地面驱动螺杆泵系统的应用

地面驱动螺杆泵系统的应用

沈　江　沈瑞林

(胜利油田机械公司)

摘　要　近年来随着螺杆泵采油技术的发展,井下螺杆泵已在稠油井开发、煤层

气井排水采气、中或低粘油井的较高扬程、大排量人工举升等领域得到广泛应用。对

国内外井下螺杆泵的现场使用情况进行了分析与研究,借鉴国外螺杆泵开采技术的

成功经验,探讨螺杆泵在不同井况中遇到的各种问题,及其解决问题的方法和思路。

主题词　螺杆泵　机械采油　人工举升　应用　稠油开采　煤层气

自1980年以来地面驱动螺杆泵(简称螺杆泵)开始投入商业应用,主要在加拿大用于重油图1　螺杆泵在不同时期和不同领域的应用

及稠油的开采。第一代产品仅限于举升高

度为500m 、在100r /m in 时排量4m 3/d 。

即便如此,由于制造产品质量不高,定子粘

结不牢,损坏很快。然而这一技术展示了巨

大优越性,使其性能迅速得到改进。几年

后,螺杆泵改进了定子弹性体材质和提高

了排液能力,1986年,螺杆泵在美国开始广

泛应用于煤层气生产的排水作业。通过进

一步增加排液能力,逐渐使螺杆泵进入较

高扬程、高排量的原油人工举升领域。近年来由于定子弹性体的不断改进,使其首次用于抽汲轻油及较高井温的开采领域。

目前国内外各制造厂家仍在不断改进螺杆泵的设计和材料,以进一步拓宽其应用范围。图1展示出螺杆泵在不同应用领域的历史过程,表明了它的优越性能。

螺杆泵在重油及稠油(沥青)开采中的应用

广义来讲,稠油开采可以定义为重度在18°API 以下的原油开采问题。这种类型的油井广泛分布于加拿大、俄罗斯、委内瑞拉和中国。它们最重要的特性是高粘度。重油粘度一般在500～15000cp 之间,而稠油(沥青)则在100000cp 左右。在用常规游梁式抽油机开采高粘油时,会遇到很多问题,例如:油井出砂造成井下泵的严重磨损;抽油杆的伸长;排液量的下降;以及由于游梁式抽油机在上、下行程中的工况不平衡造成的功率消耗大、效率低、故障多等问题。而螺杆泵就是设计用于抽汲高粘液体和多相液体。此外,螺杆泵系统的投资及运行费用低廉,对不怎么赚钱的稠油开采具有吸引力。目前在加拿大新开的稠油井几乎全部使用螺杆泵来生产。在重油及稠油井使用螺杆泵系统开采时,所遇到的主要问题及建议解决方法归纳有以下几点:33

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1.液流压力损失问题

高粘度液体在流经油管及地面管线时,导致巨大的液流压力损失,这一压力降作用在泵上引起泵的超载和过大扭矩,因此对井下泵、马达功率等选择都要充分考虑到这一点。

可采取若干办法来减少液流压力损失。通常液流压力损失都是发生在油管,故保证油管与抽油杆之间的环形空间足够大即可降低液流压力损失。这可采用大直径的油管来达到目的。然而使用大尺寸油管还要考虑到套管尺寸、成本以及携砂能力等因素的影响。在液流压力损失大的油井中,要尽量避免使用大直径的扶正器和多级抽油杆导套,使用连续抽油杆可使压力损失降至最低。

地面液流管线中的压力损失也必须加以考虑。在地面输油管线中要尽量避免使用三通和90°弯头,同时要考虑外界环境温度对液流压力损失的影响。

在某些情况下,可采取辅助措施以降低液流压力损失而不必改变设备型号。例如:可对产出液进行降粘处理,采用电热杆技术降粘;向井下环形空间注入水以降低油管压力损失;在井口向输油管线加入水,降低输油管压力损失等。有时为避免过度压力降不得不降低油井产量。

2.防砂问题

在重油的开采中,防砂是一个大问题。在生产开始阶段出砂是最严重的,有时可达30%,然后逐步稳定在3%以下。砂子可引起设备的早期磨损、增大杆柱扭矩和费电。由于在泵入口处、泵空腔内和出口处砂子的堆集使排出液流减少,甚至在泵进口或出口处可形成栓塞,使泵完全失效。

