無修井機(jī)投撈式潛油電泵技術(shù)研究與應(yīng)用

于志剛，宋立志，范遠(yuǎn)洪，于 東，董家永，周崇科

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057； 2.北京高德維爾科技發(fā)展有限公司，北京 100020)

0 引 言

海上邊際油田均采用無修井機(jī)井口平臺(tái)開發(fā)，修井作業(yè)只能采用鉆井船，存在修井費(fèi)用高、資源協(xié)調(diào)難、復(fù)產(chǎn)時(shí)效慢、影響產(chǎn)量大等問題，制約了邊際油田開發(fā)[1-3]。為此，對(duì)常規(guī)潛油電泵技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，研制了無修井機(jī)投撈式潛油電泵技術(shù)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該技術(shù)在修井作業(yè)時(shí)無需動(dòng)用鉆修機(jī)，只需利用鋼絲(電纜)進(jìn)行電泵機(jī)組的投撈即可完成換泵修井作業(yè)，可大幅降低成本，提高生產(chǎn)時(shí)率。投撈式潛油電泵技術(shù)與無修井機(jī)井口平臺(tái)相結(jié)合，可解決海上邊際油田換泵修井難題，降低邊際油田開發(fā)成本，提高邊際油田開發(fā)效益。

1 工藝結(jié)構(gòu)及原理

1.1 工藝管柱

投撈式潛油電泵管柱由永久外管柱和中心電泵管柱組成[4]，電泵機(jī)組通過懸掛器系統(tǒng)和濕接頭系統(tǒng)固定在永久外管柱內(nèi)，如圖1所示。永久外管柱主要由封隔器、液控滑套、深井安全閥、濕接頭外筒、油管、懸掛器外筒、集成電纜和電纜卡等組成。懸掛器外筒上部連接油管及油管掛，下部通過油管連接濕接頭外筒，濕接頭外筒下部連接深井安全閥、液控滑套和封隔器；集成電纜包括動(dòng)力電纜和液控管線，集成電纜通過電纜卡固定在外管柱上，集成電纜與濕接頭外筒連接，用于電力傳輸，液控管線用于控制深井安全閥和液控滑套。中心電泵管柱主要由濕接頭內(nèi)筒、伸縮節(jié)、電泵機(jī)組、懸掛器內(nèi)筒等組成。懸掛器內(nèi)筒與外筒通過懸掛機(jī)構(gòu)和鎖止機(jī)構(gòu)將中心電泵管柱懸掛鎖止并密封于永久外管柱內(nèi)，下部通過油管短節(jié)與電泵機(jī)組、伸縮節(jié)和濕接頭內(nèi)筒相連。濕接頭內(nèi)筒通過油管短節(jié)與伸縮節(jié)的調(diào)整與濕接頭外筒精確對(duì)接，實(shí)現(xiàn)電氣傳輸。

圖1 投撈式潛油電泵管柱結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工藝原理

施工過程中，首先利用鉆修機(jī)將永久外管柱下入設(shè)計(jì)位置，坐封封隔器，封隔油套環(huán)空并安裝好井口采油樹，然后通過鋼絲(電纜)作業(yè)，利用投放工具串將中心電泵管柱投入到永久外管柱內(nèi)，到達(dá)預(yù)定位置后，下部濕接頭內(nèi)外筒對(duì)接，上部懸掛器內(nèi)外筒對(duì)接，實(shí)現(xiàn)電泵機(jī)組電氣信號(hào)的傳輸和中心電泵管柱的懸掛密封，中心電泵管柱的長度通過油管短節(jié)和伸縮節(jié)實(shí)現(xiàn)精確調(diào)整。濕接頭和懸掛器均有鎖止機(jī)構(gòu)，濕接頭連接處為偏心導(dǎo)向設(shè)計(jì)，鎖止機(jī)構(gòu)具有觸發(fā)裝置，保證100%插入，防止誤操作。后續(xù)檢泵、換泵作業(yè)時(shí)，不需壓井起外管柱，只需利用鋼絲(電纜)通過打撈工具串投撈中心電泵管柱，更換電泵機(jī)組，恢復(fù)生產(chǎn)，無需鉆修機(jī)。在檢、換泵過程中，中心電泵管柱需經(jīng)過采油樹提升至地面，因此，采油樹內(nèi)通徑要與油管尺寸相匹配，滿足中心電泵管柱通過的要求。在正常生產(chǎn)過程中，井下流體進(jìn)入管柱內(nèi)，經(jīng)過液控滑套、深井安全閥、濕接頭內(nèi)筒等進(jìn)入泵吸入口，通過電泵機(jī)組的高速運(yùn)轉(zhuǎn)舉升至地面。

