海上油田測試求產(chǎn)保障稠油及高凝油流動研究與應(yīng)用

＊汪鑫 阮剛

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司 廣東 518064）

引言

螺桿泵是一種容積泵，泵效高，多用于稠油井和含砂油井。測試作業(yè)常配合加熱電纜及氣凝膠隔熱管使用，將加熱電纜下入抽油桿中進行加熱，該工藝有效針對高粘、高膠質(zhì)、高蠟、高凝固點的原油，達到提高流體溫度的目的，從而保障原油的流動性。

水力射流泵是一種特殊類型的水力泵，測試作業(yè)中配合連續(xù)油管持續(xù)泵入加熱后的動力液，在射流泵泵芯位置形成負(fù)壓，將地層流體與動力液混合形成高速流體，隨測試管柱返出至地面測試流程，經(jīng)高效油水分離器，動力液重新回到初始容器，形成閉路。

1.技術(shù)介紹

(1)螺桿泵熱采技術(shù)在測試中的應(yīng)用

螺桿泵工作原理：電動機通過驅(qū)動裝置，使空心抽油桿產(chǎn)生順時針方向旋轉(zhuǎn)，抽油桿帶動井下螺桿泵的轉(zhuǎn)子在定子襯套內(nèi)做行星運動，轉(zhuǎn)子運動時，吸油密封腔沿軸向吸油端上移，同時形成新的密封腔，其中被吸入的液體隨著密封腔的上移，由吸入端移至排出端。密封腔的不斷形成、上移和消失，就起到了泵抽作用，將油、砂、水、氣一起舉升至地面。因?qū)偃莘e式泵，所以解決了砂卡和稠油的難題。泵的排量大小除取決于泵的幾何參數(shù)外，還取決于泵的轉(zhuǎn)速，因此改變地面驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速也可改變泵的排量，從而調(diào)節(jié)油井的產(chǎn)液量，可以集油管傳輸射孔、地層測試及螺桿泵排液聯(lián)合作業(yè)工藝于一體。

圖1 螺桿泵測試示意圖

圖2 螺桿舉升原理圖

熱采設(shè)計原理：將加熱電纜下至空心抽油桿中，將380V/50Hz的三相交流電經(jīng)整流后變成直流，經(jīng)逆變電路，變成500～2000Hz的單相電，再經(jīng)中頻變壓器隔離后輸送到加熱電纜。通過加熱電纜輸送到井內(nèi)的交直流電流，經(jīng)抽油桿末端回路器，由抽油桿本體構(gòu)成回路，回到加熱設(shè)備。

輸出部分采用環(huán)形中頻變壓器，用于隔離輸入、輸出高壓，同時經(jīng)電容組與控制柜輸出相連接，起到隔直作用，防止由于直流偏磁或過勵磁產(chǎn)生的磁飽和問題，同時可起到串聯(lián)諧振的作用。中頻變壓器為非晶鈦材料，導(dǎo)磁率高，工作頻率高，自身能量損耗極低，因此整機效率大大提高。

為減少熱量在海水及泥線附近位置的損失，在測試管柱中需增加氣凝膠隔熱管配合使用，保障較高的井筒溫度。

2022年10月在南海東部惠州某區(qū)塊測試井中應(yīng)用螺桿泵熱采技術(shù)，順利自噴求產(chǎn)，該井水深114m，油藏埋深3300m，原油凝固點較高，當(dāng)加熱運行電流為100A時，地面實測井口鉆桿溫度達到58℃，在求產(chǎn)過程中溫度維持較好，創(chuàng)造了利于原油流動的有利條件。

圖3 中頻變壓器

圖4 安裝螺桿泵井口裝置

(2)射流泵熱采技術(shù)在測試中的應(yīng)用

射流泵（Jet Pump）又稱噴射泵或水力泵，是一種利用湍射流的紊動擴散作用來傳遞能量和質(zhì)量的流體機械和混合反應(yīng)設(shè)備。管柱內(nèi)自循環(huán)射流泵是在傳統(tǒng)射流泵的基礎(chǔ)上與連續(xù)油管相配合，實現(xiàn)在測試管柱內(nèi)進行循環(huán)的新型射流泵，能夠與傳統(tǒng)的APR工具兼容且契合了目前低孔滲測試層下深大，產(chǎn)量低的嚴(yán)苛要求。

