高气油比条件下潜油电泵气体处理新技术研究

吴绍伟　万小进　袁辉　曾玉斌　于志刚　穆永威

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司， 广东 湛江 524057)



高气油比条件下潜油电泵气体处理新技术研究

吴绍伟万小进袁辉曾玉斌于志刚穆永威

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司， 广东 湛江 524057)

摘要：电潜泵通过离心作用对井液进行加压，故对井液中的游离气比较敏感。为提高电潜泵在高气油比井中的适应性，在常规避气技术、气体分离技术的基础上，根据应用塔式泵设计理念，使用高级气体处理设备，形成了气体处理技术。该技术拓宽了电潜泵的使用范围，在现场应用取得了显著的成效。

关键词：高气油比； 电潜泵； 塔式泵； 气体处理技术

电潜泵排量覆盖范围广、举升能力强、占地面积少、易于管理、适应海上油田开发的需要，是海上油田最主要的举升设备，但是由于其是通过离心作用对井液进行加压，故对井液中的游离气比较敏感。

对于过饱和油藏、地饱压差小的油藏或衰竭式开采后期的油藏，产油井不可避免地会出现高气油比状况。当井液中游离气含量超过设计允许值时，电潜泵的工作性能将变得不稳定，泵的扬程、排量及效率下降，电机运行时电流波动加剧，油井生产不平稳。严重时，离心泵会因为流道的大部分空间被气体占据而产生气锁，从而停止排液，机组欠载关停。

为提高电潜泵在高气油比油井中的适应性，拓宽电潜泵的应用范围，在常规避气技术和气体分离技术的基础上[1]，应用塔式泵设计理念[2]，同时使用高级气体处理设备，增加电潜泵处理游离气的能力，形成高气油比条件下潜油电泵气体处理技术。

1影响游离气处理的因素分析

对于特定的油井，当泵挂处游离气体积百分比含量一定时，影响泵处理游离气能力的因素，主要有泵工况点、泵转速、叶轮类型、泵挂处流压[3-5]。

(1)泵工况点。泵处理游离气的能力与泵工况点的位置有关，当泵工况点在最佳效率点右侧时，泵处理气体的能力明显强于左侧。

(2)泵转速。泵处理游离气的能力随着泵转速的增加而增加。

(3)叶轮类型。泵处理气体的能力取决于泵型和流道，处理能力从大到小依次为轴向流泵、混向流泵、径向流泵。泵型额定排量越大，流道越平行于轴流方向，泵型处理气体的能力越强。

(4)泵挂处流压。泵处理游离气的能力除了与本身的结构有关外，还与泵挂处流压有关。泵挂处流压越高，泵对游离气的耐受性越强。

Turpin相关式是最简单的预测泵处理游离气能力的公式，它包括泵挂处流压和气液体积比：

(1)

式中：φ—— 泵工况评价参数，无量纲；

qs—— 泵吸入口处的气体体积流量，104m3d；

Q—— 泵吸入口处的液体体积流量，m3d；

ps—— 泵挂处流压，MPa。

当φ≤1时，且泵的工况点在最佳效率点或最佳效率点右侧，泵运行稳定；当φ>1时，泵受气体干扰的可能性逐渐增加，严重时甚至产生气锁现象。

2常规避气技术分析

常规的避气技术主要有避气入泵技术和利用气液两相通过旋转时产生不同的离心力而进行分离的气体分离技术。

2.1避气入泵技术

避气入泵技术首先要求在条件允许的情况下，尽量加深泵挂，以使泵吸入口处流压大于油藏饱和压力；其次是使用导流罩避免气体入泵。常用的导流罩有：常规导流罩、带延伸管的导流罩、导置式倒流罩。导流罩都是利用重力作用对游离气进行分离，其示意图见图1。

图1　利用导流罩分离游离气示意图

2.2气体分离技术

气体分离器使气液高速旋转产生不同的离心力从而使两相分离。液体密度较大被甩在外圈，气体密度较小滞留在中央，经过交叉流道时，气体被排出至环空，液体进入离心泵。

(1)常规旋转式气体分离器，可处理占油气水三相总体积30%以下的游离气体，分离效率可达90%。

(2)新型漩涡式气体分离器，通过诱导轮使流体产生压力进入轴流叶轮，再由轴流叶轮使流体产生涡流运动，达到气液两相分离的目的。该分离器的优点是能量消耗低、旋转部件少、转动惯量低、动平衡精度高，具有较大的气液分离腔体，处理的气液流量大大增加。在一定的情况下油气分离效率可达95%，其中贝克休斯公司的Gas Master为该类产品的代表。

3气体处理新技术分析

依据上述分析，目前在提高泵处理游离气能力的设计方面，主要有3种思路：设计塔式电潜泵；使用高级气体处理设备；监测电机负载，实时提高机组转速。

(1)设计塔式电潜泵。塔式电潜泵是指其离心泵上下端泵型不同，下端泵型较大，上端泵型较小，型如“塔”状。泵在举升含有游离气的井液时，从下端第一级泵至上端最后一级泵，压力逐渐升高，气液总体积逐渐减小。该设计一方面可使泵型适应油气总体积的变化，提高泵的总体效率；另一方面，提高了泵处理气体的能力。

假定某高气油比油井产层中部垂深为Hv，地层饱和压力为pb，地面产液量为Qa时对应的产层流压为pf，井筒流压梯度为γ，泵挂垂深为Hp，泵挂处流压为pf，设计泵排量为Q0，扬程为Hy，则一般有：

Hv>Hp， pf>pb， pf=pf-γ(Hv-Hp)

(2)

假设塔式电潜泵从下端泵入口至上端泵出口由3种泵型组成，即Pump1、Pump2、Pump3，各泵的额定排量依次为Q3、Q2、Q1，对应排量下单级扬程依次为Z3、Z2、Z1，分别配置叶导轮级数为N3、N2、N1。设计时需要满足3个条件：

