井下螺旋式氣錨的改進(jìn)和現(xiàn)場應(yīng)用

張曉明，陳德照，陳磊，麻宇杰，劉智偉，黃蒙，徐占軍，趙軍輝

（長慶油田分公司 第八采油廠，西安 710021）

0 引言

有桿泵采油是油田采油井常用的一種舉井方式。原油從地層流入井筒，在抽油泵活塞的往復(fù)運(yùn)動過程中，原油被吸入泵筒，接著通過油管，被舉升到地面。但對于油氣比較高的采油井，原油在進(jìn)入泵筒后，隨著壓力降低，其所含的伴生天然氣也會從原油中析出，這使得抽油泵在做功過程中變得更加復(fù)雜。由于天然氣具有很強(qiáng)的膨脹性和壓縮性，進(jìn)入泵筒的天然氣在抽油泵活塞的往復(fù)運(yùn)動中頻繁膨脹、壓縮，導(dǎo)致抽油泵活塞做功效率低下，泵筒充不滿，抽油泵效低，嚴(yán)重的會使抽油泵凡爾失效、氣鎖等影響油井出液的故障出現(xiàn)。

為減少氣體對抽油泵的影響，采油現(xiàn)場一般采用排放油管氣、校防沖距、壓井等措施減少氣體對抽油泵的影響，但效果差、有效期短且現(xiàn)場工作量多；或通過檢泵時(shí)，增加抽油泵碳化鎢加重球、加深泵掛等技術(shù)手段，來改善氣體對泵的影響，但對于對油氣比高的油井適應(yīng)性較差。

在井下抽油泵的進(jìn)液口處增加氣錨（井下油氣分離器）提前進(jìn)行油氣分離是目前減少氣體對抽油泵影響的最有效手段。根據(jù)分氣原理不同常用的氣錨有重力型氣錨和離心式氣錨[1-3]，以及由這兩種原理結(jié)合的組合型氣錨。重力型氣錨是利用油氣密度的不同，使油氣在氣錨里發(fā)生滑脫效應(yīng)，較輕的天然氣向上運(yùn)動，經(jīng)氣錨頂部孔眼排進(jìn)油套環(huán)空，較重原油向下流動，經(jīng)內(nèi)管進(jìn)入抽油泵，實(shí)現(xiàn)油氣分離。離心型氣錨是利用油氣混合液在氣錨螺旋葉片流動過程中，油氣由于密度差異產(chǎn)生的離心力不同，天然氣在螺旋葉片內(nèi)測流動，而原油在螺旋葉片外側(cè)流動，最終油氣從不同孔眼中排出，從而實(shí)現(xiàn)油氣的分離。

由于滑脫效應(yīng)分氣效率差[4]，大量氣泡依然可以隨原油進(jìn)入抽油泵，因此重力式氣錨一般適用于液量不大、氣油比不高的油井；而離心型氣錨由于實(shí)現(xiàn)了在氣錨進(jìn)液口的滑脫效應(yīng)和在氣錨內(nèi)部的離心作用，分氣效率進(jìn)一步提高，因此較適合液量大、氣油比較高的油井。但是隨著油井液量的增加，高油氣比會導(dǎo)致大量天然氣以小氣泡的形式存在于油氣混合液之中，現(xiàn)有螺旋式氣錨也很難將這部分天然氣有效地分離出來，為此有必要對現(xiàn)有的螺旋式氣錨進(jìn)行升級改進(jìn)，以提高小氣泡的分離能力，從而提升氣錨的整體分氣效率。

1 螺旋式氣錨

1.1 結(jié)構(gòu)

常用螺旋式氣錨一般由螺旋葉片、中心管、排氣孔、錨殼等主要部件組成（如圖1）。

圖1 螺旋式氣錨結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 分氣原理

含氣原油從下部進(jìn)液口進(jìn)入氣錨環(huán)空，隨著中心管螺旋葉片做螺旋上升運(yùn)動，由于氣液兩相密度的差異，導(dǎo)致其圍繞中心管螺旋上升時(shí)離心力不同，較輕的大氣泡圍繞中心管內(nèi)側(cè)運(yùn)動，而原油及未被分離的小氣泡則沿外側(cè)運(yùn)動；當(dāng)上升到螺旋頂部時(shí)，大氣泡不斷聚集，形成氣帽，并通過氣錨上部的排氣孔排至油套環(huán)空上部，而原油及未被分離的小氣泡則從緊鄰排氣孔下部的泄油窗進(jìn)入油套環(huán)空；由于油套環(huán)空空間的增大，含氣原油在流動過程中流速降低，部分直徑較大的小氣泡從原油中分離后繼續(xù)上?。欢溆嘀睆捷^小的氣泡則隨原油進(jìn)入油套環(huán)空下部，在封隔器與氣錨連接處，油液由分離器下端的二次進(jìn)油小孔再次進(jìn)入氣錨的抽油中心管，繼續(xù)向上運(yùn)動進(jìn)入抽油泵中。從原油中分離出的天然氣由油套環(huán)空向上運(yùn)動，最終通過地面定壓放氣閥排出地面。

