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基于潛油電泵的同井采注水關(guān)鍵技術(shù)研究
作者:王蒙、趙英男、李明、陳思、何金鋼來源:原創(chuàng)日期:2014-01-02人氣:995
隨著大慶油田的采油進(jìn)入中后期,油層儲(chǔ)量逐漸減少,為了保持油田的持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),邊緣區(qū)塊和零散小區(qū)塊油藏資源的開發(fā)愈發(fā)重要。隨著油田地層產(chǎn)能的下降,這類小規(guī)模油藏資源開采的難度越來越大,注水作為有效的能量補(bǔ)充手段,發(fā)揮著越來越大的作用。但常規(guī)的注水工藝較長的建站周期,且成本較高,不適用于這種小規(guī)模油藏資源的開采[1,2]。因此提出把常規(guī)的潛油電泵改造成同井采注水電泵機(jī)組作為注水設(shè)備的方案,用同一口井實(shí)現(xiàn)采水和注水,減少了前期投入,縮短了建設(shè)周期,并降低了成本。筆者對(duì)同井采注水技術(shù)進(jìn)行了研究,解決了關(guān)鍵技術(shù)難題,為油田開發(fā)開辟了一條新途徑。
1 同井采注水工藝原理
在同一口井中,存在兩個(gè)或兩個(gè)以上不同地層,從其中一個(gè)地層中取水,注入到另一個(gè)需要增壓的地層中,完成注水增壓過程[3~6]。同井采注水技術(shù)就是將潛油電泵作為增壓注水的工具,在注水井內(nèi)選擇不同的層段作為水源層和注水層,采用封隔器將其隔開,再利用潛油電泵從水源層采出水直接注入注入層[7]。根據(jù)注水井的地質(zhì)特點(diǎn)和開發(fā)要求,同井采注水的工藝方案分為采上注下和采下注上兩種。
1.1 采下注上管柱結(jié)構(gòu)及原理 采下注上管柱如圖1所示。將潛油電泵機(jī)組各部件按封隔器、扶正器、保護(hù)器、多級(jí)離心泵、注水口、倒置保護(hù)器、潛油電機(jī)、保護(hù)器的連接順序連接下井,機(jī)組位于水源層以上、注入層以下。用封隔器隔開水源層和注入層以后,運(yùn)用多級(jí)離心泵對(duì)水源層的水增壓后,將其注入到上部的注入層中。由動(dòng)力電纜將地面動(dòng)力傳遞給潛油電機(jī),使其高速運(yùn)轉(zhuǎn),通過軸帶動(dòng)多級(jí)離心泵葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)。水由下部吸入口經(jīng)過導(dǎo)流罩進(jìn)入多級(jí)離心泵流道,經(jīng)過逐級(jí)增壓,最終進(jìn)入到注入層中。
1.2 采上注下管柱結(jié)構(gòu)及原理 采上注下管柱結(jié)構(gòu)如圖2所示,將潛油電泵機(jī)組各部件按封隔器、扶正器、倒置泵、泵吸入口、倒置保護(hù)器、潛油電機(jī)、保護(hù)器、出水口、皮碗封隔器、測試工具的連接順序連接下井,機(jī)組位于水源層以下、注入層以上。用倒置泵對(duì)水源層的水增壓后,注入到下部的注人層中。動(dòng)力電纜將地面動(dòng)力傳遞給潛油電機(jī),使其高速運(yùn)轉(zhuǎn),帶動(dòng)倒置泵內(nèi)的葉輪做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。水由泵吸入口被進(jìn)入倒置泵流道離心內(nèi),經(jīng)逐級(jí)增壓后,由出口排到封隔器以下的油管中,進(jìn)入注人層中,完成注水過程。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 防砂技術(shù) 在水源層中,常含有一些低濃度細(xì)砂粒。因此應(yīng)研究適用于同井采注水工藝配套的防砂工藝,防止水源層出砂帶來的不利影響。對(duì)于防砂的研究,應(yīng)立足于以下三個(gè)目的:①防止?jié)撚碗姳眠^流部件的過快磨損,延長其使用壽命;②提高注入水的水質(zhì),防止注入層出現(xiàn)底層堵塞;③防止因砂粒的沉積造成潛油電泵管柱出現(xiàn)砂埋現(xiàn)象。
