采油工程舉升裝備技術(shù)發(fā)展探討

張義威（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

在油氣田開發(fā)過程中，人工舉升裝備的作用是通過借助外力做功，將地下的油氣資源開采到地表，截至2018 年底，我國陸上油氣田采用人工舉升裝備的機(jī)采井比例已經(jīng)超過總井?dāng)?shù)的98%?？梢哉f，舉升裝備的技術(shù)先進(jìn)性、可靠性，對于油氣田生產(chǎn)具有舉足輕重的作用。目前，我國陸上油田常用的舉升裝備主要有抽油機(jī)、潛油電泵、螺桿泵三大類，還有一些氣舉、提撈采油等技術(shù)應(yīng)用面不太廣。但是這些舉升裝備大部分是上個(gè)世紀(jì)60 年代～80 年代就開始使用的，隨著油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、環(huán)保節(jié)能的要求越來越高，需要我們持續(xù)加強(qiáng)研究，按照新的發(fā)展趨勢推進(jìn)人工舉升裝備技術(shù)新發(fā)展。

1 人工舉升裝備技術(shù)現(xiàn)狀

人工舉升裝備分為有桿泵和無桿泵兩類。其中抽油機(jī)、地面驅(qū)動螺桿泵屬于前者，而潛油電泵、電潛螺桿泵則屬于后者。由于工藝、結(jié)構(gòu)的不同，各種舉升裝備的適用范圍也不盡相同。

1.1 抽油機(jī)

抽油機(jī)舉升技術(shù)已有百年歷史，出現(xiàn)在我國是在上個(gè)世紀(jì)中期，那時(shí)完全依賴進(jìn)口，后隨著國家經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的發(fā)展，各大油田開始自行生產(chǎn)抽油機(jī)。這種舉升裝備的特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、皮實(shí)耐用，因此廣泛應(yīng)用于各種開發(fā)條件上，國內(nèi)抽油機(jī)裝備占比高達(dá)87%[1]。

1.2 潛油電泵

該舉升裝備是通過油管將多級離心泵下入井底，通過地面電源、輸送電纜將能量輸入離心泵電動機(jī)，將液體舉升到地面。該技術(shù)自上世紀(jì)80 年代引入我國后發(fā)展迅速，目前大慶油田力神泵業(yè)已形成一整套研發(fā)、生產(chǎn)和現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)，可應(yīng)用于各種產(chǎn)液量超過30 m3/d、溫度低于180 ℃的油井、排水采氣井中，且檢泵周期普遍超過1 000 天，效果較好[1]。

1.3 地面驅(qū)動螺桿泵

螺桿泵是容積式泵，依靠螺桿和襯套形成的密閉腔的容積變化來吸入和派出液體。從國外引進(jìn)后，由于其可以克服抽油泵對高黏度、高含砂采出液及潛油電泵對高含氣采出液的缺點(diǎn)，成為繼抽油機(jī)和電泵后我國陸上油田廣泛采用的第三種舉升裝備，尤其是對聚驅(qū)、三元驅(qū)等三次采油區(qū)塊有較好的適應(yīng)性。

2 出現(xiàn)的問題與對策

2.1 抽油機(jī)

抽油機(jī)在使用過程中結(jié)實(shí)可靠，但由于“四連桿”機(jī)構(gòu)和工藝條件的先天不足，在廣大油田使用過程中還存在一些問題：一是系統(tǒng)整體能耗高，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，某大型油田該類型裝備整體能耗占油田總能耗比例超過30%；二是系統(tǒng)效率偏低，陸上油田普遍不超過25%；三是抽油桿、活塞在上下往復(fù)運(yùn)用中極易與抽油管、泵筒發(fā)生偏磨，后期修井維護(hù)費(fèi)用較高。

