杏北油田螺桿泵井質(zhì)量管理實(shí)踐

劉曉娟

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司 第四采油廠工程技術(shù)大隊(duì)（黑龍江 大慶163511）

螺桿泵采油系統(tǒng)作為一種重要的機(jī)械采油工藝，在油田生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛[1]，雖然目前各項(xiàng)技術(shù)都以趨于成熟，但在生產(chǎn)過程中仍存在一些亟需解決的問題：主要體現(xiàn)在小排量泵熱洗效果差導(dǎo)致原油產(chǎn)量下降[2]，缺少相關(guān)的判斷手段導(dǎo)致分析問題困難;以及桿斷、偏磨嚴(yán)重導(dǎo)致檢泵率高、檢泵周期短等問題。因此，為了提高杏北油田螺桿泵井的管理水平，本文對(duì)強(qiáng)化螺桿泵井管理的相關(guān)對(duì)策進(jìn)行了研究。

1 螺桿泵井生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

1.1 小排量泵熱洗效果差

由于小排量螺桿泵井理論排量較小，且為容積泵，熱洗水在油套環(huán)形空間內(nèi)不能進(jìn)行有效循環(huán)，導(dǎo)致洗井液流量低，熱損率大，導(dǎo)致熱洗效果不好。同時(shí)由于小排量螺桿泵排量小，從油管外壁傳遞來的高溫優(yōu)先熔化緊靠油管內(nèi)壁的蠟層，這些蠟層熔化后會(huì)造成油管內(nèi)的蠟塊快速脫落[3]。油管內(nèi)熔化的蠟不能及時(shí)排出，在管壁上產(chǎn)生二次結(jié)晶，熱洗達(dá)不到預(yù)期效果，導(dǎo)致螺桿泵井泵效降低、卡泵現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.2 缺少量化的泵況診斷方法

目前螺桿泵井判斷泵況的方法主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)速、電流、扭矩等第一手資料來了解螺桿泵的生產(chǎn)情況[4]，再結(jié)合泵效、沉沒度以及量油值的變化進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷螺桿泵運(yùn)行是否良好；該判斷方法誤差較大、泵況診斷時(shí)間較長，導(dǎo)致許多油井帶病生產(chǎn)，油井潛力不能充分挖掘，影響開發(fā)效果。

1.3 桿斷脫、偏磨嚴(yán)重

螺桿泵井檢泵率整體較高，統(tǒng)計(jì)2019—2020年螺桿泵井檢泵原因，發(fā)現(xiàn)桿斷脫、偏磨為影響檢泵率主要原因。桿偏磨集中發(fā)生在70根以下，主要表現(xiàn)為扭卡式扶正器串位，或注塑扶正器數(shù)量少保護(hù)不到位，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致桿磨斷，如圖1所示。

圖1 磨細(xì)的抽油桿示意圖

2 對(duì)策實(shí)施

為解決上述存在的問題，提出了以下對(duì)策。

2.1 增加小排量泵循環(huán)能力，提高熱洗效果

針對(duì)螺桿泵井熱洗時(shí)排量只能依靠自身舉升能力循環(huán)液體，造成洗井液流通不順暢的問題，研制了熱洗輔助裝置，增加小排量泵的循環(huán)能力。

原理：需要洗井時(shí)，從油套環(huán)空打壓，高壓液體推動(dòng)外套、上活動(dòng)凡爾壓縮上部彈簧上行，下活動(dòng)凡爾壓縮下部彈簧下行，打開中心管進(jìn)液通道。高壓液體從油套環(huán)空流入，從采油管柱內(nèi)流出，帶出環(huán)空內(nèi)的泥砂及雜物，具體實(shí)物如圖2所示。

圖2 工具實(shí)物圖

該工具應(yīng)用時(shí)在泵的上端接1根油管（圖3），油管上部接小排量洗井閥，閥上部接采油管柱，隨管柱一起下到設(shè)計(jì)位置。

圖3 工具下井工藝設(shè)計(jì)圖

2.2 創(chuàng)新泵況診斷方法，實(shí)現(xiàn)工況量化診斷

為改變目前螺桿泵井泵況判定方法單一、誤差大的問題，創(chuàng)新泵況診斷方法，對(duì)其他廠再用的動(dòng)態(tài)控制圖進(jìn)行改進(jìn)并明確具體改進(jìn)方案。