1.3 適用條件

投撈式潛油電泵技術(shù)的適用條件如下：①作業(yè)平臺(tái)必須滿足鋼絲(電纜)等設(shè)備擺放要求；②最大井斜為60 °；③井下電潛泵吸入口處流體含氣量不超過60%；④井下流體固相含量不高于0.2%，不存在結(jié)垢、結(jié)蠟、出砂等情況[5-11]；⑤生產(chǎn)過程中生產(chǎn)層位不變；⑥永久外管柱及其配套工具包括Φ177.8、Φ139.7、Φ114.3 mm 3種規(guī)格，適用的排量范圍為50～4 000 m3/d，適用于Φ244.5、Φ177.8 mm套管。

2 主要配套工具

2.1 電氣濕接頭系統(tǒng)

電氣濕接頭系統(tǒng)是動(dòng)力電纜和潛油電機(jī)對(duì)接傳輸電力的關(guān)鍵工具，分為濕接頭外筒和濕接頭內(nèi)筒2個(gè)部分。濕接頭外筒主要由扶正器、偏心公濕接頭、動(dòng)力電纜接口等組成(圖2)；濕接頭內(nèi)筒主要由鎖止鍵、導(dǎo)向槽、偏心母濕接頭等組成(圖3)。施工時(shí)，濕接頭外筒隨永久外管柱下入井中設(shè)計(jì)位置，其上端通過扶正器與上部油管相連，下端通過變扣與下部油管相連。濕接頭外筒外部設(shè)計(jì)有動(dòng)力電纜接口，與動(dòng)力電纜連接，在其內(nèi)壁緊貼動(dòng)力電纜接口一側(cè)設(shè)計(jì)有偏心公插頭。

圖2 濕接頭外筒結(jié)構(gòu)示意圖

濕接頭內(nèi)筒安裝在中心電泵管柱底部，隨電泵管柱一起投放入永久外管柱內(nèi)。濕接頭內(nèi)筒為偏心設(shè)計(jì)，有更大過流面積，并可為井下鋼絲作業(yè)提供更大通道。濕接頭內(nèi)筒設(shè)計(jì)有導(dǎo)向槽和鎖止鍵，濕接頭內(nèi)外筒通過導(dǎo)向槽對(duì)接到位后，觸發(fā)并釋放鎖止鍵，鎖止?jié)窠宇^內(nèi)外筒。濕接頭外筒對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)有偏心公濕接頭，濕接頭內(nèi)外筒通過導(dǎo)向槽對(duì)接到位后，偏心公濕接頭插入偏心母濕接頭內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電力傳輸。偏心濕接頭原理類似三相插座(圖3)。井口測(cè)量電纜對(duì)地電阻值大于300 Ω，電機(jī)三相直流電阻平衡，則判斷對(duì)接成功，可實(shí)現(xiàn)電氣傳輸。

圖3 濕接頭內(nèi)筒結(jié)構(gòu)示意圖

在濕接頭內(nèi)筒的偏心母插頭內(nèi)設(shè)計(jì)有膠囊和迷宮密封，其內(nèi)部為電機(jī)油和壓力補(bǔ)償裝置，該密封設(shè)計(jì)可在公母濕接頭連接時(shí)有效防止井底流體進(jìn)入到濕接頭內(nèi)部影響電氣絕緣。

濕接頭內(nèi)筒的鎖止鍵可限制濕接頭總成產(chǎn)生軸向和徑向位移，并防止公母濕接頭因松脫而燒毀，如需解鎖只需通過鋼絲(電纜)作業(yè)上提剪切鎖止銷釘即可。

