直線電機(jī)往復(fù)泵在海上低產(chǎn)低效油井的應(yīng)用

彭可偉(中海石油(中國)湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

海上平臺油井通常使用電潛泵舉升方式進(jìn)行生產(chǎn)，一些低產(chǎn)低效井在初期地層能量較足的情況下還能正常生產(chǎn)，后期隨著地層能量下降產(chǎn)量不斷遞減，雖然通過提頻、調(diào)整油嘴、降低套壓的方式對個(gè)別油井可以短期恢復(fù)產(chǎn)出，但是不久又不同程度出現(xiàn)供液不足而欠載停機(jī)，甚至機(jī)組因?yàn)樯岵蛔惆l(fā)生過熱故障。而海上油田開采具有它特殊的性質(zhì)，包括：安裝空間、修井檢泵周期、安全有效性、節(jié)能環(huán)保、作業(yè)費(fèi)用等。傳統(tǒng)往復(fù)泵由于體積大、運(yùn)行不穩(wěn)定而不被海上平臺選用；桿驅(qū)螺桿泵舉升方式因不符合海上石油開采最新的安全規(guī)范而停用；減速器電潛螺桿泵因減速機(jī)械尚不成熟致使故障率高、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命短而被擱置。南海西部海上油田一些低產(chǎn)低效井因未找到合適的舉升方式，長期處于關(guān)停狀態(tài)。因此，探究一種適合這類低產(chǎn)、低效油井的直線電機(jī)往復(fù)泵采油技術(shù)，具有十分重要的意義。

1 直線電機(jī)往復(fù)泵采油技術(shù)

1.1 工作原理

直線電機(jī)往復(fù)泵是一種使用潛油式直線電機(jī)直接驅(qū)動潛油式往復(fù)泵進(jìn)行采油的無桿采油設(shè)備。利用直線電機(jī)往復(fù)運(yùn)動與管式泵柱塞運(yùn)動方向一致的特點(diǎn)，由直線電機(jī)驅(qū)動柱塞做往復(fù)運(yùn)動，采用電機(jī)下行程做功，倒置下拉抽油泵下行程出液的方式設(shè)計(jì)，將油液舉升至地面。 而直線電機(jī)是通過控制電流的方向和交變頻率，使定子產(chǎn)生周期交變的行波磁場，與動子的固定磁場相互作用，實(shí)現(xiàn)動子的直線往復(fù)運(yùn)動。

1.2 系統(tǒng)組成

直線電機(jī)往復(fù)泵是一種由直線電機(jī)驅(qū)動的新型高效潛油電泵。系統(tǒng)組成如圖1所示，包括地面專用控制柜、電纜專用井口、動力電纜、抽油泵及潛油直線電機(jī)組成。

圖1 直線電機(jī)往復(fù)泵系統(tǒng)組成

1.3 特點(diǎn)

1.3.1 節(jié)能環(huán)保

采用的柱塞泵和永磁式直線電機(jī)配合使用，電機(jī)采用間歇式供電方式，只有在往復(fù)沖次約3秒時(shí)間內(nèi)耗電，能耗較??；與多級離心泵相比，泵受徑向分力較小，靠柱塞直接舉升原油，泵效最高可達(dá)95%以上；井口完全密封，無盤根和抽油桿上下拉動，不會產(chǎn)生落地油，地面無機(jī)械傳動，無噪音。

1.3.2 易于控制

可以隨油井的儲液高度調(diào)節(jié)泵的沖程、沖次，提高采收率。

1.3.3 防氣鎖

固定凡爾設(shè)計(jì)在泵腔上端，柱塞行程至上止點(diǎn)時(shí)，柱塞與固定球座之間的距離小于10mm。上沖程結(jié)束時(shí)，泵腔基本被排空，不會發(fā)生氣鎖。

1.3.4 防砂

柱塞上端設(shè)有下行收、上行漲的合金鋼刮砂杯，能夠?qū)①N附在泵筒內(nèi)壁上的砂、垢及時(shí)清除，落入沉砂筒。防砂、防卡效果明顯。泵下端設(shè)有多刀刃刮砂器，與推桿緊密配合，防止砂粒落入電機(jī)定子和動子的間隙中。

