海上熱采井同心管射流泵舉升對策研究及應(yīng)用

于法浩，蔣召平，趙 宇，李 越，李海濤

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

對于海上蒸汽吞吐熱采井，同心管射流泵注采一體化技術(shù)依靠一趟管柱能夠?qū)崿F(xiàn)注熱與生產(chǎn)，可大幅降低作業(yè)費用及作業(yè)時間，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。該系統(tǒng)由井下管柱系統(tǒng)及地面工藝系統(tǒng)組成，地面工藝系統(tǒng)起著驅(qū)動井下系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要作用。熱采井受注入的高溫蒸汽及增效化學藥劑的影響，產(chǎn)出液溫度較高且含有垢、泡沫、乳化等成分，整體呈復雜流體狀態(tài)。復雜流體對整個舉升系統(tǒng)的平穩(wěn)運行帶來了挑戰(zhàn)：1）井液中含垢一方面會堵塞射流泵出口造成產(chǎn)量下降，另一方面會造成泵芯垢卡，影響檢換泵作業(yè)；2）井液乳化會導致分離器分離效果不佳，分離出的動力液含油易損壞柱塞泵，增加維保費用和工作量。為此，根據(jù)同心管射流泵舉升特點，立足降低運維投資，制定了泵芯防垢卡、摻液降溫、降乳化、確定檢換泵時機等一系列舉升對策，保證了整個舉升系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

1 同心管射流泵舉升工藝

同心管射流泵舉升系統(tǒng)由井下管柱系統(tǒng)及地面工藝系統(tǒng)組成，如圖1所示。井下管柱系統(tǒng)整體為同心雙管結(jié)構(gòu)，外管為4.5in（114.3mm）油管，內(nèi)管為2.063in（52.4mm）小油管。其中，外管底端連接射流泵外筒，小油管底端連接射流泵內(nèi)筒，集成噴嘴、喉管、擴散管的射流泵泵芯放置在內(nèi)泵筒內(nèi)。地面工藝系統(tǒng)整體為閉式循環(huán)，主要由專用采油樹、動力液分離器、動力液泵等設(shè)備組成，具備產(chǎn)出液處理及動力液供給功能。其中，產(chǎn)出液處理由動力液分離器實現(xiàn)，動力液供給由動力液泵實現(xiàn)。

圖1 同心管射流泵舉升系統(tǒng)示意圖

在上述同心管射流泵舉升系統(tǒng)下，整個舉升及檢換泵工藝流程為：

1）舉升工藝流程：油氣水砂分離器分離出的動力液經(jīng)過地面柱塞泵的增壓進入專用采油樹的注入端，流經(jīng)小油管后到達內(nèi)筒泵芯內(nèi)的噴嘴處。高壓動力液在噴嘴處產(chǎn)生高速射流，“負壓”抽汲井液后在喉管內(nèi)充分摻混，并經(jīng)擴散管的增壓，通過內(nèi)、外油管間的小環(huán)空返至井口。2）檢換泵工藝流程：進行檢換泵時，地面柱塞泵將動力液打入內(nèi)、外油管間的小環(huán)空中，依靠動力液壓力將射流泵泵芯從內(nèi)泵筒中起出，并借助液力沿小油管返回至井口。

2 復雜流體下同心管射流泵舉升對策

熱采井受注入的高溫蒸汽及化學藥劑的影響，井液除含油、水外，還含有垢、高溫、乳化、泡沫等成分，整體呈復雜流體狀態(tài)。受此影響，舉升系統(tǒng)面臨射流泵泵芯垢卡、分離器分離效果欠佳、地面柱塞泵配套部件損壞等問題，為保證舉升系統(tǒng)平穩(wěn)運行，需要開展復雜流體下舉升對策研究。

