大排量節(jié)能舉升工藝在留北潛山地?zé)峋膽?yīng)用

杜 航，李 棟，苗彥平，朱治國，薛李強(qiáng)，馬文娟

中國石油華北油田公司第三采油廠，河北滄州 062450

新能源和可再生能源的開發(fā)利用在能源行業(yè)占據(jù)越來越重要的地位，地?zé)崮苣壳耙延?00多個(gè)國家在開發(fā)利用，并以12.8%的速度遞增。華北油田地?zé)豳Y源豐富，與其他油田的地?zé)豳Y源相比，地?zé)豳Y源熱儲厚度大，儲層物性好，溫度亦較高，地?zé)衢_發(fā)潛力較大。地?zé)岬木C合開發(fā)利用，不僅能減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低使用化石能源帶來的環(huán)境污染，也有利于華北油田的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

留北潛山已進(jìn)入開發(fā)后期，目前主要利用潛山地?zé)豳Y源為生產(chǎn)伴熱、外輸換熱、卸油點(diǎn)化油、清洗油管提供熱源。潛山井通過大排量潛油電泵進(jìn)行開采，單井日產(chǎn)液平均值達(dá)500 m3以上。潛油電泵生產(chǎn)中存在能耗高、維護(hù)成本高等問題。為此，探索新的開采工藝及配套技術(shù)以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求至關(guān)重要。

1 留北潛山概況

留北潛山位于饒陽凹陷東部，屬于留路潛山下降盤的潛山。潛山地層產(chǎn)狀東北低、西南高，潛山內(nèi)部發(fā)育多條東北-西南走向的斷層，潛山儲集類型為裂縫-孔隙型，儲集空間以小型孔洞為主，裂縫主要作為流體流動的通道，構(gòu)造縫中以高角度縫為主，裂縫傾角70°～90°，孔隙度為6%，有效滲透率158×10-3m2，潛山油層中深3 350 m，原始地層壓力32.9 MPa，地層溫度120℃，地?zé)崽锩娣e44.85 km2，地?zé)豳Y源為1.75×1018J，地?zé)崴Y源量為3.93×108m3。

該油藏于1978年6月正式投入開發(fā)，先后經(jīng)歷高速高產(chǎn)開發(fā)階段、產(chǎn)量快速遞減開發(fā)階段、高含水低速低效開發(fā)階段，隨著綜合含水達(dá)到99.9%，油藏進(jìn)入特高含水期；2006年9月開始，為利用潛山熱水資源，進(jìn)入地?zé)崂瞄_發(fā)階段。通過應(yīng)用潛油電泵對高含水油井進(jìn)行大排量提液，大幅提升井口產(chǎn)出液溫度（達(dá)到110～114℃），以滿足地?zé)崴C合利用的需要。

2 大排量雙作用泵提液技術(shù)

2.1 雙作用泵結(jié)構(gòu)

雙作用泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，由泵筒、空心拉桿、上部進(jìn)液固定閥1、下部進(jìn)液固定閥2、柱塞、上部游動閥1和下部游動閥2等主要部件組成。拉桿為空心拉桿，內(nèi)部有流體流道，其中進(jìn)液固定閥1為環(huán)閥，由多個(gè)閥繞圈組成，其采取側(cè)向進(jìn)液的方式[1]。

圖1 雙作用泵結(jié)構(gòu)示意

2.2 雙作用泵工作原理

下沖程時(shí)，柱塞下腔室的體積變小，壓力升高，使固定閥2關(guān)閉，柱塞游動閥2打開，原油通過柱塞上端的空心拉桿進(jìn)入油管。同時(shí)，柱塞上腔室體積增大，壓力降低，使固定閥1打開，游動閥1關(guān)閉，原油由油管和套管的環(huán)形空間進(jìn)入柱塞上腔，完成柱塞上腔吸液過程。

上沖程時(shí)，柱塞下腔室固定閥2打開吸液。與此同時(shí)，柱塞上腔室固定閥1關(guān)閉，游動閥1打開，柱塞上腔室排液。

可以看出，該泵一個(gè)往復(fù)沖程可完成兩次汲液和排液的過程，較普通整筒泵而言，實(shí)現(xiàn)了下沖程利用桿柱自重壓縮液體排液。

2.3 理論排量計(jì)算

式中：Q為雙作用泵的理論排量[2]，m3/d；F為雙作用泵柱塞的截面積，mm2；f為空心拉桿的截面積，mm2；S為沖程，m/次；N為沖次，次/min。

表1是不同規(guī)格雙作用泵的參數(shù)，從該表中可以看出，適用于留北潛山地?zé)峋瓺177.8 mm套管的120/70雙作用泵，其最大理論排量可達(dá)412 m3/d。