1.3 分氣的影響因素

螺旋分離系數(shù)是表征螺旋氣錨氣體分離效率的重要指標(biāo)[5]，定義為油氣混合物在氣液分離后到最后一個(gè)泄油窗，氣體讓出的體積與進(jìn)入螺旋流道第一圈所占體積之比，其計(jì)算公式為

式中

式中：t為螺旋分離系數(shù)；v1為氣體分離后氣體所讓出的體積，m3；v為氣液混合液進(jìn)入螺旋第一圈時(shí)氣體所占的體積，m3；r2為螺旋外半徑，m；r1為螺旋內(nèi)半徑，m；a為螺旋流道寬度，m；b為螺旋有效工作長度，m；d為氣泡直徑，m；q為氣液混合物在螺旋流道中的流量，m3/s；u為液體流動的黏滯系數(shù)，m2/s；f為螺旋流道的螺距，m。

根據(jù)螺旋分離系數(shù)公式可以看出，螺旋式氣錨的分離效果與其螺旋葉片螺距、螺旋片外半徑有關(guān)。通過增加螺旋長度和減小螺距，增加螺旋圈數(shù)，氣體分離效果好，而通過減小螺旋片外徑，可增大油套管環(huán)形空間截面積，有利于減緩流速,使得氣錨分離效果變好。

同時(shí)，螺旋式氣錨的分離效果與油井產(chǎn)液量、氣油比也有很大關(guān)系，油井產(chǎn)液量越大，井內(nèi)流體流速越快,離心力越大，螺旋分氣效果越好。因而螺旋式氣錨較適合于液量較大的高氣油比油井。

1.4 優(yōu)缺點(diǎn)

螺旋式氣錨結(jié)合了油氣分離滑脫效應(yīng)和離心作用，和重力式氣錨相比，氣錨的分氣效率進(jìn)一步增加，大氣泡及較大氣泡通過兩次不同原理的分氣，較好地實(shí)現(xiàn)了原油的脫氣。然而對于較小的氣泡螺旋式氣錨依然難以分離，尤其當(dāng)油井液量過大，大量氣體會以小氣泡形式存在于油氣混合液當(dāng)中，螺旋式氣錨分氣效率會進(jìn)一步變差。為了提高螺旋式氣錨的分氣效率，有必要對螺旋式氣錨進(jìn)行改進(jìn)。

2 螺旋式氣錨的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)思路

螺旋式氣錨分氣受到其自身結(jié)構(gòu)的限制，要增加分氣效率，根據(jù)分氣影響因素，螺旋圈數(shù)增加有利于提高氣體的分離效果，但螺旋太長，會受到氣錨本體結(jié)構(gòu)和抽油泵自身吸力的限制；減小螺旋片外徑，油套管環(huán)形空間增大，流速減緩,有利于氣錨提高分離效果，而螺旋片外徑減少太多，液量大的油井無法有效分離大氣泡。因此要進(jìn)一步提高螺旋式氣錨的分氣效率，本質(zhì)上要求提高較小氣泡的分離效果，這就需要設(shè)計(jì)一款專門的設(shè)備。

為此，在含氣原油進(jìn)入螺旋氣錨前，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)破泡短接（如圖2），在該短接中安裝分氣破泡網(wǎng)。其分氣原理主要為氣液分離的折流原理和絲網(wǎng)原理[6-10]。折流原理認(rèn)為由于氣體與液體的密度不同，液體與氣體混合在一起流動時(shí)，如果遇到阻擋，氣體會折流而走，而液體會，有一個(gè)向前的慣性速度，向前的液體因阻擋物吸附力而減緩速度。絲網(wǎng)分離原理認(rèn)為由于氣體與液體的微粒大小不同，液體與氣體混合一起流動時(shí)，如果必須通過絲網(wǎng)，就象過篩一樣，氣體通過了，而液體被絲網(wǎng)攔截而減緩速度。

