新型電泵井單流閥應用及節(jié)能效果分析

孫郭鋒，，楊炳華，馬永凱

（1.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000；2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

海上油田采用潛油電泵進行高凝固點油藏開發(fā)時，油井停井后，油管內(nèi)原油將逐漸凝固，堵塞油管，導致潛油電泵無法重新啟動，因此該類海上油田設(shè)計有油管防凝工藝。常用工藝有3 種，即①反循環(huán)洗井[1]，過濾海水置換油管內(nèi)原油；②向油管內(nèi)正擠柴油，將油管內(nèi)可能發(fā)生凝固的原油頂替至油套環(huán)空；③同時向油管和油套環(huán)空內(nèi)注入柴油，將油管和油套環(huán)空內(nèi)可能發(fā)生凝固的原油擠入地層。在潛油電泵出口安裝單流閥的油井，若采用反循環(huán)洗井方式置換油管內(nèi)原油，需同時清洗置換套管內(nèi)原油，作業(yè)時間長，不適用于海上應急。若采用向油管內(nèi)正擠柴油或同時向油管和油套環(huán)空內(nèi)注入柴油的方案，需首先通過鋼絲作業(yè)打開循環(huán)滑套或撈出Y-tool 結(jié)構(gòu)的堵塞器[2]，建立置換油管內(nèi)原油的通道。由于油田現(xiàn)場不配備鋼絲作業(yè)的設(shè)備和人員，需從陸地動員，周期長，也不適用于海上油田異常關(guān)停、臺風撤離等突發(fā)情況。對于潛油電泵出口不安裝單流閥的油井，潛油電泵停泵后，井筒內(nèi)液體回流至井底，潛油電泵泵軸將遭受很大的反向扭矩，增加泵軸斷軸風險，影響電泵使用壽命[3]。

為解決潛油電泵開發(fā)高凝固點油藏時油管防凝和潛油電泵停泵后泵軸承受反向凝聚這一相互矛盾的問題，筆者研究了一種新型潛油電泵單流閥，既可以避免潛油電泵泵軸因井液回流而遭受反向扭矩，保護潛油電泵，又可實現(xiàn)直接對潛油電泵井進行正循環(huán)洗井或正擠油管內(nèi)高凝固點原油的目的。無需鋼絲作業(yè)，從而縮短作業(yè)時間，降低作業(yè)費用。尤其對動液面較低的油井，潛油電泵停泵后，油管內(nèi)易凝管段的原油將在重力作業(yè)下流入油套環(huán)空[4]，不再需要對油管內(nèi)高凝固點原油進行置換。

1 新型單流閥的設(shè)計

1.1 新型單流閥結(jié)構(gòu)

新型單流閥（如圖1 所示）由生產(chǎn)腔和排液腔兩部分構(gòu)成，主要包括生產(chǎn)腔殼體、排液腔殼體、排液腔端蓋、排液閥閥球、生產(chǎn)腔排液孔、排液閥閥桿、生產(chǎn)腔閥板、排液腔下腔室、排液腔泄壓孔、閥板支撐軸等部分。生產(chǎn)腔殼體為圓柱形，上下兩端帶有螺紋，與油管或潛油電泵連接。生產(chǎn)腔殼體上設(shè)置有生產(chǎn)腔排液孔和排液腔泄壓孔兩個孔道。生產(chǎn)腔內(nèi)設(shè)置生產(chǎn)腔閥板和密封凸槽，生產(chǎn)腔閥板設(shè)置有一長閥柄，生產(chǎn)腔閥板可繞置生產(chǎn)腔殼體上的閥板支撐軸在90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，生產(chǎn)腔閥板與密封凸槽相配合。排液腔置于生產(chǎn)腔外側(cè)，包括上下兩個腔室。排液閥閥球置于排液腔上腔室內(nèi)，閥球上端面為凹型結(jié)構(gòu)，彈簧置于凹型結(jié)構(gòu)內(nèi)，防止伸縮移動過程中發(fā)生側(cè)斜。排液閥閥球與排液腔內(nèi)壁尺寸相互配合，閥球底部連接排液閥閥桿，閥桿底部與生產(chǎn)腔閥板的閥柄對抵結(jié)合。排液腔頂部為排液腔端蓋。排液腔外側(cè)也設(shè)置有生產(chǎn)腔排液孔。

