超深有杆泵井流线型助抽器的研究与应用

◀油气田开发工程▶超深有杆泵井流线型助抽器的研究与应用∗曹　畅　彭振华　张建军　张　园　柏　森　丁　雯（中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院）　　摘要：针对塔河油田超深井存在供液不足和泵效低的问题，通过研发井下配套工具，开展了超深井提质提效深抽现场试验研究。重点介绍了流线型助抽器的主要结构及工作原理，该装置不改变地层渗透能力，只是根据能量守恒原理，提高流体瞬间线速度，使其压能变动能，加快流体流速，改变流体流态，提高泵的充满系数，增加产量；通过螺旋切入设备改变流体的入泵状态，减小入泵阻力。现场试验结果表明，该工具在不改变泵体结构的情况下，可以达到提升流体入泵速度、提高泵的充满程度的目的，９口试验井平均泵效提高４􀆰９％，其中６口井提液效果明显，泵效平均提高２１􀆰３％，日产液平均提高５􀆰３ｔ。关键词：超深井；有杆泵；助抽器；泵效；流线型；塔河油田中图分类号：ＴＥ９３３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０􀆰１６０８２／ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－４５７８􀆰２０１５􀆰１０􀆰０１６ＳｔｒｅａｍｌｉｎｅｄＰｕｍｐｉｎｇＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＤｅｖｉｃｅｆｏｒＵｌｔｒａ⁃ｄｅｅｐＲｏｄＰｕｍｐＷｅｌｌＣａｏＣｈａｎｇ　ＰｅｎｇＺｈｅｎｈｕａ　ＺｈａｎｇＪｉａｎｊｕｎ　ＺｈａｎｇＹｕａｎ　ＢｏＳｅｎ　ＤｉｎｇＷｅｎ（ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｉｎｏｐｅｃＮｏｒｔｈｗｅｓｔＢｒａｎｃｈ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｉｓｓｕｅｓｏｆｌｉｑｕｉｄｓｕｐｐｌｙｓｈｏｒｔａｇｅａｎｄｌｏｗｐｕｍｐｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｕｌｔｒａ⁃ｄｅｅｐｗｅｌｌｉｎＴａｈｅＯｉｌｆｉｅｌｄ，ｄｏｗｎｈｏｌｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｏｏｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｏｎｓｉｔｅｔｅｓｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｕｌｔｒａ⁃ｄｅｅｐｐｕｍｐｉｎｇｗｅｌｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙ􀆰Ｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｄｐｕｍ⁃ｐｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｈａｓｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ􀆰Ｔｈｉｓｔｏｏｌｄｏｅｓｎｏｔｃｈａｎｇｅｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ，ｂｕｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙ，ｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｆｌｕｉｄｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｉｎｅｓｐｅｅｄ，ｔｕｒｎｉｎｇｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｅｎｅｒｇｙｉｎｔｏｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙ，ｓｐｅｅｄｉｎｇｕｐｆｌｕｉｄｆｌｏｗ，ｃｈａｎｇｉｎｇｆｌｕｉｄｆｌｏｗｒｅｇｉｍｅ，ｔｈｕｓｉｎｃｒｅａｓｅｐｕｍｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｆｕｌｌｎｅｓｓｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ􀆰Ｔｈｅｓｐｉｒａｌｃｕｔｄｅｖｉｃｅｃｏｕｌｄｃｈａｎｇｅｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｆｌｕｉｄｉｎｔｏｔｈｅｐｕｍｐ，ｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｐｕｍｐｒｅ⁃ｓｉｓｔａｎｃｅ􀆰Ｆｉｅｌｄｔｅｓｔｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｏｏｌｃｏｕｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｆｌｕｉｄｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｏｐｕｍｐａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｕｍｐｆｉｌｌ⁃ｉｎｇｄｅｇｒｅｅｗｉｔｈｏｕｔｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｐｕｍｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅ􀆰Ｔｈｅｎｉｎｅｔｅｓｔｗｅｌｌｓｈａｄａｎｉｎｃｒｅａｓｅｄａｖｅｒａｇｅｐｕｍｐｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ４􀆰９％􀆰Ｓｉｘｏｆｔｈｅｎｉｎｅｗｅｌｌｓｈａｄａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｆｌｕｉｄｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｄａｖｅｒａｇｅｐｕｍｐｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ２１􀆰３％ａｎｄｅｎｈａｎｃｅｄａｖｅｒａｇｅｄａｉｌｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆ５􀆰３ｔ􀆰Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ⁃ｄｅｅｐｗｅｌｌ；ｒｏｄｐｕｍｐ；ｐｕｍｐｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅ；ｐｕｍｐｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｄ；ＴａｈｅＯｉｌｆｉｅｌｄ０　引　言塔河油田主力油藏为碳酸盐岩缝洞型油气藏［１］，储层具有极强的非均质性，流体性质复杂，油藏埋深均在５４００～６０００ｍ［２］。随着油田进一步开发，地层能量逐步衰减，动液面逐渐下降，而泵挂不断加深（目前平均泵挂２４４０ｍ，最深泵挂４５１６ｍ），油井面临供液不足及泵效低等一系列问题。鉴于此，陈灿等［３］从特种泵方面开展深抽技术研究，但仍不够完善。从国内现有的深抽工艺看，有杆泵深抽重点在于管杆柱优化及特种泵的研发，辅以相关配套，—８６—　　　　　　石　油　机　械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　　２０１５年　第４３卷　第１０期∗基金项目：国家科技重大专项“塔里木盆地大型碳酸盐岩油气田开发示范工程”（２０１１ＺＸ０５０４９－００３）。从而使泵挂不断加深［４－６］。总的来看，有杆泵深抽工艺的发展主要包括：①地面配套方面研发大冲程高载荷抽油机；②杆柱方面加强特种杆的研发，如碳纤维杆及连续钢质抽油杆等；③井下配套方面除了特种泵以外，国内外还研发了多种类型深抽配套工具，如分级助抽器及扶正器等。现有有杆泵深抽技术基本满足小于２５００ｍ泵挂的机械举升要求，但是对于泵挂大于２５００ｍ的超深井仍存在检泵频次高和泵效低等问题，有待进一步攻关。流线型助抽器通过管柱配套减少了流体流动过程中的各种损失，改善了流体的入泵条件，提高了泵的充满系数，从而提高油井产液量。流线型助抽器作为安装在泵下的一个配套工具，不依赖外部提供能量，只是提升了流体的入泵能力，提高了泵的充满程度，不改变抽油泵的功能和结构。文献［７］、［８］和［９］中介绍的助抽器实质上是在抽油杆柱上安装若干个带单向阀的短柱塞［５］，减小了抽油泵的漏失量，与分级助抽的原理类似，起到助抽和防偏磨的作用，但二者本质不同。流线型助抽器自２０１２年在塔河油田开展试验以来，收到了提液增效的良好效果。１　流线型助抽器技术分析１􀆰１　结构流线型助抽器主要由空气缠绕式防砂滤网、大压强进液筒、多级流速变化装置、旋转混配器和螺旋切入喷射器等部件组成，其结构如图１所示。１—空心缠绕式防砂筛网；２—降阻力筛管；３—液体旋转混合器；４—大压力进液筒；５—多级流速变化装置；６—螺旋切入喷射器；７—阀座；８—阀球。图１　流线型助抽器结构示意图Ｆｉｇ􀆰１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｄｐｕｍｐｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅ１􀆰２　工作原理流体从空心缠绕式防砂滤网进入到多级流速变化装置，在同等压力下，经机械变化，提高了液体聚焦力。多次缩径和扩径之后，压能与动能多次转变，加快了液体瞬间线速度，使液体形成射流进泵，加大了液体冲击力，提高了进泵量。流线型助抽器是伯努利方程在生产实际中的一个典型应用，是能量守恒定律的直观呈现。