① 每种泵型均能处理所在工况条件下的游离气。

② Pump1最后一级叶轮的工况点在Pump2推荐排量范围内；Pump2最后一级叶轮的工况点在Pump3推荐排量范围内。

③ 3种泵型所产生的扬程，满足油井生产需要，即

Hy=Z3N3+Z2N2+Z1N1≥Hp-100pf

(3)

(2)使用高级气体处理设备。高级气体处理设备主要从处理游离气和改变离心泵的设计着手。

① 在游离气进入离心泵前，对游离气进行预处理，改变游离气的形态和大小。代表产品是斯伦贝谢公司的Poseidon轴流泵。Poseidon轴流泵流道示意图见图2。该泵最大能处理70%的游离气。在泵吸入口使用Poseidon轴流泵，使气液混合物均质化，降低气泡直径；通过不断对气液混合物加压，将气体压缩进液体。经过处理的气液混合物，压力提高，游离气减少，且游离气均呈小气泡状态。

② 改变离心泵的流道设计，提高泵对游离气的耐受性。代表产品是贝克休斯公司MVP多相流泵。MVP多相流泵叶轮示意图见图3。该泵最大能处理70%的游离气。MVP多相流泵叶轮内侧有若干个小孔，便于在举升气液混合物时，气体从叶轮的内侧孔中逸出，增加了泵对游离气的耐受性；MVP多相流泵有独特的分流叶片设计，易使气液混合物均质化；陡峭的出口角度增加了对液体的能量传递，提高了在低流速下叶轮的举升作用。

(3)监测电机负载，实时提高机组转速。泵处理游离气的能力随着泵转速的增加而增加。目前海上油田大多采用变频器来控制电潜泵的运转。当控制柜监测到电泵机组运行电流在下降时，可实时提高机组运行频率来增加泵的转速，从而使泵克服气体段塞的影响，达到平稳运行的目的。

图2　Poseidon轴流泵流道示意图

图3　MVP多相流泵叶轮示意图

4应用效果分析

WCX油井采用衰竭式开采，油藏中部垂深 1 230 m，原始地层压力为12.66 MPa，饱和压力为11.00 MPa，溶解气油体积比为119。该井于2008年7月份投产，早期为自喷生产，产液量在60～100 m3d。随着地层压力的衰减，该井自喷产量逐渐下降，至2012年初该井失去平稳自喷能力改为间歇自喷生产。间歇自喷产量约为20 m3d，此时的地层静压为10.44 MPa，含水率为2.9%。

电潜泵设计要求：油井地面产液量90 m3d，泵挂垂深1 200 m。

采用塔式电潜泵设计理念并使用高级气体处理设备：20级400系列GINPSH下节泵+137级400系列G12 MVP上节泵，泵特性曲线分别如图4和图5所示。

计算泵吸入口处流压为3.7 MPa，流量为217 m3d，游离气体积百分含量为54%，在GINPSH泵操作范围内；计算MVP多相流泵第一级叶轮处流压为4.2 MPa，流量为190 m3d，游离气体积百分含量为47%，在MVP多相流泵操作允许的范围内。

图4　20级GINPSH泵特性曲线

图5　137级MVP多相流泵G12特性曲线

该井修井作业后，根据Turpin相关式可得φ=0.83<1, 所以泵的工况点在最佳效率点或最佳效率点右侧，且该井电流稳定，电泵运行平稳。

5结语

(1)对于特定油井，当泵挂处游离气体积百分含量一定时，影响泵处理游离气能力的主要因素是泵工况点、泵转速、叶轮类型、泵挂处流压。

(2)在常规避气技术、气体分离技术的基础上，通过应用塔式泵设计理念，使用高级气体处理设备，形成了气体处理技术。该技术拓宽了电潜泵的使用范围，现场应用效果显著。

参考文献

[1] 邵永实,师世刚.潜油电泵技术服务手册[M].北京:石油工业出版社,2004：55-65.

[2] 张钧.海上油气田完井手册[M].北京:石油工业出版社,1998：101-109.

[3] TURPIN J L, LEA J F, BEARDEN J L. Gas-Liquid Flow through Centrifugal Pumps -Correlation of Data[C]Texas A&M University. Proceedings of the Third International Pump Symposium. College Station:[s.n.],1986:13-20.

[4] 张琪.采油工程原理与设计[M].东营:中国石油大学出版社,2005：32-35.

[5] 于志刚,廖云虎,曾玉斌.海上高含水大排量电潜泵井井下油水分离系统优化设计[J].重庆科技学院学报(自然科学版)，2014,16(4):93-97.

Research on Gas Handling Technology of ESP under the High Gas-Oil Ratio Condition

WUShaoweiWANXiaojinYUANHuiZENGYubinYUZhigangMUYongwei

(Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd., Zhanjiang Guangdong 524057, China)

Abstract:The ESP under the action of centrifugal force leads to higher pressure of well fluid, so it is very sensitive to the free gas. In order to improve the adaptability of ESP under the high gas-oil ratio condition, a gas handling technology with the help of advanced gas handling equipment is formed by using the design concept of tower type pump, based on conventional gas avoiding and gas separation technology. The technology expands the application range of ESP, and has achieved remarkable results in field application.

Key words:high gas-oil ratio; ESP; tower type pump; gas handling technology

收稿日期：2015-09-15

基金项目：中海油综合科研项目“海上在生产油气田挖潜增效技术研究”(CNOOC-KJ125ZDXM06LTD03ZJ12)

作者简介：吴绍伟(1983 — )，男，硕士，工程师，研究方向为采油气工艺。

中图分类号：TE933

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)03-0090-04