圖1 新型單流閥結(jié)構(gòu)

1.2 新型單流閥的工作原理

該潛油電泵單流閥通過生產(chǎn)腔上、下兩端的螺紋安裝在潛油電泵出口（如圖2所示）。油井生產(chǎn)及停井后，新型單流閥呈現(xiàn)2 種工作狀態(tài)，應用時可以有4種不同的應用方式。

圖2 新型單流閥安裝位置

油井正常生產(chǎn)時，在潛油電泵出口液流作用下，閥板處于開啟狀態(tài)，閥柄不再向排液閥閥桿施加向上的作用力，閥球在彈簧的作用下向下移動，堵塞排液通道排液孔，使油管內(nèi)部與油套環(huán)空不連通，保證了潛油電泵井的正常生產(chǎn)。

停泵后，閥板在油管內(nèi)液體重力作用下關(guān)閉，同時閥柄帶動排液閥閥桿和閥球向上運動，置于生產(chǎn)腔和排液腔腔體上的排液孔打開，實現(xiàn)油管與油套環(huán)空之間的連通，這樣油管內(nèi)井液在重力作用下流入油套環(huán)空，不會給潛油電泵泵軸施加反向扭矩。

對于靜液面深度大于原油凝固點對應的地層深度的油井，由于油管內(nèi)原油流入油套環(huán)空后，容易發(fā)生原油凝固的油管上部管段的原油流入井底，不存在油管內(nèi)原油凝固的風險，不會影響潛油電泵井的再啟動。因此，應用此新型單流閥的此類油井停泵后，不需要井下油管內(nèi)原油置換作業(yè)。

靜液面深度小于原油凝固點對應的地層深度的油井，潛油電泵停泵后，盡管油管上部的原油會通過新型單流閥的生產(chǎn)腔排液孔流入油套環(huán)空[5]，但油管內(nèi)原油仍存在部分管段凝管的風險，為此需進行油管內(nèi)高凝原油置換作業(yè)。進行原油置換作業(yè)時，由于生產(chǎn)腔和排液腔腔體上的排液孔處于連通狀態(tài)，即可采用正循環(huán)洗井方式，也可采用反循環(huán)洗井方式，但由于油套環(huán)空具有較大的體積，為減少作業(yè)時間和置換油管用的柴油消耗量，建議采用正擠柴油的方式，即從油管四通向油管內(nèi)擠注柴油，柴油從油管內(nèi)自上而下進入油管，將油管內(nèi)易凝原油通過生產(chǎn)腔排液孔進入油套環(huán)空。原油進入油套環(huán)空后，可儲存于油套環(huán)空的上部空間，若從油管內(nèi)進入油套環(huán)空的原油量較多，可通過套管閥排放至油田的閉式排放系統(tǒng)，亦可關(guān)閉套管閥，增加正擠壓力，使原油在高壓下重新擠回地層[6]。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑89 mm，總長度800 mm，連接扣型73 mm或89 mm（2～7/8英寸或3～1/2英寸）油管扣，最大承受壓差30 MPa，最高耐溫100℃。

2 結(jié)構(gòu)特點及創(chuàng)新性

2.1 結(jié)構(gòu)特點

為解決傳統(tǒng)油管防凝工藝中潛油電泵泵軸容易遭受反向扭矩的問題[7]，新型單流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計特點如下：

1）閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計。新型潛油電泵井單流閥由生產(chǎn)腔和排液腔兩部分構(gòu)成。生產(chǎn)腔是潛油電泵井正常生產(chǎn)通道，通過上下兩端的螺紋連接于電泵出口的油管上[8]。排液腔位于生產(chǎn)腔外側(cè)，上部有密封端蓋，外殼上設(shè)置有與油套環(huán)空連通的排液孔。

