套保油田稠油排砂冷采螺杆泵系统的优化设计技术

套保油田稠油排砂冷采螺杆泵系统的优化设计技术中国石油吉林油田分公司排砂冷采是一项新的稠油开采方式，它除了要求特定的地质条件外，在举升工艺上要求采用具有高携砂性能的螺杆泵。吉林油田分公司通过在套保油田反复试验，总结出了设计应用高携砂螺杆泵各项技术参数的方法，即泵排量、转速、扬程、地面驱动功率的优选和油管、油杆、锚定器等井下工具的合理组合。通过2002〜2003年现场应用后，本技术充分发挥了油井产能，满足了排砂冷采的需要。一、二、三、四、五、套保稠油油田的基本状况螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展排砂冷采方式下螺杆泵举升工艺的应用效果排砂冷采方式下螺杆泵井下管柱的优化排砂冷采方式下螺杆泵生产管理及小修作业管理第一部分套保油田的基本状况简介套保稠油油田的基本状况套保油田位于吉林省白城市到保乡境内，西距白城市约20km。长白铁路、公路通过油田，交通方便。该油田区域构造位于松辽盆地南部西部斜坡区中部隆起区的西部缓坡带上，有萨尔图、葡萄花两套层系，主力油层为萨尔图油层。一、油田自然状况简介套保稠油油田的基本状况二、储层及原油性质套保稠油油藏埋藏浅，油层中部320m左右；纵向上油层集中发育，但油层厚度薄，多数在3～10m,平均有效厚度6.5m;储层胶结疏松；隔夹层薄，一般为1－5m；储层属高孔高渗储层,平均孔隙度35%，渗透率平均1.9μm2,含油饱和度为66%，凝固点-22℃，20℃时脱气原油密度0.925g/cm3,油层温度18℃时脱气原油粘度为3527mPa.s，流体类型为普通稠油，油层平均地层压力为3.22MPa。简介套保稠油油田的基本状况三、开采历程套保油田1999正式投入试采，先后开展过常规采油、蒸汽吞吐开采和排砂冷采三种开采方式的试验，因开采方式不同，采用的举升设备由抽油机配合稠油泵防砂采油到应用螺杆泵进行排砂冷采，同时经济效益也有较大变化。常规采油产量低，注蒸汽吞吐热采成本高，这两种开采方式的经济效益都比较差，而应用排砂冷采技术，油井的产能大幅度提高，与常规采油比日产油提高了近10倍（最高可达30t/d），取得良好的经济效益。目前形成了一套适合开发浅层稠油的排砂冷采配套举升工艺技术，为疏松砂岩稠油开发最先进的技术。第二部分螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展采油方式的选择的合适与否，决定了一个油田的经济效益，经历三年多的矿场试验，攻克了一系列技术难关，确定了套保油田采用排砂冷采技术进行开发。地层内大量砂子的产出是排砂冷采获得较高产量的关键因素。怎样将砂子安全举升到地面是采油工艺迫切需要解决的问题。从采油设备上来看，常规活塞式深井泵在地层产出液含砂较高时，经常发生卡泵现象。矿场实践表明，螺杆泵能很好地泵送高含砂量、高黏度原油，调整排量操作简单、精确，适合做为稠油排砂冷采的配套举升设备。因此套保油田的采油方式采用地面电动机皮带传动螺杆泵采油系统配合排砂冷采技术进行开采。螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展一、螺杆泵举升系统各部分的选择1、螺杆泵排量确定确定排量的原则：（1）、排砂冷采要求生产压差最好能放到最大；（2）、根据油井油层性质、排砂冷采试验井的生产情况，预测排砂冷采井初期产量（套保油田一般为4-35m3/d）；（3）、螺杆泵说明书注明：举升扬程400-600米时，泵效为65%-70%；（4）、为减轻摩损，螺杆泵一般采用中低转速（50-150rpm），在生产时可上下调整泵的转速，及时改变泵的排量。根据以上条件，套保油田排砂冷采使用10m3/d·100rpm、16m3/d·100rpm、28m3/d·100rpm三种排量的泵，以满足不同产量井的需要。（一）、井下泵及管柱部分一、螺杆泵举升系统各部分的选择螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展（一）、井下泵及管柱部分一、螺杆泵举升系统各部分的选择2、螺杆泵扬程的确定考虑螺杆泵的扬程受原油液体粘度、含砂量的影响，需要举升扬程相对高。