通过采取适当的泵系统设计,可使含砂油井在适当的产量下稳定生产。大多数问题是由于短时间内的迅速出砂而造成泵的失效。虽然某些出砂先是自然产生的,但也可由于某些操作不当而引发大量出砂。例如大幅度提高泵的转速会引发砂流,在提高泵转速和产量的同时,改变了油井动液面和油层处压力。井底压力的迅速改变,可破坏射孔段外面的砂桥稳定性,使其塌陷致大量砂子进入套管内。当对泵速做较大调整时,需要几天的时间逐步使油井适应稳定。其它使井底压力骤然变化的措施也应尽量避免,例如放套管气。修井作业后由于清洗油井造成井底压力变化,通常使接下来的生产会有一个高含砂开采时期。

在油管中螺杆泵上部的砂子聚集是一个普遍问题,它使泵排出压力增加,减少了液流量,甚至造成泵的损坏。当液流不能携带出这些砂子时就形成砂的聚集。防止砂子在油管中沉淀,液流速度必须超过砂子沉淀速度,并需要一定值。同时要考虑到液流中砂粒大小及液流的性质等因素。在直井和水平井中,泵的上部和下部形成砂子沉淀是一个通常碰到的问题。注意提高液流速度可提高其携砂能力,设计之初就要考虑携砂能力的产率范围,并留有砂流进入系统的余地。提高液流速度的方法有: 减小油管尺寸,然而应用小油管又必须考虑到液流的压力损失问题。 在环形空间注入液体,使泵的排量增大,或在泵的上部引入循环液流。

为了减少砂子在泵入口处的堆积,在泵下面设一个可容纳过量砂子的地方就显得非常重要,沉砂空间愈大,可较长时间使用。有些泵的进口设计也有助于砂的处理,在泵的进口处使液流速度趋缓,使砂子沉出。所以对多砂井,泵进口的设计要使液流能自由地直接进入泵的底部,也就是说尽量减少进口阻力和压力损失。

在实际操作中,另一个重要问题是要在选择系统的设备中留有余量。如果一系统是在满负荷运转,则任何一点负荷增加的变化都使液流速度降低,甚至造成系统的停运,这时砂子就会沉积在泵上,造成泵的失效,以致修井。

油井中的砂子极具磨砺性,它对泵、杆柱和油管均造成磨损。因为泵的磨损与泵的转速成正比,故为获得一定排量时,应使用较大排量泵,以便在低速下工作,达到延长设备使用寿命的目的。然而大排量泵可能不如小排量泵那样有效地排砂。慎重选用定子的弹性体使其有最好的耐磨性。选用配合间隙较松的定、转子,有利于减少磨损。

3.井底压力低的问题

通常重油及高粘稠油井生产率相对较低,往往在极低的井底压力下开采以图获取最大的产量。这样的抽汲条件,可引起泵的入流困难和受到天然气的干扰。这两种情况会使泵的容积效率和产量下降,在低产量情况下(<20m 3

/d),它会使由于定子内热的增加而急剧加快定子的阻滞与损坏。

防止入流问题发生的最好办法就是使用大排量泵在低转速下运行。另一可选的方法是在环形空间注入液体或稀释剂,以降低产出液的粘度。同时要求在泵入口部分使井液易于通过而无大的压力降,在水平井中泵的沉没度要尽可能大。排除气体干扰的最好办法是把气体分离并远离泵的进口处。可能时,应把泵下过射孔段或安装气体分离装置。较高的进口压力也可以防止游离气的干扰,创造较高的进口压力,可以在泵的下部增加一个加压泵或提高套管环形空间的压力。

在低产量油井中,提高泵的转速或根据井下液面数据做出决定时要十分注意,因为在重油井中时常有大量的泡沫聚集在环形空间中,使声波测量的液面有很大误差,易形成误导,从而很容易造成泵的抽空。螺杆泵在煤层排水采气中的应用