因此,設(shè)計(jì)由防砂篩管、流量測試段、皮碗封隔器、過水器組成防砂管柱,水源層的水經(jīng)防砂篩管濾除砂粒后,經(jīng)過水器進(jìn)入皮碗封隔器下部進(jìn)入泵吸入口,防砂篩管外砂粒沉在皮碗封隔器的上部。若對(duì)防砂篩管外部的油套環(huán)空沉積砂進(jìn)行解堵,可將堵塞器從井口投入,堵塞器下行進(jìn)入流量測試段后與之配合,此可進(jìn)行正沖解堵。解堵完成后,再用打撈工具將堵塞器撈出,再啟動(dòng)倒置泵進(jìn)行增壓注水。
2.2 潛油電機(jī)的設(shè)計(jì) 常規(guī)潛油電機(jī)位于機(jī)組下部,通過軸向上傳輸轉(zhuǎn)矩,帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。在同井采注水中,將傳統(tǒng)的潛油電機(jī)改為置頂潛油電機(jī)。該電機(jī)位于機(jī)組的最上端,向下傳輸轉(zhuǎn)矩,原潛油電機(jī)結(jié)構(gòu)中的封閉形式改為連通形式,底座與下保護(hù)器相連(如圖3)。
2.3 專用保護(hù)器的設(shè)計(jì) 由于同井采注水工藝的特點(diǎn)及潛油電泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)特殊性,為了在設(shè)備運(yùn)行中充分保證其散熱和保護(hù),同時(shí)還能像常規(guī)保護(hù)器一樣具備為電機(jī)提供補(bǔ)償?shù)哪芰?,選用上下保護(hù)器相結(jié)合的形式。
2.3.1 上保護(hù)器的設(shè)計(jì) 上保護(hù)器位于潛油電機(jī)上部,是一種專用的電機(jī)油補(bǔ)償器,用于補(bǔ)充潛油電機(jī)工作過程中排出的電機(jī)油。上保護(hù)器上下分別與管柱和潛油電機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償作用,如圖4所示。
2.3.2 下保護(hù)器的設(shè)計(jì) 下保護(hù)器位于潛油電機(jī)下部,將其設(shè)計(jì)為膠囊式保護(hù)器。
潛油電泵機(jī)組進(jìn)入井底后,溫度上升會(huì)導(dǎo)致潛油電機(jī)油膨脹,進(jìn)而使膠囊膨脹,最終使膠囊內(nèi)外壓力平衡。潛油電機(jī)啟動(dòng)后,溫度迅速上升,部分電機(jī)油進(jìn)入保護(hù)器的膠囊。膠囊繼續(xù)膨脹,當(dāng)膠囊內(nèi)部壓力增大到一定時(shí),單流閥動(dòng)作,電機(jī)油通過單流閥進(jìn)入膠囊外部,排入井筒,該過程至膠囊內(nèi)外壓力平衡后停止。當(dāng)機(jī)組停止工作后,溫度下降至井底溫度,電機(jī)油收縮,膠囊收縮,該過程至膠囊內(nèi)外壓力平衡后停止。
3 倒置潛油電泵存在的問題及解決方案
3.1 倒置潛油電泵的連接問題 常規(guī)的潛油電泵機(jī)組中,泵的上端和油管連接,而倒置潛油電泵上端和下保護(hù)器相連,下端和油管相連。因此,應(yīng)對(duì)倒置潛油電泵的連接重新設(shè)計(jì)。
針對(duì)倒置潛油電泵殼體上端的連接問題,對(duì)泵頭進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。選用更適合于與下保護(hù)器相連接的法蘭盤,使用8個(gè)材料為1Cr18Ni9Ti的M10螺栓。1Cr18Ni9Ti的抗拉強(qiáng)度為550MPa,根據(jù)計(jì)算,滿足強(qiáng)度要求[8]。圖6為泵頭的結(jié)構(gòu)。
針對(duì)泵殼體上端的連接問題,在其尺寸已確定的條件下,要對(duì)泵軸的連接進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)泵軸的尺寸規(guī)格和其工作特點(diǎn),確定與保護(hù)器連接的軸頭尺寸,要保證即使它與保護(hù)器之間的間隙最小時(shí)不會(huì)頂軸,與保護(hù)器的間隙達(dá)到最大時(shí)不會(huì)脫軸。