根据稠油排砂冷采选泵软件计算，日产4m3/d、35m3/d需用扬程如下表：项目阻力Φ88.9mm油管Φ73mm油管4m3/d35m3/d4m3/d35m3/d杆管环空阻力（米）21180821001混合液举升到地面（米）385385385385地面回压（米）15151515合计4215804821401注：计算条件：含砂20%（V/V）、粘度3527mPa.s、Φ25mm抽油杆、泵挂350m、沉没度10m、回压0.15MPa。螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展一、螺杆泵举升系统各部分的选择（二）、抽油杆抽油杆设计原则是所选用抽油杆许用扭矩必须大于工作扭矩，并有不小于20%的安全系数。对于排砂冷采井，含砂增高时对扭矩影响极其敏感，含砂超过5%后，驱动扭矩直线上升。下面是Amoco公司在一口排砂冷采井测定含砂与驱动扭矩关系图。螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展（二）、抽油杆一、螺杆泵举升系统各部分的选择0204060801000204060801000200400600800100012001400020040060080010001200140005102015253035400510201525303540Amoco公司光杆力学测试结果244872961201440244872961201440累计测试时间（h）含砂（%）扭矩（N.m）载荷（Kn）载荷扭矩含砂0204060801000204060801000200400600800100012001400020040060080010001200140005102015253035400510201525303540Amoco公司光杆力学测试结果244872961201440244872961201440累计测试时间（h）含砂（%）扭矩（N.m）载荷（Kn）载荷扭矩含砂含砂（%）扭矩(Nm)0380568010710201050301140螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展一、螺杆泵举升系统各部分的选择（二）、抽油杆HP式中：T—抽油杆井口处许用扭矩，N﹒m；G—抽油杆剪切弹性模量，8.1×104MPa；IP—抽油杆截面惯性矩，mm4；HP—泵挂深，m；(0.5～1)H抽油杆许用扭矩计算公式为：G·IP·ΦT=───ф—许用扭矩角ф=─────，rad；3.14螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展一、螺杆泵举升系统各部分的选择（二）、抽油杆代入φ22mm和φ25mm两种规格油杆数据，可算出φ22mm油杆许用扭矩范围为296-592N.m，φ25mm油杆许用扭矩范围为494-988N.m。据实测，在泵挂350m、产量20t/d、转速60rpm情况下，含砂为0和30%工况下，井口最大驱动扭矩分别为158N.m和474Nm。选择φ25mm油杆能满足生产需要。实践证明，φ25mm油杆的断脱几率要远底于φ22mm油杆。螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展（三）、油管一、螺杆泵举升系统各部分的选择排砂冷采普遍采用φ88.9mm油管与φ25mm油杆配合，目的是减小管杆环空阻力。（四）、井口采用7″简易150型井口，驱动头与井口法兰连接，同时考虑排砂冷采环空测试的需要，在井口法兰下部设计了偏心测试头。（五）、光杆依据生产时扭矩要求和日常管理经常提出转子冲洗需要，选定φ32mm\10m长的光杆。螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展二、配套工具螺杆泵井下配套工具主要有油管扭力锚、抽油杆防脱器及杆、管扶正器，套保油田油井是浅直井，螺杆泵转速较低，所以抽油杆防脱器及杆、管扶正器没有使用，现场没有杆管偏磨及倒转脱扣现象发生。套保油田试验过支撑卡瓦锚和扭力锚，试验结果表明带扭力锚的管柱受力状况好，不用专门解封、座封。工具简单，对排砂冷采井十分适用。常规的防转锚不能承受油井高含砂时产生的大扭矩，因此采用加拿大专为排砂冷采井生产的承受大扭矩的翻板式扭力锚。