套保油田稠油排砂冷采螺桿泵系統(tǒng)的優(yōu)化設計技術

1、,套保油田稠油排砂冷采螺桿泵系統(tǒng)的優(yōu)化設計技術 中國石油吉林油田分公司,,,排砂冷采是一項新的稠油開采方式，它除了要求特定的地質(zhì)條件外，在舉升工藝上要求采用具有高攜砂性能的螺桿泵。吉林油田分公司通過在套保油田反復試驗，總結(jié)出了設計應用高攜砂螺桿泵各項技術參數(shù)的方法，即泵排量、轉(zhuǎn)速、揚程、地面驅(qū)動功率的優(yōu)選和油管、油桿、錨定器等井下工具的合理組合。通過2002?2003年現(xiàn)場應用后，本技術充分發(fā)揮了油井產(chǎn)能，滿足了排砂冷采的需要

2、。,,,,,,,,一、二、三、四、五、,套保稠油油田的基本狀況,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,排砂冷采方式下螺桿泵舉升工藝的應用效果,排砂冷采方式下螺桿泵井下管柱的優(yōu)化,排砂冷采方式下螺桿泵生產(chǎn)管理及小修作業(yè)管理,第一部分套保油田的基本狀況,,,,,,簡介,套保稠油油田的基本狀況,套保油田位于吉林省白城市到保鄉(xiāng)境內(nèi)，西距白城市約20km。長白鐵路、公路通過油田，交通方便。 該油田區(qū)域構造位于松遼盆地南部西部斜

3、坡區(qū)中部隆起區(qū)的西部緩坡帶上，有薩爾圖、葡萄花兩套層系，主力油層為薩爾圖油層。,一、油田自然狀況,,,,,,簡介,套保稠油油田的基本狀況,,二、儲層及原油性質(zhì),套保稠油油藏埋藏淺，油層中部320m左右；縱向上油層集中發(fā)育，但油層厚度薄，多數(shù)在3～10m,平均有效厚度6.5m;儲層膠結(jié)疏松；隔夾層薄，一般為1－5m；儲層屬高孔高滲儲層,平均孔隙度35%，滲透率平均1.9μm2,含油飽和度為66%，凝固點-22℃，20℃時脫氣原油密度0.9

4、25g/cm3,油層溫度18℃時脫氣原油粘度為3527mPa.s，流體類型為普通稠油，油層平均地層壓力為3.22MPa。,,,,,,簡介,套保稠油油田的基本狀況,,三、開采歷程,套保油田1999正式投入試采，先后開展過常規(guī)采油、蒸汽吞吐開采和排砂冷采三種開采方式的試驗，因開采方式不同，采用的舉升設備由抽油機配合稠油泵防砂采油到應用螺桿泵進行排砂冷采，同時經(jīng)濟效益也有較大變化。 常規(guī)采油產(chǎn)量低，注蒸汽吞吐熱采成本高，這兩種

5、開采方式的經(jīng)濟效益都比較差，而應用排砂冷采技術，油井的產(chǎn)能大幅度提高，與常規(guī)采油比日產(chǎn)油提高了近10倍（最高可達30t/d），取得良好的經(jīng)濟效益。 目前形成了一套適合開發(fā)淺層稠油的排砂冷采配套舉升工藝技術，為疏松砂巖稠油開發(fā)最先進的技術。,第二部分螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的 應用發(fā)展,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,采油方式的選擇的合適與否，決定了一個油田的經(jīng)濟效益，經(jīng)歷三年多的礦場試驗，

6、攻克了一系列技術難關，確定了套保油田采用排砂冷采技術進行開發(fā)。 地層內(nèi)大量砂子的產(chǎn)出是排砂冷采獲得較高產(chǎn)量的關鍵因素。怎樣將砂子安全舉升到地面是采油工藝迫切需要解決的問題。從采油設備上來看，常規(guī)活塞式深井泵在地層產(chǎn)出液含砂較高時，經(jīng)常發(fā)生卡泵現(xiàn)象。礦場實踐表明，螺桿泵能很好地泵送高含砂量、高黏度原油，調(diào)整排量操作簡單、精確，適合做為稠油排砂冷采的配套舉升設備。 因此套保油田的采油方式采用地面電動機皮帶傳動