1.3.5 檢泵周期延長

由于去掉了抽油桿，有效解決了桿管磨檫及油管偏磨問題，有利于消除桿管磨檫及油管偏磨造成的系統(tǒng)失效，壽命得到了提高。

1.3.6 維護(hù)成本低

由于空間限制，取消了地面抽油機(jī)及其機(jī)械傳動系統(tǒng)，可在線調(diào)整沖次和上、下行頻率，減少了地面設(shè)備的維護(hù)節(jié)點(diǎn)和管理環(huán)節(jié)。大大減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。

2 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

直線電機(jī)往復(fù)泵對地層流體適應(yīng)性好，在陸地油田小排量油井、稠油井及高含氣油井，都有過良好的應(yīng)用效果。海上油田應(yīng)用相對較少，南海西部海上油田應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)尚屬首次。

2.1 典型油井的選擇

某平臺A8井于2014年7月9日投產(chǎn)，電潛泵生產(chǎn)，機(jī)組參數(shù)50m3/1200m，開采層位ZJ1-3U，為低孔特低滲儲層，儲層物性差，地層疏松易出砂，原油中膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量較高。生產(chǎn)9個(gè)月以后產(chǎn)油量從最初的高峰45m3/d下降為4m3/d。表現(xiàn)為地層能量下降快，電泵舉升能力不足。期間為了維持生產(chǎn)現(xiàn)場人員采取了一些列措施，具體包括：

(1)調(diào)整頻率?？紤]到該井地層供液不足，現(xiàn)場通過調(diào)小頻率減少產(chǎn)量以期維持生產(chǎn)，但是當(dāng)頻率小于40Hz時(shí)，井口壓力下降到小于地面管匯壓力，井口不出液。

(2)調(diào)整油嘴開度。為了保持小排量生產(chǎn)，采取關(guān)小油嘴方式，當(dāng)油嘴小于4.76mm時(shí)，油嘴發(fā)生堵塞現(xiàn)象，井口壓力、產(chǎn)液量開始大幅波動，需要頻繁活動油嘴解除堵塞。井口壓力變化如圖2所示。

圖2 A8井井口壓力變化曲線

(3)間歇生產(chǎn)。關(guān)停一段時(shí)間后井底流壓恢復(fù)到6.72MPa，啟井后壓力迅速降低到2.62MPa，直到不出液。

通過上述方式斷斷續(xù)續(xù)維持生產(chǎn)到2015年8月1日該井故障躺井，后處于長期關(guān)停狀態(tài)，是一口典型的低產(chǎn)、低效油井。

2.2 機(jī)組選型

直線電機(jī)往復(fù)泵采油要統(tǒng)籌考慮油井的油藏特性、井身結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)管柱、井液流體的性質(zhì)、配產(chǎn)來選擇合適的電泵機(jī)組及地面控制柜，而井下泵的選擇和直線電機(jī)的設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

根據(jù)A8井的實(shí)際情況采用先進(jìn)的大直徑直線電機(jī)往復(fù)泵，并且在機(jī)組減震、控制柜優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面也進(jìn)行了改進(jìn)。具體包括：

表1 直線電機(jī)往復(fù)泵技術(shù)參數(shù)

表2 控制柜技術(shù)參數(shù)

表3 沖次和排量對應(yīng)表

(1)選擇143系列直線電機(jī)，將電機(jī)功率增大到80kW，舉升噸力增加到6t，以滿足井深、液量所需的大舉升力要求，配備PPC200型控制柜，設(shè)置沖次為8次/分鐘。

(2)考慮到機(jī)組震動對運(yùn)行壽命的影響，在上、下行程末端對控制程序進(jìn)行優(yōu)化，降低往復(fù)運(yùn)動時(shí)機(jī)組的振動幅度。

(3)對電纜連接進(jìn)行優(yōu)化，將電機(jī)引出線延長到泵頂端以上，減少一次電纜連接，增強(qiáng)了電纜的可靠性，使用壽命大大延長。A8井直線電機(jī)往復(fù)泵選型及參數(shù)配置如表4所示。