表1 雙作用泵參數(shù)

2.4 大排量并聯(lián)雙作用泵提液技術(shù)

考慮到留北潛山地?zé)峋娜站a(chǎn)液量為500 m3左右，為了進(jìn)一步提升雙作用泵提液能力，特開展并聯(lián)抽油泵提液技術(shù)研究。

2.4.1 并聯(lián)雙作用泵結(jié)構(gòu)

并聯(lián)雙作用泵是在雙作用泵的上部并接1臺泵，該泵與雙作用泵并聯(lián)進(jìn)液，上部單泵與下方雙作用泵共用空心拉桿，上單泵由上單泵游動閥、上單泵固定閥、上單泵筒組成，見圖2。

圖2 并聯(lián)雙作用泵結(jié)構(gòu)示意

2.4.2 并聯(lián)雙作用泵工作原理

上行程時(shí)，上單泵游動閥關(guān)閉、固定閥打開，上單泵柱塞排液；下方的雙作用泵游動閥1開啟排液，固定閥2開啟進(jìn)液。

下行程時(shí)，上單泵固定閥關(guān)閉、游動閥打開，上泵柱塞進(jìn)液；下方的雙作用泵固定閥1開啟進(jìn)液，游動閥2開啟排液。

2.4.3 并聯(lián)雙作用泵理論排量計(jì)算

式中：Q2為并聯(lián)雙作用泵的理論排量，m3/d；F為雙作用泵柱塞的截面積，mm2；f為空心拉桿的截面積，mm2；S為沖程，m/次；N為沖次，次/min。

雙作用泵并聯(lián)前后參數(shù)對比如表2所示。

表2 雙作用泵并聯(lián)前后參數(shù)對比

由表2可以看出，120/70并聯(lián)雙作用泵的最大排量達(dá)594 m3/d，是120/70雙作用泵最大理論排量的1.44倍，其排量達(dá)到了提液需求。

2.5 雙作用泵生產(chǎn)特點(diǎn)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雙作用泵在現(xiàn)場應(yīng)用中出現(xiàn)了桿柱彎曲、偏磨等問題，分析認(rèn)為是雙作用泵的下行阻力大導(dǎo)致。造成雙作用抽油泵下行困難的主要外力從大到小依次為：油液作用于柱塞空心拉桿面積差上的向上反饋頂托力、作用于抽油桿底部的液體浮力、柱塞及空心拉桿產(chǎn)生的半干摩擦力、油液流過游動閥時(shí)的水力阻力[3]。由于下行阻力大，雙作用泵運(yùn)行時(shí)抽油桿易出現(xiàn)下行慢的問題。通過對抽油桿進(jìn)行加重設(shè)計(jì)、采用D101.6 mm油管降低液流磨阻等辦法，該問題基本得到了解決。

2.6 載荷計(jì)算

目前還未見雙作用泵抽油系統(tǒng)懸點(diǎn)載荷計(jì)算的相關(guān)報(bào)道[4-6]，載荷計(jì)算以現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)為主，供抽油機(jī)選型參考。

3 塔式抽油機(jī)舉升技術(shù)

雙作業(yè)泵與普通整筒泵相比，實(shí)現(xiàn)了下沖程無需外在能量輸入、借助桿柱自重排液，具備了節(jié)能的特性。為了進(jìn)一步提升新舉升工藝的節(jié)能效果，綜合考慮抽油機(jī)地面?zhèn)鲃有剩胶庹{(diào)節(jié)難度，解決雙作用泵運(yùn)行時(shí)上沖程速度快、抽油桿下行阻力大、速度慢等問題，優(yōu)選塔式抽油機(jī)配合雙作業(yè)泵進(jìn)行地?zé)豳Y源開采。

3.1 塔式抽油機(jī)工作原理

工作時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)直接驅(qū)動減速滾筒正反換向旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，滾筒外部兩端窄帶用于懸掛配重箱，中間寬帶用于懸掛抽油桿，滾筒旋轉(zhuǎn)帶動配重箱與抽油桿的上下往復(fù)運(yùn)動。