7、螺桿泵采油系統(tǒng)配合排砂冷采技術進行開采。,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,一、螺桿泵舉升系統(tǒng)各部分的選擇,1、螺桿泵排量確定 確定排量的原則：（1）、排砂冷采要求生產(chǎn)壓差最好能放到最大；（2）、根據(jù)油井油層性質(zhì)、排砂冷采試驗井的生產(chǎn)情況，預測 排砂冷采井初期產(chǎn)量（套保油田一般為4-35 m3/d）；（3）、螺桿泵說明書注明：舉升揚程400-600米時，泵效為

8、 65%-70%；（4）、為減輕摩損，螺桿泵一般采用中低轉(zhuǎn)速（50-150rpm）， 在生產(chǎn)時可上下調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速，及時改變泵的排量。 根據(jù)以上條件，套保油田排砂冷采使用10m3/d·100rpm、16 m3/d·100rpm、28 m3/d·100rpm 三種排量的泵，以滿足不同產(chǎn)量井的需要。,（一）、井下泵及管柱部分,一、螺桿泵舉升系統(tǒng)各部分的選擇,,螺桿泵在套保稠油油

9、田開發(fā)中的應用發(fā)展,,（一）、井下泵及管柱部分,一、螺桿泵舉升系統(tǒng)各部分的選擇,2、螺桿泵揚程的確定 考慮螺桿泵的揚程受原油液體粘度、含砂量的影響，需要舉升揚程相對高。根據(jù)稠油排砂冷采選泵軟件計算，日產(chǎn)4m3/d、35m3/d需用揚程如下表：,注：計算條件：含砂20%（V/V）、粘度3527mPa.s、Φ25mm抽油桿、泵掛350m、沉沒度10m、回壓0.15MPa。,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,一、螺桿泵舉升系統(tǒng)

10、各部分的選擇,（二）、抽油桿,抽油桿設計原則是所選用抽油桿許用扭矩必須大于工作扭矩，并有不小于20%的安全系數(shù)。對于排砂冷采井，含砂增高時對扭矩影響極其敏感，含砂超過5%后，驅(qū)動扭矩直線上升。下面是Amoco公司在一口排砂冷采井測定含砂與驅(qū)動扭矩關系圖。,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,（二）、抽油桿,一、螺桿泵舉升系統(tǒng)各部分的選擇,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,一、螺桿泵舉升系統(tǒng)各部分的選擇,（二）、抽油桿,HP

11、 式中： T —抽油桿井口處許用扭矩，N﹒m；G —抽油桿剪切彈性模量，8.1×104MPa；IP —抽油桿截面慣性矩，mm4；HP —泵掛深，m； (0.5～1)H,抽油桿許用扭矩計算公式為： G·IP

12、·Φ,T=───,ф—許用扭矩角 ф=───── ，rad；,3.14,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,一、螺桿泵舉升系統(tǒng)各部分的選擇,（二）、抽油桿,代入φ22mm和φ25mm兩種規(guī)格油桿數(shù)據(jù)，可算出φ22mm油桿許用扭矩范圍為296-592N.m，φ25mm油桿許用扭矩范圍為494-988N.m。 據(jù)實測，在泵掛350m、產(chǎn)量20t/d、轉(zhuǎn)速60rpm情況下，含砂為0和30%工況下，井口最大驅(qū)動扭矩分別為