美國視聽教育家愛德加·戴爾1946 年寫了一本書《視聽教學(xué)法》（Audio-Visual Methods in Teaching），其中提出了”經(jīng)驗(yàn)之塔”（cone of experience）的理論，如圖2 所示。

表4 A8井直線電機(jī)往復(fù)泵參數(shù)

2.3 操作控制

直線電機(jī)往復(fù)泵操作控制在上位機(jī)控制面板進(jìn)行，如圖3所示：包括改變頻率和沖次、短路和欠過載保護(hù)的設(shè)置，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控泵的運(yùn)行電壓和電流，查詢歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄等。

圖3 直線電機(jī)往復(fù)泵上位機(jī)控制面板

在實(shí)際運(yùn)行中，頻率和沖次的調(diào)整可以通過兩種操作模式來完成，提高了泵的可靠性和安全性。(1)手動模式調(diào)整頻率和沖次的操作，即在線調(diào)整上行頻率和下行頻率改變力矩，調(diào)整沖次改變排量，來滿足直線電機(jī)往復(fù)泵揚(yáng)程及油井沉沒度的要求。(2)自動模式調(diào)整頻率和沖次的操作，即當(dāng)上行電流連續(xù)三個(gè)沖次大于過載保護(hù)設(shè)定值時(shí)，變頻柜自動降低頻率1Hz和1沖次，報(bào)警顯示超荷但不會停機(jī)；當(dāng)上行電流又連續(xù)三個(gè)沖次大于降低頻率后的過載保護(hù)值時(shí)，變頻柜自動降低頻率1Hz和1沖次，報(bào)警顯示超荷但不會停機(jī)；當(dāng)上行電流在一個(gè)沖次后任然大于降低頻率后的過載保護(hù)值時(shí)，變頻柜過載停機(jī)。常規(guī)電潛泵兩次啟機(jī)間隔時(shí)間要求30分鐘，而直線電機(jī)往復(fù)泵無需等待時(shí)間，在解決故障后進(jìn)行復(fù)位以后，直接點(diǎn)擊啟動即可。

2.4 應(yīng)用效果

某平臺A8井修井作業(yè)下入直線電機(jī)往復(fù)泵恢復(fù)生產(chǎn)。截止目前運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了增產(chǎn)的目的：

2.4.1 運(yùn)行更加平穩(wěn)

圖4所示為A8井使用直線電機(jī)往復(fù)泵前后開采曲線。

圖4 A8井電潛泵開采曲線

從曲線可以看出，該井在使用電潛泵生產(chǎn)期間，電泵在40Hz工作制度下的產(chǎn)油量波動很大，短短幾個(gè)月產(chǎn)量就從26m3/d下降到13m3/d左右，只能通過調(diào)整頻率和油嘴來保持一定的產(chǎn)量。而使用直線電機(jī)往復(fù)泵生產(chǎn)后機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定，油嘴全開避免了結(jié)蠟堵塞，通過改變沖次和頻率來調(diào)整產(chǎn)量，在沖次為8次/分鐘的情況下，產(chǎn)油保持28.4m3/d左右，達(dá)到了該泵的額定排量。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)效益顯著

通過下入直線電機(jī)往復(fù)泵，保障了A8井的正常不間斷生產(chǎn)。該井每天生產(chǎn)原油Q=28m3，按同期60美元/桶原油計(jì)算，折合人民幣M：M=Q×6.293×60=10572(美元)即，由于使用直線電機(jī)往復(fù)泵復(fù)產(chǎn)后，每天來帶的經(jīng)濟(jì)效益就高達(dá)10572美元。

2.4.3 推廣應(yīng)用價(jià)值

直線電機(jī)往復(fù)泵具有流量和壓力波動小、工作壽命長、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。對海上低產(chǎn)、低效、出砂油井具有很強(qiáng)的適用價(jià)值，值得推廣。

3 結(jié)語

南海西部海上低產(chǎn)低效油井使用直線電機(jī)往復(fù)泵技術(shù)采油應(yīng)用非常成功。即減少了頻繁調(diào)整工作制度、間歇生產(chǎn)的人為干預(yù)次數(shù)，延長了油井的檢泵周期，又保證了油井的連續(xù)生產(chǎn)，增油效果明顯。