濕接頭內(nèi)筒上端設(shè)計(jì)有伸縮筒系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)軸向伸縮和周向旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)目的是補(bǔ)償永久外管柱和中心電泵管柱連接時(shí)的長度誤差，吸收電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)，避免對(duì)濕接頭總成造成疲勞破壞，同時(shí)，在管柱連接過程中可周向旋轉(zhuǎn)，提高對(duì)接一次成功率。伸縮筒的設(shè)計(jì)補(bǔ)償距為800 mm，最大外徑為114.3 mm，工作壓力為35 MPa，工作溫度為150 ℃，材質(zhì)為13CRL80。

濕接頭總成有3種型號(hào)，分別適用于Φ177.8、Φ139.7、Φ114.3 mm永久外管柱，對(duì)應(yīng)的濕接頭外筒的外徑分別為214.0、165.1、152.4 mm，內(nèi)徑分別為80.0、50.3、30.5 mm；材質(zhì)為13CRL80；電氣濕接頭額定電壓為5 000 V，額定電流為125 A，工作溫度為150 ℃，可實(shí)現(xiàn)100次的插接動(dòng)作。

2.2 懸掛系統(tǒng)

懸掛系統(tǒng)的主要作用是懸掛中心電泵管柱，并將中心電泵管柱和永久外管柱的環(huán)空密封為上下2個(gè)腔室，防止電泵運(yùn)行時(shí)流體在永久外管柱內(nèi)無效循環(huán)而影響電泵舉升效率。懸掛系統(tǒng)由懸掛器外筒總成和懸掛器內(nèi)筒總成組成。懸掛器外筒總成主要由上坐放短節(jié)、隱蔽內(nèi)齒和下坐放短節(jié)組成(圖4)；懸掛器內(nèi)筒總成主要由打撈頭、控制頭、隱蔽外齒、中心管、密封圈、轉(zhuǎn)換接頭、泵頭組成(圖5)。

圖4 懸掛器外筒總成結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 懸掛器內(nèi)筒總成結(jié)構(gòu)示意圖

懸掛器外筒隨永久外管柱下入，與油管通過絲扣連接。懸掛器內(nèi)筒最上端設(shè)計(jì)有打撈頭，便于整個(gè)中心管柱的投放和打撈，下端設(shè)計(jì)專門的轉(zhuǎn)換接頭與電泵機(jī)組的泵頭對(duì)接。懸掛器內(nèi)筒通過鋼絲(電纜)連接投放工具串進(jìn)行投放，投放工具串最下端的GR打撈工具與內(nèi)筒上的打撈頭對(duì)接，投放到位后，懸掛器內(nèi)筒上的控制頭釋放，帶動(dòng)內(nèi)筒中心管下移，使內(nèi)筒隱蔽外齒彈出，與外筒的隱蔽內(nèi)齒嚙合，實(shí)現(xiàn)周向鎖止和軸向向上鎖止，防止電機(jī)反扭矩旋轉(zhuǎn)或油藏壓力大導(dǎo)致的中心電泵管柱上竄，懸掛器坐封完成。坐封完成后，對(duì)管柱打壓10 MPa進(jìn)行懸掛器的密封測(cè)試，保證懸掛器密封完好，防止液體內(nèi)循環(huán)。懸掛器內(nèi)外筒坐封對(duì)接后，過提至中心電泵管柱正常懸重的1.5倍，鋼絲震擊，剪斷銷釘，提出投放工具串，打開流體通道，整個(gè)投放動(dòng)作完成，實(shí)現(xiàn)了懸掛器內(nèi)筒和懸掛器外筒的懸掛、密封、周向鎖止和內(nèi)筒的軸向向上鎖止。

懸掛器系統(tǒng)有3種型號(hào)，分別適用于Φ177.8、Φ139.7、Φ114.3 mm永久外管柱，對(duì)應(yīng)的懸掛器最大外徑為153.8、120.4、98.3 mm，材質(zhì)為13CRL80，工作壓力為35 MPa，工作溫度為150 ℃。

2.3 投撈工具

2.3.1 投放工具串

投放工具串用于中心電泵管柱的投送，主要由繩帽、加重桿、震擊器、變扣和GR打撈工具組成(圖6)。繩帽上端連接鋼絲(電纜)，下部連接加重桿和震擊器，通過變扣和GR打撈工具連接。投放作業(yè)時(shí)，GR打撈工具與懸掛器內(nèi)筒中的送入工具(GR接頭)對(duì)接，使中心電泵管柱投放到位，實(shí)現(xiàn)濕接頭的對(duì)接和懸掛器的坐封。投放作業(yè)完成后，向下震擊剪切懸掛器上的銷釘，提出投放工具串。

圖6 投放工具串結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 打撈工具串

打撈工具串用于中心電泵管柱的打撈，由繩帽、加重桿，震擊器、變扣和GS打撈工具[11]組成(圖7)。繩帽上端連接鋼絲(或電纜)，下部連接加重桿和震擊器，通過變扣和GS打撈工具連接。作業(yè)時(shí)，下入工具串，下部的GS打撈工具與懸掛器內(nèi)筒上的打撈頭(GS接口)對(duì)接，上提打撈工具串剪切止退銷釘，解鎖懸掛器，將中心電泵管柱起出。

圖7 打撈工具串結(jié)構(gòu)示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至目前，該技術(shù)在海上油田共應(yīng)用6井次，平均作業(yè)時(shí)間由6 d縮短至2 d，單井平均作業(yè)費(fèi)用節(jié)約140×104元，總體應(yīng)用效果良好。

典型井例。ZJ-B3H井為ZJ油組一口主力生產(chǎn)井，原油性質(zhì)好，為低含硫的輕質(zhì)原油，密度低、黏度低、瀝青質(zhì)含量低、含蠟量低、膠質(zhì)含量低、飽和壓力低、地飽壓差大、地層不出砂。該井生產(chǎn)無需分層，設(shè)計(jì)泵掛處井斜僅為18.92 °，且無較大的狗腿度，技術(shù)套管尺寸為Φ244.5 mm，滿足投撈式潛油電泵技術(shù)的各項(xiàng)要求。由于該井的產(chǎn)能較高，地質(zhì)技術(shù)人員要求日產(chǎn)液提高至800 m3/d。按照設(shè)計(jì)要求，采用Φ177.8 mm的投撈式潛油電泵系統(tǒng)，電泵機(jī)組日產(chǎn)液由300 m3/d增大至800 m3/d，泵掛深度為1 100 m，新工藝安全順利實(shí)施的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了提液增油的目的，日增油為200 m3/d。

ZJ-B3H井投撈式潛油電泵技術(shù)的成功實(shí)施，使得該井后續(xù)檢換泵作業(yè)只需進(jìn)行鋼絲(電纜)投撈作業(yè)，單次作業(yè)費(fèi)用僅是利用修井機(jī)修井的28%，是利用鉆井船修井的6%。傳統(tǒng)的修井模式需按作業(yè)資源和材料準(zhǔn)備編排作業(yè)計(jì)劃，平均停產(chǎn)時(shí)間較長，按NH油田近3 a的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，有修井機(jī)平臺(tái)的油井平均停產(chǎn)時(shí)間約為50 d，無修井機(jī)平臺(tái)油井平均停產(chǎn)時(shí)間約為200 d，按單井日產(chǎn)油量為50 m3/d計(jì)算，影響產(chǎn)量分別為2 500 m3和10 000 m3，而投撈式潛油電泵技術(shù)可以做到及時(shí)復(fù)產(chǎn)，且作業(yè)工期僅需2 d，產(chǎn)量損失小，極大提高了油井的生產(chǎn)時(shí)率，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

4 結(jié)論和建議

(1) 投撈式潛油電泵技術(shù)可做到即時(shí)換泵修井，節(jié)約作業(yè)成本，減少電泵井停產(chǎn)時(shí)間，提高電泵井生產(chǎn)時(shí)率，經(jīng)濟(jì)效益較高。

(2) 該技術(shù)為海上油田無修井機(jī)井口平臺(tái)潛油電泵采油提供了新方向，將極大地推動(dòng)海上邊際油田的開發(fā)。

(3) 下步研究方向：進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括濕接頭的對(duì)接和懸掛器的密封等；研發(fā)無修井平臺(tái)投撈電泵專用的液壓支架等配套設(shè)備。