13、158N.m和474Nm。 選擇φ25mm油桿能滿足生產(chǎn)需要。實踐證明， φ25mm油桿的斷脫幾率要遠底于φ22mm油桿。,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,（三）、油管,一、螺桿泵舉升系統(tǒng)各部分的選擇,排砂冷采普遍采用φ88.9mm油管與φ25mm油桿配合，目的是減小管桿環(huán)空阻力。,（四）、井口,采用7″簡易150型井口，驅(qū)動頭與井口法蘭連接，同時考慮排砂冷采環(huán)空測試的需要，在井口法蘭下部設計了偏心測試頭。,（五）、光桿,依據(jù)

14、生產(chǎn)時扭矩要求和日常管理經(jīng)常提出轉(zhuǎn)子沖洗需要，選定φ32mm\10m長的光桿。,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,二、配套工具,螺桿泵井下配套工具主要有油管扭力錨、抽油桿防脫器及桿、管扶正器，套保油田油井是淺直井，螺桿泵轉(zhuǎn)速較低，所以抽油桿防脫器及桿、管扶正器沒有使用，現(xiàn)場沒有桿管偏磨及倒轉(zhuǎn)脫扣現(xiàn)象發(fā)生。 套保油田試驗過支撐卡瓦錨和扭力錨，試驗結(jié)果表明帶扭力錨的管柱受力狀況好，不用專門解封、座封。工具簡單，對排砂冷采井十

15、分適用。 常規(guī)的防轉(zhuǎn)錨不能承受油井高含砂時產(chǎn)生的大扭矩，因此采用加拿大專為排砂冷采井生產(chǎn)的承受大扭矩的翻板式扭力錨。該錨定器使用方便、性能穩(wěn)定，油田目前采用加拿大生產(chǎn)的7″翻板式扭力錨，錨長393.7mm。,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,三、地面驅(qū)動裝置及電控部分,地面驅(qū)動裝置將動力傳遞給井下泵轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)行星運動。主要包括：電機、傳動皮帶、減速箱、盤根盒、電控箱五部分。螺桿泵地面驅(qū)動裝置的選擇除考慮與井口連接及

16、減速比等因素外，更重要的是要考慮驅(qū)動頭電機功率的承載能力。,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,（一）、電機功率設計,三、地面驅(qū)動裝置及電控部分,電機功率設計主要考慮油井初產(chǎn)時的高含砂及措施快速提液要求，各部份的消耗功率如下 ：,15 m3/d·100 r/min時系統(tǒng)功率損耗表,,螺桿泵在套保稠油油田開發(fā)中的應用發(fā)展,,（二）、電控箱,三、地面驅(qū)動裝置及電控部分,電控箱控制電機的啟動、停止，配備變頻調(diào)速裝置，以滿足時常

17、調(diào)整排量的需要，可以精確控制動液面，保持較大的生產(chǎn)壓差，確保排砂冷采的成功，并具有過載、欠載等異常情況自動停機保護功能，防止抽油桿斷脫和干磨事故發(fā)生。,第三部分排砂冷采方式下螺桿泵井下工藝管柱的優(yōu)化,,排砂冷采方式下螺桿泵井下工藝管柱的優(yōu)化,,試驗初期我們采用的是常規(guī)的管柱結(jié)構，即油管+泵+錨定器+定位銷+尾管。 缺點：泵的沉沒度比較低。由于油層壓力低，原油粘度大且含砂高，螺桿泵的吸液能力差，造成泵效低和尾管內(nèi)及其入

18、口積砂，經(jīng)常發(fā)生堵塞。,,排砂冷采方式下螺桿泵井下工藝管柱的優(yōu)化,,為解決砂堵尾管造成頻繁作業(yè)問題，我們對井下管柱進行了第一次改進，將泵吸入口下在油層底界。由于支撐卡瓦錨必須下在油層之上，錨和泵之間用幾根油管相連，為防轉(zhuǎn)脫，將各處絲扣用鋼筋焊接。見下圖。,,排砂冷采方式下螺桿泵井下工藝管柱的優(yōu)化,,,排砂冷采方式下螺桿泵井下工藝管柱的優(yōu)化,,第二次改進是改變油管錨固方式，選用翻板式扭力錨，它的特點是結(jié)構簡單、工作可靠、堅固耐用。