3.2 塔式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

塔架式抽油機(jī)主要由底座、塔架、動力組合裝置、皮帶、配重箱及智能控制系統(tǒng)等六部分構(gòu)成，見圖3。動力組合裝置包括動力滾筒、定滑輪、剎車系統(tǒng)。

圖3 塔式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

電機(jī)選用開關(guān)磁阻電機(jī)，可根據(jù)抽油桿在上行和下行中的速度實(shí)時(shí)變化，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)和抽油桿運(yùn)動速度的匹配，適應(yīng)雙作用泵正常生產(chǎn)時(shí)抽油桿柱下慢上快的特點(diǎn)；同時(shí)該電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流低，啟動時(shí)對電網(wǎng)無沖擊，適合重載起動和負(fù)載變化頻繁的工況，兼具功率因數(shù)高的特點(diǎn)，在空載和滿載下的功率因數(shù)均大于0.95，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)；動力滾筒采用電動滾筒結(jié)構(gòu)，將電機(jī)和減速器內(nèi)置于滾筒，整體結(jié)構(gòu)緊湊，占據(jù)空間位置少，傳動效率高，適合在野外惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作；采用直接式油冷方式冷卻電機(jī)，提升了電機(jī)散熱效果；減速器選用行星齒輪傳動，體積小、重量輕、承載能力大，便于安裝，適應(yīng)抽油機(jī)生產(chǎn)時(shí)載荷變化大的特點(diǎn)；傳動皮帶使用復(fù)合皮帶結(jié)構(gòu)，皮帶采用壓板方式固定于滾筒之上，皮帶內(nèi)部嵌有數(shù)根鋼絲繩，鋼絲繩外層膠連橫向增強(qiáng)層，皮帶表面膠連覆蓋層，耐溫范圍廣（可適用于-40～80℃的工作環(huán)境），使用壽命長；機(jī)架設(shè)計(jì)讓位機(jī)構(gòu)，作業(yè)時(shí)將機(jī)架頂部液壓翻轉(zhuǎn)，讓位距離不低于0.8 m，滿足后期修井作業(yè)的需求。

3.3 塔式抽油機(jī)特點(diǎn)

（1）用繩輪（皮帶）傳動結(jié)構(gòu)[7]將電機(jī)所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為上下循環(huán)運(yùn)動，減少傳動過程，提升傳動效率，同時(shí)運(yùn)動規(guī)律除上下死點(diǎn)有短時(shí)間加減速運(yùn)動外，大部分時(shí)間是勻速運(yùn)動，使慣性載荷大幅度下降，抽油機(jī)性能得到較大改善[8]。

（2）塔式抽油機(jī)容易實(shí)現(xiàn)長沖程，相對沖程損失小，有效沖程長（最大值達(dá)5.5 m），同時(shí)降低抽油桿的磨損和疲勞，延長了抽油桿的使用壽命。

（3）塔式抽油機(jī)通過天平平衡的方式[9]，可以快速而低消耗地進(jìn)行調(diào)整。配重箱采用上下兩層分體式結(jié)構(gòu)，下層可根據(jù)載荷預(yù)先配置好固定配重，上層采用每塊15 kg的小配重，便于調(diào)節(jié)平衡。

（4）塔式抽油機(jī)通過數(shù)字智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)帶載精準(zhǔn)無級調(diào)參數(shù)，可采用現(xiàn)場（井口）旋鈕調(diào)節(jié)或遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使抽油機(jī)和抽油桿運(yùn)動速度相匹配；具有定點(diǎn)停機(jī)、快速制動功能，當(dāng)斷桿（荷載為零）或荷載加大（卡井）超過上限時(shí)，即刻進(jìn)行停機(jī)保護(hù)，最大限度確保井內(nèi)設(shè)施安全。