假定理想液体（没有粘性、不可压缩的假想液体）在管道中做恒定流动（压力、流速和密度不变化的流动形式），工程上伯努利方程的形式为［１０－１１］：ｐ＋ρｇｈ＋１２ρｖ２＝Ｃ（１）式中，ｐ为某一截面处的压力，Ｐａ；ρ为液体密度，ｋｇ／ｍ３；ｇ为重力加速度，ｍ／ｓ２；ｈ为截面距离研究面的高度，ｍ；ｖ为液体流速，ｍ／ｓ；Ｃ为常数。公式的物理意义为一段理想液体在密闭管道中流动，在任意截面处的能量总和是一个定值，只是压能、势能及动能之间进行转化。如在水平管或者不考虑高度变化的时候，只是在压能和动能之间转化，总和仍为定值，此时伯努利方程的形式为：ｐ＋１２ρｖ２＝Ｃ（２）　　助抽器长度为２􀆰２５～５􀆰６０ｍ，相比整个井筒举升高度，流体通过其长度产生的势能变化可以忽略不计，此阶段是一个压能降低、动能增加的过程，即流体的流速增加。通过计算机软件模拟了流体经过助抽器内部时流速及压力的变化图，可以更加直观地反映该装置的工作原理。助抽器入口和出口截面速度数值模拟如图２所示。从图中可以看出，流体流经助抽器流通截面最终变小，流速增加的过程，流体入泵能力增强，因此增强了泵体充满程度，提高了泵效。图２　助抽器入口和出口截面速度数值模拟图Ｆｉｇ􀆰２　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｉｎｌｅｔｓｅｃｔｉｏｎ　　　ａｎｄｏｕｔｌｅｔｓｅｃｔｉｏｎｏｆｐｕｍｐｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅ　　助抽器截面压力数值模拟如图３所示。从图中可以看出，流体流经助抽器是一个压降过程，根据—９６—２０１５年　第４３卷　第１０期曹　畅等：超深有杆泵井流线型助抽器的研究与应用　　　　　　伯努利方程，通过其表面的平均流速必然增加。压力大幅度降低也必然导致摩阻大幅度下降，有利于流体的流动。４次增速减速过程发生在流速变送器和二次增速器之间。流速的多次变化有利于形成细胞状油水两相流或气液两相流。图３　助抽器截面压力数值模拟图Ｆｉｇ􀆰３　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎ　　　ｐｕｍｐｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｃｒｏｓｓ⁃ｓｅｃｔｉｏｎ１􀆰３　技术特点针对塔河油田各区块原油不同的物性，流线型助抽器主要分为２种类型，一种适用于常规管式泵和杆式泵，另一种适用于抽稠泵，最大过液量可达５５０ｍ３／ｄ。该装置主要有以下特点：①不改变地层渗透能力，只是根据能量守恒原理，提高流体瞬间线速度，使其压能变动能，加快流体流速，改变流体流态，提高泵的充满系数，增加产量；②通过螺旋切入设备，改变流体的入泵状态，从而减小入泵阻力。２　现场试验及效果评价２􀆰１　试验概况截至目前，流线型助抽器累计试验９井次，其中配套抽稠泵４井次，配套管式泵５井次，应用效果见表１。从表可看出，９口试验井平均泵效提高４􀆰９％，其中前面６口井提液效果明显，泵效平均提高２１􀆰３％，日产液平均提高５􀆰３ｔ。２􀆰２　效果评价与分析（１）６口试验井取得较好的提液增效效果，３口井应用效果不佳。ＴＨ１０１０６井措施前泵效较高，后期高含水导致间开生产，措施后沉没度降低，导致泵效偏低，效果不佳；ＴＫ７７２井应用助抽器前、后均存在抽喷现象，影响了后期效果评价；Ｓ４７井泵挂较深（４１１５ｍ），助抽器下深超过了下限推荐值（３５００ｍ），且该井地层供液能力有限，后期生产时沉没度较小，因此应用效果欠佳。（２）泵效小于５０％的井使用助抽器后提液增效明显，如ＡＴ２－１Ｈ、ＴＫ７３３ＣＨ和ＴＫ６８２井，表明助抽器对于供液充足的低泵效井提高泵效明显。（３）具有稳定供液能力的井效果均较好，如ＡＴ２－１Ｈ、ＴＫ７３３ＣＨ和ＴＫ６８２井，而部分井存在供液不足、高含水或间开生产的情况，导致加装助抽器后提液效果一般，不利于体现助抽器的效果。表１　助抽器使用前、后效果对比情况Ｔａｂｌｅ１　Ｗｅｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｕｓｅｏｆｐｕｍｐｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅ井　名措施前措施后差值沉没度／ｍ日均产液／ｔ日均产油／ｔ泵效／％沉没度／ｍ日均产液／ｔ日均产油／ｔ泵效／％沉没度／ｍ产液／ｔ产油／ｔ泵效／％ＡＴ２－１Ｈ５０２３􀆰６０􀆰３１４􀆰７４７２１２􀆰４１􀆰５５０􀆰６－３０８􀆰８１􀆰２３５􀆰９ＴＫ７－４５４１７３８２９􀆰４６􀆰４７７􀆰０１６８０３０􀆰６１５􀆰２８０􀆰１－５８１􀆰２８􀆰８３􀆰１ＴＫ７－６３９１９８９１０􀆰７６􀆰８５６􀆰０１９６９１１􀆰６８􀆰２６０􀆰７－２００􀆰９１􀆰４４􀆰７ＴＫ７３３ＣＨ１４５６１０􀆰０２􀆰１２９􀆰２１６９４２２􀆰１９􀆰２７０􀆰２２３８１２􀆰１７􀆰１４０􀆰９Ｓ７２０４ＣＨ２７８４３􀆰５１􀆰３１７􀆰０６９８５􀆰５１􀆰６３７􀆰７－８６２􀆰００􀆰３２０􀆰７ＴＫ６８２１４４０１６􀆰６５􀆰４５７􀆰８２５４７２３􀆰１６􀆰６８０􀆰５１１０７６􀆰５１􀆰２２２􀆰７ＴＨ１０１０６２８１０２６