19、 管柱結(jié)構是油管+螺桿泵+定位銷+扭力錨,,排砂冷采方式下螺桿泵井下工藝管柱的優(yōu)化,,第二次改進后存在問題： 一是油井出砂量大，砂埋泵吸入口： 二是原油粘度高，進泵阻力大，井下泵的充滿程度低。 解決方案：把普通的定位銷改成側(cè)開槽定位銷,第四部分排砂冷采方式下螺桿泵生產(chǎn)管理及小修作業(yè)管理,,排砂冷采方式下螺桿泵生產(chǎn)管理及小修作業(yè)管理,,套保油田在三年多的生產(chǎn)過程中，

20、摸索、總結(jié)出了一些經(jīng)驗作法，初步形成了螺桿泵排砂冷采的八項管理制度。 《螺桿泵日常管理規(guī)程》 《油井管理制度》 《新投油井的管理》 《生產(chǎn)井異常情況的管理》 《生產(chǎn)井異常情況判斷流程圖》 《高含砂生產(chǎn)井的管理》 《螺

21、桿泵井下作業(yè)施工的管理規(guī)定》 《井下作業(yè)中撈砂作業(yè)管理規(guī)定》,,8項制度,第五部分排砂冷采方式下螺桿泵舉升工藝的應用效果及幾點認識,,排砂冷采方式下螺桿泵舉升工藝的應用效果,,套保油田自2000年試驗螺桿泵作為稠油舉升的配套設備以來，對選泵、桿管泵及井下工具的組合有了一套成型的經(jīng)驗，最終確定采用高攜砂螺桿泵作為套保油田稠油排砂冷采開發(fā)的配套舉升設備?，F(xiàn)場應用證明，對于含砂體積比30%～40%的油井，在沒

22、有沉砂口袋的情況下也能正常工作。2003年產(chǎn)能建設54口井全部應用該技術，取得了成功。,,排砂冷采方式下螺桿泵舉升工藝的幾點體會,,第一、螺桿泵舉升系統(tǒng)是最好的稠油舉升設備，排砂冷采必須采用高攜砂性能的螺桿泵，它適合泵送高粘原油，而不受原油中含砂量的限制。礦場應用結(jié)果表明，螺桿泵已成功地泵送過含砂量高達85%、原油粘度為2000mPa.S的稠油。 第二、螺桿泵舉升系統(tǒng)現(xiàn)場試驗表明，含砂量增大，設計稠油排砂冷采井的地

23、面驅(qū)動設備的功率必須比常規(guī)設計大。 第三、螺桿泵舉升系統(tǒng)中的井下桿、管組合必須滿足高攜砂要求。 第四、螺桿泵舉升系統(tǒng)中井下螺桿泵的吸入口下入位置在油層射孔底界下1m以內(nèi)，確保最大生產(chǎn)壓差，而又不被砂埋。,,排砂冷采方式下螺桿泵舉升工藝的幾點體會,,第五、螺桿泵舉升系統(tǒng)中電控箱必須配備變頻器，調(diào)整排量簡單、迅速。螺桿泵的排量與轉(zhuǎn)速成正比，只要旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕就可以實現(xiàn)無級變速，可精確調(diào)整油井排量，控制動

24、液面，從而控制泵的沉沒度。 第六、螺桿泵舉升系統(tǒng)投資少，運行費用低。驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構簡單，設備造價低，系統(tǒng)效率高，維護工作量小，運行成本低，與往復有桿泵系統(tǒng)相比最少節(jié)電15%。 第七、螺桿泵舉升系統(tǒng)不存在對地表土壤的依賴，套保油田油井大部分在沼澤及稻田，采用螺桿泵是最好的解決辦法，因為螺桿泵驅(qū)動頭安裝在井口上，不存在對地表土壤的依賴。,經(jīng)過幾年的反復試驗，吉林油田分公司摸索出了一套螺桿泵系統(tǒng)的優(yōu)化設計