4 塔式抽油機(jī)配合并聯(lián)雙作用泵舉升工藝應(yīng)用效果

4.1 提液效果

留北潛山提液井應(yīng)用塔式抽油機(jī)配合并聯(lián)雙作用泵舉升工藝共4井次（見表3），4口井中，留44、留52N井潛油電泵生產(chǎn)時(shí)日產(chǎn)液合計(jì)1 147 t，采用塔機(jī)配合雙作用泵舉升工藝后采用5.5 m×3次的制度生產(chǎn)，日產(chǎn)液合計(jì)1 116 t，達(dá)到了與潛油電泵產(chǎn)液接近的水平，實(shí)現(xiàn)了大排量提液；留24、留32井因作業(yè)區(qū)熱水需求量影響，投產(chǎn)初期分別進(jìn)行調(diào)小工作制度（3 m×1.6次）生產(chǎn)，短期生產(chǎn)后臨時(shí)關(guān)井，2口井日產(chǎn)液合計(jì)291 t，但根據(jù)之前潛油電泵生產(chǎn)時(shí)儲層供液能力來看，同樣具備提液至潛油電泵產(chǎn)液水平的能力，4口井在生產(chǎn)過程中，通過智能控制系統(tǒng)控制開關(guān)磁阻電機(jī)上下沖程轉(zhuǎn)速的變化，抽油機(jī)、桿運(yùn)動速度匹配良好，未出現(xiàn)兩者相互“頂牛”而影響生產(chǎn)的問題。

4.2 節(jié)能效果

4口井使用電潛泵生產(chǎn)時(shí)，平均每井噸液耗電2.07 kW·h；改用塔式抽油機(jī)配合并聯(lián)雙作用泵舉升后，平均每井噸液耗電0.33 kW·h，噸液節(jié)電1.74 kW·h，平均節(jié)電率達(dá)84.23%（見表3）。

表3 留北潛山地?zé)峋畠煞N舉升方式能耗對比

4.3 節(jié)支效果

留北潛山地?zé)峋畠煞N舉升方式的費(fèi)用對比如表4所示。檢泵周期按照1年計(jì)算，生產(chǎn)時(shí)率考慮作業(yè)區(qū)熱水需求量的變化，按照每年200 d運(yùn)行，年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用114萬元。

表4 留北潛山地?zé)峋畠煞N舉升方式費(fèi)用對比

4.4 解堵效果

留44、留52N均實(shí)現(xiàn)機(jī)采一段時(shí)間后自噴生產(chǎn)，分析原因如下：電潛泵的啟動、運(yùn)行、停止所產(chǎn)生的液體流動是加速運(yùn)動到勻速運(yùn)行，再到減速下降的圓滑曲線，見圖4。

圖4 電潛泵流量-時(shí)間曲線

塔式抽油機(jī)配合并聯(lián)雙作用泵的啟動、運(yùn)行、停止-井筒內(nèi)的液體流動是急加速-平穩(wěn)-急減速的往復(fù)循環(huán)，形成每分鐘3次以上的流量曲線并以脈沖形式循環(huán)振蕩運(yùn)行，甚至反向流動振蕩，如圖5所示。

圖5 塔式抽油機(jī)+并聯(lián)雙作用泵流量-時(shí)間曲線

在脈沖振蕩、大排量產(chǎn)液共同作用下，出現(xiàn)了解堵、強(qiáng)排增液現(xiàn)象，另外，留北潛山地層能量充足，客觀上具備實(shí)現(xiàn)誘噴的條件，最終實(shí)現(xiàn)了2口井解堵后自噴生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）并聯(lián)雙作用泵提液技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整沖程三次排液與三次進(jìn)液，理論排量與同泵徑的抽油泵相比大幅提升，可以實(shí)現(xiàn)替代潛油電泵大排量提液的目的。

（2）塔式抽油機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、智能控制系統(tǒng)與雙作業(yè)泵的配合使用，達(dá)到了抽油機(jī)、桿的運(yùn)動速度相互匹配、過載和斷桿自動停機(jī)等目的，同時(shí)與潛油電泵相比節(jié)電率達(dá)84%以上，節(jié)能效果顯著。

（3）塔式抽油機(jī)配合并聯(lián)雙作用泵舉升工藝具備對儲層物理解堵作用，對于地層能量充足的油井，可實(shí)現(xiàn)誘噴生產(chǎn)。

（4）塔式抽油機(jī)配合并聯(lián)雙作用泵舉升工藝，在實(shí)現(xiàn)大排量節(jié)能舉升的同時(shí)，大幅降低了投入成本，為潛山油藏地?zé)豳Y源大排量開采提供了新的經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)手段，具備較為廣闊的應(yīng)用前景。