如圖4所示，該改進(jìn)方案中主要包括優(yōu)選控制圖橫縱坐標(biāo)、重新劃分控制圖邊界曲線以及連接動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)庫3個(gè)方面。

圖4 動(dòng)態(tài)控制圖改進(jìn)流程圖

2.2.1重新確定動(dòng)態(tài)控制圖橫縱坐標(biāo)及邊界

從產(chǎn)量最大化、能耗最低、經(jīng)濟(jì)效益最高3個(gè)角度對(duì)動(dòng)態(tài)控制圖邊界條件重新定義，主要是流壓上限的確定、泵效下限的確定、落實(shí)量油和液面線確定。螺桿泵的生產(chǎn)過程，流壓和泵效在一定程度上反映了供排關(guān)系，分別選取流壓和泵效為橫縱坐標(biāo)。泵效理論計(jì)算公式：

式中：Pwf為井底流壓，MPa；h為泵入口到油層中部的距離，m；fw為含水率，%；RP為生產(chǎn)油氣比，%；RSP為校正溶解氣油體積比，%；B0為原油體積系數(shù)；Th為泵所在地層溫度，K；P0為地面大氣壓力；Z為天然氣壓縮系數(shù)。

計(jì)算選取杏北油田地質(zhì)參數(shù)，見表1。

表1 地質(zhì)參數(shù)選值

由上式整理得：ηv=f（fw，L，Pf），此關(guān)系函數(shù)是容積效率與含水、泵深及流壓關(guān)系式。

含水和泵深有一定的分布范圍，由頻率分布圖（圖5、圖6）可以看出，部分范圍的占比較低，不能反映參數(shù)的整體特性，因此選取含水下限為91%，泵深的上下限分別為820 m、1 020 m，兩線之間的部分是螺桿泵井處于正常抽汲狀態(tài)時(shí)泵效與流壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 螺桿泵井含水分布圖

圖6 螺桿泵井泵深分布圖

將含水91%和泵深820 m代入得圖7中函數(shù)曲線a（泵效關(guān)于流壓最大值曲線）：

取含水99.9%和泵深1 020 m代入得函數(shù)曲線b（泵效關(guān)于流壓最小值曲線）:

曲線c（流壓上限）：流壓大于飽和壓力時(shí)，流壓降低產(chǎn)量增加，流壓降低到一定界限，產(chǎn)量反而下降，這一值為合理流壓下限。計(jì)算得最小流壓，與泵效理論關(guān)系公式計(jì)算出泵效下限為40%；

曲線d（泵效下限）：根據(jù)螺桿泵井工作特性曲線，確定泵效上限為90%，反推流壓上限6.5 MPa。

根據(jù)井底流壓與泵效的關(guān)系最終完成了邊界劃分，如圖7所示；并將動(dòng)態(tài)控制圖劃分為工況合理區(qū)、參數(shù)偏大區(qū)、參數(shù)偏小區(qū)、待落實(shí)區(qū)、斷脫漏失區(qū)5個(gè)區(qū)域。

圖7 動(dòng)態(tài)控制圖邊界劃分

2.2.2建立動(dòng)態(tài)控制圖網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

軟件重新修訂后，連接Oracle數(shù)據(jù)庫，讀取單井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；依托VS.NET平臺(tái)，開發(fā)動(dòng)態(tài)控制圖繪制模塊連接數(shù)據(jù)，建立螺桿泵動(dòng)態(tài)控制軟件，初步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁查詢功能。

2.2.3結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)行應(yīng)用

該軟件進(jìn)行應(yīng)用后，可以通過線上查詢指導(dǎo)分析螺桿泵井的工況，以泵效-流壓數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，方便快捷的將所有井反映在圖8所示的圖中。

圖8 動(dòng)態(tài)控制圖應(yīng)用圖

通過查詢分散在各個(gè)區(qū)域的單井在此圖上的分布情況，實(shí)現(xiàn)螺桿泵井的量化管理；有利于問題井的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治理。

