AFS與ADV在雙電潛泵采油系統(tǒng)中的應(yīng)用及對(duì)比

◇中海石油深圳分公司 秦宇

隨著深水油田的不斷開發(fā)，為減少油井修井頻次，提高油田的生產(chǎn)時(shí)效，雙電泵采油技術(shù)在深水油田的應(yīng)用將越來越普遍。本文主要通過對(duì)某深水油田雙潛油電泵組合采油系統(tǒng)中的自動(dòng)導(dǎo)流閥在實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行分析和總結(jié)，對(duì)以后使用雙電泵采油技術(shù)的油田的電泵管理和故障分析具有一定的借鑒意義。

AFS（AutoFlowSub）和ADV（AutomaticDiverterValve）是目前在井下實(shí)現(xiàn)雙電潛泵人工舉升方案中主流設(shè)備。近年來，雙電潛泵（DUAL-ESP）方案在海洋石油領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)南海海域的使用經(jīng)驗(yàn)，電泵的平均使用壽命為3.5年，也就是單電泵油井平均3.5年就會(huì)進(jìn)行一次修井作業(yè)，更換電潛泵及生產(chǎn)管串。而采用雙電潛泵設(shè)計(jì)，即一臺(tái)電泵運(yùn)行，另一臺(tái)電泵備用，當(dāng)一臺(tái)電泵故障時(shí)，另一臺(tái)泵能遠(yuǎn)程控制其切換至工作狀從而實(shí)現(xiàn)繼續(xù)生產(chǎn)。根據(jù)建模計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，修井頻率可延長(zhǎng)至5年修井一次。大大提高油井生產(chǎn)時(shí)率，降低油田運(yùn)營(yíng)成本。AFS和ADV在雙泵系統(tǒng)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，同時(shí)從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況看也表現(xiàn)出有待完善技術(shù)問題。

1 AFS功能特點(diǎn)及應(yīng)用案例

1.1 AFS的功能特點(diǎn)

對(duì)于投產(chǎn)初期可以通過自噴生產(chǎn)的油井，此時(shí)電潛泵處于關(guān)停狀態(tài)。自噴流體通過電泵入口進(jìn)入生產(chǎn)管串將產(chǎn)生較大壓降，并可能在泵腔內(nèi)出現(xiàn)回壓效應(yīng)，產(chǎn)生節(jié)流作用。相對(duì)提高了井底壓力，降低了油井自噴生產(chǎn)能力。在這種情況下將AFS設(shè)置在POD（罐體）以內(nèi)電潛泵以上的位置，可實(shí)現(xiàn)將電潛泵旁通，流體通過AFS的閥瓣（閥瓣）直接進(jìn)入生產(chǎn)管串，對(duì)于自噴油井來講可減少最低50psi的壓力損失。當(dāng)自噴生產(chǎn)期結(jié)束，電潛泵投入運(yùn)行時(shí)，流體從泵吸入口進(jìn)入，向上泵送，AFS因壓差影響（內(nèi)壓大于環(huán)空壓力）閥瓣關(guān)閉旁通通道并形成有效密封，流體正常向上輸送。在雙電潛泵舉升系統(tǒng)中，當(dāng)下泵工作時(shí)，流體經(jīng)下泵泵吸入口進(jìn)入電潛泵向上泵送，經(jīng)過下泵的AFS（該AFS的閥瓣處于關(guān)閉狀態(tài)）繼續(xù)向上，由于上泵未工作，上泵環(huán)空壓力高于泵管串內(nèi)壓力，上泵AFS的閥瓣打開，由下泵泵送上來的流體從上泵的AFS進(jìn)入生產(chǎn)管串，繼續(xù)向上輸送。當(dāng)上泵工作時(shí)，下泵AFS段環(huán)空壓力大于管串內(nèi)壓力，閥瓣打開，流體從下泵的AFS進(jìn)入管串向上輸送，再經(jīng)上泵泵吸入口進(jìn)入上泵向上舉升，此時(shí)上泵的AFS管串內(nèi)壓力大于環(huán)空壓力，閥瓣處于關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)計(jì)上不會(huì)出現(xiàn)流體經(jīng)閥瓣回流的現(xiàn)象。

圖1 自動(dòng)導(dǎo)流閥工作示意圖和井液流程圖

圖2 雙電潛泵密封罐裝系統(tǒng)

