螺桿泵井熱洗提效技術(shù)

吳宇瀅（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

螺桿泵采油井內(nèi)由桿、管、泵等構(gòu)成工藝管柱。一般的，由于深度變化，溫度隨之改變，導(dǎo)致舉升井液中石蠟的結(jié)晶析出并掛在油管內(nèi)壁和抽油桿外壁，此時(shí)螺桿泵舉升載荷增大，產(chǎn)量降低[1-3]。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，需要定期洗井，生產(chǎn)中常常面臨洗井溫度低、化蠟效果不好，井筒排量小、排蠟效果差問(wèn)題，因此，針對(duì)溫度和排量進(jìn)行分析并采取措施，將有利于螺桿泵井洗井效果的改善。

1 溫度控制

目前油田對(duì)于螺桿泵井主要采用水洗的方式完成清蠟工作[4-7]。水源采用摻水和罐車?yán)\(yùn)。摻水源水溫度只能達(dá)到70～80℃，溫度較低，且流量較小，注入套管換熱后融蠟效果較差[8-11]；罐車洗井，源水雖能達(dá)到90～100℃，泵車也能實(shí)現(xiàn)較大排量注入，但由于較高的投資、人工、耗油和洗井后壓產(chǎn)，年洗井井次僅占總洗井井次的15%～20%，所以目前現(xiàn)場(chǎng)仍以摻水洗井為主。

相比之下，超導(dǎo)車洗井技術(shù)具有較高的洗井液溫度、洗井后不壓產(chǎn)等突出特點(diǎn)，較好的彌補(bǔ)了常規(guī)水洗洗井工藝的不足，該種工藝源液溫度可達(dá)到120℃，使其在換熱后融蠟效果更好，更有利于確保蠟晶的去除。

1.1 工作原理

超導(dǎo)車熱洗原理見(jiàn)圖1，超導(dǎo)洗井主要通過(guò)泵抽壓頭提供能量，在液流采出地面后，通過(guò)管線直接接入洗井車進(jìn)口，經(jīng)車內(nèi)集成的超導(dǎo)加熱器加熱提溫后，重新由套管閘門回注井筒中參與洗井循環(huán)。通過(guò)該加熱的高溫洗井液將井筒內(nèi)抽油桿和油管內(nèi)的蠟融化并攜帶至地面。

圖1 超導(dǎo)車熱洗原理圖Fig.1 Schematic diagram of superconducting car hot washing

1.2 導(dǎo)熱分析

洗井液由油套環(huán)空注入，向下首先到達(dá)動(dòng)液面，隨動(dòng)液面一起向泵吸入口流動(dòng)，該過(guò)程中，油管外環(huán)空洗井液通過(guò)油管將溫度傳遞給油管內(nèi)產(chǎn)出液，受管外溫度影響，管內(nèi)液體溫度升高；之后，隨著油管外洗井液的不斷注入，洗井液前端到達(dá)泵吸入口，并繼續(xù)順油管內(nèi)部向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，洗井液前端至井口和洗井液前端至泵形成兩個(gè)單獨(dú)的導(dǎo)熱體系，溫度在此處出現(xiàn)斷點(diǎn)，但隨距離井口高度的減少溫度呈上升趨勢(shì)；最后，洗井液前端到達(dá)井口，油管內(nèi)熱循環(huán)趨于平穩(wěn)，溫度分布穩(wěn)定。

基于以上分析，溫度變化的主要三個(gè)階段可根據(jù)洗井液前端位置劃分。階段一，前端在油管外；階段二，前端在油管內(nèi)；階段三，前端返回至井口。

借助《超導(dǎo)熱洗井溫計(jì)算程序》，以a井為例（產(chǎn)液40 m3/d，含水88.9%，沉沒(méi)度138 m），進(jìn)行了三個(gè)階段油管內(nèi)井液溫度變化模擬，洗井過(guò)程中油管內(nèi)井液溫度變化見(jiàn)圖2。

圖2 洗井過(guò)程中油管內(nèi)井液溫度變化Fig.2 Temperature change of well fluid during well washing

階段一，洗井液前端在套管內(nèi)向泵流動(dòng)，通過(guò)環(huán)空向油管導(dǎo)熱，隨著熱洗時(shí)間推移油管內(nèi)液體的溫度逐漸升高；階段二，洗井液前端到達(dá)泵吸入口后在油管內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，假設(shè)蠟的融化溫度為55℃，熱洗時(shí)間為40 min時(shí)，結(jié)蠟點(diǎn)（約-600 m）的油溫為53℃，尚未到達(dá)融蠟油溫，而熱洗時(shí)間為45 min時(shí)，油溫已經(jīng)達(dá)到63℃，超過(guò)了融蠟溫度，此時(shí)蠟晶融化；階段三：洗井液前端已到井口，換熱基本趨于穩(wěn)定。由前述分析，溫度曲線上斷點(diǎn)位置即為確定洗井液前端位置，通過(guò)模擬，熱洗時(shí)間達(dá)到50 min時(shí)洗井液前端已到井口，洗井液完成一個(gè)換熱循環(huán)。