有些煤层是甲烷的很好产地。在70年代,美国各地对煤层甲烷开始了商业开采。一般煤层气井深度是在400～1200m ,由于煤层具有较低的渗透率,为得到经济开采量通常要采用煤层水力压裂;同时很多煤层存在着高饱和度水,故必须除去这些水以便降低煤层压力,使气流从井中逸出。为此曾采用了若干不同形式的人工举升方法,以使气体从油套环形空间逸出。

在开始生产阶段,排水量很大,但经过几个月的开采后,一般水量会降低到原始产出量的25%,典型的煤层排水量为0～400m 3/d 。在井上装备大排量的抽汲设备,而大部分时间处于关闭和停抽状态。加之在抽出的煤层水中夹带着悬浮砂粒、煤粉和其它固体颗粒。此外,煤层气的开采生产是有限的,所以它的开采投资成本和运行费用都必须最低,在经济上才是可行的。煤层气井曾使用传统的游梁式抽油机和电潜泵来排水采气,但是以上两者难于对付井液中的固体颗粒与气体。在80年代中期,螺杆泵系统已发展到适合煤层气井排水所需要的排量和扬程,同时螺杆泵可以很好地适应井液中的细煤粉及气液混合体,再加上螺杆泵较低的投资与操作费用,使该设备成为煤层气排水的首选设备,国外当前大约有1500台螺杆泵工作在煤层气排水井上。

使用螺杆泵于煤层气排水所产生的主要问题及提示应选用的装备和生产实践论述如下:

1.泵的选择与使用

泵的选择主要是决定泵的排量、扬程和定子弹性体。得到某一定的产量要看泵在何种速度下运转,在大多数情况下,排水可选用在高转速下工作的泵。平均来说转速在300～500r /min ,最高可达1000r /min 。压力的选择要选用高扬程泵,即尽可能选用有过剩扬程能力的泵,这样351998年2月地面驱动螺杆泵系统的应用

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可以延长泵的寿命。

煤层气井用泵对定子的弹性体选择是非常关键的,产出液中所包含的物质不论是自然产出或人工添加的都可以构成对定子弹性体的危害。水中常含有大量的氯化物,这就要求定子材料中有较高的丙烯酸含量。硫化铁的含量如果过高则会粘着于定子上,应用过饱和的弹性材料可以防止硫化铁的粘附。在煤层气中CO2含量极高,当这些气体通过泵时会造成弹性体的膨胀。虽然有许多办法可以减少CO2的影响,但仍应在选泵时预先留出膨胀的余地,注意在井中引入任何添加剂前,必须考虑它与泵弹性体的适应性。

煤层气井的开采中,由于开采的经济性要求,故要求泵有最长的使用寿命,因此为减少提油管的作业费用,有时就只把磨损的转子提出,以便更换新的较大尺寸的转子,从而可以使泵的使用寿命延长。

2.井液含固体颗粒问题

在煤层气井的水中含有各种固体砂砾和煤粉,气井开采初期井液含固体颗粒严重,但随后会逐渐减少,使气井缓慢地提液和不使井底压力过快地变化,可以阻止大的固体颗粒进入井底。砂子和煤粉堆积在泵的进口可引起故障,同样,固体颗粒在泵内及泵上都会加速设备的磨损。

螺杆泵系统可以对付产出液中的大部分砂子和煤粉颗粒,然而有些煤粒的直径可以达到20mm,当这样大直径煤粒留在泵中,其结果或是突然引起泵扭矩的剧增或将泵完全卡死。为防止这种情况的发生,泵的进口尾管切成细缝,只准许煤粉和砂子及水进入泵内。实践表明要有几种预防措施,例如在系统设计中就要适应这种扭矩的剧增,以使煤块排出;使用扭矩限制器,使扭矩的升高不致于超过扭断抽油杆的扭矩。当关井和停电时,要有有效的制动系统,防止抽油杆反弹,同时要让其能量得到逐步的释放。无控制的倒转会损坏设备并使抽油杆倒扣。

