安裝簡單等顯著特點，比電潛泵具有一定的優(yōu)勢，可以在特殊井況中應(yīng)用。

2) 水力潛油泵在海上邊際油田、深水大排量油田、稠油冷采油田及稠油熱采油田開采中有較大應(yīng)用空間。

3) 隨著水力潛油泵技術(shù)的進一步發(fā)展和國產(chǎn)化進程的加快，該泵在海上油田開采領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。