適度出砂井電泵生產管柱結構優(yōu)化與應用

李 想

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450）

BZ油田屬于渤海油田淺水三角洲沉積油田，生產層位為明華鎮(zhèn)組下段，屬于巖性-構造油氣藏，儲層具有高孔高滲的特點。該油田在適度防砂的背景下投產，投產初期采油速度較高。隨著油田開發(fā)，油井出砂為油田的開發(fā)生產帶來一系列問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是因井液流速較低，井筒砂埋，導致油井產能受限；二是因井液含砂導致電潛泵頻繁故障，檢泵周期短；三是當油井生產制度改變或關停后，管柱砂埋現(xiàn)象嚴重，導致油井關停，須實施修井作業(yè)。

常規(guī)適度出砂研究的重點在于儲層出砂預測、產能設計和防砂方式優(yōu)化[1]，但對于適度出砂井井筒工藝研究較少[2-3]。本文從生產管理角度出發(fā)，以提高井筒攜砂能力[4]、釋放油井產能、延長檢泵周期、提高油田開發(fā)效益為目的，優(yōu)化適度出砂油井井筒工藝，指導BZ油田及海上其它出砂油田的生產管理。

1 BZ油田適度出砂井電潛泵適應性研究生產管柱優(yōu)化研究

砂粒在井筒流體中的運動狀態(tài)可分為沉降與上升，兩者的運動方向不同。但從動力學角度分析，其實質均為固體顆粒在連續(xù)流體介質中的相對運動。這里從最簡單的砂粒自由沉降出發(fā)，研究球形砂粒的沉降末速，為優(yōu)化電泵參數(shù)設計提供理論依據(jù)[4]。

球形固體顆粒在牛頓流體中的自由沉降運動是最簡單的情況，其中固體顆粒濃度較小，顆粒間既不相互碰撞也不相互影響。假設一種均勻、光滑以及密度為ρs、直徑為ds的球形顆粒處于密度為ρl、黏度為μ的流體中，且體系中無靜電和外界離心力的作用，僅處于重力作用之下，引起顆粒向下沉降的力為[5-6]：

顆粒在流體中沉降而受到的阻力為：

式中：us為顆粒的運動速度，m/s；CD為阻力系數(shù)。聯(lián)立式（1）和式（2）便可得到沉降末速uc的表達式為：

根據(jù)試驗，在雷諾數(shù)Re=（0. 1 ~ 3）× 105范圍內，曳力系數(shù)CD的全域擬合公式如式（5），平均偏差范圍6% ~ 4%。

式中：CD為阻力系數(shù)，無因次；Re為雷諾系數(shù)；dS為砂粒直徑，m；ρl為流體密度，kg/m3；ρs為顆粒密度，kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2；uc為顆粒最小攜出速度，m/s；μt為顆粒沉降速度，m/s；μ為流體黏度，Pa·s。

針對垂直井筒的沉降末速的修正系數(shù)，李明忠等在《垂直井筒攜砂規(guī)律研究》中進行了詳細的論述，采用室內實驗的方法，求得在垂直井筒中沉降末速的修正系數(shù)為0.925。

在油氣田開發(fā)實踐中，直井所占比例極少，多數(shù)為斜井，乃至大斜度井。BZ油田的粒度范圍D50：0.073 ~ 0.213 mm，砂粒密度925 kg/cm3，原油黏度15 mPa·s，計算出在不同井斜的9-5/8"套管中，日產液量在100 ~ 500 m3下的攜砂能力（圖 1）。

圖1 不同井斜與攜砂粒徑關系

從圖1可以看出，產液量越大，能夠攜帶的砂粒粒徑越大；井斜越大，在相同產液量下能夠攜帶的砂粒粒徑越??；井斜小于50°時，日產液量在300 m3以上才可以帶出100 μm的砂粒（肉眼可 見）。

由此可以看出，只有一定的產液量才能有效地將泵筒、井筒內的砂粒順利排出井口，減少砂卡，砂堵的發(fā)生。

2 BZ油田適度出砂井電泵生產管柱優(yōu)化研究

2.1 BZ油田電潛泵選型研究

BZ油田為高孔高滲儲層，已進入高含水階段，提液成為油田的主要增產措施。BZ油田電潛泵選型既要兼顧油井提液需求又要確保油井適度出砂平穩(wěn)生產[7-8]。

通過適度出砂井排砂產液量研究，單井日產液量越大，越利于井筒內砂粒的排出。但大排量電潛泵的啟動和關停都會對油井產生較大的壓力激動，引發(fā)或加劇油井出砂問題。

因此，BZ油田利用一對一變頻管理，采用低頻啟泵，逐級緩慢提頻，在生產穩(wěn)定后逐漸釋放產能。結合砂粒沉降末速研究成果及油田提液需求，設計油田單井產液量在300 ~500 m3/d。