砂子和煤颗粒在泵的入口处堆积,会使泵的排量降低,当完全堵塞时,会损坏泵导致失效。为防止这种情况发生,在泵的进口处应留有沉砂尾管,使固体颗粒沉入其中。在煤层气的应用中储砂尾管一般用到50m。注意到提油管作业时,要将沉砂尾管中砂子清洗干净,以保证下井有最大容砂量。为保证砂子不在泵上面堆积,必须使液体的流速超过固体沉降时的流速。可以采用较小直径的油管来提高流速。

固体颗粒使泵、抽油杆、油管加速磨损,煤层气井一般应用高泵速,更使磨损加剧。因为磨损直接正比于转速,所以应使用大排量泵在低速下工作,以延长其寿命。也可以在泵的最初几周运转时采用低转速,这时其固体颗粒含量最高。虽然大多数煤层气井都是直井,但由于其高速和液体的磨砺性,还是要使用抽油杆扶正器,以防止抽油杆和油管的直接磨损。

在煤层气井的井液中也含有固体的溶解物,它们通过沉淀或结晶以垢屑的形式附着于生产设备上,严重时这些沉积物可造成对液流的很大限制。虽然用某些化学物质可以除掉它们,但在选择溶剂时一定要考虑到与泵定子弹性体的相容性问题。

3.气体处理

煤层气开采过程中有相当多的气体,理想的情况下,这些气体通过套管环形空间直接到气体收集器,但实际上这些气体的一部分经常要进入泵中,螺杆泵虽然可以泵出这些气体,不会形成气锁,但这些气体占据了液流的位置,因此降低了泵的效率和减少了排水量。如果太多的气体进入泵内则冷却液量不足,因摩擦引起的热量会使泵过热。注意在煤层气开采中泵的摩擦所产生的热量很大,这是因为在泵送的液体中不含油而没有润滑作用。热量同时会使泵的弹性

体变硬和变脆,使泵不再能有效地工作。在排水过程中,烧泵是一种常见的失效形式。因此要不使气体进入泵内,把泵的进口设在射孔段下,使气体分离出来。或在泵的进口处安装气锚,也是一项有助于气体从套管环形空间逸出的措施。

4.泵的抽空处理

在多数煤层气开采中,要达到经济开采,井底压力(液面)必须保持在较低水平,一般低到140kPa,这就是说在射孔段以上的液面仅有14m 。从使用螺杆泵的历史看,大部分泵是被烧坏的,主要是由于液面低于泵的进口时损坏的。这种低液面的要求,以及煤层气中水流的波动不稳定,这就使控制泵抽空的装置成为关键,并使这种控制系统能够从人工手动到全自动的不同形式。典型精巧的设计可适应于井内低液流或液面保持在泵的进口附近。泵抽空装置最基本的要求是用仪器能够感知是否有液流流向地面。常用的装置包括压差开关和装在井口附近管线上的流量计,一旦探知低液流情况,控制系统即会关闭泵系统,随后要由人工再起动,也有些设计可使停泵一段时间后自动起动。

当泵速与液体产量相匹配时,泵系统几乎可以连续运转,使停泵期最短。这是在当井中产液有大量固相时所最希望的状况,因为延长停泵时间会使大量固体沉降在泵的上面,造成运行困难。在有些情况下,泵在高速下运转并使系统周期性的停止和运行,可能对井的生产有利。不过必须注意在采用周期运作时需要小心,使生产压差变化不能过大,否则会使气及水涌入井中,并携带出大量砂子和煤粒。

近年来一些煤层气井已经装上可调整泵转速与变化着的产量相匹配的电子设备,虽然这种设备有较高的初始投资,但它们可以通过降低劳动力的需求来降低生产成本,使泵系统运行更为有效,并可延长泵寿命。

螺杆泵在中等粘度原油开采的应用

中等粘度原油开采是指采出的原油API 重度在18～30°之间,与高粘度原油相比,这样的

原油具有比重较轻(875～945kg /m 3)、粘度较低(一般小于500cp )并有较高的油气比。中等级

原油开采深度在600～1000m 之间,产液量适宜较高排量50～500m 3/d,在很多情况下,其中大部分是水,有的超过95%,砂子含量要看不同的产层情况,一般为0～1%,有时CO 2、H 2S 和CH 4也有相当的数额,为改进产能,水平井也常用于中等级粘度原油开采。