3.2 倒置泵的止推力承載問題 由于倒置泵位于下部,其軸向定位依靠的是卡簧,若卡簧出現(xiàn)失效,泵軸將因失去軸向定位而發(fā)生脫落,影響整套設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在同井采注水過程中,在泵對(duì)水源層中的水施加推力的同時(shí),水也對(duì)泵葉輪和泵軸施加相反方向的反推力,加劇了使止推力承載問題。
為了解決直推承載問題,在倒置泵底部設(shè)計(jì)了一個(gè)承載短節(jié)(如圖7)。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí),泵軸在反作用力的作用下有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢,承載短節(jié)的動(dòng)塊向下,和靜塊接觸,靜塊與軸承密封座相固定,可阻擋泵軸向下動(dòng),起到對(duì)泵軸止推的作用。
由于一部分地層水要通過導(dǎo)流罩和承載短節(jié)之間的空間,因此這部分空間可能會(huì)出現(xiàn)一些沖蝕現(xiàn)象。從沖蝕的角度對(duì)這部分空間的進(jìn)行了論證。導(dǎo)流罩與承載短節(jié)直接的徑向面積為2249mm2,最大允許流量為1500m3/d,而目前同井采注水的排量大都低于50m3/d,因此導(dǎo)流罩與承載短節(jié)之間的空間從沖蝕角度上來看是安全的。
4 結(jié)論
①對(duì)應(yīng)用潛油電泵的同井采注水的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述,對(duì)其中的采上注下、采下注上兩種方案的管柱結(jié)構(gòu)和工藝原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。②針對(duì)同井采注水中倒置潛油電泵的連接問題和止推承載問題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。③同井采注水技術(shù)為邊緣區(qū)塊和零散小區(qū)塊油藏資源的開發(fā)提供了更加經(jīng)濟(jì)、可靠的注水方法,是對(duì)傳統(tǒng)油田注水開發(fā)技術(shù)的革新,為老油田在確保高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)有效降低開發(fā)成本提供了新的思路。
1 同井采注水工藝原理
在同一口井中,存在兩個(gè)或兩個(gè)以上不同地層,從其中一個(gè)地層中取水,注入到另一個(gè)需要增壓的地層中,完成注水增壓過程[3~6]。同井采注水技術(shù)就是將潛油電泵作為增壓注水的工具,在注水井內(nèi)選擇不同的層段作為水源層和注水層,采用封隔器將其隔開,再利用潛油電泵從水源層采出水直接注入注入層[7]。根據(jù)注水井的地質(zhì)特點(diǎn)和開發(fā)要求,同井采注水的工藝方案分為采上注下和采下注上兩種。
1.1 采下注上管柱結(jié)構(gòu)及原理 采下注上管柱如圖1所示。將潛油電泵機(jī)組各部件按封隔器、扶正器、保護(hù)器、多級(jí)離心泵、注水口、倒置保護(hù)器、潛油電機(jī)、保護(hù)器的連接順序連接下井,機(jī)組位于水源層以上、注入層以下。用封隔器隔開水源層和注入層以后,運(yùn)用多級(jí)離心泵對(duì)水源層的水增壓后,將其注入到上部的注入層中。由動(dòng)力電纜將地面動(dòng)力傳遞給潛油電機(jī),使其高速運(yùn)轉(zhuǎn),通過軸帶動(dòng)多級(jí)離心泵葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)。水由下部吸入口經(jīng)過導(dǎo)流罩進(jìn)入多級(jí)離心泵流道,經(jīng)過逐級(jí)增壓,最終進(jìn)入到注入層中。