2）生產(chǎn)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計。生產(chǎn)腔殼體中設(shè)置有可單向封閉生產(chǎn)通道的閥板，生產(chǎn)腔殼體在生產(chǎn)通道的壁上設(shè)置有與閥板配合的密封凸槽，這樣潛油電泵停泵后，更有利于單流閥的密封，防止油管內(nèi)液體通過潛油電泵回流。閥板后端設(shè)置有閥柄，與排液閥閥桿抵接，生產(chǎn)腔閥板關(guān)閉后，帶動排液閥閥桿和閥球向上移動，使生產(chǎn)腔和排液腔上的排液孔不被閥球堵塞，從而實現(xiàn)油管內(nèi)部與油套環(huán)空之間的連通。生產(chǎn)腔殼體上還設(shè)置有排液腔泄壓孔，一是保證排液腔上腔和下腔承受的液體壓力始終平衡，防止因排液腔上腔和下腔承受的液體壓力不同而使排液腔閥球產(chǎn)生不合理的動作。二是當排液腔閥球向上移動時，可以及時泄掉排液腔上腔的壓力，防止上腔憋壓，影響排液腔閥球的正常上移和生產(chǎn)腔閥板的正常開關(guān)。

3）排液腔結(jié)構(gòu)設(shè)計。排液腔由上腔和下腔兩部分組成，排液腔殼體上設(shè)置排液孔，生產(chǎn)腔殼體上的排液孔和排液腔殼體上的排液孔受排液閥閥體控制，實現(xiàn)油管與油套環(huán)空的連通或隔離。排液閥閥球隨生產(chǎn)腔閥板開關(guān)上下運動，打開或封閉排液孔。當閥板封閉生產(chǎn)通道時，閥球打開排液孔，當閥板打開生產(chǎn)通道時，閥球封閉排液孔。

排液閥閥球下端連接閥桿，閥桿位于排液腔殼體內(nèi)部，與殼體內(nèi)部開設(shè)的孔槽相配合，可以保證排液閥閥球上下運動過程中的穩(wěn)定。閥桿下端與閥板的閥柄抵接，閥板繞鉸接在生產(chǎn)腔殼體上的支撐軸旋轉(zhuǎn)，帶動閥桿上下運動。排液腔殼體與排液閥球之間設(shè)置有使閥球向下運動的彈簧，當生產(chǎn)腔閥門打開時，閥柄不再給閥桿施加向上的作用力，閥球在彈簧的作用下向下運動，堵塞生產(chǎn)腔排液孔，封閉油管與油套環(huán)空。

排液腔下腔是排液閥閥桿和生產(chǎn)腔閥板閥柄的活動空間，可以防止油管內(nèi)流體因閥板支撐軸位置不密封流入油套環(huán)空，同時不影響閥板帶動排液通道閥桿上下運動。

排液腔殼體頂部通過螺栓固定有排液閥端蓋，彈簧上端頂在排液閥端蓋下面。排液閥端蓋的設(shè)置是為了方便安裝彈簧、排液閥閥球與閥桿等。

排液腔的內(nèi)腔整體呈圓柱形，內(nèi)腔下部通過兩個排液孔分別與油管和油套環(huán)空連通，排液閥閥球與排液腔內(nèi)腔的內(nèi)徑相配合，防止井液通過排液閥閥球與排液腔內(nèi)腔之間的縫隙流入油套環(huán)空。當排液閥閥球向下運動至預定位置時封閉排液孔。

排液腔內(nèi)腔上部通過排液腔泄壓孔與生產(chǎn)腔的出口端連通。排液腔泄壓孔與油管內(nèi)保持連通，可以防止排液閥閥球向上移動時受到壓縮流體的阻力，設(shè)計時盡量保證排液閥閥球始終不會堵塞排液腔泄壓孔。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新性

1）海上油田使用潛油電泵開采高凝固點原油時，為防止停井后油管內(nèi)原油凝固，需實施油管防凝措施?，F(xiàn)有潛油電泵單流閥無法安裝在此類潛油電泵井中，油井停井后，井液回流，潛油電泵泵軸產(chǎn)生較大扭矩，容易導致潛油電泵泵軸斷裂事件，影響潛油電泵使用壽命和油井正常生產(chǎn)。為此，筆者設(shè)計了一種新型潛油電泵單流閥，通過生產(chǎn)腔閥板的開關(guān)和排液腔彈簧的作用帶動排液閥閥球的上下運動，從而實現(xiàn)油管與油套環(huán)空的自然連通或隔離，為快速置換油管內(nèi)高凝固點原油提供了一種新的技術(shù)手段。同時，有效避免了油井停井后井液回流對潛油電泵泵軸的影響，有助于潛油電泵泵軸的保護，從而延長潛油電泵使用壽命。