1.2 AFS應(yīng)用案例及分析

2015年2月A6井A泵由于“motorstall”跳井。測(cè)量三相直阻：AB=9.7歐姆，AC=9.7歐姆，BC=8.1歐姆，對(duì)地絕緣為0，無法重新啟動(dòng)A泵。遂切換至B泵生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)液量大幅減少，泵出口與吸入口壓差較低（300psi），且馬達(dá)溫度上升較快。電流、電壓未見異常波動(dòng)，而B泵剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)，泵軸斷裂的幾率較小。A泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，井口溫壓、流量均正常，排除管柱穿孔泄漏情況。該井化學(xué)藥劑從雙泵下部注入，因此B泵pubjoint短節(jié)腐蝕穿孔可能性很小。切換B泵運(yùn)轉(zhuǎn)后，環(huán)空壓力正常，排除導(dǎo)流罩穿孔泄漏。考慮到A6井在完井時(shí)A、B泵均配置了AFS，且根據(jù)廠家反映，國(guó)外部分使用AFS的雙泵油井也出現(xiàn)過部分井的備用泵啟動(dòng)后無產(chǎn)量或減產(chǎn)的情況。地面試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泵排量大于8000BPD時(shí)待命電泵上端AFS的閥瓣處于半開半閉震動(dòng)狀態(tài)。閥瓣不能完全關(guān)閉形成密封無疑將造成舉升過程中的液量損失。從A6h井的B泵表現(xiàn)看，AFS故障的可能性很大，經(jīng)B泵舉升的流體到AFS后部分從閥瓣分流，又回到泵吸入口。這種情況下電流、電壓不會(huì)有明顯異常，而泵壓差將明顯變小，液量將顯著降低。在后來的修井作業(yè)中推斷得到了驗(yàn)證，出井的B泵閥瓣的鉸鏈結(jié)構(gòu)損壞且閥瓣表面有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致AFS失效。

2 ADV功能特點(diǎn)及應(yīng)用案例

2.1 ADV功能特點(diǎn)

ADV安裝于電潛泵上部，當(dāng)電潛泵啟動(dòng)時(shí)，由泵液動(dòng)力推動(dòng)內(nèi)滑套上移，閥生產(chǎn)主通道立即打開，循環(huán)出口自動(dòng)關(guān)閉，正常采液生產(chǎn)。電潛泵關(guān)停時(shí)，在油管柱內(nèi)、外壓差作用下內(nèi)滑套自動(dòng)復(fù)位，閥生產(chǎn)主通道立即關(guān)閉，循環(huán)出口自動(dòng)打開，油管內(nèi)液體(或管內(nèi)有摻雜著固體顆粒的液體)被排出到環(huán)空，液面回落。由于通往電潛泵的流道被切斷，因而阻止了固體或流體進(jìn)入電潛泵，同時(shí)也避免了電潛泵倒轉(zhuǎn)。ADV與雙電潛泵配套工作原理如圖5所示。當(dāng)上部電潛泵工作時(shí)，井下流體旁通下部電潛泵進(jìn)入上部電潛泵的吸入口，處于上部電潛泵上方的ADV關(guān)閉上部電潛泵與環(huán)空之間的循環(huán)通道，同時(shí)開啟生產(chǎn)主通道;當(dāng)下部電潛泵工作時(shí)，處于下部電潛泵上方的自動(dòng)換向閥關(guān)閉下部電潛泵與環(huán)空之間的循環(huán)通道，同時(shí)開啟生產(chǎn)主通道，井下流體被引導(dǎo)到上部電潛泵外面，通過其上ADV流入油管，到達(dá)地面。當(dāng)油井具有自噴能力時(shí)，上、下電潛泵均關(guān)閉，井下流體不經(jīng)過電潛泵，直接通過ADV形成流動(dòng)通道，避免了流體通過電潛泵內(nèi)部產(chǎn)生的節(jié)流和沖蝕。

圖3 ADV工作原理圖

圖4 ADV內(nèi)部構(gòu)造

圖5 A6第一次生產(chǎn)數(shù)據(jù)異常曲線圖

2.2 ADV應(yīng)用案例及分析

A6井于2016年初完成修井并復(fù)產(chǎn)，采用了帶ADV的雙電潛泵進(jìn)完井，并從之前的雙罐結(jié)構(gòu)該為了單罐結(jié)構(gòu)。然而在一年后該井再次出現(xiàn)異常情況。

第一次生產(chǎn)數(shù)據(jù)異常發(fā)生在2017年9月5日19:24，泵出口壓力上升500psi后26秒回落170psi，同時(shí)吸入口壓力有80psi的小幅上升，初步判斷B泵上部的流道發(fā)生改變。

圖6 A6第一次生產(chǎn)數(shù)據(jù)異常工況模擬分析

異常情況下B泵在52.9Hz運(yùn)行，根據(jù)軟件模擬B泵的產(chǎn)量約為12536bpd。發(fā)生異常情況后根據(jù)泵效曲線52.9Hz，揚(yáng)程為823米時(shí)，B泵的產(chǎn)量約為659bpd.異常前后B泵產(chǎn)量下降12536-659=11877bpd，根據(jù)井口壓力波動(dòng)幅度，到達(dá)井口的液量降低約10000bpd左右，情況基本吻合。