為滿足這一需求，BZ油田廣泛使用了寬幅電潛泵。寬幅泵采用了寬流道的混相流葉輪設計，大幅度提高了離心泵對出砂井的適應能力，延長適度出砂井的運轉周期。

2.2 適度出砂井電泵機組分離器必要性研究

由于適度出砂井井液中含有的砂粒對電潛泵有沖蝕作用，因此電潛泵經常出現(xiàn)磨損故障。在砂粒的沖蝕下，電潛泵分離器處經常發(fā)生斷裂，是系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

電潛泵分離器的主要功能是減少井液中的氣體進入到泵體中，避免電泵氣鎖，泵效降低。常規(guī)電潛泵分離器允許的氣液比為25%，分離器處氣液比就是泵吸入口游離氣體積占油、氣、水三相的總體比例，可以用以下公式計算：

式中：GLR為泵吸入口氣液比，%；Vo為泵吸入口原油體積流量，m3/d；Vg為泵吸入口氣體體積流量，m3/d；Vw為泵吸入口水的體積流量，m3/d；fw為含水率，小數(shù)；GOR為生產氣油比，m3/m3；Bw為水的體積系數(shù)，m3/m3，其值一般取1。

采用上述公式，計算出BZ油田生產井在不同泵吸入口壓力，不同含水率下的吸入口氣液比。

根據(jù)BZ油田不同含水率下泵吸入口壓力與泵吸入口氣液比關系圖（圖2）可以看出，在含水率大于70%時，氣液比小于25%，井液可以直接進入泵體，不影響泵效。

BZ油田泵吸入口壓力4 ~8 MPa，生產井平均含水率80%，取消分離器裝置不會影響電潛泵整體泵效。因此，BZ油田采取去除分離器裝置的方式，延長出砂井電潛泵運轉周期。

圖2 泵吸入口壓力與吸入口氣液比

2.3 電泵生產管柱單流閥必要性研究

適度出砂井關停后因電潛泵失去井液舉升能力而造成井液回落，同時井筒內砂粒發(fā)生沉降。沉降的砂粒會堆積在電潛泵泵體內、頂部封隔器處甚至掩埋儲層。為避免井筒內砂粒沉降導致的砂埋，采用洗井的方式協(xié)助砂粒排出井筒。

單流閥裝置是為防止油井關停后井液受重力作用回落到泵體中，對泵體起到保護作用。但這種管柱結構使油井只能實現(xiàn)洗井液從套管進油管出的反循環(huán)，井筒內的雜質會在洗井的過程中進入到泵體中，造成泵卡、泵堵，形成二次污染。

因此，在管柱優(yōu)化設計中，取消電潛泵生產管柱的單流閥裝置，洗井液從油管進、套管出的正循環(huán)，實現(xiàn)管柱內、泵體內砂粒徹底排出（圖3）。

圖3 優(yōu)化前后生產管柱洗井液循環(huán)圖

3 應用效果

通過對電潛泵優(yōu)化選型，生產管柱結構優(yōu)化，因適度出砂造成的電潛泵故障井數(shù)逐漸降低，25口適度出砂井平均檢泵周期由328天提升至735天，機組故障率由21%降至11%，全油田的檢泵周期也呈現(xiàn)明顯延長趨勢，穩(wěn)定在960天左右。同時，因生產制度變化及關停導致的砂堵、砂埋故障井減小為0，極大減少了作業(yè)費用，提高了油田管理效率。

4 結論

（1）通過電潛泵選型優(yōu)化、電潛泵系統(tǒng)結構優(yōu)化及生產管柱結構優(yōu)化有效提高井筒攜砂能力，增強井筒排砂效果。

（2）通過提高適度出砂井井筒攜砂能力實現(xiàn)了延長檢泵周期，減少修井作業(yè)費用，提高開發(fā)管理水平，促進油田高效高速開發(fā)。

（3）適度出砂井電泵生產管柱結構優(yōu)化研究取得了較好的礦場應用效果，對其它適度出砂油田的生產管理有一定的借鑒意義。