2.3 推進(jìn)數(shù)字化管控，實(shí)現(xiàn)智能化管理

推進(jìn)油田生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)和管理，已經(jīng)成為油田可持續(xù)發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的新動(dòng)能和新引擎，為企業(yè)智能生產(chǎn)、效益提升提供可能[5]。通過應(yīng)用螺桿泵液面自適應(yīng)舉升技術(shù)實(shí)現(xiàn)了油田螺桿泵井管理數(shù)字化、智能化[6]；通過對(duì)液面等間隔測(cè)試，經(jīng)過分析、對(duì)比，采取定步長變頻調(diào)速進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控；同時(shí)油井控制器將獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至控制中心后，經(jīng)分析遠(yuǎn)程發(fā)送指令（圖9）。

圖9 工作原理圖

該系統(tǒng)控制模塊可人工設(shè)定油井的液面目標(biāo)值，根據(jù)液面檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)信號(hào)，進(jìn)行液面深度的自動(dòng)計(jì)算，同時(shí)數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析[7]，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行油井采油速度的智能分析與調(diào)整，最終穩(wěn)定油井的采油狀態(tài)。

圖10為某井應(yīng)用后沉沒度和轉(zhuǎn)數(shù)變化情況。由曲線可以看出，該井由前期的高沉沒度狀態(tài)通過自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘暮侠沓翛]度的生產(chǎn)狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)了油井的自動(dòng)及精確控制，可遠(yuǎn)程監(jiān)控油井的生產(chǎn)狀態(tài)，減少了人力投入，對(duì)于油井的故障可第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并處理。

圖10 某井應(yīng)用后沉沒度、轉(zhuǎn)數(shù)變化曲線

2.4 建立桿柱力學(xué)模型，優(yōu)化扶正器分布

為減少螺桿泵井桿管偏磨及桿斷脫作業(yè)井?dāng)?shù)，對(duì)螺桿泵井桿柱扶正方式進(jìn)行優(yōu)化。通過建立抽油桿軸向應(yīng)力分布數(shù)學(xué)模型并模擬井眼軌跡三維形態(tài)圖，綜合分析抽油桿載荷分布，最終通過計(jì)算形成扶正器優(yōu)化程序（圖11）。

圖11 扶正器扶正位置計(jì)算流程

利用模型模擬井眼運(yùn)動(dòng)軌跡，可有效指導(dǎo)井下工藝設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于偏磨嚴(yán)重的井，通過受力分析可以合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)扶正器數(shù)量，有效延緩偏磨狀態(tài)，提高了治理?xiàng)U管偏磨治理水平[8]。

3 管理實(shí)踐效果

在螺桿泵井質(zhì)量管理實(shí)踐中[9]，通過不斷改善技術(shù)，強(qiáng)化管理，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工作效率。對(duì)GLB500及以下小排量泵入熱洗輔助工具后，發(fā)現(xiàn)熱洗時(shí)返回溫度升高，壓力平穩(wěn)無憋壓現(xiàn)象，熱洗效果明顯提升。應(yīng)用螺桿泵井動(dòng)態(tài)管理控制圖，泵況診斷變?yōu)橹鲃?dòng)發(fā)現(xiàn)、提前治理的管理模式；液面自適應(yīng)采油技術(shù)可實(shí)現(xiàn)螺桿泵井的數(shù)據(jù)采集、變頻調(diào)速、故障分析等功能，以上兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了螺桿泵井工況量化診斷及智能高效管理[10]。通過建立桿柱力學(xué)模型優(yōu)化扶正器分布，可有效減緩偏磨的影響，實(shí)現(xiàn)了螺桿泵井生產(chǎn)時(shí)率，利用率以及泵效等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的全面提升；有效提高了生產(chǎn)效益。

4 結(jié)論

1）小排量螺桿泵井熱洗效果不好的主要原因是排量低造成循環(huán)能力差以及攜蠟?zāi)芰Σ睢?/p>

2）應(yīng)用熱洗輔助工具，可以有效提升螺桿泵井熱洗效果。

3）應(yīng)用螺桿泵井動(dòng)態(tài)控制圖可以實(shí)現(xiàn)螺桿泵井的量化管理；有利于問題井的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治理。

4）螺桿泵井液面自適應(yīng)舉升技術(shù)可以根據(jù)液面值實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速、故障分析、產(chǎn)量計(jì)量等功能，實(shí)現(xiàn)了油井的自動(dòng)控制。

5）建立桿柱力學(xué)模型并模擬井眼軌跡三維形態(tài)圖可以有效指導(dǎo)螺桿泵井工藝設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化扶正器分布，有效延緩偏磨。