針對這些問題，各大油田和科研機(jī)構(gòu)都做了大量扎實(shí)細(xì)致的研究工作。如研發(fā)的功率法調(diào)平衡、動態(tài)控制等技術(shù)，極大地提升了電動機(jī)載荷與油井載荷的匹配度，降低單井耗電；規(guī)模應(yīng)用伺服電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)精密調(diào)整沖速，減少沖速間的能量浪費(fèi)，提升系統(tǒng)效率；推進(jìn)長沖程、慢沖速的塔架式抽油機(jī)，沖程超過6 m，節(jié)能效果極為顯著；研究高強(qiáng)度抽油桿、內(nèi)噴涂油管和扶正器，延長檢泵周期；研究碳纖維連續(xù)抽油桿技術(shù)，增強(qiáng)桿管使用壽命。

2.2 潛油電泵

由于潛油電泵是離心泵，沒有降溫循環(huán)裝置，只能通過井下采出液進(jìn)行降溫，因?yàn)閷Ξa(chǎn)液量要求較高。同時(shí)由于離心泵容易出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，對于高產(chǎn)氣井的應(yīng)用存在制約。因此在使用過程中，必須強(qiáng)化液量、液面管理，對于出現(xiàn)液量、液面下降的機(jī)采井，要通過增注、補(bǔ)充地層能量的方式進(jìn)行緩解，以防燒泵。

2.3 地面驅(qū)動螺桿泵

該技術(shù)應(yīng)用變頻控制柜可以精確調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)匹配動液面設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，能耗較低。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于抽油桿是平面扭轉(zhuǎn)驅(qū)動，容易發(fā)生屈曲、偏磨，同時(shí)由于襯套為橡膠材質(zhì)，也是依靠采出液循環(huán)降溫，對液面要求較高，空轉(zhuǎn)易發(fā)生燒泵。

3 面臨的開發(fā)形勢與技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，中央提出大力提升勘探開發(fā)力度和打贏污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，對采油工程舉升裝備提出了更加高效控本、更加綠色節(jié)能的要求。在對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化升級的同時(shí)，舉升裝備應(yīng)該向持續(xù)向高效率、高融合性、高可靠性、高智能化方向發(fā)展。

3.1 更加高效的舉升裝備技術(shù)

目前，國內(nèi)陸上規(guī)模油氣田大部分已進(jìn)入高含水或特高含水開發(fā)階段，以大慶油田為例，長垣老區(qū)部分區(qū)塊平均綜合含水已達(dá)95%以上。隨著綜合含水的升高，地面處理的成本也隨之增高、布井?dāng)?shù)量也隨之增多，經(jīng)濟(jì)性效益型已經(jīng)不符合油田發(fā)展趨勢。同時(shí)，隨著二類油層、三類油層的規(guī)模動用，連通性和可動用程度均較差，注水網(wǎng)點(diǎn)、補(bǔ)充地層能量的需求的急劇增加。因此應(yīng)該快速推進(jìn)同井注采裝備的研究，通過井下油-水分離裝置，對采出液進(jìn)行初步分離，低含水液被舉升到地面，高含水液被回注到地層中，實(shí)現(xiàn)單井同注同采，大幅提升工作效率。這種技術(shù)可以提高經(jīng)濟(jì)采收率，在原有單采的基礎(chǔ)上，打造了新的注采體系。從目前已試點(diǎn)應(yīng)用的情況看，可以減少地面采出水處理量70%以上[2]，在減少水處理成本的同時(shí)，延長了特高含水期油田的開采壽命。隨著井下工具、材料工藝、電子通訊技術(shù)的提升，該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各大油田。

同時(shí)，針對電泵日耗電是普通抽油機(jī)的3 倍左右的問題，加強(qiáng)高效節(jié)能井下潛油電泵電動機(jī)技術(shù)研究[3]。國外最近研發(fā)了井下永磁電動機(jī)潛油電泵技術(shù)，相比傳統(tǒng)異步電動機(jī)潛油電泵平均節(jié)能15%以上[4]，為潛油電泵節(jié)能降耗提供了新思路。

3.2 更加融合的舉升裝備技術(shù)

