春光油田稀油防砂舉升工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

吳庭文

（中國石化河南油田分公司新疆采油廠，新疆巴州 841400）

春光油田稀油區(qū)塊稀油井的開采具有兩大難點(diǎn)：一是舉升工藝管柱目前主要采用普通管式抽油泵進(jìn)行舉升，對稀油本身具有很好的適應(yīng)性，但在出砂井舉升過程中易造成砂?？ū眉胺矤柭┦У葐栴}的發(fā)生，最終導(dǎo)致檢泵作業(yè)；2013 年因出砂造成的泵閥漏失、管桿柱卡等檢泵作業(yè)11 口井，嚴(yán)重降低了油井的開采效率；二是舉升工藝參數(shù)目前仍采用籠統(tǒng)的抽油泵工作制度進(jìn)行舉升，具有一定的盲目性，排砂效果差，容易造成砂粒無法有效排出井筒而在生產(chǎn)管柱中堆積，最終導(dǎo)致管柱及配套工具失效而檢泵。因此，常規(guī)的舉升工藝管柱及舉升工藝參數(shù)不能滿足稀油區(qū)塊舉升需要。為了解決這一問題，本文研究應(yīng)用了一種能夠在易出砂稀油井中實(shí)現(xiàn)高效采油的舉升工藝技術(shù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

目前采用的抽油泵沒有防砂功能，砂粒易沉積于泵間隙、泵閥及泵上油管，引起泵漏失及管桿柱卡滯，造成檢泵。防砂舉升參數(shù)籠統(tǒng)，沒有科學(xué)的排砂工作制度，排砂效果亟待提高。

針對這些問題的解決方案主要有：①長柱塞與短泵筒密封擋砂，泵筒上、下部設(shè)計刮砂角實(shí)現(xiàn)刮砂，雙通芯橋式機(jī)構(gòu)建立進(jìn)液通道及沉砂通道，確保二者有效分離而互不干擾，實(shí)現(xiàn)泵下接尾管沉砂；②采取一井一策，利用數(shù)學(xué)模型，結(jié)合油井產(chǎn)液能力，準(zhǔn)確計算出攜砂舉升臨界沖次，調(diào)整工作制度，實(shí)現(xiàn)有效攜砂。

2 稀油防砂舉升工藝技術(shù)

2.1 稀油防砂舉升工藝管柱

2.1.1 管柱組成及結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，稀油防砂單開工藝管柱主要由油管、防砂抽油泵、沉砂尾管、絲堵等組成[1]。該舉升工藝管柱的技術(shù)核心為長柱塞防砂抽油泵[2–6]，如圖2 所示，其結(jié)構(gòu)主要由游動閥球、導(dǎo)向扶正環(huán)、短泵筒、長柱塞、固定閥球、雙通芯及絲堵等組成。

圖1 稀油防砂舉升工藝管柱

圖2 長柱塞防砂抽油泵結(jié)構(gòu)

2.1.2 工藝原理

防砂舉升工藝原理包括：①采油原理：長柱塞防砂抽油泵上沖程時，柱塞上行，泵腔體積增大，壓力降低，此時游動閥球關(guān)閉，固定閥球開啟，泵腔進(jìn)液，井口排液；長柱塞防砂抽油泵下沖程時，柱塞下行，泵腔體積減小，壓力增大，此時游動閥球開啟，固定閥球關(guān)閉，泵腔排液。②防砂原理：長柱塞防砂抽油泵的長柱塞始終外露于短泵筒，沉降的砂粒無法進(jìn)入抽油泵的間隙及泵腔，只能由長柱塞防砂抽油泵的雙通芯沉入泵下尾管。當(dāng)外露于短泵筒的長柱塞表面附著砂粒等雜質(zhì)時，抽油泵柱塞在抽汲過程中的往復(fù)運(yùn)動及短泵筒上設(shè)計的刮砂角可自動刮削清理。依據(jù)油井產(chǎn)狀，可確定攜砂舉升臨界沖次，在達(dá)到臨界沖次的條件下進(jìn)行舉升，從而確保舉升過程中有效攜砂。

2.1.3 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)需求，長柱塞防砂抽油泵主要規(guī)格及參數(shù)見表1。

表1 長柱塞防砂抽油泵主要規(guī)格及參數(shù)

2.2 稀油防砂舉升工藝參數(shù)