第二次生產(chǎn)數(shù)據(jù)異常發(fā)生在9月11日04:10，與第一次相似，泵出口壓力突然上升后24秒回落200psi，吸入口壓力小幅升高。在第三次發(fā)生類似現(xiàn)象時(shí)海上及時(shí)進(jìn)行了降頻調(diào)整，但泵出、入口壓力較以往仍然偏高。關(guān)掉B泵，開啟A泵從40Hz逐步提頻到53Hz時(shí)突然出現(xiàn)供液能力下降的現(xiàn)象，然后降頻到40Hz后仍發(fā)現(xiàn)泵出、入口壓力較以往偏低。

圖7 A6第二、三次生產(chǎn)數(shù)據(jù)異常曲線圖

異常情況前B泵運(yùn)行在52.9Hz，井下產(chǎn)量為12639bpd，異常后B泵運(yùn)行在40Hz，井下B泵產(chǎn)量模擬約為657bpd，與第一次情況相似。

圖8 A6第二、三次生產(chǎn)數(shù)據(jù)異常工況模擬分析

下泵生產(chǎn)時(shí)，正常情況下下泵的流體應(yīng)該通過上部的ADV環(huán)空通道進(jìn)入到油管中，由于受到流量的影響，上部ADV環(huán)空關(guān)閉，下泵的流體經(jīng)過上泵進(jìn)入到油管，水力摩阻增加，造成憋泵現(xiàn)象。上泵生產(chǎn)時(shí)，正常情況下上泵的流體應(yīng)該通過下部的ADV環(huán)空通道進(jìn)入到油管中，由于受到流量的影響，下部ADV環(huán)空關(guān)閉，上泵的流體經(jīng)過下泵吸入口進(jìn)入，水力摩阻增加，造成供液不足的現(xiàn)象。

圖9 下泵生產(chǎn)正常流道與非正常流道對(duì)比

圖10 上泵生產(chǎn)正常流道與非正常流道對(duì)比

圖11 ADV閥門端面

判斷當(dāng)井下流速達(dá)到一定大小時(shí)，通過ADV環(huán)空通道的流體會(huì)在閥門端面形成紊流，壓力降低，在閥桿上下形成壓差，導(dǎo)致閥桿動(dòng)作關(guān)閉ADV環(huán)空通道，但該推斷被ADV廠家否定，理由是根據(jù)ADV設(shè)計(jì)不存在這種可能。

40Hz正常啟動(dòng)B泵，每1Hz逐步向上調(diào)節(jié)頻率，每一個(gè)頻率穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)小時(shí)左右，數(shù)據(jù)無異常繼續(xù)進(jìn)行，泵運(yùn)行在53Hz時(shí)已反復(fù)出現(xiàn)過3次泵工況異常狀態(tài)，推薦在53Hz下至少運(yùn)行24小時(shí)，如仍無異常再調(diào)整到55Hz，模擬產(chǎn)量約15000bpd達(dá)到ADV沖蝕極限，55Hz作為穩(wěn)定生產(chǎn)的最大頻率。如在某一頻率下出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象（如53Hz），停泵恢復(fù)1小時(shí)，然后重新正常40Hz啟泵并運(yùn)行到該憋泵頻率下一個(gè)頻率（如53Hz憋泵，那么只能運(yùn)行在52Hz）作為穩(wěn)定生產(chǎn)的最大頻率。

3 結(jié)論

（1）結(jié)合A6修井檢泵情況和其余生產(chǎn)井運(yùn)行穩(wěn)定性情況可以看出AFS閥瓣不耐沖蝕，壽命較短，導(dǎo)致AFS失效。另外，對(duì)于使用ADV雙泵采油的生產(chǎn)井，當(dāng)下泵運(yùn)行時(shí)，若下泵ADV閥未完全關(guān)閉，則會(huì)出現(xiàn)打循環(huán)的情況，馬達(dá)溫度長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)升高，出口壓力低于正常值，入口壓力高于正常值。若上泵ADV閥門未完全打開，則會(huì)出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，泵出、入口壓力高于正常值；當(dāng)上泵運(yùn)行時(shí)，若下泵ADV閥門未完全打開，會(huì)出現(xiàn)供液不足和節(jié)流現(xiàn)象，入口壓力低于正常值，若上泵ADV閥門未完全關(guān)閉，則會(huì)出現(xiàn)打循環(huán)的情況，馬達(dá)溫度長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)較高，出口壓力低于正常值，入口壓力高于正常值。

（2）上泵生產(chǎn)時(shí)更容易出現(xiàn)入口壓力低，供液不足的情況，下泵生產(chǎn)時(shí)更容易出現(xiàn)憋泵的情況。