1.2 采上注下管柱結(jié)構(gòu)及原理 采上注下管柱結(jié)構(gòu)如圖2所示,將潛油電泵機(jī)組各部件按封隔器、扶正器、倒置泵、泵吸入口、倒置保護(hù)器、潛油電機(jī)、保護(hù)器、出水口、皮碗封隔器、測試工具的連接順序連接下井,機(jī)組位于水源層以下、注入層以上。用倒置泵對(duì)水源層的水增壓后,注入到下部的注人層中。動(dòng)力電纜將地面動(dòng)力傳遞給潛油電機(jī),使其高速運(yùn)轉(zhuǎn),帶動(dòng)倒置泵內(nèi)的葉輪做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。水由泵吸入口被進(jìn)入倒置泵流道離心內(nèi),經(jīng)逐級(jí)增壓后,由出口排到封隔器以下的油管中,進(jìn)入注人層中,完成注水過程。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 防砂技術(shù) 在水源層中,常含有一些低濃度細(xì)砂粒。因此應(yīng)研究適用于同井采注水工藝配套的防砂工藝,防止水源層出砂帶來的不利影響。對(duì)于防砂的研究,應(yīng)立足于以下三個(gè)目的:①防止?jié)撚碗姳眠^流部件的過快磨損,延長其使用壽命;②提高注入水的水質(zhì),防止注入層出現(xiàn)底層堵塞;③防止因砂粒的沉積造成潛油電泵管柱出現(xiàn)砂埋現(xiàn)象。
因此,設(shè)計(jì)由防砂篩管、流量測試段、皮碗封隔器、過水器組成防砂管柱,水源層的水經(jīng)防砂篩管濾除砂粒后,經(jīng)過水器進(jìn)入皮碗封隔器下部進(jìn)入泵吸入口,防砂篩管外砂粒沉在皮碗封隔器的上部。若對(duì)防砂篩管外部的油套環(huán)空沉積砂進(jìn)行解堵,可將堵塞器從井口投入,堵塞器下行進(jìn)入流量測試段后與之配合,此可進(jìn)行正沖解堵。解堵完成后,再用打撈工具將堵塞器撈出,再啟動(dòng)倒置泵進(jìn)行增壓注水。
2.2 潛油電機(jī)的設(shè)計(jì) 常規(guī)潛油電機(jī)位于機(jī)組下部,通過軸向上傳輸轉(zhuǎn)矩,帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。在同井采注水中,將傳統(tǒng)的潛油電機(jī)改為置頂潛油電機(jī)。該電機(jī)位于機(jī)組的最上端,向下傳輸轉(zhuǎn)矩,原潛油電機(jī)結(jié)構(gòu)中的封閉形式改為連通形式,底座與下保護(hù)器相連(如圖3)。
2.3 專用保護(hù)器的設(shè)計(jì) 由于同井采注水工藝的特點(diǎn)及潛油電泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)特殊性,為了在設(shè)備運(yùn)行中充分保證其散熱和保護(hù),同時(shí)還能像常規(guī)保護(hù)器一樣具備為電機(jī)提供補(bǔ)償?shù)哪芰?,選用上下保護(hù)器相結(jié)合的形式。
2.3.1 上保護(hù)器的設(shè)計(jì) 上保護(hù)器位于潛油電機(jī)上部,是一種專用的電機(jī)油補(bǔ)償器,用于補(bǔ)充潛油電機(jī)工作過程中排出的電機(jī)油。上保護(hù)器上下分別與管柱和潛油電機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償作用,如圖4所示。
2.3.2 下保護(hù)器的設(shè)計(jì) 下保護(hù)器位于潛油電機(jī)下部,將其設(shè)計(jì)為膠囊式保護(hù)器。
潛油電泵機(jī)組進(jìn)入井底后,溫度上升會(huì)導(dǎo)致潛油電機(jī)油膨脹,進(jìn)而使膠囊膨脹,最終使膠囊內(nèi)外壓力平衡。潛油電機(jī)啟動(dòng)后,溫度迅速上升,部分電機(jī)油進(jìn)入保護(hù)器的膠囊。膠囊繼續(xù)膨脹,當(dāng)膠囊內(nèi)部壓力增大到一定時(shí),單流閥動(dòng)作,電機(jī)油通過單流閥進(jìn)入膠囊外部,排入井筒,該過程至膠囊內(nèi)外壓力平衡后停止。當(dāng)機(jī)組停止工作后,溫度下降至井底溫度,電機(jī)油收縮,膠囊收縮,該過程至膠囊內(nèi)外壓力平衡后停止。
