水力潜油泵在海上油田的应用分析

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)①

20世纪90年代，英国克莱德泵业公司针对普通电潜泵采油在高含气、高井温、稠油、产液变化大等情况下的不足之处，开始研制水力潜油泵。这种新型泵通过地面动力液增压泵及注入泵向井下注入动力液，带动涡轮旋，从而带动井下离心泵旋转，将井下液体通过油管举升到井上。

水力潜油泵具有较大的排量范围，最高可达14 000 m3/d，完全可以满足海上大排量开采需求；泵的长度较小，约为电潜泵长度的1/3，对于复杂井况的开采具有较强适应性；泵的使用寿命较长，约为电潜泵的3倍，可以大幅减少检泵作业成本。

目前该种泵型在我国还没有使用，国内外相关研究文献较少[1-10]。但是，随着水力潜油泵技术的进一步发展和国产化进程的加快，该泵在国内海上平台上将具有广阔的应用前景。

1 水力潜油泵系统及工作原理

水力潜油泵的工作形式有开环和闭环2种，如图1～2所示。

图1 水力潜油泵开环工作形式

图2 水力潜油泵闭环工作形式

开环是动力液与油藏流体在油管中混合举升到井口，混合返液通过井上分离器进行分离；闭环是动力液和油藏流体各形成一套循环管路，动力液和油藏流体互不影响。本文以开环为例进行阐述。

水力潜油泵系统由井上和井下2部分组成，如图3所示。井上部分包括地面管线、分离器、过滤器、动力液增压及注入泵等。井下部分包括封隔器、油管、涡轮、离心泵等。

图3 水力潜油泵系统示意

水力潜油泵运行时是通过井上动力液增压及注入泵将一定压力的动力液通过地面管路注入到油套环空中，动力液可以注入到一口井中，也可以注入到多口井中，实现多口井的同时生产。动力液通过油套环空进入涡轮中，驱动涡轮高速旋转，继而带动同一根轴上的离心泵高速旋转。离心泵吸入油藏流体，油藏流体从离心泵上端排出，动力液从涡轮下端排出，混合后通过油管举升到井上，混合液进入到井上的分离罐进行分离，分离出的动力液进入过滤器过滤后，通过井上地面增压及注入泵注入井下，进行下一个循环。分离出的产出液经地面管路进入处理系统。

水力潜油泵内部结构如图4所示，动力液进入平衡室后，一部分动力液用于涡轮的平衡，大部分动力液进入涡轮并带动涡轮高速旋转，这部分动力液中的大部分会进入集流环与产出液混合，但有小部分动力液进入到泵轴承和泵平衡鼓中。涡轮平衡鼓受到向上的力，与涡轮产生的向下轴向力平衡，泵平衡鼓受到向上的力与泵产生的向下推力平衡，使泵平衡运转。

图4 水力潜油泵内部结构示意

2 技术参数及技术特点

水力潜油泵长度5.6 m，约为电潜泵的1/3；排量300～14 000 m3/d；扬程小于1 500 m；气体处理能力GVF(泵吸入端气体体积百分数)对于连续气可以达到75%，对于段塞气可以达到100%；涡轮动力1 MW；转速4 000～15 000 r/min并可自动调节；在固体粒径100 μm时，最高可以接受50×10-6含量的固体；酸性环境可以适用到pH=4.5；可用于开采稠油，对流体黏度具有较大的适用范围；适用于斜井及水平井；平均检泵周期可达11 a。

1) 可靠性高。

水力潜油泵无井下电机，电缆等电器组件，无摩擦轴承，无机械密封，结构简单，只有涡轮、叶轮、轴等机械部件，不会因电器组件损坏导致检泵，可靠性高，检泵周期可达11 a，约为电潜泵的3倍，在海上使用水力潜油泵可以减少检泵次数，大幅度降低作业成本。

2) 适应多种井型。

水力潜油泵长度为5.6 m，减少狗腿度对泵下深的影响。涡轮、轴、导轮固定在机组中间位置，具有自我调节的涡轮及泵的推力平衡，不会因井型变化导致部件发生接触磨损，在井下不仅可以下入到稳斜段，还可以下入到水平段，适用于斜井、定向井、高狗腿度井和水平井。海上油田大多数是定向井及水平井，水力潜油泵可以具有较强的适用性。

3) 产液量调节范围大。

泵的产液量可以通过调整动力液的注入压力和注入量进行改变，随着动力液注入压力和注入量的增加，油井产液量增加，泵的转速在4 000～15 000 r/min，产量可达300～14 000 m3/d，适用海上油田油井大排量的需求。

4) 气体处理能力强。

水力潜油泵具有特殊的叶轮推进器，抑制气体在轮鼓处聚集，并且恒定功率涡轮会根据泵送流体组分变化自动调节转速，显著增加泵轮的压力和离心力，有效防止气锁产生。水力潜油泵气体处理能力GVF，对于连续气可以达到75%，对于段塞气可以达到100%。

5) 安装简单，减少作业时间。

水力潜油泵出厂时为组装集成单元，安装时不用联轴器和法兰对接，不用螺纹连接，安装时间短，减少作业时间。海上油田作业成本高，作业时间的减少可大幅降低作业费用。

3 海上油田的应用分析

水力潜油泵作为新型采油方式，可以应用在海上油田开采如下领域。

1) 边际油田，特别是无人平台。

无人平台修井困难，需要额外借助钻井船进行修井作业，作业成本高。水力潜油泵使用寿命可达11 a，可以大幅减少修井频率，降低70%的修井费用，降本增效显著。

2) 深水大排量油田。

深水油田产液量大，作业费用高，水力潜油泵具有排量范围大、检泵周期长、安装简单的特点，可降低作业成本，同时可简化水下采油树设计，无需使用水下湿式电接头及水下配电系统。

3) 稠油冷采油田。

稠油冷采井具有地下原油黏度高，不易开采，产量较小的特点。可以用稀油或者热水作为高压动力液注入井下，与稠油混合进行降黏开采，提高原油产量。

4) 稠油热采油田。

目前，稠油热采井多采用电潜泵开采，由于电缆耐温等级的限制，开采过程中需注采两趟管柱。水力潜油泵无电气元件，热采井开采只需下一趟管柱，可以节约￥100多万元的作业费用。同时，在注热的关键时期减少2 d起下管柱的时间，减少注热的损失，保证了热采的效果，大幅提升产量。

水力潜油泵目前在英国北海油田成功应用了40余口井，有的水力潜油泵已经正常运转13 a，取得了可观的经济效益。

4 结论

1) 水力潜油泵具有可靠性高、适应多种井型、产液量调节范围大、气体处理能力强及安装简单等显著特点，比电潜泵具有一定的优势，可以在特殊井况中应用。

2) 水力潜油泵在海上边际油田、深水大排量油田、稠油冷采油田及稠油热采油田开采中有较大应用空间。

3) 随着水力潜油泵技术的进一步发展和国产化进程的加快，该泵在海上油田开采领域将具有广阔的应用前景。