2.1 射流泵泵芯防垢卡措施

對于蒸汽吞吐熱采井，井液中垢[3-4]的來源主要有：1）單輪次注熱時間長達30d，高溫蒸汽長時間與管壁接觸會導致管壁產(chǎn)生鐵銹；2）注入的高溫、高壓蒸汽會使得地層巖石的膠結(jié)強度受到一定的破壞，再加上熱采初期地層液對巖石骨架強烈的沖刷，骨架上的泥質(zhì)或細砂顆粒容易脫落，形成油泥垢；3）高溫、高壓的環(huán)境會加速地層水中Ca-CO3、MgCO3等無機垢生成。某井泵芯結(jié)垢情況如圖2所示。

圖2 泵芯出口處結(jié)垢嚴重

生產(chǎn)過程中，當含垢井液進入射流泵后，由于噴嘴、喉管處流速大、壓力小，垢不易沉積；而在擴散管及泵出口處，井液的流速大幅下降、壓力大幅上升，促進了垢的沉積。結(jié)垢一方面會縮小泵出口的流道，降低熱采井的產(chǎn)量；另一方面，結(jié)垢會造成泵芯遇卡，大幅提高液力起泵時的泵壓甚至導致起泵失敗。由于垢樣成分復雜，采用化學或物理手段難以取得較好的效果，提出通過起下泵的方法解決泵芯垢卡的問題，并制定了合理的起下泵工作制度，如表1所示。

表1 同心管射流泵合理起下泵芯工作制度

2.2 摻液降溫、降乳化措施

蒸汽吞吐熱采井因注入高溫蒸汽及化學藥劑，熱采初、中期階段，產(chǎn)出液的溫度較高且存在乳化現(xiàn)象，高溫、乳化會增加舉升系統(tǒng)地面設(shè)備的運行負擔，主要體現(xiàn)在：1）高溫產(chǎn)出液或動力液易超過分離器及柱塞泵的耐溫能力，導致分離器上的電氣元件損壞、柱塞泵燒泵；2）乳化會導致分離器分離效果不佳，分離出含油較多的動力液進入柱塞泵，容易造成柱塞泵的泵閥體、盤根、柱塞等部件損壞。摻液是一種低成本、有效的降溫、降乳化措施。根據(jù)傳熱原理，選取低溫液體對高溫產(chǎn)出液進行摻液降溫；根據(jù)密度差置換原理選取高含水井摻液降低動力液乳化程度，制定的產(chǎn)液流程如圖3所示。

圖3 同心管射流泵井摻液流程

對于摻液降溫工藝（流程為1-2-3-4-5），為了取得較好的降溫效果，選擇摻入淡化海水（溫度一般低于30℃）。淡化海水由平臺上的海水泵注入至海水淡化設(shè)備中，淡化后的海水存儲至海淡罐中，經(jīng)柱塞泵增壓、三通閥門進入目標井的產(chǎn)出液管匯中。根據(jù)傳熱原理[5-6]，不同產(chǎn)出液量及溫度下的海淡摻液量計算公式為：

式中：H3為摻液后熱焓值，kJ／kg；Q3為摻液后的總液量，m3；H1為產(chǎn)出液熱焓值，kJ／kg；Q1為產(chǎn)出液量，m3；H2為海淡的熱焓值，kJ／kg；Q2為摻入海淡的液量，m3。

對于摻液降乳化工藝（流程為6-7-8-5），選擇與目標井地層配伍性良好的高含水井，并且高含水與目標井的總產(chǎn)液量應(yīng)低于分離器的處理能力；摻液時觀察分離內(nèi)的液位計壓力變化，預防罐內(nèi)憋壓或液體冒出；摻液后，尤其在冬季，通過泄壓閥將摻液管線中的液體排空，以防管內(nèi)結(jié)冰。