圖2 破泡短接實(shí)物與剖面對照圖

在破泡短接破泡網(wǎng)片的作用下氣液混合流中的氣泡被分散成直徑較小的氣泡，受到折流分離和絲網(wǎng)分離的作用，一部分小氣泡在進(jìn)入螺旋葉片前被分離，從而達(dá)到提升螺旋氣錨的整體分氣效果。

2.2 結(jié)構(gòu)

破泡短接由破泡網(wǎng)、扶正器、封隔器及二次進(jìn)液口等主要部件組成（如圖2）。為提升破泡效果，根據(jù)M區(qū)塊現(xiàn)場實(shí)踐，一般設(shè)計(jì)3個(gè)破泡網(wǎng)片。

2.3 安裝步驟

井筒通洗干凈后，依次下入尾管、破泡短節(jié)、皮碗式封隔器、螺旋式氣錨管柱，不可錯裝、倒裝。改進(jìn)型螺旋式氣錨連接由上而下依次為抽油泵泵筒、螺旋式氣錨分離器、皮碗式封隔器、破泡短節(jié)、尾管，各部件下到指定位置后需進(jìn)行驗(yàn)封作業(yè)。各項(xiàng)流程完成后，下抽油桿裝井口轉(zhuǎn)入抽油作業(yè)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

長慶油田M區(qū)塊位于陜西省延安市境內(nèi)，開發(fā)層位為三疊系延長組長6油層，平均油層中深1997 m，平均泵掛1531 m，井均日產(chǎn)液5.50 m3，原始油氣比為106.8 m3/t。氣體嚴(yán)重影響泵效的井占該區(qū)塊開井?dāng)?shù)的26.7%，抽油泵頻繁氣鎖現(xiàn)象嚴(yán)重，常規(guī)的排放油管氣、校防沖距，下螺旋式氣錨等措施效果差。

為了減少氣體的影響，提高氣錨分氣效率，改善抽油泵效，2021年以來該區(qū)塊實(shí)驗(yàn)應(yīng)用改進(jìn)型螺旋式氣錨8個(gè)，解決氣鎖井2口，氣體嚴(yán)重影響泵效井6口，井均提高泵效9.3%，取得了較好的現(xiàn)場實(shí)施效果（如表1）。

表1 長慶油田M區(qū)塊改進(jìn)型螺旋氣錨應(yīng)用效果表

典型井：Y191-50-51井，抽汲參數(shù)[（沖程（m）×沖次（次/min）×泵徑（mm）×泵掛（m）]為2.57×4.76×38×1293。2021年7月23日，功圖顯示抽油泵受氣體影響嚴(yán)重，油管放空不出液，油套環(huán)空液面上升，現(xiàn)場采取碰泵、壓井措施后，問題未獲解決。2021年7月25日檢泵，下入改進(jìn)型螺旋式氣錨，完井后油井出液正常（如圖3）。

圖3 長慶油田M 區(qū)塊Y191-50-51 井檢泵前后功圖對比圖

改進(jìn)型螺旋式氣錨在長慶油田M區(qū)塊應(yīng)用取得了初步成效，但應(yīng)用過程中，也反映了一些不足。主要為：1）和常規(guī)螺旋式氣錨一樣，改進(jìn)型氣錨不適用于不能下封隔器的油井。2）實(shí)驗(yàn)應(yīng)用皮碗式封隔器，由于皮碗式封隔器特殊的形狀，當(dāng)封隔器下井時(shí)，井筒內(nèi)液柱對其有個(gè)向上的阻力，如果液面高，皮碗式封隔器接觸液面的時(shí)候阻力較大，封隔器不容易下到設(shè)計(jì)位置，因此對于套返井或高液面井適應(yīng)性較差。3）再次檢泵起出氣錨時(shí)，皮碗式封隔器容易損壞，需要更換封隔器。4）使用前需先通洗井，會增加通洗井費(fèi)用。

4 結(jié)論

1）常規(guī)螺旋式氣錨對油氣混合液中小氣泡分離效果較差，要提升分氣效率，需對其進(jìn)行改進(jìn)。

2）改進(jìn)型螺旋式氣錨是在常規(guī)螺旋式氣錨下部組裝破泡短接，采用氣液混合液分離的折流分離原理和絲網(wǎng)分離原理，有效提升了常規(guī)螺旋式氣錨的分氣效率。

3）改進(jìn)型螺旋式氣錨由于采用了皮碗式封隔器，對套返井和高液面井適應(yīng)性不強(qiáng)，下一步需試驗(yàn)新型封隔器。