3 倒置潛油電泵存在的問題及解決方案
3.1 倒置潛油電泵的連接問題 常規(guī)的潛油電泵機(jī)組中,泵的上端和油管連接,而倒置潛油電泵上端和下保護(hù)器相連,下端和油管相連。因此,應(yīng)對(duì)倒置潛油電泵的連接重新設(shè)計(jì)。
針對(duì)倒置潛油電泵殼體上端的連接問題,對(duì)泵頭進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。選用更適合于與下保護(hù)器相連接的法蘭盤,使用8個(gè)材料為1Cr18Ni9Ti的M10螺栓。1Cr18Ni9Ti的抗拉強(qiáng)度為550MPa,根據(jù)計(jì)算,滿足強(qiáng)度要求[8]。圖6為泵頭的結(jié)構(gòu)。
針對(duì)泵殼體上端的連接問題,在其尺寸已確定的條件下,要對(duì)泵軸的連接進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)泵軸的尺寸規(guī)格和其工作特點(diǎn),確定與保護(hù)器連接的軸頭尺寸,要保證即使它與保護(hù)器之間的間隙最小時(shí)不會(huì)頂軸,與保護(hù)器的間隙達(dá)到最大時(shí)不會(huì)脫軸。
3.2 倒置泵的止推力承載問題 由于倒置泵位于下部,其軸向定位依靠的是卡簧,若卡簧出現(xiàn)失效,泵軸將因失去軸向定位而發(fā)生脫落,影響整套設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在同井采注水過程中,在泵對(duì)水源層中的水施加推力的同時(shí),水也對(duì)泵葉輪和泵軸施加相反方向的反推力,加劇了使止推力承載問題。
為了解決直推承載問題,在倒置泵底部設(shè)計(jì)了一個(gè)承載短節(jié)(如圖7)。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí),泵軸在反作用力的作用下有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢,承載短節(jié)的動(dòng)塊向下,和靜塊接觸,靜塊與軸承密封座相固定,可阻擋泵軸向下動(dòng),起到對(duì)泵軸止推的作用。
由于一部分地層水要通過導(dǎo)流罩和承載短節(jié)之間的空間,因此這部分空間可能會(huì)出現(xiàn)一些沖蝕現(xiàn)象。從沖蝕的角度對(duì)這部分空間的進(jìn)行了論證。導(dǎo)流罩與承載短節(jié)直接的徑向面積為2249mm2,最大允許流量為1500m3/d,而目前同井采注水的排量大都低于50m3/d,因此導(dǎo)流罩與承載短節(jié)之間的空間從沖蝕角度上來看是安全的。
4 結(jié)論
①對(duì)應(yīng)用潛油電泵的同井采注水的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述,對(duì)其中的采上注下、采下注上兩種方案的管柱結(jié)構(gòu)和工藝原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。②針對(duì)同井采注水中倒置潛油電泵的連接問題和止推承載問題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。③同井采注水技術(shù)為邊緣區(qū)塊和零散小區(qū)塊油藏資源的開發(fā)提供了更加經(jīng)濟(jì)、可靠的注水方法,是對(duì)傳統(tǒng)油田注水開發(fā)技術(shù)的革新,為老油田在確保高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)有效降低開發(fā)成本提供了新的思路。
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