一种采油井井下旋流气砂分离锚的研究与应用

吴正银 李婧 张韬 张玉良

摘要：地层流体中所含的地层微粒、溶解气对采油设备的危害很大，直接影响着油井的正常生产。为减少地层微粒的运移而造成的损失，本文介绍一种新型除砂、脱气工具——一种采油井井下旋流气砂分离锚，依据螺旋离心运动的工作原理来分离不同密度的物质，工具在井下将对进入抽油泵的地层流体中的微粒、溶解气进行分离，从而提高抽油泵的工作效率。

关键词：离心力;地层微粒;溶解气;泵效。

背景：地层流体中含有地层砂，而地层砂的主要成份是二氧化硅，其硬度很高，是一种破坏性很强的的磨蚀剂，能使抽油泵阀座磨损而不密封，阀球点蚀，柱塞和泵筒拉伤或卡死。

当油井产液含砂量达到0.1%时，定为油井出砂，要保证油井的正常生产，需对油井采取防砂措施。而含砂量低于0.1%的油井同样在出砂，只是砂粒粒径小，多为地层中的充填砂，对于砂岩油藏，绝对不出砂的油井是不存在的。为减少地层微粒的运移而造成的损失，国内外都采用微粒稳定剂抑制地层微粒的运移，在正常开采中降低地层微粒运移的程度，从而减轻微粒运移造成的损失。虽然采用微粒稳定剂可以抑制地层微粒的运移，但是，还有少部分地层微粒随地层流体运移进入井筒内，对采油机械的运动部件造成损坏，同时，造成油井采油泵造成砂卡和油水井预留口袋砂埋等问题，使油水井不能正常进行工作，增加了油井维护费用的投入，另外影响单井产量。另外，在油田建设进入中后期，由于地层能量的减弱，注水驱油的措施加大等因素，油水井地层出砂较为严重。

影响抽油泵工作的溶解气，可能是同地层流体一起进入泵内的自由气，也可能是在抽油过程中由于泵入口压力下降从油中逸出的溶解气。溶解气的主要成分天然气（natural gas）。溶解气对抽油泵的泵效有双重影响，第一、气体占去泵内的部分空间，减少了油可以利用的空间;第二、气体干扰抽油泵凡尔的工作;抽油井生产时的泵效低多数都是由于溶解气的影响，就气体的体积和抽油泵的相互关系和影响来分析，油井内的溶解气在井内液体中比例较大时，将会对抽油泵的泵效影响造成很大的影响，造成气侵或气体碰撞活塞的问题，使采油泵处于干抽的状态。

对以上问题只要我们选择了合适的工具都可以得到改善，减少不必要的损失。我们研究的工具依据螺旋离心运动的工作原理来分离不同密度的物质，对进入抽油泵的地层流体进行高效分离，提高抽油泵的工作效率。

结构特点：该工具由上接头、放气阀、外管、中心管、分离伞、螺旋轨道、锥形管、特殊单向阀、导向管、短节等组成。

从结构简图中我们可以看到它具有以下特点：1.我们在工具结构设计中，利用气体和固体的物理性质，来实现气体和固体微粒的惯性分离;2.在结构设计中，取消了以往多进液孔结构，而是利用流体的运动力学来考虑，设计的进液口较大，能够保证泵效的最大化，从而进液口不会发生堵塞而影响油井的正常洗井作业;3.在内部结构设计中，设计的中心螺旋气砂分离轨道伞，很好地利用了流体的惯性和和抽吸动力，加大了流体在装置内的运动速度。

工作原理：利用油井环空液柱压力作为地层流体进入旋流气砂分离锚的入口动力，抽油泵在上冲程抽汲过程中，井内流体进入采油井井下旋流氣砂分离锚入口并沿采油井井下旋流气砂分离锚内壁的切线方向流入螺旋轨道。地层流体在中心螺旋气砂分离轨道伞内加速，以较高的流速旋转流动而产生的紊流及离心分离作用将油液、微粒、溶解气分开。

微粒、油液、溶解气之间存在着密度差，质量大的微粒和油液被聚积在螺旋轨道外侧向下作回旋运动，而质量小的溶解气则聚积在螺旋轨道内侧中心管处作回旋运动。因重力作用，溶解气回旋上升，经螺旋片上的排气孔向上运动至采油井井下旋流气砂分离锚顶部环形空间内形成“气帽”，当“气帽”内的压力达到一定值时顶开放气阀，溶解气进入油套环空。

微粒、油液沿螺旋轨道向下旋转进入锥形分砂室，在离心力及重力作用下，微粒被甩向锥形室内壁向下作回旋运动，沉入沉砂管内，而油液则集中在锥形室中心作回旋上升运动，进入中心管内再进入抽油泵泵筒内，对抽油泵的充满起到了补偿作用。在下冲程时，抽油泵停止抽汲，油套环形空间和采油井井下旋流气砂分离锚内的液流以重力分离的方式进行沉砂、脱气。

用途：该工具与常规管式泵、杆式泵配套使用可将进入抽油泵的地层流体进行高效脱气、脱砂，减少溶解气对抽油泵的影响，减少地层流体中的微粒对抽油泵的磨蚀，减少砂卡抽油泵的事故，延长抽油泵在井下的工作时间，提高抽油泵的充满程度。依据螺旋离心运动的工作原理来分离不同密度的物质，对进入抽油泵的地层流体进行高效分离，提高抽油泵的工作效率。如果流体中的溶解气进入抽油泵，溶解气在泵腔内占据一定的体积降低抽油泵泵效。该工具与常规管式泵、杆式泵配套使用可将进入抽油泵的地层流体进行高效脱气、脱砂，减少溶解气对抽油泵的影响，减少地层流体中的微粒对抽油泵的磨蚀，减少砂卡抽油泵的事故，延长抽油泵在井下的工作时间，提高抽油泵的充满程度。

技术参数：工具型号：JX—112，最大外径：∮112mm，最小内径：∮30mm，工具总长：2155mm，分砂粒径：≥20um，连接扣型：∮73mmUPTBG。

参考文献：

[1]《抽油泵》 · 沈迪成等著 · 石油工业出版社;

[2]《采油技术手册》·（第四分册 机械采油技术）·万仁溥 罗英俊等著 · 石油工业出版社;

[3]《石油与天然气工程技术手册》（下册  采油工程）.【美】William C.Lyons编. 李晓明  赵洪才等译  中国石化出版社。

作者简介：

吴正银，男， 1976年10月出生，石油井下作业高级技师，青海省技能专家，毕业于中国石油大学机械设计制造及其自动化专业。