根據(jù)模擬結(jié)果，獲得了不同產(chǎn)量和沉沒(méi)度下，超導(dǎo)洗井一個(gè)熱交換所需要的循環(huán)時(shí)間，循環(huán)時(shí)間隨產(chǎn)量變化圖見(jiàn)圖3。由圖3可知，產(chǎn)量越高、沉沒(méi)度越低，一個(gè)熱交換時(shí)間就越短。分析認(rèn)為，產(chǎn)量高、沉沒(méi)度低時(shí)，洗井液能被快速吸入油管內(nèi)部，此時(shí)熱交換從單純的管外向管內(nèi)換熱變?yōu)楣軆?nèi)換熱和管外換熱的共同作用，因此管內(nèi)溫度升高越快，循環(huán)所需時(shí)間變短。

圖3 循環(huán)時(shí)間隨產(chǎn)量變化Fig.3 Variation of cycle time with yield

1.3 耗油量?jī)?yōu)化

根據(jù)能耗轉(zhuǎn)化計(jì)算公式：

式中：N為加熱功率，kW；Q為產(chǎn)量，t/d；η為換熱效率，%；T為溫度，℃；x為含水，%；Cw、Co分別為水和油的比熱，J/kg·℃。

式中：m為單位時(shí)間的耗油量，kg/s；α為油料的燃燒值，kJ/kg。

式中：M為熱洗一口井的耗油量，kg；τ為時(shí)間，min。

實(shí)際洗井中，為徹底化蠟和排蠟，需要進(jìn)行2～3個(gè)周期的化蠟和排蠟。單次化蠟時(shí)間可通過(guò)查圖3得出，單次排蠟時(shí)間20～30 min，因此當(dāng)進(jìn)行3個(gè)周期的化排蠟時(shí)，T出口取120℃，T進(jìn)口取75℃。

2 排量控制

考慮螺桿泵井洗井排量不大，在熱洗時(shí)排蠟效果差問(wèn)題，采取擴(kuò)大進(jìn)排液能力的技術(shù)予以解決。實(shí)際中，主要采用兩項(xiàng)技術(shù)：“擴(kuò)大進(jìn)液能力”：SJ-Ⅱ型洗井閥提高進(jìn)入油管液量；“擴(kuò)大排液能力”：優(yōu)化桿管配合增大液流通道。

2.1 擴(kuò)大進(jìn)液能力

SJ-Ⅱ型洗井閥主要包含上下接頭、主體、彈簧、內(nèi)活塞等幾個(gè)主要部分。主體為中空結(jié)構(gòu)，通過(guò)上下接頭與油管連接；內(nèi)活塞在主體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，不工作時(shí)被彈簧壓緊，封閉導(dǎo)流孔，洗井液注入油套環(huán)空后，閥體承壓并壓縮彈簧，導(dǎo)流孔打開(kāi)后實(shí)現(xiàn)進(jìn)液，SJ-Ⅱ型洗井閥見(jiàn)圖4。

圖4 SJ-Ⅱ型洗井閥Fig.4 SJ-Ⅱwell washing valve

核心構(gòu)件為內(nèi)活塞，由主體、密封圈構(gòu)成，設(shè)計(jì)有沉砂槽和密封圈支撐骨架結(jié)構(gòu)，有利于機(jī)構(gòu)的密封和復(fù)位。

洗井閥最大工作壓力：15 MPa；啟動(dòng)壓差：0.3～0.4 MPa；最大工作流量：60 m3/h。

應(yīng)用時(shí)，將SJ-II型洗井閥置于井下螺桿泵的上面，在施工作業(yè)下泵時(shí)，隨管柱一起下入井內(nèi)管柱詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。不工作時(shí)，活塞受到上部彈簧擠壓處于原始位置，封閉導(dǎo)流孔，不通水；洗井時(shí)，油套環(huán)空壓力升高，內(nèi)外壓差達(dá)到工具啟動(dòng)壓差時(shí)，活塞向上，導(dǎo)流孔與主體連通，允許液流通過(guò)，實(shí)現(xiàn)大排量進(jìn)液。