管柱內(nèi)自循環(huán)射流泵（以下簡稱射流泵）的工作是基于能量守衡原理，高壓動力液通過噴嘴將其勢能（凈液柱高度加上地面泵壓產(chǎn)生的壓力）轉(zhuǎn)化為高速動力流體的動能，能量轉(zhuǎn)換過程中，流體速度增加但壓力值減小，由此產(chǎn)生相對于地層壓力的“負(fù)壓值”，可以將地層流體吸入喉管，在喉管內(nèi)高速動力液與地層流體充分混合，并將其動能傳遞給地層流體，使地層流體速度增加，到擴散管內(nèi)，擴散管內(nèi)流動面積如圖5所示逐步增加，隨著流動面積的增加，混合流體速度減小但壓力增高，其動能重新轉(zhuǎn)化為勢能，通過地面泵壓的調(diào)節(jié)和喉管/噴嘴的配比選擇可以實現(xiàn)克服凈液柱高度的流體舉升至地面流程。

圖5 射流泵原理示意圖

地面處理方案仍沿用傳統(tǒng)的地面處理流程為主體，不同的是優(yōu)化了油水計量與化學(xué)注入流程。油水計量仍沿用罐液位計量，通過罐系數(shù)與液位差相乘得到流體體積，與泵注流程計量對比即可得到地層流體產(chǎn)量；化學(xué)注入主要有降黏劑，破乳劑和消泡劑三種選項，在注入流程通過化學(xué)注入泵進行定量添加。

射流泵同時具備對動力液進行加溫的能力為解決低產(chǎn)、高凝點原油求產(chǎn)的難題提供了化學(xué)和物理降黏的一體化解決方案。

射流泵下入深度不同，主要將影響射流泵的效率、作業(yè)可實施性及排液能力等，因此應(yīng)綜合考慮以下幾點影響因素：

①泵在最高效率區(qū)間工作要求射流泵在井液中的沉沒率在30%以上；

②下入越深，其將井筒中的液體排出越徹底；

③泵下入越深，其運行過程動力液摩阻和混合返出液摩阻越大；

④考慮連續(xù)油管最大下深能力。（采用1.5“×4900m/1.75”×4200m連續(xù)油管，最大下入至4555m/4000m，上提最大載荷處于1.5"連續(xù)油管80%強度安全載荷內(nèi)，可以滿足連續(xù)油管攜帶射流泵在3000m深度坐掛作業(yè)安全要求。

工藝流程：

①泵注流程：海水—儲水罐—化學(xué)注入流程—柱塞泵—地磁加熱器—連續(xù)油管—試油樹清蠟閥。

②返出流程油路：試油樹生產(chǎn)閥—撓性軟管—油嘴管匯—加熱器—分離器—計量罐—儲油罐—燃燒臂。

③返排流程水路：試油樹生產(chǎn)閥—撓性軟管—油嘴管匯—加熱器—分離器—計量罐—儲油罐—高效油水分離器—儲水罐。

④地面泵壓力級別：30MPa/55MPa。

⑤動力液選型：1.03S.G海水。

⑥5分離器選型：采用臥式分離器。

圖6 射流泵流程示意圖

熱采設(shè)計原理：動力液通過變頻電磁加熱器實現(xiàn)循環(huán)加熱效果，利用電磁感應(yīng)原理，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，在控制器內(nèi)由整流電路將50Hz的交流電壓變成直流電壓，在經(jīng)過控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為22kHz的高頻交流電壓。高頻交流電壓流過纏繞在非金屬材料管外的高頻導(dǎo)線，高速變化的磁場內(nèi)部產(chǎn)生的磁力線切割非金屬材料管內(nèi)部的金屬容器，產(chǎn)生無數(shù)小渦流，通過熱量散發(fā)系統(tǒng)（如水循環(huán)系統(tǒng)），達到加熱效果。

2022年4月在南海東部惠州某區(qū)塊測試井中首次應(yīng)用，該井水深115m，油藏埋深4000m，屬于低孔、低滲儲層，且原油凝固點及含蠟較高，地層自身能量較低，使用常規(guī)連續(xù)油管氣舉返排或螺桿泵泵排無法實現(xiàn)舉升效果，利用水力射流泵熱采技術(shù)，通過射流泵原理及動力液熱循環(huán)效果，將井筒難以返排的地層流體帶出，成功獲取地質(zhì)資料。