在中等级粘度原油开采中,人工举升的方法用过游梁式抽油机、电潜泵和气举。在80年代末期,螺杆泵的举升和排液能力已能达到这种原油开采的需要。螺杆泵抽油系统较低的一次投资及运行费用,显示了它的主要优越性。在这方面它明显地优于其它举升方式。然而,许多中等级原油开采仍把螺杆泵排除在应用范围之外,这是由于举升高度过高、或过大的排量要求,或者产液中有与任何定子弹性体都不相容的成份。尽管如此,螺杆泵系统在这一领域的应用仍持续增长,目前估计安装数已超过几千台。

螺杆泵系统在中等级原油开采应用中碰到的问题与上述的两种应用情况有很多相似之处,这里仅需注意以下两点:

1.泵的规格、种类选择

在中等粘度原油开采应用中泵的选择与煤层气用泵的选择相似,唯一不同是要选择好合适的定子弹性材料。中等级粘度原油可能含有相当数量的芳香族、H 2S 和CO 2气体。这些必须371998年2月地面驱动螺杆泵系统的应用

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仔细考虑。

芳香族化合物使定子膨胀,一般需要使用高腈橡胶。H2S和CO2会使定子橡胶脆化、硬化,以致破坏。过饱和类的橡胶对这些气体有抵抗能力。

2.高转速运转问题

在中等粘度原油开采中,通常需要较高的产液量,这使泵常在高转速下运行。在高含水井中,泵常在600r/m in以上转速下工作。在超高转速运行中,抽油杆柱常会由于系统的共振而发生较大的振动,在这种情况下,通过微量的速度变化,可使这种潜在的有害振动减至最小。系统的共振频率也将随着载荷和井液流量的变化而变化。

在某些情况下,高转速下运行可导致抽油杆达到疲劳极限而失效,这种失效常常发生在抽油杆的连接部位,建议选用大直径的抽油杆或选用连续抽油杆,以减少抽油杆的失效频率。

当泵在高转速下运转时,泵以上的杆柱部分常发生相互撞击,从而导致杆柱和油管的加速磨损和疲劳失效。处理此问题的方法是增加杆柱的扶正器或使用不同类型的扶正器。注意大直径的接箍或扶正器应该放置在泵以上第一根抽油杆上。

特别是在深井、高转速下,安装有效的刹车系统、防倒扣器和油管锚是非常重要的,这些装备可以帮助防止杆柱、油管以及地面设备的损坏。

结 论

综上所述,螺杆泵系统的使用寿命不仅取决于生产厂家的设计和制造质量,而且取决于泵型是否符合油井具体情况、操作是否合理,以及井下和地面配套设备的系统设计完善与否。

近几年我国的螺杆泵制造水平已有很大的提高,但在推广使用中还有一定的难度,其关键是如何把握产品质量和准确应用。胜利高原公司已开始为用户提供从产品的系统配套到选井选泵、调整参数等一条龙服务,从而有效地提高了螺杆泵在现场运转的可靠性和稳定性。

参考资料(略)

收稿日期　1997-07-19　本文编辑　刘曼君触发井下完井工具的电子控制与起动系统

贝克石油工具公司开发出一种利用微处理机遥控触发井下完井工具的压力脉冲通讯系统。这种称为Edg e的电子增强遥控起动系统由三种基本元件组成:便携式地面模件;通讯介质——即完井管柱内的液柱以及井下模件。地面模件包括一台计算机控制的脉冲发电机组、计算机控制器、手动控制的接口盒。井下模件为电子增强完井工具——比如永久的或可收回的封隔器,或者滑套——包括脉冲频率探测器;电子控制系统;以及电池包供电的工具起动系统。

运用该遥控起动系统可消除多种与井的各项采油修理工作有关的问题,从而不仅因加速完井程序节省了钻井的时间,而且避免了修井潜在风险。上述修井需要数天甚至几周的时间。在选择多层完井程序中,由于使用了并联设计,选择应用不同的预定脉冲频率,成倍地节省了费用,提高了施工效率。

许大任　译自《Petr o leum Engineer Inter nat ional》1997.4