為獲得最大經(jīng)濟(jì)效益，采用防砂與攜砂相結(jié)合的生產(chǎn)工藝，可降低成本但也存在一定的風(fēng)險。評價產(chǎn)出砂粒能否被攜帶出井筒是此種工藝風(fēng)險性研究的重要內(nèi)容，產(chǎn)出的砂粒應(yīng)被攜帶到地面而非沉積到井底。油井必須保持一定的產(chǎn)液速度，才能使砂粒搬運(yùn)能量克服其沉積能量而被攜帶出來。因此，砂粒的最小攜砂速度是重要的設(shè)計參數(shù)[7–9]。

2.2.1 砂粒沉降速度

單分散球形顆粒在牛頓流體均勻介質(zhì)中的沉降規(guī)律基本符合斯托克斯方程，其公式為：

式中：sV 為顆粒沉降速度，m/s；d 為顆粒直徑，mm；Sρ 、Lρ 分別為顆粒、流體的密度，kg/m3；μ為流體黏度，mPa·s；g 為重力加速度，m/s2。

2.2.2 最小攜砂速度

首先計算固體雷諾數(shù)大小，按照雷諾數(shù)的范圍將顆粒沉降劃分為層流、過渡流、紊流三個階段，再依據(jù)不同沉降區(qū)理論公式，計算得到最小攜砂速度。固體雷諾數(shù)的計算式為：

當(dāng) tRe ＜2 時，為層流沉降區(qū)，顆粒的最小攜砂速度為：

當(dāng)2≤tRe ＜500 時，為過渡流沉降區(qū)，顆粒的最小攜砂速度為：

當(dāng)500≤tRe ＜200 000 時，為紊流沉降區(qū)，顆粒的最小攜砂速度為：

式中：tRe 為固體雷諾數(shù)，無量綱；cV 為最小攜砂速度，m/s。

根據(jù)春光油田生產(chǎn)參數(shù)，計算出固體雷諾數(shù)為0.25，顆粒沉降屬于層流階段，再將計算結(jié)果代入式（3），計算出球形顆粒最小攜砂速度為6.68×10–3m/s。

井筒最小攜砂速度的一般計算方法，需對顆粒自由沉降末速附加一個固定的修正系數(shù)。

固定修正系數(shù)計算式為：

式中：a 為固定修正系數(shù)，無量綱。

實(shí)際最小攜砂速度為：

根據(jù)式（7），計算出春光油田實(shí)際最小攜砂速度為38.12×10–3m/s。

2.2.3 攜砂舉升臨界產(chǎn)液量

根據(jù)附加修正系數(shù)法所計算的實(shí)際最小攜砂速度，計算機(jī)抽井臨界攜砂產(chǎn)液量如下：

式中：Q 為日均產(chǎn)液量，m3；t 為日均實(shí)際生產(chǎn)時間，s。

根據(jù)式（8），計算得到春光油田稀油井機(jī)抽單井日均產(chǎn)液量為6.89 m3，而稀油井機(jī)抽單井實(shí)際日均產(chǎn)液量為20.00 m3，其產(chǎn)液量符合攜砂舉升要求。

2.2.4 攜砂舉升臨界沖次

攜砂舉升臨界沖次值計算式為：

式中：LJN 為抽油泵舉升的臨界沖次，min-1；S 為泵沖程，m；K 為泵常數(shù)，無因次；η 為平均泵效，%。

通過對2014 年機(jī)抽井生產(chǎn)情況的統(tǒng)計，計算出兩種不同泵徑下的攜砂舉升臨界沖次值，如表2 所示，可以看出，采用φ44 mm 抽油泵舉升時，攜砂舉升沖次應(yīng)不低于2.09 min-1；采用φ56 mm 抽油泵舉升時，攜砂舉升沖次應(yīng)不低于0.97 min-1。

表2 采用兩種抽油泵泵徑機(jī)抽井總體生產(chǎn)情況

3 現(xiàn)場效果

2016 年，長柱塞防砂抽油泵先后在春63 井、春72 井及排19–2 井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，有效率達(dá)100%。實(shí)施后平均檢泵周期為210 d，實(shí)施前為165 d，平均檢泵周期延長了45 d，實(shí)現(xiàn)了稀油出砂井檢泵周期延長的目的（表3）。

表3 長柱塞防砂抽油泵應(yīng)用井生產(chǎn)效果對比

4 結(jié)論

（1）研制的稀油防砂舉升工藝管柱及配套工具，集擋砂、刮砂、沉砂功能于一體，具有良好的防砂效果，能夠?qū)崿F(xiàn)稀油出砂井高效舉升。

（2）優(yōu)化設(shè)計舉升工藝參數(shù)，確定合理的舉升工作制度，能提高舉升工藝管柱的攜砂能力。