2.3 檢換泵時機確定方法

射流泵的噴嘴與喉管是吸液、排液的關(guān)鍵部件。生產(chǎn)過程中，噴嘴與喉管在井下會長期承受高壓動力液高速射流泵的沖蝕作用。尤其是在井液中含有固相顆?；蚺菽瓡r，固相顆粒會造成噴嘴、喉管磨蝕損壞；泡沫在高速射流或高壓下破裂會釋放較大的機械能，造成噴嘴、喉管發(fā)生點蝕破壞。為了確定噴嘴、喉管的更換時間，根據(jù)射流泵排液機理[7-8]，繪制了噴嘴、喉管損壞診斷圖版，如圖4所示。

圖4 噴嘴、喉管損壞診斷圖版

噴嘴、喉管損壞診斷圖版由生產(chǎn)參數(shù)診斷和電參數(shù)診斷圖版構(gòu)成，圖版涉及的參數(shù)在熱采井生產(chǎn)過程中均會進行監(jiān)測。射流泵喉管損壞的特征表現(xiàn)為動力液壓力、動力液量、電壓、電流、頻率不變，產(chǎn)液量降低；射流泵噴嘴損壞的特征表現(xiàn)為電壓保持不變，動力液壓力和產(chǎn)液量降低，動力液量、電流、頻率升高。當有以上異常情況發(fā)生時，需要進行檢換泵。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

LH為一口蒸汽吞吐熱采井，該井采用同心管射流泵注采一體化技術(shù)進行注熱與生產(chǎn)。第四輪次注入溫度360℃（蒸汽發(fā)生器）的蒸汽6000m3；同時，為了擴大蒸汽的波及面積，注入80m3的高溫起泡劑。燜井結(jié)束轉(zhuǎn)入熱采后，初期見油前，產(chǎn)液量90～120m3／d，產(chǎn)出液溫度超過90℃，且含有大量的泡沫和少量的細粉砂；見油后，產(chǎn)液量50～85m3／d，產(chǎn)出液中泡沫量減少，但呈乳狀液狀態(tài)。

為了保證LH井復雜流體井況下舉升系統(tǒng)平穩(wěn)運行，依據(jù)同心管射流泵舉升對策研究結(jié)果，制定了一套LH井舉升保障措施：1）熱采見油前，按照3天／次起下泵芯以防止垢卡；見油后生產(chǎn)30d起下泵芯1次，若起下順利，可延長至半年；2）淡化海水的溫度為20℃，按照2m3／h的瞬時排量進行摻液降溫；3）選擇與LH井配伍性良好的高含水井LX進行摻液降乳化，按照全液196m3／d摻入，摻液時間為 8h／d。

按照以上舉升保障措施，LH井各次起下泵芯的泵壓為2～6MPa，泵芯起下順利，起出的泵芯基本無垢；產(chǎn)出液摻入海淡后的溫度為60℃，設(shè)備運轉(zhuǎn)未受到高溫的影響；高含水井液的置換效果明顯，動力液乳化程度明顯降低，如圖5所示。整個舉升系統(tǒng)平穩(wěn)運行，大幅降低了現(xiàn)場維保工作量。

圖5 LH井舉升對策應(yīng)用效果

4 結(jié)論

1）提出了一套復雜流體環(huán)境下同心管射流泵舉升應(yīng)對措施，包括泵芯防垢卡措施、摻液降溫和降乳化措施及檢換泵時機確定方法，提升了舉升系統(tǒng)對復雜流體的適應(yīng)性，降低了現(xiàn)場維保工作量；2）提出的舉升對策屬于物理或機械方法，雖然取得了較好的應(yīng)用效果，但考慮到起下泵芯防垢卡影響油井生產(chǎn)，摻液降乳化受限水源，下一步需探索化學方法，促進復雜流體下舉升系統(tǒng)運行更為高效；3）隨著同心管射流泵技術(shù)在海上油田進一步實施，舉升系統(tǒng)將面臨更為復雜的井況條件，如特／超油、高含氣、高含砂井況，舉升對策需深入研究，形成一些列舉升配套措施，保障系統(tǒng)平穩(wěn)運行。