圖7 電磁加熱原理圖

圖8 電磁加熱示意圖

2.技術(shù)對比

海上油田試油作業(yè)中，常用到的人工舉升方式為：連續(xù)油管氣舉、螺桿泵，射流泵技術(shù)，三種舉升方式有著各自的優(yōu)勢及劣勢，綜合考慮儲層物性、原油性質(zhì)，施工工況等因素，選擇最佳的求產(chǎn)方式。

連續(xù)油管技術(shù)經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，配套的井下工具越來越多樣化，作業(yè)種類從最初的沖砂、氣舉到現(xiàn)在的鉆井、壓裂等，海上油氣田開發(fā)中大斜度井及水平井越來越多，該技術(shù)應(yīng)用也日益廣泛。連續(xù)油管作業(yè)最大優(yōu)勢是可以帶壓作業(yè)，連續(xù)油管在井筒內(nèi)移動的同時，可泵入液體或氣體。在試油作業(yè)中，通過氣舉返排液墊的方式，減小靜液柱高度，增大井筒內(nèi)負(fù)壓，從而提高地層流體返排至地面流程的效率，也可配合射流泵技術(shù)使用。但其內(nèi)徑一般較小，抗拉強度較低，不能旋轉(zhuǎn)。由于連續(xù)油管橇較重，因此在海上的使用受到作業(yè)設(shè)施吊裝能力及場地條件的限制。氣舉泵入的氣體為氮氣，無法實現(xiàn)井筒升溫的效果，注入氮氣對地層產(chǎn)生回壓，不利于地層液體流向井筒，針對低孔、低滲、地層能量不足、稠油，高凝油的井，不適用連續(xù)油管氣舉技術(shù)。

螺桿泵技術(shù)是一種容積泵，泵效高，受汽油影響比較小，多用于稠油井和含砂油井，工藝發(fā)展較為成熟，工具簡單，可配合加熱電纜及氣凝膠隔熱管使用，對于稠油及高凝油返排有非常好的效果，下入深度受揚程影響，目前海上油田泵筒下入深度最深為1400m左右，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到250rpm時，常用螺桿泵排液量最大為180m3/d，適用于低產(chǎn)井，當(dāng)?shù)貙幽芰坎蛔銜r，無法確保泵筒位置有相對穩(wěn)定的沉沒度（確保動液面在去除氣體影響條件下垂深不小于50m），若長時間沒有流體潤滑冷卻，極易造成轉(zhuǎn)子在定子中干磨，導(dǎo)致膠皮疲勞磨損，甚至被切削成小塊卡在抽油桿及管柱間隙中。

射流泵技術(shù)是海上油田測試求產(chǎn)中的全新應(yīng)用，具有產(chǎn)量調(diào)節(jié)范圍廣、檢泵方便、運轉(zhuǎn)周期長的優(yōu)點，適用于低含水、高氣油比、高溫、高含砂和含腐蝕性流體的油井，射流泵舉升在噴嘴與喉管處形成負(fù)壓，吸入地層流體，不對地層產(chǎn)生正向壓力，有利于地層液體流向井筒，注入動力液最高溫度65℃，而注入氮氣溫度普遍較低，且氣體擴散屬于吸熱過程，不利于管柱內(nèi)流體返出流動，初步估算射流泵泵掛深度處井筒溫度至少高于連續(xù)油管注入深度處井筒溫度30℃以上，對于地層產(chǎn)能低、稠油，高凝油具有非常好的效果。但其不適于含水率高的油井，水力射流泵采油需有高壓動力液作為舉升條件，但舉升效率比電潛泵和螺桿泵低。

3.結(jié)束語

海上油田測試作業(yè)中，不斷向深層勘探，稠油及高凝油也不斷涌現(xiàn)，針對受溫度影響較大的原油，人工舉升的工藝也在不斷創(chuàng)新引入，根據(jù)不同情況選擇合適的舉升方式尤為重要，選對舉升方式，利于現(xiàn)場工程施工的開展，地質(zhì)資料的求取。

對于地層產(chǎn)能低的稠油及高凝油，更適用射流泵技術(shù)，通過動力液熱循環(huán)將地層流體混合帶出，對于地層產(chǎn)能一般達不到自噴條件的稠油及高凝油，更適用于螺桿泵技術(shù)，通過加熱電纜配合氣凝膠隔熱管，保障井筒溫度恒定，確保了原油不會在井筒中凝固，對比兩種加熱方式，螺桿泵工藝的熱采技術(shù)熱量損失更小。