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

1998年2月国　外　石　油　机　械

34国　外　石　油　机　械第9卷第1期

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