2）該新型潛油電泵單流閥依靠生產(chǎn)腔閥板的運動帶動排液閥閥球上下運動，屬于內(nèi)部構(gòu)件連動，不需要外接動力源，因此可靠性強，安裝和使用成本低，實用性和推廣性強。

3）該新型潛油電泵單流閥應用于低動液面油井時，由于油管內(nèi)液體依靠自身重力回流至井底，無需進行油管內(nèi)高凝原油置換即可避免原油在油管內(nèi)凝固，零成本解決油管內(nèi)原油凝管問題。

該新型單流閥已獲得專利授權(quán)（專利號ZL2016 21120835.1），其研制成功為海上油田的高凝固點原油開采提供了新的技術(shù)手段。

3 新型單流閥的現(xiàn)場應用及節(jié)能效果

3.1 現(xiàn)場應用

某海上油田原油凝固點39℃，油井停井后，油管內(nèi)約600 米的原油會發(fā)生凝固，當油井長時間停井時，需要將油管內(nèi)原油進行置換。該油田有生產(chǎn)井10口，設(shè)計為無人駐守井口平臺，不配備修井機、泥漿泵和鋼絲作業(yè)設(shè)備，設(shè)置1臺排量為10 m3/h的壓井泵。油田在臺風避臺等緊急情況下，無法通過鋼絲作業(yè)打開生產(chǎn)管柱中的循環(huán)滑套，也不滿足大排量循環(huán)洗井的條件。為實現(xiàn)油管內(nèi)液柱替換功能，傳統(tǒng)工藝是以潛油電泵泵體為流道進行油管內(nèi)原油置換。沒有單流閥的保護，潛油電泵的使用壽命會受到影響。為解決這一問題，利用油田修井時機，該油田5口潛油電泵安裝了新型單流閥。

3.2 節(jié)能效果分析

應用新型單流閥近2 年來，油井經(jīng)歷長時間關(guān)井5 次，其中4 口油井采用向油管內(nèi)正擠柴油的方式置換油管內(nèi)高凝原油，將高凝原油通過油套環(huán)空及套管閥排入油田閉排罐。1 口油井由于動液面很低，油井停井后，油管內(nèi)原油依靠重力回流至井底，未單獨進行油管內(nèi)原油置換作業(yè)。5 次關(guān)井，共節(jié)約柴油消耗350 m3，節(jié)約柴油使用費及作業(yè)費300萬元。近年來，壓井柴油消耗情況如表1所示。

同時，由于無需鋼絲作業(yè)打撈循環(huán)滑套建立壓井循環(huán)通道，節(jié)省了作業(yè)時間和作業(yè)費用。實際應用表明，該新型單流閥具有很高的可靠性，使用方便，適用于開發(fā)高凝固點原油的潛油電泵井的油管內(nèi)原油置換作業(yè)。

表1 壓井柴油消耗情況

4 結(jié)論

安裝該新型潛油電泵單流閥后，由于單流閥閥板具有隔離作用，可以用海水代替柴油置換油管內(nèi)原油，節(jié)省壓井柴油使用量。若油井靜液面較低，深度低于原油凝固點對應的地層深度，安裝此新型單流閥后，無需對油管內(nèi)高凝原油進行置換，也可防止油管內(nèi)原油凝管，降低置換柴油消耗。

置換液可以采用柴油或過濾海水，若將油管內(nèi)原油頂替至油套環(huán)空，選擇海水作為置換液經(jīng)濟性好，但由于海水密度大，容易下沉，為防止置換完成后，油管內(nèi)原油上浮，需要相應增加油管內(nèi)原油置換程度。進行油管內(nèi)原油置換作業(yè)時，需要根據(jù)置換深度計算置換液用量，只需保證油管內(nèi)原油不會在油井停井期間發(fā)生凝固即可。