近年來，國內(nèi)陸上油田新開發(fā)區(qū)塊及稠油、非常規(guī)油氣資源領(lǐng)域，絕大多數(shù)都面臨地面條件、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的情況，水平井、叢式井、斜井的數(shù)量不斷增加，對舉升裝備提出了新要求。應(yīng)該綜合統(tǒng)籌三種常規(guī)舉升裝備的優(yōu)缺點(diǎn)，推進(jìn)融合技術(shù)發(fā)展。

一是推進(jìn)抽油泵+潛油電泵模式。利用抽油泵耐用可靠、對液量要求不高和潛油電泵無桿舉升、沒有偏磨缺點(diǎn)的優(yōu)勢，研究往復(fù)電潛柱塞泵舉升裝置技術(shù)。在井下采用永磁直線電動機(jī)，驅(qū)動柱塞泵上下往復(fù)運(yùn)動，既實(shí)現(xiàn)了特低液量的開采，又能避免抽油桿、管之間的摩擦。同時(shí)，在供液不足可以實(shí)現(xiàn)間抽，減低舉升能耗，解決了低產(chǎn)井的高耗能、偏磨嚴(yán)重問題[5]，具有較高的推廣價(jià)值。

二是推進(jìn)螺桿泵+潛油電泵模式。利用螺桿泵對含氣、含砂、稠油的高適應(yīng)性和電泵無桿優(yōu)勢，研究電潛螺桿泵舉升裝置技術(shù)。通過井下低速電動機(jī)直接驅(qū)動螺桿泵，減少減速關(guān)節(jié)，提高系統(tǒng)的可靠性，最大限度降低減速器的能耗損失，提升舉升效能。

3.3 更加可靠的舉升裝備技術(shù)

目前，三次采油已經(jīng)規(guī)模應(yīng)用在國內(nèi)陸上油田，高黏度、高濃度采出液進(jìn)一步加劇了井下桿管腐蝕和磨損。

在聚驅(qū)采出液中，由于非牛頓流體產(chǎn)生的法向力影響[6]，機(jī)采井桿管偏磨十分嚴(yán)重，個(gè)別井檢泵周期甚至不足100 天。目前多數(shù)采用的解決對策是優(yōu)化扶正器配置、使用低磨阻泵、強(qiáng)化洗井等。并從裝置本身入手，通過仿生技術(shù)，研發(fā)自行防蠟、脫蠟、排蠟的新材料，降低活塞與泵筒、抽油桿與油管、扶正器與油管的摩擦系數(shù)和阻力，降低檢泵率。

在強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)采出液中，結(jié)垢、腐蝕性的情況層出不窮。要從物理和化學(xué)兩方面入手開展研究：物理上推進(jìn)裝備材質(zhì)本身的防垢、抗腐蝕性能研究；化學(xué)上實(shí)現(xiàn)根據(jù)區(qū)塊采出液特點(diǎn)個(gè)性化研制防垢劑。

3.4 更加智能的舉升裝備技術(shù)

油田數(shù)字化發(fā)展已成為主流趨勢。隨著數(shù)字化油田的建設(shè)，舉升裝備的智能化、信息化配件已成為標(biāo)配。要進(jìn)一步研究舉升裝備的自動采集數(shù)據(jù)信息、遠(yuǎn)程監(jiān)測控制、限值報(bào)警、自動調(diào)節(jié)參數(shù)、遠(yuǎn)程軟啟停、故障診斷等技術(shù)，在推進(jìn)節(jié)能降耗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)少人高效，讓舉升裝備成為智慧裝備[7]。

4 結(jié)論

隨著節(jié)能減排、綠色環(huán)保的主流趨勢和陸上油田進(jìn)入后開發(fā)階段的實(shí)際情況，油田降本增效和持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)這一看似矛盾的問題擺到了一起，采油工程舉升裝備要圍繞更為復(fù)雜的地下地面工況，應(yīng)用同井注采工藝實(shí)現(xiàn)更好效率，推進(jìn)抽油機(jī)、螺桿泵、電泵多種舉升裝備的融合發(fā)展，應(yīng)對多重工況條件，加強(qiáng)配套抽油桿、油管和扶正器的耐磨、放垢研究，延長檢泵周期，不斷提升智能化水平，滿足數(shù)字化油田需要。