该锚定器使用方便、性能稳定，油田目前采用加拿大生产的7″翻板式扭力锚，锚长393.7mm。螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展三、地面驱动装置及电控部分地面驱动装置将动力传递给井下泵转子，使转子实现行星运动。主要包括：电机、传动皮带、减速箱、盘根盒、电控箱五部分。螺杆泵地面驱动装置的选择除考虑与井口连接及减速比等因素外，更重要的是要考虑驱动头电机功率的承载能力。螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展（一）、电机功率设计三、地面驱动装置及电控部分电机功率设计主要考虑油井初产时的高含砂及措施快速提液要求，各部份的消耗功率如下：项目功率损耗(KW)井口压力0.054驱动头0.56环空阻力0.3螺杆泵2.65合计3.5615m3/d·100r/min时系统功率损耗表螺杆泵在套保稠油油田开发中的应用发展（二）、电控箱三、地面驱动装置及电控部分电控箱控制电机的启动、停止，配备变频调速装置，以满足时常调整排量的需要，可以精确控制动液面，保持较大的生产压差，确保排砂冷采的成功，并具有过载、欠载等异常情况自动停机保护功能，防止抽油杆断脱和干磨事故发生。第三部分排砂冷采方式下螺杆泵井下工艺管柱的优化排砂冷采方式下螺杆泵井下工艺管柱的优化试验初期我们采用的是常规的管柱结构，即油管+泵+锚定器+定位销+尾管。缺点：泵的沉没度比较低。由于油层压力低，原油粘度大且含砂高，螺杆泵的吸液能力差，造成泵效低和尾管内及其入口积砂，经常发生堵塞。排砂冷采方式下螺杆泵井下工艺管柱的优化为解决砂堵尾管造成频繁作业问题，我们对井下管柱进行了第一次改进，将泵吸入口下在油层底界。由于支撑卡瓦锚必须下在油层之上，锚和泵之间用几根油管相连，为防转脱，将各处丝扣用钢筋焊接。见下图。排砂冷采方式下螺杆泵井下工艺管柱的优化排砂冷采方式下螺杆泵井下工艺管柱的优化第二次改进是改变油管锚固方式，选用翻板式扭力锚，它的特点是结构简单、工作可靠、坚固耐用。管柱结构是油管+螺杆泵+定位销+扭力锚排砂冷采方式下螺杆泵井下工艺管柱的优化第二次改进后存在问题：一是油井出砂量大，砂埋泵吸入口：二是原油粘度高，进泵阻力大，井下泵的充满程度低。解决方案：把普通的定位销改成侧开槽定位销第四部分排砂冷采方式下螺杆泵生产管理及小修作业管理排砂冷采方式下螺杆泵生产管理及小修作业管理套保油田在三年多的生产过程中，摸索、总结出了一些经验作法，初步形成了螺杆泵排砂冷采的八项管理制度。《螺杆泵日常管理规程》《油井管理制度》《新投油井的管理》《生产井异常情况的管理》《生产井异常情况判断流程图》《高含砂生产井的管理》《螺杆泵井下作业施工的管理规定》《井下作业中捞砂作业管理规定》8项制度第五部分排砂冷采方式下螺杆泵举升工艺的应用效果及几点认识排砂冷采方式下螺杆泵举升工艺的应用效果套保油田自2000年试验螺杆泵作为稠油举升的配套设备以来，对选泵、杆管泵及井下工具的组合有了一套成型的经验，最终确定采用高携砂螺杆泵作为套保油田稠油排砂冷采开发的配套举升设备。现场应用证明，对于含砂体积比30%～40%的油井，在没有沉砂口袋的情况下也能正常工作。2003年产能建设54口井全部应用该技术，取得了成功。排砂冷采方式下螺杆泵举升工艺的几点体会第一、螺杆泵举升系统是最好的稠油举升设备，排砂冷采必须采用高携砂性能的螺杆泵，它适合泵送高粘原油，而不受原油中含砂量的限制。矿场应用结果表明，螺杆泵已成功地泵送过含砂量高达85%、原油粘度为2000mPa.S的稠油。第二、螺杆泵举升系统现场试验表明，含砂量增大，设计稠油排砂冷采井的地面驱动设备的功率必须比常规设计大。第三、螺杆泵举升系统中的井下杆、管组合必须满足高携砂要求。第四、螺杆泵举升系统中井下螺杆泵的吸入口下入位置在油层射孔底界下1m以内，确保最大生产压差，而又不被砂埋。排砂冷采方式下螺杆泵举升工艺的几点体会第五、螺杆泵举升系统中电控箱必须配备变频器，调整排量简单、迅速。螺杆泵的排量与转速成正比，只要旋转调速旋钮就可以实现无级变速，可精确调整油井排量，控制动液面，从而控制泵的沉没度。第六、螺杆泵举升系统投资少，运行费用低。驱动系统结构简单，设备造价低，系统效率高，