表1 管柱詳細(xì)參數(shù)Tab.1 Detailed parameters of the tube column

2.2 擴(kuò)大排液能力

螺桿泵井常用抽油桿為?22 mm和?25 mm兩種，油管有?62 mm和?76 mm兩種，眾所周知，桿徑越小、管徑越大，可供液流通過(guò)的空間越大，排液能力越強(qiáng)。測(cè)算了?22 mm抽油桿分別和?62 mm、?76 mm兩種油管配合時(shí)，油管及與抽油桿配合情況測(cè)算見(jiàn)表2?？梢钥闯觯?22 mm和?76 mm油管配合時(shí)，相比與?62 mm油管配合過(guò)流面積增加1倍以上，導(dǎo)流能力將更好。為驗(yàn)證效果，對(duì)20口應(yīng)用井進(jìn)行了效果統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：?22 mm抽油桿和?76 mm油管配合時(shí)，洗井壓力有顯著降低，與?62 mm油管相比，洗井壓力由4.2 MPa降低至3.6 MPa，降低了14.3%。

表2 油管與抽油桿配合情況測(cè)算Tab.2 Calculation of oil pipe and sucker rod matching

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

確定了“超導(dǎo)洗井”、“SJ-Ⅱ型洗井閥”+“?22 mm抽油桿、?76mm油管”技術(shù)的應(yīng)用原則，考慮超導(dǎo)洗井在低產(chǎn)液、高沉沒(méi)度井應(yīng)用時(shí)，一次化蠟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致整個(gè)洗井時(shí)間長(zhǎng)而不利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的情況，因此主要針對(duì)產(chǎn)量高且沉沒(méi)度低（目前應(yīng)用范圍：＞30 t/d、＜250 m）的螺桿泵井應(yīng)用超導(dǎo)洗井；而對(duì)于泵排量較低、管徑較小、平時(shí)洗井發(fā)現(xiàn)洗井壓力較高井采用“SJ-II型洗井閥”+“?22 mm抽油桿、?76 mm油管”原則進(jìn)行助排優(yōu)化。

統(tǒng)計(jì)了112井次超導(dǎo)車洗井情況，與原洗井方式相比，洗后電流降低10.3%，平均有功功率由5.72 kW降低到5.13 kW，降低0.59 kW，日耗電減少14.16 kWh，年節(jié)電58.88×104kWh，電費(fèi)折合經(jīng)濟(jì)效益37.5萬(wàn)元；含水恢復(fù)期縮短1.2 d，多產(chǎn)油483 t，折合經(jīng)濟(jì)效益101.8萬(wàn)元，以上總計(jì)139.3萬(wàn)元。

統(tǒng)計(jì)了70口“SJ-Ⅱ型洗井閥”+“?22 mm抽油桿、?76 mm油管”擴(kuò)大進(jìn)排液量的措施，與措施前對(duì)比，平均單井洗井排量由12.5 m3/h提高到16.1 m3/h，提高了3.6 m3/h，洗井時(shí)間由2 h縮減為1.5 h，縮短了0.5 h；洗后電流平均降低5.2%，平均有功功率由4.50 kW降低到4.27 kW，降低0.24 kW，日耗電減少5.62 kWh，年節(jié)電14.35×104kWh，電費(fèi)折算經(jīng)濟(jì)效益9.14萬(wàn)元。

綜上，螺桿泵井熱洗提效措施成效較為顯著，有利于螺桿泵井洗井工藝的開(kāi)展。

4 結(jié)論

1）考慮溫度因素，螺桿泵井應(yīng)用超導(dǎo)洗井，洗井液溫度更高，換熱效果更好，有利于確保蠟晶的去除；模擬油管內(nèi)換熱表明，產(chǎn)液量越高、沉沒(méi)度越低，熱交換時(shí)間越短，用熱交換時(shí)間推算了耗油量，實(shí)現(xiàn)溫度控制和優(yōu)化。

2）“SJ-Ⅱ型洗井閥”+“?22 mm抽油桿、?76 mm油管”組合工藝有利于擴(kuò)大螺桿泵井油管進(jìn)液排液能力，措施后洗井排量提高，洗井用時(shí)有效縮短。

3）由于超導(dǎo)洗井無(wú)洗井液倒灌地層，含水恢復(fù)期近似為零，所以洗后壓產(chǎn)影響極小，起到多產(chǎn)油目的，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

4）通過(guò)優(yōu)化螺桿泵洗井的溫度和排量實(shí)現(xiàn)了良好的節(jié)電效果，182井次共計(jì)節(jié)電73.23×104kWh。